Emprego de Isótopos Estáveis para o Estudo do Carbono e do ... · Manejo de Sistemas Agrícolas para Seqüestro de Carbono no Solo343 Capítulo 13 Emprego de Isótopos Estáveis

343Manejo de Sistemas Agrícolas para Seqüestro de Carbono no Solo

Capítulo 13

Emprego de Isótopos Estáveispara o Estudo do Carbono e do

Nitrogênio no Sistema Solo-Planta

Bruno José Rodrigues AlvesLincoln Zotarelli

Cláudia Pozzi JantaliaRobert Michael Boddey

Segundo Urquiaga

Introdução

Para o sucesso da agricultura, é importante conhecer como aspráticas voltadas para o manejo dos componentes dos sistemas deprodução interferem nos processos de formação da matéria orgânicano solo e na disponibilidade de nutrientes para as culturas. As avaliaçõesquantitativas (estoques e fluxos) são importantes para dimensionar oresultado dos fatores envolvidos em um determinado sistema de produção.Por sua vez, o entendimento do papel desses fatores pode ser conhecido,de forma acurada e precisa, por meio do emprego de isótopos.

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Os isótopos 13C e 15N têm tido ampla aplicação na pesquisacientífica, não somente por serem estáveis e, por isso, não ofereceremriscos no manuseio, mas porque são isótopos de dois elementos de grandeimportância para o crescimento vegetal e que possuem os ciclos maiscomplexos nos sistemas agrícolas.

Estudo da dinâmica de carbono

A matéria orgânica tem grande influência sobre as propriedadesquímicas e físicas dos solos tropicais e por isso é considerada componente-chave para a sustentabilidade dos sistemas agrícolas. A decomposiçãode resíduos de vegetais e animais que chegam ao solo, que podemcontribuir para o acúmulo de matéria orgânica no solo, reúne processosbiológicos que são componentes essenciais do ciclo do C. Durante oprocesso de decomposição dos resíduos orgânicos, alguns compostosescapam da ação biológica por intermédio da interação com colóidesminerais do solo, ou pelas próprias características estruturais que lhesconfere recalcitrância, e passam a formar o húmus ou a matéria orgânicacoloidal do solo. Assim, a qualidade e a quantidade do resíduo orgânicoimplicará maior ou menor acumulação de matéria orgânica no solo(URQUIAGA et al., neste Livro).

As convenções sobre clima, realizadas na última década, trouxeramà tona a discussão sobre estratégias para o aumento nos estoques dematéria orgânica no solo, pois, além de proporcionar uma condiçãomais favorável para a fertilidade do solo, representa uma forma de mitigaro aquecimento do planeta pela diminuição da concentração de CO

2 na

atmosfera (LAL; KIMBLE, 2000). Pela importância que representa a matériaorgânica no solo, é importante conhecer a influência dos sistemas florestais,agrícolas e pastoris sobre o seu efeito no acúmulo ou preservação dessecomponente do solo.

A abundância natural do 13C

Na natureza, existem dois isótopos do C que são estáveis e seencontram na natureza em suas devidas proporções. O 12C é o mais

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leve e apresenta a maior proporção em relação ao total de C nanatureza (98,89%), e o 13C conta com apenas 1,11% do total. Essasproporções se mantêm relativamente estáveis em qualquer resíduoorgânico. No entanto, com o advento de espectrômetros de massasmais sensíveis, encontrou-se que, quando o C passa de um estadofísico-químico para outro, ocorre uma discriminação entre os doisisótopos, ou seja, um isótopo muda de estado preferencialmente, oumais rapidamente, em relação ao outro. Isso faz com que ocorra umavariação na casa dos milhares na proporção 13C/12C. As análises dacomposição isotópica de C são feitas medindo-se a relação de 13C/12Cdas amostras em relação a um padrão internacional, e o resultado éexpresso em termos de diferença de δ13C em relação ao padrão.O padrão internacional para o carbono é uma rocha calcária encontradaem uma formação geológica denominada Pee Dee, na Carolina doNorte, EUA, cuja abreviação é PDB (Pee Dee Belemnite), e tem umarelação molar de 13C/12C (R) de 0,01124. Os desvios em relação aopadrão são conhecidos como unidades δ (letra grega delta minúscula),e como são valores muito pequenos convencionou-se expressá-los empartes por mil (‰).

A composição isotópica das plantas em relação ao padrão PDB édeterminada pela equação:

Em queR é a relação molar 13C/12C.

Como a relação molar 13C/12C das plantas é inferior à do PDB, oδ13C

PDB das plantas é negativo.

Usando-se essa terminologia, os valores de δ 13C do CO2 atmosférico

situam-se em torno de -7 ‰ δPDB

13C, e as plantas têm valores variandode -11 a -35 ‰ δ

PDB13C (FARQUHAR et al., 1989). Daqui por diante, se

utilizará o termo 1 delta como equivalente a 1 ‰ δPDB

13C.

As maiores diferenças na composição isotópica de C nos tecidosvegetais são observadas entre espécies que têm ciclo de carboxilaçãoC

3 e as que têm ciclo C

4. As plantas do ciclo C

3 (ou de Calvin) fixam o

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CO2 atmosférico através da enzima Rubisco (Ribulose bifosfato

carboxilase/oxigenase), enquanto as C4 fixam CO

2 através da enzima

PEP carboxilase (fosfoenolpiruvato carboxilase). A PEP carboxilaseapresenta alta afinidade (baixo K

m) pelo CO

2 (MAGALHÃES, 1985). Como

a Rubisco apresenta uma menor afinidade pelo CO2 esta enzima

discrimina o isótopo pesado de carbono, 13C, em relação ao isótopoleve, 12C, muito mais do que a PEP, e assim, as plantas de ciclo C

3

acumulam menos 13C. A discriminação envolvida nesse processo foirelatada por Smith & Epstein (1971) para diversos grupos de plantas(Fig. 1). Nesse estudo, observou-se que uma significativa discriminaçãoisotópica ocorria com intensidades diferentes entre plantas de ciclofotossintético C

3 e C

4, as quais foram separadas em diferentes grupos.

Plantas de ciclo C3, como as dicotiledôneas, discriminam mais

intensamente o 13C e por isso apresentam variações na abundânciaisotópica de 13C que variam de -20 a -34 deltas (em média -27 deltas).Exemplares desse grupo com maior abundância de 13C pertencem aambientes mais secos e, supostamente, devem apresentar algumaevolução no sistema fotossintético, afetando o aproveitamento do CO

2

atmosférico.

As plantas de ciclo C4, em sua maioria monocotiledôneas,

discriminam menos o 13C e apresentam valores que variam de -9 a-17 deltas (em média -13 deltas). Em virtude da diferença média de 14deltas, pode-se dizer que os ciclos fotossintéticos podem seridentificados com base na análise da variação da abundância isotópicade 13C.

Entretanto, adaptações que levam a maiores relações 13C/12Cparecem ser uma resposta da vida sob condições mais limitantes, comosob os ambientes xéricos e aquáticos. As briófitas podem apresentar umsinal isotópico semelhante a plantas C

3 ou C

4, dependendo das condições

de disponibilidade de água. As algas podem ter como fonte de C obicarbonato dissolvido na água, o que poderia explicar valores maisaltos de δ13C encontrados para alguns representantes dessa família(Fig. 1). Em condições de estresse hídrico, plantas de ciclo C

3 tendem a

discriminar menos o 13C, o que tem sido utilizado como uma ferramentapara seleção de variedades mais adequadas para climas mais áridos(PATE, 2001).

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Dinâmica do C do soloavaliada por meio do isótopo 13C

O uso da abundância natural de 13C para estudo da origem do Cdo solo pressupõe que a matéria orgânica do solo reflete o materialvegetal do qual se derivou (uma marcação in situ). Essa discriminaçãoisotópica do 13C durante a decomposição do resíduo altera levemente amarcação isotópica da matéria orgânica do solo e o grau com que issoocorre está relacionado com a composição química dos resíduos.Resíduos vegetais mais ricos em compostos, como proteínas, açúcares,aminoácidos e ácidos orgânicos, têm valores similares de 13C dentro deplantas com diferentes ciclos fotossintéticos (por exemplo – C

4 e algodão

– C3), e são facilmente decomponíveis. Lipídeos e carotenóides, porém,

são empobrecidos em 13C nessas duas espécies e de decomposição maislenta (WHELAN et al., 1970). Celulose e hemicelulose compõem de57% a 77% do tecido de plantas herbáceas, e são tipicamente

Fig. 1. δ13C em diferentes grupos de plantas.Fonte: Adaptada de Smith e Epstein (1971).

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enriquecidas em 13C de 1-2 deltas em relação ao material total da planta.Plantas arbóreas possuem de 17% a 31% de lignina na sua biomassa dotecido lenhoso, que possui maior teor de carbono (>50%) do que acelulose, sendo por isso responsável por uma maior percentagem do Ctotal. A lignina é um composto de difícil decomposição e empobrecidoem 13C em relação à celulose (BENNER et al., 1987), o que é um outrofator para determinar a marcação final da matéria orgânica do solo.Não obstante, tem sido observado que, na maioria dos casos, adiscriminação isotópica pela decomposição é pequena e varia entre 1e 2 deltas (BALESDENT; MARIOTTI, 1987; MARTIN et al., 1990).

A técnica de variação da abundância natural de 13C é empregadacom sucesso em vários estudos para estudar a dinâmica de carbono dosolo, em longo prazo, em que o padrão fotossintético da vegetaçãooriginal foi modificada (BALESDENT; MARIOTTI, 1987; MARTIN et al.,1990; SKJEMSTAD et al., 1990; JASTROW et al., 1996).

Um exemplo dessa relação foi mostrado no trabalho publicadopor Tarré et al. (2001), que estudou a variação na marcação isotópicado C em uma pastagem de braquiária (plantas C

4) estabelecida em uma

área anteriormente ocupada por uma floresta (ciclo C3). A matéria

orgânica do solo sob floresta que tinha uma composição isotópica inicialem torno de -25 deltas, recebeu por um longo tempo carbono enriquecidoem 13C da pastagem (aproximadamente -12 deltas) e teve suacomposição isotópica modificada até 30 cm de profundidade (Fig. 2).

Sabendo-se a composição isotópica inicial do solo sob a vegetaçãonativa e sob a cultura, é possível calcular a quantidade de C derivadodas plantas C

3 e C

4, o que é interessante em estudos de ciclagem do

carbono no solo e decomposição da matéria orgânica (BALESDENTet al., 1988; MARTIN et al., 1990; SISTI et al., 2003).

Para calcular a proporção da matéria orgânica de origem C3 nativa

que é substituída pela matéria orgânica derivada de espécies C4,

ouvice-versa, utiliza-se a seguinte relação:

%MOSA = 100 -%MOSf

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Em que

%MOSF é a proporção da matéria orgânica do solo derivada da

vegetação nativa (C3), que possui uma marcação natural δ13C

F.

δ13CA é a marcação natural da vegetação C

4.

δ13CB é a marcação natural do C do solo sob a nova vegetação.

É uma metodologia simples de ser empregada e sem riscos para ooperador, e demanda, principalmente, um espectrômetro de massas dealta precisão para análise da composição isotópica das amostras.

Utilizando essa técnica na França, Balesdent & Mriotti (1987)observaram que após 23 anos de cultivo onde as folhas e colmos domilho eram incorporadas no solo, somente 19% do C-orgânico do solo,nas frações de 0-50 µm, era proveniente do milho. Quando esses resíduosforam deixados em superfície, a incorporação do C-milho no C-orgânicodo solo ficou em torno de 13%.

Fig. 2. Abundância de 13C no perfil de um solo sob pastagens de Brachiariahumidicola.Fonte: Tarré et al. (2001).

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Em sistemas consorciados, a matéria orgânica nativa do solo deorigem C

3 (por exemplo, no caso de áreas cuja vegetação nativa era

uma floresta) é substituída por matéria orgânica derivada de culturas deciclos C

3 e C

4. Nesse caso, pode ser necessário estimar a contribuição da

cultura de ciclo C3 para o estoque de matéria orgânica do solo, ou mesmo

para melhor compreender a dinâmica da matéria orgânica do solo(TARRÉ et al., 2001; SISTI et al., 2003). Uma forma de estimar acontribuição dos resíduos da espécie C

3 foi proposta por Cadisch & Giller

(1996), para avaliar o papel das leguminosas forrageiras em pastagensde braquiária, e é expressa na equação que se segue:

Em que

%MOSl é a proporção da matéria orgânica do solo derivada da espécie

C3, que possui uma marcação natural δ13C

l.

δ13Cg é a marcação natural na espécie C

4 e δ13C

(g) a marcação do solo

sob esta espécie.

δ13C(gl)

é a marcação natural do C do solo sob o consórcio.

C(g)

e C(gl)

são, respectivamente, o conteúdo de C do solo sob a espécieC

4 e sob o consórcio.

Fica claro que, para o emprego dessa técnica, é necessário terum sistema-controle em que somente espécies C

4 sejam utilizadas. Essa

técnica também possui a premissa de que a quantidade de C nativo dosolo é semelhante na área consorciada e na área-controle.

Origem e destino do N em sistemasagrícolas por meio do emprego de 15N

Os solos tropicais são caracteristicamente pobres em N disponívelpara a maioria das culturas-planta, e a adição de adubos ricos nesseelemento são fundamentais para garantir alta produtividade das mesmas.No entanto, as quantidades a serem aplicadas, assim como a forma e

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localização, são variáveis importantes do manejo das culturas e sãodeterminantes para o nível de aproveitamento do N derivado dos adubos.Do ponto de vista ambiental, é importante otimizar o uso dos fertilizantespara reduzir os níveis de perda (ou risco de poluição), e, por sereminevitáveis, conhecer a forma com que esse elemento está sendo perdidopara o meio ambiente. O N é, também, um dos elementos maisimportantes no processo de acumulação de matéria orgânica no solo(URQUIAGA et al., 2002), e, dessa forma, espécies vegetais que possamintroduzir N no sistema por meio do processo de fixação biológica denitrogênio, como os adubos verdes, aumentam as possibilidades deacumular matéria orgânica no solo, além de diminuírem a necessidadede fertilização com N (ZOTARELLI et al., 2002). As técnicas baseadasno uso de 15N possibilitam uma melhor compreensão da dinâmica dessenutriente no sistema solo-planta-atmosfera.

A técnica parte do princípio de que qualquer material existentena natureza que possua nitrogênio em sua constituição apresentaráuma proporção de 0,366% de átomos de 15N em relação ao total de N,que em sua maioria é composto do isótopo 14N. Assim, se uma plantacresce utilizando N de duas fontes (ex. solo e fertilizante), e uma delasfor artificialmente enriquecida com 15N, é possível determinar acontribuição de cada uma para a nutrição da planta. Estudos maisdetalhados de cada fonte também podem ser feitos, como avaliaçãoda eficiência de fertilização, perdas do sistema, etc., como serámostrado mais adiante.

O enriquecimento das fontes de N se faz com a adição de fertili-zantes enriquecidos com 15N, como sulfato de amônio, por exemplo.Por meio de técnicas que empregam resinas de troca iônica, é possívelobter substâncias nitrogenadas com uma proporção de 15N maior doque a encontrada na natureza (ex. com 1% de 15N em relação ao total).De fato, a maioria das metodologias que empregam o isótopo 15N utilizasubstâncias enriquecidas em 15N. Quando se trabalha com substânciasenriquecidas, é comum utilizar-se o resultado de enriquecimento emexcesso, ou seja, o valor de enriquecimento acima da abundâncianatural. Em termos práticos, desconta-se o valor 0,366% do resultadoda análise da amostra.

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Uso de material enriquecido com 15N

Uma possibilidade para o uso de 15N como traçador é o empregoda marcação direta de resíduos orgânicos. Nesse caso, o resíduo deinteresse deve ser marcado pela adição de um fertilizante marcadocom 15N durante o crescimento da planta. No caso de adubos verdes,por exemplo, é comum o interesse em medir a transferência do Nexistente no adubo verde para a cultura sucessora. Nesse caso, pode-se crescer a espécie utilizada como adubo verde em recipientes sobcondição de irrigação controlada e fertilizá-los com 15N. A plantacrescerá em um meio onde a fonte de N está enriquecida com 15N econseqüentemente os tecidos dessa planta ficarão com alta marcaçãode 15N. O adubo verde poderá ser utilizado em experimentos de vasosou diretamente no campo. No último caso, uma área é delimitada e omaterial existente é substituído na mesma proporção pelo adubo verdemarcado. A proporção do N derivado do adubo verde (%Ndav) écalculada como sendo:

No trabalho desenvolvido por Cueto-Wong et al. (2001), objeti-vou-se avaliar o papel da adubação verde na nutrição do sorgo. Foramutilizadas como adubo verde ervilhaca-peluda (Vicia villosa) e alfafa(Medicago sativa), enriquecidas com 4% a 6% de átomos de 15N, apóscrescimento em meio enriquecido com 15N. O emprego dos adubosverdes enriquecidos com 15N permitiu mostrar que a maior proporçãodo N derivado dos adubos verdes ficou imobilizada na camada maissuperficial do solo, sendo o sorgo beneficiado apenas com menos de20% do N adicionado por essa via (Tabela 1).

A técnica de marcação direta pode ser usada em outras situações,como numa aplicação de um composto, excretas animais, etc. Essatécnica foi usada por Ferreira (2002), por exemplo, para avaliar o destinodo N aplicado ao solo na forma de urina bovina. Nesse estudo, parte daurina recolhida de vacas leiteiras foi substituída por um igual volume deuma solução de uréia, na mesma concentração do encontrado na urina,enriquecida com 15N. Um volume de 1,5 litro da urina foi aplicado ao

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solo numa área equivalente ao observado após a micção dos bovinos.Posteriormente, foram feitas colheitas consecutivas do material em ofertae, finalmente, de todo o material vegetal e liteira existente sobre o soloda área de estudo. Graças ao uso da marcação com 15N, foi possívelmostrar que somente 18% do N proveniente da urina foram recuperadosno material vegetal. O restante se encontrava no solo ou foi perdido dosistema por lixiviação, ou por meio de formas voláteis desse elemento.Uma informação importante é a de que o N da urina tornou-se maisdisponível para as plantas após 115 dias da aplicação da urina sobre osolo (Fig. 3). Isso pode ser um indicativo de que os resíduos vegetaisexistentes sobre o solo podem ter imobilizado o N da urina e mineralizadoposteriormente. Outra possibilidade seria a capacidade de absorver oN disponível no solo pelas plantas, que poderia estar limitada no iníciodo experimento, em virtude da alta concentração salina da urina e baixaumidade do solo, ou por efeito sazonal.

Métodos indiretos

A técnica indireta é usada para estudar a utilização pela plantade determinada fonte de N não marcada. Tem sido empregada para oestudo da contribuição da fixação biológica de nitrogênio para as plantas

Tabela 1. Recuperação de 15N pelo sorgo forrageiro e em duas profun-didades do solo, após adubação verde com com duas quantidadesdiferentes de alfafa e de ervilhaca-peluda, enriquecidas com 15N.

Quanti-Partes do sorgo Profundidade

Legumedade Parte aérea Parte aérea

Raízesdo solo (cm)

aplicada colheita 1 colheita 2 0-30 30-60(mg ha-1) 15N recuperado – Proporção do adicionado

Alfafa (baixo) 2,7 13,2 2,9 2,4 64,2 4,2Alfafa (alto) 4,0 10,0 3,4 1,5 70,8 2,6Ervilhaca (baixo) 3,2 13,6 3,2 2,3 20,8 2,5

Ervilhaca (alto) 6,4 13,1 3,3 1,6 45,2 1,9

Fonte: Modificada de Cueto-Wong et al. (2001).

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(BODDEY, 1987) e também para avaliar a contribuição de diferentesresíduos na nutrição nitrogenada das plantas (URQUIAGA; ZAPATA,2000).

O isótopo 15N é adicionado ao solo de forma que se tenhamdois tratamentos. Em um deles, somente o 15N-fertilizante é adicionadoao solo (tratamento-controle), e o outro receberá, também, a fonte deN que se deseja estudar. É recomendável se utilizar pequenas dosesde N com alto enriquecimento de 15N para evitar que ocorram efeitosde interação entre a fonte marcada e o solo (efeito INA – JENKINSONet al., 1985; BODDEY et al., 1993). Para minimizar os problemas relacio-nados com a técnica, deve-se certificar que a área foi marcadauniformemente.

Fig. 3. Proporção do N na planta derivado da urina e percentagem do N daurina recuperado em cada corte de Brachiaria humidicola (1,5 L com 0,5059%N e 1,037% atm 15N excesso) em pastagem sobre um Argissolo, na região daMata Atlântica, localizado em Itabela, BA.Fonte: Ferreira (2002).

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Diluição isotópica de 15N

O próprio nome dado à técnica resume o processo que ocorrepara quantificação da contribuição da fonte marcada para a nutriçãoda planta. A planta que cresce na parcela-controle, que foi enriquecida,mas não recebeu a fonte não marcada sob estudo, apresentará umenriquecimento de 15N que reflete a marcação do N disponível para aplanta. Por sua vez, a planta que recebe N da fonte não marcadaapresentará uma diluição isotópica de 15N em relação à planta dotratamento-controle. Quanto maior a diluição maior é a contribuiçãoda fonte não marcada.

Quando se deseja estudar uma fonte orgânica de N, como adubosverdes, excretas de animais, compostos orgânicos, etc, a contribuiçãodas mesmas (%N de FO) para a nutrição da planta é calculada daseguinte forma:

Essa equação também pode ser usada para avaliar a transferênciado N fixado por uma leguminosa para uma cultura em consórcio, oumesmo quando se faz uma adubação verde de pré-cultivo. Neste caso,utiliza-se no numerador o enriquecimento de 15N da planta na parcelaque recebeu a adubação verde, e, no denominador, o enriquecimentode 15N da mesma planta, porém na parcela que não recebeu adubaçãoverde.

A técnica de diluição isotópica de 15N também é utilizada paraquantificar a contribuição da fixação biológica de nitrogênio (FBN) paraas plantas. Nesse caso, o solo recebe uma quantidade de fertilizantemarcado com 15N suficiente para elevar o enriquecimento do solo, mascom mínima interferência no processo de FBN. Normalmente, as dosesutilizadas ficam entre 10 kg N ha-1.

Para avaliar o enriquecimento de 15N no N disponível do solo,uma planta não fixadora de N

2 é utilizada como testemunha.

A estabilidade da marcação do solo com 15N é uma das condiçõesque permite o atendimento da premissa da técnica de diluição isotópica

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de 15N para quantificação da FBN: “A planta testemunha, ou controle, ea planta fixadora de N

2 devem absorver N do solo com o mesmo

enriquecimento de 15N” (BODDEY, 1987). Uma vez obedecida essacondição, plantas que utilizem 100% do N do ar apresentarão em seustecidos 0% de 15N em excesso e, pelo oposto, plantas que não sebeneficiam da FBN apresentarão um enriquecimento de 15N igual aodo N disponível do solo, ou, em outras palavras, igual ao da plantatestemunha.

A contribuição da FBN por meio da técnica de diluição isotópicade 15N é feita calculada pela seguinte fórmula:

Em que

% Nda é a percentagem de N derivada da FBN

Na realidade, é muito difícil ter satisfeita a condição deestabilidade no enriquecimento de 15N do solo, sendo portanto degrande importância a seleção de uma planta-controle adequada. Amarcação do solo em termos de área não apresenta grandesdificuldades. O maior problema é a marcação uniforme em 15N até aprofundidade onde as raízes extraem o N para sua nutrição, o quediminuiria muito a influência das diferenças do padrão de distribuiçãodas raízes tanto entre as variedades testadas quanto entre estas e aplanta-controle (BODDEY et al., 1996). Ainda mais complicado é adificuldade de se ter uma marcação com 15N no N disponível do soloestável com o tempo (WITTY, 1983). Se a amplitude e a freqüência devariação do enriquecimento de 15N no solo são grandes, a únicaalternativa para se ter êxito na quantificação da FBN é o uso de umaplanta-controle que apresente um padrão de absorção de N do solocom o tempo muito semelhante ao da planta teste. Deve-se destacarque é muito difícil determinar a curva de absorção de N do solo deuma planta fixadora de N

2; contudo, quanto mais lentas as mudanças

do enriquecimento de 15N no N disponível do solo com o tempo, menoscrítica é a seleção da planta-controle.

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Uma planta-controle ideal seria aquela em que a única diferençada planta teste fosse apenas a incapacidade de obter contribuições daFBN. Muitos autores têm recomendado o uso, como planta-controle,de um genótipo não nodulante das leguminosas teste em estudo.Genótipos não nodulantes ou nodulantes, mas não fixadores, de muitasleguminosas são agora disponíveis, mas, em virtude das muitas variaçõesno hábito de crescimento e enraizamento dentro de uma mesma espécie,estas podem não ser apropriadas para todas as situações. No que serefere às plantas-controle, quando não se tem certeza da uniformidadede marcação do solo com 15N, recomenda-se o uso de pelo menostrês espécies que não fixem nitrogênio e que tenham comportamentode crescimento e de enraizamento bem diferentes entre si (BODDEYet al., 1995). Se, no momento da colheita, o enriquecimento de 15Ndas plantas-controle forem similares, pode-se concluir que a marcaçãodo solo apresentava certa uniformidade e não haverá problema paraquantificação da FBN.

Para minimizar os problemas quanto à escolha da planta-controle,uma estratégia é minimizar as variações na marcação de 15Nno N disponível com o tempo. Pela facilidade, o método mais usualde enriquecimento do solo com 15N é por meio da aplicação desolução de fertilizante marcado com 15N (ex. uréia, sulfato de amônio,nitrato de potássio, etc.) na superfície do solo (HARDARSON; DANSO,1993). O problema mais importante associado com o uso defertilizantes solúveis marcados com 15N deve-se ao fato de que,imediatamente após a aplicação destes, ocorre uma rápida queda noenriquecimento de 15N no N mineral do solo, em razão da contínuamineralização do N não-marcado da matéria orgânica do solo quecontinuamente vai diluindo o 15N do N mineral do solo, ou em virtudedas perdas por lixiviação e/ou volatilização do N mineral do solo(WITTY, 1983).

Para diminuir as mudanças temporais de enriquecimento de15N no N mineral do solo, tem-se proposto a adição de pequenasquantidades de N marcado solúvel em intervalos regulares (ex.semanalmente) (OLIVEIRA et al., 1992). Essa técnica, contudo, estásujeita a erros, se colheitas seqüenciais de plantas são feitas, e se adisponibilidade de N do solo é alta. Neste caso, as plantas controle e

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teste podem remover diferentes quantidades de N do solo, deixandoquantidades diferentes de N mineral residual no solo para as subse-qüentes colheitas. Além disso, a adição de N marcado ao solo resultaráem enriquecimento diferente do N mineral para as duas culturas, nocomeço do período de crescimento seguinte.

Uma outra estratégia para diminuir as mudanças temporais e aqueda do enriquecimento de 15N do solo é a utilização de uma fonte deliberação lenta de 15N. Nas diferentes formulações de liberação lentade N incluem-se a adição de matéria orgânica marcada com 15N e amistura de substratos carbonatados, como a sacarose e celulose, comfertilizantes nitrogenados solúveis, que promoverão uma imobilizaçãoe posteriormente uma liberação lenta do 15N adicionado (GILLER;WITTY, 1987; BODDEY et al., 1995).

Estimativa do N disponível do solo (Valor A)

Descrita por Fried & Dean (1952), a técnica de valor A é umamedida que estima a quantidade de N do solo que esteve disponívelpara a planta durante o seu desenvolvimento. O valor é expresso emtermos do fertilizante aplicado marcado com 15N. A técnica é consi-derada indireta e é baseada no conceito de que, quando existem duasou mais fontes de nitrogênio (exemplo: N do solo e N do fertilizante), aplanta absorverá, de cada fonte, quantidades proporcionais àsrespectivas quantidades disponíveis.

Conforme descrito em Alves et al. (1999), o valor A do solo écalculado baseando-se na seguinte relação:

Em que

QNF é a quantidade de N na forma de fertilizante aplicada no solo

%Nddf é a percentagem de N derivada do fertilizante, calculada pelaexpressão:

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sendo a percentagem de 15N em excesso, na planta ou do fertilizante,calculada subtraindo-se 0,366 dos valores de abundância de 15N obtidosda análise por espectrometria de massas (como é muito comum o termoem excesso, normalmente os valores fornecidos pela análise já vêmexpressos em % átomos de 15N em excesso). A %Ndds é obtidasubtraindo-se a %Nddf de 100.

Senaratne & Hardarson (1988) propuseram o uso da técnica devalor A para estimar a contribuição do N dos resíduos de colheita paraa cultura sucessora. Avaliou-se a contribuição dos resíduos de ervilha esorgo para a cultura de cevada. Os autores encontraram que o valor Ana rotação ervilha-sorgo foi 233 kg ha-1 de N, 74 kg ha-1 de N maiorque o valor A encontrado na rotação cevada-sorgo. O valor mais altona rotação ervilha-sorgo correspondeu a um adicional de 9 kg ha-1 deN de contribuição dos resíduos de ervilha para o sorgo, derivados dacontribuição da FBN para a ervilha.

Por meio da técnica de valor A, também pode se estimar a contri-buição do N das raízes das culturas para o incremento de N do solo.

Alves et al. (2002) aplicaram a técnica de valor A para estudar oefeito dos resíduos da soja sobre a disponibilidade de N para a culturado trigo, plantado em secessão. O trigo foi plantado numa área anterior-mente cultivada com soja e em uma área adjacente que ficou em pousiono verão, com cobertura de aveia. Foram montadas duas microparcelasde 2,0 x 1,0 m dentro da área com resíduos de soja. Na microparcela 1,o resíduo foi mantido intacto, e, na micro-parcela 2, todo resíduo foiremovido. Na parcela adjacente, em pousio no verão, foram montadasmais duas microparcelas. Uma dessas microparcelas foi mantida comresíduo remanescente da cultura de aveia e a outra microparcela tevetodo resíduo de aveia removido. Todas as microparcelas receberamsulfato de amônio marcado com 15N (11,6% 15N em excesso), na mesmadose utilizada para o plantio do trigo.

Os resíduos da soja proporcionaram um aumento de cerca de30 kg ha-1 na disponibilidade de N para a cultura do trigo (Tabela 2). Atécnica de valor A também permitiu mostrar que na microparcela emque se removeram os resíduos da superfície do solo houve um incrementona disponibilidade de N do solo de cerca de 24 kg N ha-1, o que poderiaser atribuído ao sistema radicular da cultura.

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360 Capítulo 13

Variação natural do 15N

A técnica de abundância natural de 15N baseia-se no fato de que,geralmente, o N do solo é levemente enriquecido em 15N em comparaçãoao N

2 do ar (SHEARER et al., 1978). O N da atmosfera apresenta a

seguinte composição isotópica: 99,6337% de átomos de 14N e 0,3663%de átomos de 15N (JUNK; SVEC, 1958). Em virtude da discriminaçãoisotópica que ocorre durante as transformações que o N sofre no sistemasolo-planta, como mineralização/imobilização e desnitrificação/nitrificação, é possível se observarem pequenas variações nacomposição isotópica (14N e 15N) no solo e nas plantas (MARIOTTI etal., 1982). Normalmente essa discriminação resulta num pequenoenriquecimento em 15N do N do solo e das plantas em relação ao aratmosférico (SHEARER et al., 1978; MARIOTTI et al., 1982). Essadiferença é muito utilizada em estudos de quantificação da FBN(DELWICHE; STEYN, 1970; RENNIE et al., 1976), e a interpretaçãobásica dos resultados será a mesma da técnica de diluição isotópica de15N: a planta não fixadora apresentará um enriquecimento de 15N muitosemelhante ao solo e maior do que o da planta fixadora.

Para a estimativa da FBN por meio da abundância natural de 15N,utiliza-se a seguinte expressão:

Tabela 2. Rendimento e disponibilidade de N do solo (Valor A) para otrigo plantado, ou não, em área com resíduos de soja (Londrina, PR).

Local de plantio Rendimento Valor A Incremento de N do solo pelos resíduos*

do trigo (kg ha-1)

Área de sojaCom resíduos 2.463,9 117,6a 29,8a

Sem resíduos 2.219,4 111,4a 23,5b

Área de pousioCom resíduos 1.776,1 92,1b 4,3c

Sem resíduos 1.858,6 87,9b –

* O incremento na disponibilidade de N do solo foi calculado pela diferença entre o Valor Aencontrado para cada tratamento e o controle (área de pousio sem resíduos).

Valores seguidos de letras diferentes na coluna diferem entre si pelo teste Tukey, a 5% deprobabilidade.Fonte: Modificada de Alves et al. (2002).

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Em que

P é a % de fixação biológica de N

δ15N solo é o valor de δ15N encontrado na planta testemunha coletadaem cada parcela experimental

B é o fator de correção do fracionamento isotópico ocorrido pelas plantasde soja crescendo exclusivamente dependente da FBN.

O método da abundância natural de 15N para a quantificação daFBN sofre os mesmos problemas dos outros métodos isotópicos, tal comoa técnica da diluição isotópica a partir do enriquecimento do solo, comodiscutido anteriormente. A premissa básica é que as plantas fixadoras enão-fixadoras absorvem N do solo com a mesma marcação de 15N(SHEARER; KOHL, 1986; BODDEY, 1987). No caso do método daabundância natural, existe uma dificuldade adicional: o fracionamentoisotópico que ocorre durante a assimilação de N pelas plantas. Essadificuldade é solucionada crescendo a planta fixadora hidroponicamenteem solução livre de N, pois, assim, o seu enriquecimento em 15Nrepresentará o enriquecimento do N

2 atmosférico e o fracionamento

isotópico associado com a fixação biológica de nitrogênio (SHEARER;KOHL, 1986). Pela Fig. 4, observa-se que, variando-se o valor de B,tanto em condições de alta FBN (testemunha com 10 deltas) quanto baixa(testemunha com 5 deltas), o erro é elevado e não reduz sua importânciasignificativamente com o incremento da FBN. Ainda na Fig. 4,assumindo-se uma variação de 1 delta para ambas as testemunhas (5 e10 deltas – valores comuns para solos brasileiros), observa-se, em cadavalor de B, que a variabilidade das estimativas aumenta drasticamentecom a diminuição da FBN. A grande variabilidade é atribuída ao errode 1 delta na baixa marcação de 15N do solo (5 deltas), muito próximada marcação da planta fixadora (2 deltas). Embora seja apenas umexemplo fictício, situações semelhantes são observadas freqüentementeem estudos que utilizam a técnica, o que torna imprescindível aumentaro número de pontos de amostragem e de espécies-testemunhas paraganho de precisão e exatidão das estimativas de FBN.

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362 Capítulo 13

Shearer e Kohl (1986) destacam como vantagem desse método ofato de não haver necessidade de adição de N marcado, evitando osproblemas de inibição da fixação de N e de estabilidade da marcaçãoao longo do tempo. O uso dessa técnica, com os devidos cuidados descritos,normalmente apresenta altas correlações com a técnica de diluiçãoisotópica de 15N com aplicação de 15N-fertilizante na marcação do solo.Atualmente, é a técnica mais difundida e aceita para fins de quantificaçãoda contribuição da FBN para as plantas (PEOPLES et al., 1989).

A contribuição da FBN para a cultura da soja na região deDourados, MS, cultivada em diferentes sistemas de rotação, foi avaliadapor meio da técnica de abundância natural de 15N (Tabela 3). As testemu-nhas foram ervas que cresceram espontaneamente na área experimental.

Fig. 4. Variação na estimativa da FBN para uma leguminosa que apresenta2 deltas de abundância de 15N, em duas condições de marcação do solo, e paradiferentes valores de B. Considerou-se uma variação constante de 1 delta paraas testemunhas.

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Tabela 3. Contribuição da FBN para a cultivar de soja BR 16, estimadaa partir da análise de δ15N das plantas de soja das diferentes rotações edas espécies invasoras usadas como testemunha.

Espécie δ15N % FBN para soja

Soja -0,13 ± 0,08 –

Amaranthus spinosus L. 3,84 ± 0,24 82,0

Leonotis nepetaefolia L. 3,31 ± 0,33 79,8

Euphorbia heterophylla L. 3,55 ± 0,22 80,9

Bidens pilosa L. 4,76 ± 1,62 84,9

Solanum americanum MILL. 5,05 85,6

Média das testemunhas 4,00 ± 0,33 82,5 ± 2,7

Os nomes científicos correspondem às espécies usadas como testemunha para a técnicaisotópica, as quais foram amostradas ao acaso nas parcelas experimentais.

Para apenas uma das testemunhas, Solanum americanum, somente seconseguiu um exemplar em toda a área avaliada. Para as demais, foramretirados diversos exemplares de forma aleatória, tal como feito para acultura da soja.

De modo geral, a contribuição da FBN foi alta para as plantas desoja desse experimento (82,5%). Houve uma variabilidade não muitoelevada entre a maioria das testemunhas, o que permitiu deduzir que amarcação natural com 15N do N disponível do solo não era muitoheterogênea na área experimental. No caso exclusivo das testemunhasSolanum americanum e Bidens pilosa, a marcação apresentada era decerca de 70%-80% superior à da menor testemunha (Leonotis sp.).Mesmo assim, a contribuição da FBN para a cultura da soja variou muitopouco, considerando as testemunhas de forma individualizada, o queconfirma o mencionado anteriormente.

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Emprego de Isótopos Estáveis para o Estudo do Carbono e do ... · Manejo de Sistemas Agrícolas para Seqüestro de Carbono no Solo343 Capítulo 13 Emprego de Isótopos Estáveis