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Ciencia del suelo

versión On-line ISSN 1850-2067

Cienc. suelo vol.29 no.2 Ciudad Autónoma de Buenos Aires jul./dic. 2011

 

TRABAJO

Influência da temperatura no diâmetro e na estabilidade de agregados em Chernossolo, Saskatchewan, Canadá

Temperature effect on aggregate diameter and stability in a Chernozem from Saskatchewan, Canada

 

Edivaldo Lopes Thomaz

Departamento de Geografia, Programa de Pós-Graduação em Geografia, Universidade Estadual do Centro-Oeste - UNICENTRO, Rua Simeão Camargo Varela de Sá, 03 - Cx. Postal, 3010, Centro Politécnico. Fone/fax: 55 (042) 3629 - 8117, CEP 85.040-430 - Guarapuava - Paraná - Brasil. Autor para correspondencia: thomaz@unicentro.br

Recibido: 28-12-10
Recibido con revisores: 03-05-11
Aceptado: 08-05-11

 


Resumo

O papel do fogo nos processos ambientais é amplamente reportado nos diversos ecossistemas da Terra. O fogo influencia diversos processos ambientais no solo (e.g. infiltração, erodibilidade, dinâmica de matéria orgânica etc.). Os objetivos deste ensaio realizado em laboratório foram: 1) verificar o efeito da temperatura na estabilidade de agregados em Chernossolo de ambiente temperado; 2) avaliar dois procedimentos para se detectar tal efeito nos agregados do solo (i.e. peneiramento seco e peneiramento submerso em água); 3) aplicar diferentes índices para mensurar possíveis mudanças na distribuição e na estabilidade de agregados (diâmetro médio, diâmetro médio geométrico e estabilidade de agregados em porcentagem). As amostras foram aquecidas em Forno Mufla, sendo submetidas aos seguintes tratamentos: controle (temperatura ambiente), 200 oC e 300 oC por 20 minutos e 580 oC durante 10 minutos. O solo foi afetado pelas diferentes temperaturas aplicadas. Na temperatura de 200 oC, verificou-se diminuição no diâmetro médio, no diâmetro médio geométrico e na estabilidade de agregados do solo. Os agregados de 2,8 mm foram os mais influenciados por esta temperatura. De modo contrário, a temperatura de 580 oC causou aumento nos referidos índices. A temperatura de 300 oC causou resposta intermediária em comparação as demais temperaturas. O peneiramento submerso em água foi a técnica mais eficiente na detecção do efeito da temperatura no solo.

Palavras-chave. Peneiramento seco e úmido; Diâmetro médio ponderado; Diâmetro médio geométrico.

Abstract

The role of fire on environmental processes is widely reported in several Earth ecosystems. Fire affects environmental processes (e.g. infiltration, erodibility, organic matter dynamic etc.). The objectives of this laboratory study were: 1) to establish the effect of temperature on aggregate stability in a Chernozem soil from a temperate environment; 2) to evaluate two procedures to detect such effects on soil aggregates (i.e. dry and wet sieving); 3) to use different indexes to measure possible changes in aggregate distribution and stability (mean weight diameter, geometric mean diameter and aggregate stability). The samples were heated in a muffle furnace, and subjected to the following treatments: control (room temperature), 200 oC and 300 oC for 20 minutes and 580 oC for 10 minutes. The Chernozem soil was affected by the different temperatures. At 200 ºC, there was a decrease in the geometric mean diameter, mean weight diameter and the soil aggregate stability. Aggregates of 2.8 mm were most influenced by this temperature. On the other hand, the 580 °C temperature caused an increase in these indexes. The 300 °C temperature caused intermediate response compared to other temperatures. The wet sieving was the most efficient technique to detect the temperature effects on soil.

Key words. Dry and wet sieving; Mean diameter; Geometric mean diameter.


 

INTRODUÇÃO

O papel do fogo nos processos ambientais é amplamente reconhecido e relatado nos diversos ecossistemas da Terra. De tal modo, o fogo é considerado um importante agente hidrológico, geomorfológico e ecológico que influencia direta e indiretamente toda a dinâmica ambiental de uma bacia de drenagem ou ecossistema (Doerr et al., 2000; Shakesby & Doerr 2006). Frente à perspectiva de mudanças climáticas os incêndios florestais deverão ser mais freqüentes também nos diferentes ecossistemas latino-americanos (FAO 2001).
A temperatura tende a ser alta na superfície do solo (1150 oC) e a decrescer à medida do aumento da profundidade (17 oC a 7 cm de profundidade). A mensuração realizada em um mesmo incêndio a temperatura do solo em diferentes profundidades foi: superfície (500-750 oC); 2 cm (350-450 oC); 3 cm (150-300 oC) e 5 cm (<100 oC) (Úbeda & Outeiro, 2009). De tal modo, a maioria das mensurações da temperatura no solo é realizada em profundidade não superior a 10 cm, pois abaixo dessa profundidade pouco aumento da temperatura e efeito no solo tem sido observado (Úbeda & Outeiro, 2009).
A variação de intensidade do fogo (temperatura/ duração) na superfície tem influência no aumento da erodibilidade do solo (Giovannini et al., 2001). Os macro-agregados são os mais afetados pela temperatura. A queima destrói materiais orgânicos (raízes, filamentos de fungos, matéria orgânica transiente) que são importantes agentes cimentantes de macroagregados.
O fogo causa, ainda, diversas mudanças diretas e indiretas no solo: afeta a estabilidade de agregados, altera a infiltração, aumenta o escoamento superficial, aumenta a perda de solo entre outras (Inbar et al., 1998; Huffman et al., 2001; Shakesby et al., 2003; Certini 2005; Úbeda & Bernia, 2005; Shakesby & Doerr 2006; Fox et al., 2007; Thomaz, 2009). O fogo afeta também as propriedades físicas (tamanho e distribuição dos poros, estabilidade dos agregados) e químicas do solo (mineralogia e pH) (Kettrings & Bigham 2000; Doerr & Cerdá, 2005).
Ocorre também influência na dinâmica biológica e na qualidade de água em áreas afetadas pelo fogo. Araújo et al. (2004) constataram que a composição da comunidade de formigas foi afetada pelo fogo em palhada de cana-de-açúcar. Os autores reportam que logo após a queima, houve redução na freqüência de captura de espécies de formigas. A persistência do efeito do fogo sobre a comunidade de formigas foi notada até após 270 dias da queima controlada.

Temporetti (2006) verificou a persistência na deterioração da qualidade de águas em arroios após três anos de incêndios florestais. Segundo o autor, as concentrações de nitratos foram mais elevadas nos locais queimados em comparação com locais onde não ocorreram incêndios. Igualmente, Bran et al. (2007) destacam o efeito da severidade do fogo no restabelecimento de espécies vegetais. Além disso, esses mesmos autores destacaram outras possíveis conseqüências negativas da aplicação do fogo sobre o solo como erosão e perda de fertilidade.
Em teste em laboratório com Forno Mufla, o solo tem sido submetido à diferente tempo de exposição ao calor. Letey (2001) reporta estudos em que a exposição de material à temperatura durou 2, 5, 10 e 20 minutos, Garcia-Corona et al. (2004) destacaram exposição de material por 30 minutos, enquanto Ketterings & Bigham (2000) expuseram o solo a determinada temperatura por até 8 horas. Ulery & Graham (1993) classificaram a intensidade do fogo em três categorias: entre 100-250 oC baixa intensidade; 300-400 oC intensidade média e 500 °C mais alta intensidade.
Acreditase que o tempo de exposição à temperatura de 20 minutos nas referidas temperaturas, seja suficiente para causar efeito na estabilidade de agregados e no diâmetro dos agregados do solo. Além disso, poucos estudos têm avaliado o efeito da temperatura na mudança do diâmetro de agregados do solo.
Os objetivos deste ensaio realizado em laboratório foram: 1) verificar o efeito da temperatura na estabilidade de agregados em Chernossolo de ambiente temperado; 2) avaliar dois procedimentos para se detectar tal efeito nos agregados do solo (peneiramento seco e peneiramento submerso em água); 3) aplicar diferentes índices para mensurar possíveis mudanças na distribuição e na estabilidade de agregados (diâmetro médio, diâmetro médio geométrico e estabilidade de agregados em porcentagem).

MATERIAL E MÉTODO

Características do solo e do local de proveniência

O experimento foi realizado com solo proveniente de ambiente temperado, com amostras tomadas num solo localizado em Saskatchewan-Canadá. As principais características do local onde foram coletadas as amostras, bem como as características do solo (0-20 cm), podem ser observadas no Tabela 1.

Tabela 1. Características do local e do solo avaliado.
Table 1. Site and soil characteristics.

Mensuração do efeito das temperaturas

Cinqüenta gramas (50g) de solo obtido a partir de peneiramento em peneira de 8,0 mm foram submetidas aos seguintes tratamentos: controle (temperatura ambiente), 200 oC e 300 oC por 20 minutos e 580 oC durante 10 minutos. Foram realizadas 5 repetições em cada tratamento. Após a retirada das amostras do forno (Mufla), elas permaneceram em temperatura aproximada de 22 oC por 24 horas. Posteriormente, as amostras foram submetidas a dois métodos desruptivos: peneiramento seco e peneiramento submerso em água.
Os dados foram tabulados e tratados por meio do software BioEstat 5.0. A análise dos dados foi realizada da seguinte forma: 1) estatística descritiva (média, desvio padrão e coeficiente de variação); 2) Foi realizada a comparação de médias pareadas para todos os tratamentos pelo teste t. A aplicação das técnicas e análises estatísticas seguiu as recomendações e procedimentos contidos em Vieira (1999).

Peneiramento seco (PS)

As amostras (50g) foram peneiradas por 30 segundos em agitador de peneira eletromecânico para separar as classes de agregados. As amostras foram fracionadas de acordo com as seguintes classes granulométricas: 2,8 mm; 2,0 mm; 1,0 mm; 0,5 mm; 0,25 mm. Em seguida, pesou-se a fração retida em cada peneira.

Peneiramento submerso em água (PU)

O material foi submetido à imersão para umedecimento via capilar por 5 minutos. Em seguida, o material foi agitado levemente com movimentos ascendente e descendente por 20 minutos (40 rpm). O procedimento empregado no peneiramento submerso foi adaptado a partir de Yoder (1936). O material retirado das peneiras foi seco a 105 oC por 24 horas, em seguida foi pesada a fração retida em cada peneira. Foram utilizadas as mesmas aberturas das peneiras aplicadas ao peneiramento seco. A fração areia e silte grosso foram corrigidas através de peneira com abertura de 0,053 mm.
Em ambos os procedimentos a distribuição e quantidade de agregados (peso-volume) de uma peneira para outra foi obtida por meio da razão entre a quantidade de agregados retidos em cada peneira pelo total de material avaliado (Equação 1). A fração areia contida nos agregados foi desconsiderada nas análises. Os índices dos agregados: agregado retido na peneira em porcentagem, diâmetro médio, diâmetro médio geométrico e estabilidade de agregados em porcentagem, foram obtidos por meio das equações abaixo:

A% = Agregado retido na peneira em porcentagem
PAR = Peso de agregado retido na peneira (g)
PAT = Peso total da amostra total (g)

DMA = Diâmetro Médio de Agregados

xi =    Diâmetro médio da classe de agregados (mm)
yi =    Proporção de agregado retido em cada classe em relação à amostra total

DMG= Diâmetro Médio Geométrico
PAi = Peso de agregado de cada classe (g)
ln DMCi = Logaritmo natural do diâmetro médio da classe
PTAi = Peso Total da Amostra

EA%= Estabilidade de Agregados em porcentagem
PAR =Peso de Agregados Retidos >0,25 mm
PA =    Peso de Agregados <0,25 mm
PTA = Peso Total da Amostra

Os índices apresentam interpretações diferentes, o DMA aumenta à medida que agregados maiores fica retido nas peneiras, o DMG indica a classe de agregados mais freqüente no solo e a EA% pode variar de 1 a 100% e indica a agregação de acordo com o tratamento aplicado no solo (e.g. manejo do solo) (Kemper & Rosenau 1986; Castro Filho et al., 2002; Díaz-Zorita et al., 2002).

Análise de Dados

Os dados foram tabulados e tratados por meio do software BioEstat 5.0. A análise dos dados foi realizada da seguinte forma: 1) estatística descritiva (média, desvio padrão e coeficiente de variação); 2) análise de variância univariada (ANOVA); 3) comparação de médias pelo teste t. A aplicação das técnicas e análises estatísticas seguiu as recomendações e procedimentos contidos em Vieira (1999).

RESULTADOS

Não foi observada diferença estatística significativa entre os tratamentos avaliados por meio do peneiramento seco (PS). A distribuição granulométrica registrou maiores variações nos agregados de 2,8 mm e nos inferiores a 0,25 mm. As amostras no peneiramento seco tiveram maior porcentagem de agregados de 2,8 mm, redução de agregados de 2,0 mm, e aumento na fração dos agregados inferiores a 0,25 mm (Tabela 2).

Tabela 2. Porcentagem de agregados de para os diferentes tratamentos submetidos a peneiramento seco*.
Table 2. Percentage of aggregates according to different treatments subjected to dry sieving.

As amostras submetidas ao peneiramento submerso em água (PU) apresentaram maior heterogeneidade na resposta as temperaturas, sendo que em algumas classes de agregados e em determinados tratamentos ocorreram diferenças estatísticas significativas, enquanto, em outras situações isso não ocorreu. Por exemplo, o tratamento com temperatura de 580 oC apresentou comportamento semelhante ao controle (Tabela 3).

Tabela 3. Porcentagem de agregados para os diferentes tratamentos submetidos a peneiramento submerso em água.
Table 3.
Soil aggregate percentage according to different treatments subjected to wet sieving.

A diferença mais evidente ocorreu nas temperaturas de 200 oC e 300 oC, especialmente, nos agregados de 2,8 mm. No caso dos agregados submetidos a temperaturas de 200 oC, devido a ruptura dos agregados de 2,8 mm houve aumento de 46,3% nas classes de agregados de 0,25 mm e de 18,8% na inferior a 0,25 mm. Por sua vez, nos agregados submetidos a temperaturas de 300 oC a ruptura dos agregados de 2,8 mm fez aumentar as classes de agregados de 1,0 mm e 0,5 mm em 31,9% e 42,7%, respectivamente. Na temperatura de 580 oC ocorreu 20,7% mais retenção de agregados de 2,8 do que no controle.
Não foram detectadas mudanças significativas no DMG (média 0,97±0,02 mm) nos tratamentos submetidos ao PS (Fig. 1). No procedimento PU não ocorreu diferença significativa apenas entre o tratamento controle e solo que recebeu temperatura de 300 oC. O DMG diminuiu 5,6% entre o controle (0,94 mm) e o solo aquecido a 200 oC (0,89 mm). Na maior temperatura (580 oC)
houve equivalência no DMG (0,96 mm) em ambos os procedimentos adotados (PS e PU).


Figura 1. Diâmetro médio geométrico de agregados (mm) submetidos a diferentes temperaturas e avaliados por peneiramento seco e submerso em água. Nota: n.s (não significante); médias seguidas de letras iguais não diferem ao nível de 5% pelo teste t.
Figure 1. Geometric mean diameter of aggregates (mm) in different temperatures and assessed by dry and wet sieving.

No PS não se registrou alteração estatisticamente significante no DMA. Em contrapartida, no PU observouse diferenças significativas no DMA em todos os tratamentos (Fig. 2). O DMA foi alto no solo controle (1,05 mm) e decresceu 56,7% no solo submetido a temperatura de 200 oC (0,67 mm). Posteriormente, houve aumento gradual no DMA nas temperaturas maiores. O DMA na temperatura de 580 oC (1,18 mm) foi apenas 7,6% inferior ao registrado no controle submetido ao procedimento PS (1,27 mm) e 12,3% superior ao solo controle submetido a PU. Não houve diferença significativa (P>0,05%) no DMA na temperatura de 580 oC no dois procedimentos aplicados (PS e PU).


Figura 2. Diâmetro médio de agregados (mm) submetidos a diferentes temperaturas e avaliados por peneiramento seco e submerso em água. Nota: n.s (não significante); letras iguais não diferem ao nível de 5% pelo teste t.
Figure 2. Mean weight diameter of aggregates (mm) under different temperatures, assessed by dry and wet sieving.

Do mesmo modo que nas demais avaliações, não houve diferenças significativas na EA nos solos em que foi aplicado PS (Fig. 3). Observou-se que a EA foi 2,3 vezes inferior no controle quando este foi submetido ao peneiramento por via úmida. No PU apenas o solo submetido à temperatura de 200 oC apresentou diferença na EA Nas demais temperaturas (300 oC e 580 oC) houve gradual incremento na EA de 34,0% e 50,3% respectivamente em comparação ao solo controle. Não ocorreu diferença significativa (P>0,05%) nos dois procedimentos aplicados (PS e PU) na temperatura de 580 oC.


Figura 3. Estabilidade de agregados (%) submetidos a diferentes temperaturas e avaliados por peneiramento seco e submerso em água. Nota: n.s (não significante); média seguida de letras iguais não difere ao nível de 5% pelo teste t.
Figure 3. Aggregates stability (%) in different temperatures and assessed by dry and wet sieving.

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

Observou-se que neste estudo os agregados de 2,0 mm foram os mais afetados, especialmente, nas temperaturas de 200 oC. Esta temperatura foi possivelmente suficiente para destruir os agentes cimentantes dos agregados maiores. Este efeito influenciou nos índices DMG, DMA e na EA% que foram sempre inferiores na referida temperatura. Neste mesmo solo, Thomaz (2008), constatou repelência (hidrofobia), contudo ocorreu tendência na redução no tempo TPGA (Tempo de Penetração de Gota de Água) à medida que houve aumento das temperaturas aplicadas ao solo. Portanto, neste solo (Chernozem, Swinton silt loam) as diferentes temperaturas tiveram efeito tanto nas características dos agregados, quanto na repelência.
Em alguns casos o fogo gera nova agregação de partículas devido à recristalização de óxidos de Fe e Al (Certini 2005; Úbeda & Bernia 2005; Shakesby & Doerr 2006; Fox et al., 2007). Este tipo de resposta ocorreu provavelmente nas temperaturas maiores 300 oC e 580 oC,
sobretudo nesta última. Pois, muitas vezes os índices avaliados nesta temperatura foram superiores ao material controle, até mesmo quando os agregados obtidos por PU foram comparados aos obtidos por PS.
Certini (2005) em extensiva revisão sobre o efeito do fogo nas propriedades de solos de floresta destaca que: ocorre diminuição da estabilidade estrutural; aumenta a densidade do solo; a estrutura mineralógica pode mudar em temperaturas acima de 500 oC; ocorre redução de matéria orgânica; existe redução na capacidade de troca de cátions entre outras mudanças.
Frente à perspectiva de mudanças climáticas os incêndios florestais deverão ser mais freqüentes também nos diferentes ecossistemas brasileiros (FAO, 2001). Portanto, torna-se um importante desafio investigar e predizer os efeitos do fogo nos processos ambientais em cenários de mudanças climáticas globais e de uso da terra (Shakesby & Doerr, 2006 p. 2227).
Por fim, outro aspecto relevante na América Latina além dos incêndios florestais são as práticas de agropecuárias que utilizam o fogo para limpeza do terreno (Mausolff & Farber, 1995; Salcedo et al., 1997; Silva-Forsberg & Fearnside, 1997; Grau & Brown, 2000; Bran, et al., 2007; Thomaz, 2009). Temperaturas de queima relativamente baixas (100-250 oC, Ulery & Graham, 1993) podem ser facilmente alcançadas pelo fogo, influenciando especialmente, a estabilidade dos macroagregados. Portanto, nas áreas agrícolas que utilizam fogo para limpeza do terreno, distúrbios no topo do solo podem ocorrer, resultando em influências nos processos ambientais.
As amostras do Chernossolo foram afetadas pelas diferentes temperaturas. Entretanto, a resposta do solo
foi diferente para cada uma das temperaturas aplicadas. Na temperatura de 200 oC, verificou-se o maior efeito no diâmetro médio, no diâmetro médio geométrico e na estabilidade de agregados do solo. Os agregados de 2,8 mm foram os mais influenciados por esta temperatura.
A temperatura de 300 oC causou resposta intermediária em comparação as demais temperaturas. Por sua vez, a temperatura de 580 oC causou o aumento no diâmetro médio geométrico, no diâmetro médio e na estabilidade de agregados do solo, sendo em muitas análises igual ou superior ao solo controle, mesmo quando este foi submetido ao peneiramento seco.
Através do peneiramento seco não foi possível detectar o efeito da temperatura no solo. Ao contrário, o peneiramento submerso em água foi mais eficiente na detecção do efeito da temperatura no solo. Assim, é recomendado que esta deva ser uma das técnicas padrão neste tipo de investigação.
Os índices utilizados (diâmetro médio, diâmetro médio geométrico e estabilidade de agregados em porcentagem) foram importantes para identificar a mudança nos diâmetros dos agregados do solo, bem como na estabilidade dos agregados. Pois, os índices são influenciados por um comportamento específico relacionado a cada classe de agregado presente no solo. Portanto, esses índices também devem ser aplicados na investigação do efeito da temperatura no solo.

AGRADECIMENTOS

Ao Programa de Pós-Graduação em Geografia Física da Universidade de São Paulo, que por meio de bolsa de doutoramento (CNPq) permitiu que esta pesquisa fosse realizada. Ao Prof. Rorke B. Bryan (Universidade de Toronto, Canadá) pela orientação durante a pesquisa. Agradeço também a contribuição dos revisores anônimos no aprimoramento deste trabalho.

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