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i INSTITUTO AGRONÔMICO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRICULTURA TROPICAL E SUBTROPICAL EMISSÃO DE N 2 O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA APLICAÇÃO DE FERTILIZANTES NITROGENADOS NO CULTIVO DE CANA-DE-AÇÚCAR JOHNNY RODRIGUES SOARES Orientador: Heitor Cantarella Tese submetida como requisito parcial para obtenção do grau de Doutor em Agricultura Tropical e Subtropical, Área de Concentração em Gestão de Recursos Agroambientais Campinas, SP Março 2016

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i

INSTITUTO AGRONÔMICO

CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRICULTURA TROPICAL E

SUBTROPICAL

EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA

APLICAÇÃO DE FERTILIZANTES NITROGENADOS

NO CULTIVO DE CANA-DE-AÇÚCAR

JOHNNY RODRIGUES SOARES

Orientador: Heitor Cantarella

Tese submetida como requisito parcial para

obtenção do grau de Doutor em Agricultura

Tropical e Subtropical, Área de Concentração

em Gestão de Recursos Agroambientais

Campinas, SP

Março 2016

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AGRADECIMENTOS

A Deus, pela presença constante em minha vida;

Aos meus pais Geraldo e Lilian, pela educação, incentivo, carinho e convívio diário;

Ao Instituto Agronômico (IAC), por meio do programa de Pós-Graduação em

Agricultura Tropical e Subtropical, pela oportunidade de realização do curso;

Ao Dr. Heitor Cantarella, pesquisador do IAC, pela orientação, ensinamentos

transmitidos, convivência, incentivo e esclarecimento das dúvidas surgidas durante curso;

À Dra. Janaina B. do Carmo, professora da Universidade Federal de São Carlos

(UFSCAR) em Sorocaba, pela corientação, a oportunidade de desenvolver parte da pesquisa

no Instituto Holandês de Ecologia (NIOO), o ensinamento e discussão dos dados;

À Dra. Eiko E. Kuramae, pesquisadora do NIOO, pela orientação durante os 9 meses

que fiquei na Holanda, o ensinamento, convivência e incentivo;

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior (CAPES) pela

concessão da bolsa de estudo; à CAPES/NUFFIC 037/12 pela concessão da bolsa sanduiche;

à FAPESP/BIOEN 2008/56147-1 e FAPESP/BE-BASIC F08.002.06 pela concessão de

recursos para os projetos; à empresa de fertilizantes Produquímica, pelo fornecimento do

fertilizante de liberação controlada;

Aos pesquisadores Dra. Regina C. M. Pires, Dr. Eduardo C. Machado e o pessoal de

apoio da Fazenda Santa Elisa (IAC), pela ajuda na área experimental de Campinas;

À Agência Paulista de Tecnologia dos Agronegócios (APTA) em Piracicaba e Jaú, em

especial aos pesquisadores Fábio L. F. Dias, André C. Vitti, Raffaella Rossetto, Glauber J. C.

Gava e todo o pessoal de apoio nessas sedes, pela ajuda nas áreas experimentais,

ensinamentos, discussão dos dados, e pelo convívio nesses anos;

Aos amigos do grupo de orientação no IAC, Vitor, Rafael, Acácio, Késia, Iracema,

Lauren, Cybeli, Hélio, Zaqueu, José Luís, Leonardo Pitombo, Luciana, Gustavo, Tássia,

Ricardo Fernanda, Giulia, Mario, Juliana, Pedro, Romildo, Lucas, Artur, Reginaldo, Raquel,

Diogo, Paula, Cristiano, Leonardo, Carol, Bruna e Louise pela ajuda extraordinária e

recíproca nos diversos experimentos de cada um (virada de noite no cromatógrafo, coleta de

gás no campo das 6h às 22h, trabalho nos sábados, domingos, feriados e férias, etc), pelo

convívio e momentos de amizade;

Aos amigos Abraham e Adriano, por dividir a mesma casa na Holanda e os bons

momentos de amizade, companheirismo e troca de experiência durante a curta estadia;

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Às Dra. Adriana P. D. Silveira (IAC) e Dra. Tsai S. Mui (CENA), pela ajuda e

orientação nessa nova técnica sobre metagenoma;

Aos amigos do grupo de orientação no NIOO, Noriko, Anna, Agaat, Matheus,

Adriano, Marcelo, Leonardo, Thiago, Manoelli, Maurício, Yan yan, Mattias, Eoin, Hans,

pelas reuniões e discussão dos projetos, ajuda nas análises moleculares e convívio;

Aos pesquisadores da seção de fertilidade do solo, Bernardo Van Raij, Cleide A.

Abreu, Estêvão V. Mellis, Fernando C. B. Zambrosi, José A. Quaggio, Luiz A. J. Teixeira,

Mônica F. Abreu, pela convivência e dúvidas esclarecidas durante o curso;

Aos docentes da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Dr. Zigomar M.

Souza e Dr. Edson E. Matsura, pelos ensinamentos durante os estágios docência;

Aos docentes do IAC, Isabela C. Maria, Ricardo M. Coelho, Aline R. Coscione,

Ronaldo S. Berton, Marcio K. Chiba, Jener F. L. Moraes, Adriana P. D. Silveira, Dirceu M.

Junior e Cristiano A. Andrade; aos docentes do Instituto de Geociências (USP), Sonia M. B.

Oliveira, Francisco W. C. Junior e Cristiano M. Chiessi; aos docentes do CENA-USP, Paulo

C. O. Trivelin e José A. Bendassolli; à docente da UNICAMP, Valéria M. Oliveira, pelos

ensinamentos passados nas disciplinas cursadas e no dia a dia;

Aos funcionários e técnicos do IAC e da FUNDAG, Sandra, Renata Presta, Gizelda,

Léu, Luis, Nogueira, Marciel, Marilda, Renata, Rubens, Tânia, Irene, Laís, Helena, Carol,

Aline, Lucas, Zé Roberto, Célia, Elisabete e João Geraldo, pela disposição em apoiar em

análises laboratoriais, processos administrativos, transporte e convivência;

À família e amigos fora do local de trabalho, pelo convívio e momentos de lazer;

Aos amigos feitos no IAC, em especial aos mais próximos, Renan, Neidiquele,

Tamires, Gabriel (em memória), Isadora, Érica, Guilherme e André; aos demais amigos,

Camila Milani, Aline, Taís, Rodrigo, Camila, Jéssica, Geisa, Rimena, Vinnie, Karla, Mariana,

Fausto, Ana Carolina, Laura, Camila, Alex, Simone, Cristiane, Paula, Priscila, Nadiane,

Sandro, Rodrigo, Kênia, Rosane, Franz, Raquel, Cris, Marilza, Augusto, Ivan, Ubyrajara,

Bárbara, Fernanda, Patrícia, Isabela, pela amizade feita e bons momentos vividos;

Aos amigos feitos no NIOO e na Holanda, Jos, Riks, Paul, Raquel, Ezra, Miguel,

Magali, Kay, Role, Alexandre, Desalegn, Sang Yong, Vitor, Paolo, Francesca, Juan, Paul,

Kazuki, Joop, Roos, Andrielly, Mariana, Cristina, Júlio, Julia, Julie, Yinying, Ruth Gomez,

Ruth, Viviane, Olaf, Nico, Annelies, Yani, Marion, Saskia, Sarash, Ely, Paolina, Wietse, pela

amizade feita e bons momentos vividos;

Obrigado !!!

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“You cannot do better than your best”

(Prof. Steve Peters – The chimp paradox: The mind management, 2012)

tradução: “Você fez o seu melhor”

(Prof. Steve Peters – O paradoxo do chimpanzé: A administração da mente, 2012)

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vi

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SÍMBOLOS ........................................................................... vii

LISTA DE TABELAS ............................................................................................................ viii

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ x

RESUMO ................................................................................................................................ xiii

ABSTRACT ............................................................................................................................. xv

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 1

2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................... 3

2.1 Emissão de CO2, CH4 e N2O no Presente e Passado da Terra.............................................. 3

2.2 Emissão de N2O pela Aplicação de Fertilizantes Nitrogenados no Solo ............................. 6

2.2.1 Fator de emissão, fontes e doses de N ............................................................................... 6

2.2.2 Fertilizantes de eficiência aumentada ................................................................................ 8

2.3 Processos Bióticos e Abióticos Envolvidos na Emissão de N2O no Solo .......................... 12

2.4 Cultivo de Cana-de-açúcar e Emissão de N2O ................................................................... 15

3 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................... 17

3.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada ................................. 17

3.1.1 Primeiro ciclo - 2011/12 .................................................................................................. 18

3.1.1.1 Análises estatísticas ...................................................................................................... 22

3.1.2 Segundo ciclo - 2012/13 .................................................................................................. 23

3.1.3 Terceiro ciclo - 2013/14 .................................................................................................. 24

3.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N ............................................ 28

4 RESULTADOS ..................................................................................................................... 31

4.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada ................................. 31

4.1.1 Primeiro e segundo ciclos - 2011/12 e 2012/13 .............................................................. 31

4.1.2 Terceiro ciclo - 2013/14 .................................................................................................. 41

4.1.2.1 Emissão de gases .......................................................................................................... 41

4.1.2.2 Abundância de genes .................................................................................................... 47

4.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N ............................................ 53

5 DISCUSSÃO ......................................................................................................................... 59

5.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada ................................. 59

5.1.1 Primeiro e segundo ciclos - 2011/12 e 2012/13 .............................................................. 59

5.1.2 Terceiro ciclo 2013/14 ..................................................................................................... 64

5.1.2.1 Emissão de gases .......................................................................................................... 64

5.1.2.2 Abundância de genes .................................................................................................... 67

5.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N ............................................ 68

5.3 Influência das variáveis edafoclimáticas na emissão de N2O............................................. 70

6 CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 72

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 73

8 ANEXO ................................................................................................................................. 90

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vii

LISTA DE ABREVIAÇÕES E SÍMBOLOS

ANAMMOX: oxidação anaeróbica do amônio

AOA: Arqueia oxidadora de amônia

AOB: Bactéria oxidadora de amônia

amoA: Amônia monooxigenase

CaCl2: Cloreto de cálcio

CAN: Nitrato de amônio e cálcio

CO2: Gás carbônico

CO2eq: Equivalente em gás carbono

CH4: Metano

DCD: Dicianodiamida

DNA: Ácido desoxirribonucleico

DNAase: Desoxirribonuclease

DMPP: fosfato de 3,4-dimetilpirazole

EPPA: Espaço poroso preenchido por água

EUA: Estados Unidos da América

GEE: Gases do Efeito Estufa

hao: hidroxilamina oxidoredutase

IPCC: Painel intergovernamental de mudanças climáticas

narG: nitrato redutase

NBPT: Tiofosfato de N(n-butil) Triamida

NH2OH: Hidroxilamina

NH3: Amônia

NH4+: Amônio

nirS/nirK: Nitrito redutase

norB/cnorB: Óxido nítrico redutase

nosZ: Óxido nitroso redutase

NOx: Óxido de nitrogênio

NO-: Óxido nítrico

NO2-: Nitrito

NO3-: Nitrato

nxr: nitrito oxidoredutase

N15

: Isótopo de nitrogênio

N2: Dinitrogênio

N2O: Óxido nitroso

O18

: Isótopo de oxigênio

O2: Oxigênio

O3: Ozônio

PAG: Potencial de aquecimento global

PCR: Reação em cadeia da polimerase

pH: índice de acidez

PSCU: Ureia recoberta com polímeros e enxofre

PVC: Policloreto de vinil

qPCR: Reação em cadeia da polimerase em tempo real quantitativa

RNA: Ácido ribonucleico

RNAase: Ribonuclease

R2: coeficiente de correlação

UR: Ureia

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viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental

de Campinas.

Tabela 2 - Primers e condições térmicas usadas na análise de abundância de genes feita por

qPCR.

Tabela 3 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental

de Piracicaba.

Tabela 4 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2011/12. Período de 217

dias.

Tabela 5 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2012/13. Período de 382

dias.

Tabela 6 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2011/12 (n = 120).

Tabela 7 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes

em cana-de-açúcar, ciclo 2011/12 (n = 120).

Tabela 8 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2012/13 (n = 392).

Tabela 9 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes

em cana-de-açúcar, ciclo 2012/13 (n = 392).

Tabela 10 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia

recoberta por polímeros (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca

2013/14. Período de 278 dias.

Tabela 11 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia

recoberta por polímeros (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca

2013/2014 (n = 256).

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Tabela 12 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes

em cana-de-açúcar, ciclo 2013/14 (n = 256).

Tabela 13 - Fluxo de N2O e abundância de genes pela aplicação de ureia, incorporada no solo,

com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia recoberta

por polímeros (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca.

Tabela 14 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia ou CAN

(NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no

cultivo de cana planta. Período de 552 dias.

Tabela 15 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia ou CAN

(NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, em função das doses de N de 30, 60 e 90 kg

ha-1

, no cultivo de cana planta. (n = 224).

Tabela 16 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes

em cana-de-açúcar (n = 224).

Tabela A1 - Emissão acumulada de N2O na linha e entrelinha no cultivo de cana planta pela

aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N

de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

. Período de 552 dias.

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x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Concentração de gases do efeito estufa na atmosfera de 1000 anos atrás até o

presente, dados de testemunhas de gelo e mais recentemente medições na

atmosfera. (Extraída de WOLFF, 2011). ................................................................ 4

Figura 2 - Estrutura química do fosfato de 3,4-dimetilpirazole – DMPP. (Extraída de

ZERULLA et al., 2001). ......................................................................................... 9

Figura 3 - Transformações do N no solo, genes relacionados e vias de produção de N2O: 1)

Nitrificação; 2) Desnitrificação; 3) Redução dissimilatória do nitrato para amônio;

4) Nitrificação desnitrificante; 5) Co-desnitrificação; 6) Quimio-desnitrificação.

Figura adaptada de BAGGS (2008); BRAKER & CONRAD (2011), CANFIELD

et al. (2010), FRAME & CASCIOTTI (2010), HAYATSU et al. (2008),

STEVENS & LAUGHLIN (1998), MÜLLER et al. (2014), SPOTT et al. (2011) e

ZHAO et al. (2012). .............................................................................................. 13

Figura 4 - Câmaras estáticas e tampas feitas de PVC instaladas no experimento e utilizadas

para coleta de gases. Foto de Johnny R. Soares. .................................................. 19

Figura 5 - Esquema representativo da disposição das câmaras na área e cálculo para emissão

total da área. .......................................................................................................... 19

Figura 6 - Vista geral da área do experimento, incluindo câmaras adicionais a partir do

segundo ciclo. Foto de Johnny R. Soares. ............................................................ 24

Figura 7 - Delineamento experimental da área de Piracicaba/SP. Tratamentos: Ctrl (Controle

– sem aplicação de N); UR (Ureia) e CAN (Nitrato de amônio e cálcio) nas doses

30, 60 e 90 kg ha-1

de N. ....................................................................................... 28

Figura 8 - Câmaras instaladas dentro da parcela (A), na linha e entrelinha (B). Foto de

Johnny R. Soares. ................................................................................................. 30

Figura 9 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2011/12. ............................................. 31

Figura 10 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2012/13. ............................................. 32

Figura 11 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros e enxofre (PSCU). Figuras B e D – primeiros três meses.

............................................................................................................................... 33

Figura 12 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia

recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de cana-de-açúcar. R:

Page 11: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

xi

reaplicação dos inibidores na mesma área. Figuras B e D – primeiros três meses.

............................................................................................................................... 34

Figura 13 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação

(DCD e DMPP) ou ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de

cana-de-açúcar, ciclo 2011/12. ............................................................................. 35

Figura 14 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação

(DCD e DMPP) ou ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de

cana-de-açúcar, ciclo 2012/13. ............................................................................. 35

Figura 15 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana

soca 2011/12 (A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi

descontada. Equação ajustada (linhas em preto) pelo modelo exponencial ou

sigmoide, p<0,0001; ns: não significativo. ........................................................... 37

Figura 16 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana

soca 2012/13 (A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi

descontada. Equação ajustada (linhas em preto) pelo modelo exponencial ou

sigmoide, p<0,0001. ............................................................................................. 38

Figura 17 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2013/14. ............................................. 41

Figura 18 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia

recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana-

de-açúcar. R: reaplicação dos inibidores na mesma área. Figuras B e D –

primeiros três meses. ............................................................................................ 42

Figura 19 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação

(DCD e DMPP), ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) ou nitrato de

cálcio no cultivo de cana-de-açúcar, ciclo 2013/14. R: reaplicação dos inibidores

na mesma área. ...................................................................................................... 43

Figura 20 - Porcentagem de N-NH4+ no solo (0 – 10 cm) em relação ao N inorgânico total (N-

NH4+ + N-NO3

-) pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou sem a

adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP). .......................................... 43

Figura 21 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana

soca 2013/14 (A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi

descontada. Equação ajustada (linhas em preto) pelo modelo exponencial ou

sigmoide, p<0,0001. ............................................................................................. 45

Page 12: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

xii

Figura 22 - Fluxo de N2O (A) e abundância de genes (B-H) pela aplicação de ureia,

incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e

DMPP), ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) ou nitrato de cálcio no

cultivo de cana-de-açúcar, ciclo 2013/14. R: reaplicação dos inibidores na mesma

área. ....................................................................................................................... 48

Figura 23 - Fluxo de N2O (A), abundância do gene AOB amoA (B), teor de NH4+ (C) e NO3

-

(D) no solo, pH do solo (F), chuva, temperatura e umidade do solo (EPPA: espaço

poroso preenchido por água) (E) pela aplicação de ureia no cultivo de cana-de-

açúcar, ciclo 2013/14. ........................................................................................... 49

Figura 24 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento em

Piracicaba e a média histórica (de 1991 até 2013). .............................................. 53

Figura 25 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia ou CAN

(NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no

cultivo de cana planta. Figuras B e D – primeiros três meses. ............................. 54

Figura 26 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e

90 kg ha-1

, no cultivo de cana planta. ................................................................... 55

Figura 27 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia (A e B)

ou CAN (NH4NO3 + Ca) (C e D), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30,

60 e 90 kg ha-1

, no cultivo de cana planta. Figuras B e D - a emissão do tratamento

controle (Sem N) foi descontada. Equação ajustada (linhas em preto) pelo modelo

exponencial ou sigmoide, p<0,0001; ns: não significativo. ................................. 56

Figura 28 - Emissão total de N2O (A) e CO2 (B) pela aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 +

Ca), incorporado no solo, em função das doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no

cultivo de cana planta. .......................................................................................... 57

Page 13: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

xiii

Emissão de N2O e opções de mitigação pela aplicação de fertilizantes nitrogenados no

cultivo de cana-de-açúcar

RESUMO

A emissão de N2O pela aplicação de fertilizantes nitrogenados na agricultura tem gerado

preocupação devido ao seu alto potencial de aquecimento global e destruição da camada de

ozônio, causando impacto ambiental nessa atividade, como por exemplo, na produção de

biocombustível proveniente de cana-de-açúcar. Entretanto, poucos estudos foram feitos para

caracterizar e mitigar as emissões de N2O, especialmente em relação às fontes e doses de N

aplicados à cana-de-açúcar. O trabalho foi dividido em dois estudos em que os objetivos

foram: a) quantificar a emissão de N2O, CO2 e CH4 em relação à fonte e dose do N aplicado

no cultivo de cana-de-açúcar; b) identificar a diversidade funcional da microbiota no solo e os

fatores edafoclimáticos relacionados com a emissão de N2O; c) indicar opções para mitigar a

emissão de N2O através do manejo de fertilizantes nitrogenados. No primeiro estudo foram

avaliados fertilizantes de eficiência aumentada durante três ciclos consecutivos de cana soca

cultivada em Latossolo Vermelho em Campinas/SP de 2011 a 2014. Os fertilizantes testados

foram ureia, ureia com inibidores de nitrificação (Dicianodiamida – DCD e fosfato de 3,4-

dimetilpirazole – DMPP), ureia recoberta com polímeros e enxofre (PSCU) e nitrato de

cálcio, aplicados na dose de 120 kg ha-1

de N. Os gases de efeito estufa, CO2, CH4 e N2O

foram coletados através de câmaras estáticas; foram feitas amostragem de solo e análise de

NH4+, NO3

-, pH, umidade e abundância de genes relacionados com o ciclo do N: amoA de

bactéria e arqueia oxidadora de amônia (AOB e AOA), nirK, nirS, nosZ, arqueia e bactéria

total. No segundo estudo foram testadas fontes e doses de N no cultivo de cana planta em

Latossolo Vermelho em Piracicaba/SP. As fontes testadas foram ureia e nitrato de amônio e

cálcio (CAN), nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

. No primeiro estudo, o tratamento com

aplicação de ureia resultou em emissão de N2O de 1% do N aplicado, média dos três ciclos; o

tratamento com PSCU não diferiu de ureia; e a aplicação dos inibidores de nitrificação ou a

fonte de nitrato de cálcio reduziu em 95% (média) a emissão de N2O quando comparado com

ureia, não sendo diferente da emissão de N2O do tratamento sem aplicação de N. A

abundância dos genes funcionais mostrou que apenas o AOB amoA teve correlação

significante com a emissão de N2O, sugerindo que a nitrificação foi a principal via de emissão

de N2O nas condições do presente estudo. No segundo estudo a emissão de N2O foi ajustada

pelo modelo exponencial em função do aumento da dose de N aplicada na forma de ureia,

enquanto que a aplicação da fonte CAN o ajuste foi quadrático. Na média das três doses, a

Page 14: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

xiv

emissão de N2O pela aplicação de ureia foi de 1,1% do N aplicado, sendo superior à aplicação

do CAN, que foi de 0,4%. O presente trabalho mostrou que a emissão de N2O pode ser

reduzida em 95% pela adição de inibidores de nitrificação na ureia e que fonte contendo N na

forma de NO3- pode resultar em baixa emissão de N2O no cultivo de cana-de-açúcar. Assim o

manejo do N pode incluir essas fontes como opções de mitigação de gases do efeito estufa, a

fim de aprimorar o aspecto ambiental do biocombustível.

Palavras-Chave: ureia, nitrato de amônio, inibidores de nitrificação, fertilizante de liberação

controlada, amoA bactérias oxidadoras de amônia.

Page 15: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

xv

N2O emissions and mitigation options from N fertilizers applied to sugarcane

ABSTRACT

The N2O emissions from nitrogenous fertilizers applied in agriculture have been of concern

because of high global warming potential and depletion of the ozone layer, causing

environmental impact in this activity, e.g. in biofuel production from sugarcane. However,

few studies were developed to characterize and mitigate N2O emissions, in especial from N

management in sugarcane. In the present work two studies were carried out aiming at: a)

quantifying N2O, CO2 and CH4 emissions due N sources and rates applied to sugarcane; b)

identifying the functional diversity of the soil microbiota, the soil and climatic factors

involving N2O emissions; c) indicating options to mitigate N2O emissions due to N

management. In the first study, enhanced-efficiency fertilizers were evaluated in three

consecutives cycles of ratoon cane in a Red Latosol (Typic Hapludox) in Campinas/SP from

2011 to 2014. The fertilizers tested were urea, urea with nitrification inhibitors (NI´s)

dicyandiamide – DCD and 3,4 dimethylpyrazone phosphate – DMPP, polymer and sulfur

coated urea (PSCU), and calcium nitrate, applied at the N rate of 120 kg ha-1

. The greenhouse

gases CO2, CH4 and N2O were sampled by static chambers; soil samples were taken for

analysis of NH4+, NO3

-, pH, moisture, and genes abundance: ammonia-oxidizing archaea and

bacteria amoA (AOA e AOB), nirK, nirS, nosZ, total archaea and bacteria. In the second

study, N sources and rates were tested in plant cane in Red Latosol (Typic Hapludox) in

Piracicaba/SP. Urea and calcium ammonium nitrate (CAN) were applied at N levels of 0, 30,

60 and 90 kg ha-1

. In the first study, the treatment with urea resulted in N2O emissions of 1%

of N applied, mean of three cycles; the emission of the PSCU treatment did not differ from

that of urea. The addition of NI´s and nitrate source reduce N2O emissions by 95% compared

to urea and did not differ from plots without N. Gene abundances showed significant

correlation just between AOB amoA and N2O emissions, suggesting that nitrification is the

main pathway of N2O emission. In the second study, the N2O emissions were adjusted by

exponential response due to N applied as urea, while quadratic response with CAN. The N2O

emission from urea was 1.1% of the N applied, higher than the 0.4% from CAN. The present

work showed 95% reduction of N2O emissions due to the addition of NI´s to urea and small

N2O emission for NO3--based fertilizers applied to sugarcane. Therefore, N management with

these sources can be options to mitigate greenhouse gases emissions and improve the

environmental impact of ethanol production.

Key Words: urea, ammonium nitrate, nitrification inhibitors, controlled release fertilizer,

ammonia-oxidizing bacteria amoA.

Page 16: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

1

1 INTRODUÇÃO

No aspecto ambiental a cana-de-açúcar se destaca pela produção de energia renovável

e pela redução de emissão de CO2 devido à produção de biocombustível para substituir os

combustíveis fósseis (BODDEY et al., 2008; GALDOS et al., 2010; LISBOA et al., 2011).

Entretanto a emissão de óxido nitroso (N2O) oriundo da adubação nitrogenada pode reduzir

ou negar esse efeito benéfico de redução de gases do efeito estufa (CRUTZEN et al., 2008).

O N2O, o gás carbônico (CO2) e o metano (CH4) são os principais gases do efeito

estufa (GEE) emitidos devido às atividades antrópicas. O potencial de aquecimento global de

N2O é 298 vezes maior que o CO2. Além disso, o N2O é apontado como a principal molécula

destruidora da camada de ozônio (RAVISHANKARA et al., 2009).

O uso de fertilizantes nitrogenados na agricultura tem sido apontado como umas das

principais causas pelo aumento de N2O na atmosfera. A quantidade de N2O emitido pelo uso

de fertilizantes nitrogenados segundo a estimativa do IPCC é de 1% do N aplicado (IPCC,

2006). Porém, outros autores mostram que esse número pode ser maior, como no trabalho de

CRUTZEN et al. (2008), em que foi indicado fator de emissão de 3 a 5% do N aplicado, e

deste modo os autores justificaram que a quantidade de N2O emitida durante o cultivo de

biomassas negava o efeito de redução de GEE na substituição de uso de combustíveis fósseis

por biocombustíveis. Os dados com o cultivo de cana-de-açúcar no Brasil mostraram emissão

de N2O de 0,2 a 3% do N aplicado, sendo essa variação decorrente das condições

edafoclimáticas de cada local e o manejo adotado (FILOSO et al., 2015).

A emissão de N2O no solo ocorre principalmente durante os processos de nitrificação

e desnitrificação. Também pode ocorrer durante a nitrificação desnitrificante, redução

dissimilatória do NO3- para NH4

+, a quimio-desnitrificação e a co-desnitrificação (STEVENS

& LAUGHLIN, 1998); entretanto, a participação desses processos ainda não está clara. LIU

et al. (2007) mostraram que a desnitrificação contribuiu mais pela emissão de N2O em solo

com teor de umidade de 75% do espaço poroso preenchido com água (EPPA), enquanto que

em solo 60% EPPA, a nitrificação foi mais importante. DI et al. (2014) mostraram que a

emissão de N2O estava correlacionada com os genes amoA e nirK, mostrando que a

nitrificação, desnitrificação e nitrificação desnitrificante foram os principais processos

relacionados a emissão de N2O.

A maior parte dos solos do Brasil pertencente à ordem de Latossolos, em que uma das

características é fortemente a bem drenados (EMBRAPA, 2006). Assim espera-se que a

nitrificação seja importante na emissão de N2O, o que pode resultar em maior emissão de N2O

Page 17: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

2

proveniente de fontes amoniacais em relação às nítricas. Contudo a ocorrência de microssítios

anaeróbicos no solo pode contribuir para que a desnitrificação tenha papel relevante.

Uma forma de reduzir a emissão de N2O proveniente dos fertilizantes é pelo uso de

inibidores de nitrificação. Os inibidores mantêm por um determinado período o teor de N no

solo na forma de NH4+, através de interferência na atividade de microrganismos responsáveis

pela oxidação do NH4+

à nitrito (NO2-), que corresponde à primeira fase da nitrificação

(TRENKEL, 2010). Desse modo, a planta absorve o N na forma de NH4+ durante o período

que o inibidor é eficiente, e menos N será nitrificado e desnitrificado, reduzindo a emissão de

N2O. SNYDER et al. (2009) compilaram dados da literatura e mostraram que os inibidores de

nitrificação reduziram de 33 a 96% a emissão de N2O, em avaliações feitas até 3 anos.

AKIYAMA et al. (2010) reportaram redução de 38%, média de 35 estudos, na emissão de

N2O pela adição de inibidores de nitrificação em fontes convencionais.

Os fertilizantes de liberação controlada também podem reduzir a emissão de N2O.

AKIYAMA et al. (2010) compilaram dados de 35 estudos para avaliar o efeito de fertilizantes

de liberação controlada na redução de emissão de N2O, e chegaram à média de 35% de

redução em relação às fontes convencionais de N orgânicas e minerais. A liberação gradual de

nutriente pelos fertilizantes de liberação controlada em sincronia com a demanda da planta

pode aumentar a eficiência de uso do N e, assim, reduzir a emissão de N2O.

Esses produtos têm participação pequena no mercado devido ao preço mais elevado

que as fontes convencionais, porém, atualmente vêm ganhando destaque pelos benefícios

ambientais e agronômicos (CHIEN et al., 2009). O IPCC considera que esses produtos são

opções de mitigação de GEE, podendo reduzir em 30% a emissão de N2O (IPCC, 2001).

Contudo poucos estudos foram feitos para comparar a eficiência desses produtos, em especial

na cultura de cana-de-açúcar. Este tema é importante para questão ambiental na produção de

biocombustíveis em substituição aos combustíveis fósseis, pela possível mitigação de GEE.

A emissão de N2O pela aplicação de diferentes fontes e doses de N em cana-de-açúcar,

bem como os fatores edafoclimáticos e a diversidade funcional da microbiota do solo

relacionados com essa emissão ainda não estão claros, e são de grande importância no balanço

ambiental de biocombustível proveniente de cana-de-açúcar. Os objetivos do presente

trabalho foram: a) quantificar a emissão de N2O, CO2 e CH4 em relação à fonte e dose do N

aplicado no cultivo de cana-de-açúcar; b) indicar opções para mitigar a emissão de N2O pela

aplicação de fertilizantes nitrogenados; c) identificar a diversidade funcional microbiana e os

fatores edafoclimáticos relacionados com a emissão de N2O.

Page 18: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Emissão de CO2, CH4 e N2O no Presente e Passado da Terra

A preocupação mundial com o meio ambiente tem aumentado principalmente devido

aos impactos ambientais negativos causados pela atividade antrópica. Recentemente tem sido

destaque o aumento da concentração de gases do efeito estufa (GEE) na atmosfera depois da

revolução industrial.

Os principais GEE emitidos por atividade antrópica são CO2, CH4 e N2O. Cada gás

tem um potencial de aquecimento global (PAG) de acordo com sua concentração na

atmosfera, tempo de residência e absorção de raios infravermelhos em um período de tempo.

Normalmente é calculado para um período de 100 anos; os valores são expressos em relação

ao CO2 que tem valor 1. O CH4 tem PAG igual a 34 e o N2O, 298.

O setor econômico que mais emite GEE é a indústria (32%) seguida da agricultura,

que corresponde a cerca de 25% das emissões antrópicas (IPCC, 2013). Essas emissões têm

sido apontadas como a principal razão pelo aumento da concentração de (GEE) observado

depois da revolução industrial (1750) (Figura 1). Atualmente, a concentração de CO2 na

atmosfera é de 398 ppm, de CH4 é de 1833 ppb e de N2O corresponde a 327 ppb, o que

corresponde aumento de 40, 159 e 20% ao observado em 1750, respetivamente (WMO,

2015).

O aumento da concentração de GEE devido às atividades antrópicas tem sido apontado

como a maior causa para o aumento da temperatura da Terra nos últimos anos (IPCC, 2013).

Esse assunto tem gerado muita discussão, a fim de entender se é ocorrência “natural” ou se a

atividade antrópica está mudando o clima do planeta. Dados paleoclimáticos ajudam a

responder essas questões.

Eventos de insolação e a concentração de CO2 determinaram períodos glaciais e

interglaciais, tendo impacto no clima da Terra no período de 800 mil anos atrás (TZEDAKIS

et al., 2012). A concentração de CO2 nesse período variou entre 170 a 200 ppm nas eras

glaciais e nos períodos mais quentes (interglaciais) entre 240 e 300 ppm (WOLFF, 2011). Não

chegando próximo da atual concentração de CO2 na atmosfera, 398 ppm (WMO, 2015).

Page 19: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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Figura 1 - Concentração de gases do efeito estufa na atmosfera de 1000 anos atrás até o

presente, obtidos de testemunhas de gelo e mais recentemente de medições na atmosfera.

(Extraída de WOLFF, 2011).

A previsão de emissão de C até o ano de 2.400 é de 5.000 Gt pela queima de

combustível fóssil, o que aumentaria a concentração de CO2 na atmosfera para 1.800 ppm

(ZACHOS et al., 2008). A última vez que ocorreu grande aumento de CO2 na atmosfera da

Terra foi no máximo termal do Paleoceno-Eoceno há 55 milhões de anos atrás, em que houve

emissão de 2.000 Gt C para atmosfera por atividades de vulcanismo e oxidação de CH4, o que

aumentou em 5 a 6ºC a temperatura do fundo do oceano (ZACHOS et al., 2001).

Entre os três principais GEE emitidos por atividades antrópicas, o metano foi o que

teve maior aumento relativo, de 1750 até 2014, de 159%, chegando a 1833 ppb (WMO,

Page 20: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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2015). A variação da concentração de CH4 em 800 mil anos atrás foi de 340 a 800 ppb

(WOLFF, 2011), não chegando próximo de valores tão altos como os de hoje. As emissões de

CH4 ocorrem principalmente na indústria, solos alagados, cultivo de arroz e fermentação

entérica em criação de bovinos (IPCC, 2001).

A concentração de N2O na atmosfera atualmente é de 327 ppb (WMO, 2015),

mostrando grande aumento depois da revolução industrial (Figura 1). No passado, 650 mil

anos atrás, a concentração atingia cerca de 200 ppb durante os períodos mais frios e 280 ppb

nos interglaciais, nunca próximo aos valores atuais.

Apesar do N2O ser um gás traço, deve-se ter atenção com esse potente GEE. Sem

considerar o desmatamento, o N2O é o GEE mais emitido pela agricultura (IPCC, 2007), que

é também, a atividade antrópica que mais emite esse gás. No Brasil, por exemplo, mais de

91% da emissão de N2O é devido à agricultura, sendo que aproximadamente 7% desse valor

provêm diretamente da aplicação do fertilizante sintético no solo (MCT, 2010). O fertilizante

nitrogenado sintético é considerado uma das principais razões pelo aumento de N2O na

atmosfera (IPCC, 2007).

Nos últimos 100 anos, a humanidade dobrou a quantidade de N reativo no planeta.

ERISMAN et al. (2011) comentaram que cerca de 50% da população atual existe somente

devido ao uso de fertilizantes nitrogenados. Porém, mais atenção deve ser dada aos efeitos

desse nitrogênio reativo no meio ambiente. Efeitos diretos do N reativo no clima incluem:

emissão de N2O em fabricação e aplicação do fertilizante nitrogenado; formação de O3 a

partir de NOx na atmosfera que é um GEE; formação de aerossóis – partículas sólidas ou

líquidas que pode provocar o resfriamento. Indiretos: Sequestro ou aumento de emissão de

CO2 na matéria orgânica e no oceano; alteração na emissão ou consumo de CH4 em terras

alagadas e nos ruminantes (ERISMAN et al., 2011).

Outra questão preocupante é que o N2O está relacionado com a destruição da camada

de ozônio pela formação de NO (IPCC, 2007). Considerando o aumento da população e o uso

de fertilizantes nitrogenados, o óxido nitroso se torna a principal substância destruidora da

camada de ozônio no século 21, não havendo esforço político para controlar sua emissão

(RAVISHANKARA, 2009).

O N2O pode ser retirado da atmosfera pelo processo de desnitrificação no solo por

atividade de microrganismos, no qual é transformado em N2. No ambiente terrestre, situações

que diminuem a difusão de N2O nos solos aumentam a possibilidade do solo ser um dreno de

N2O, transformando em N2, como em solos alagados (CHAPUIS-LARDY et al., 2007).

Entretanto, CANFIELD et al. (2010) mostraram que os humanos mudaram o ciclo de N pela

Page 21: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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demanda de alimentos, energia e fibra, o que resultou em aumento da quantidade de N reativo

no sistema. Desse modo, esses danos causados no ambiente podem fazer com que demore

séculos para a microbiota restaurar o balanço no ciclo de N.

2.2 Emissão de N2O pela Aplicação de Fertilizantes Nitrogenados no Solo

2.2.1 Fator de emissão, fontes e doses de N

O IPCC sugere para inventários nacionais usar o fator de emissão de N2O de 1% do N

aplicado, sem distinção de dose e forma do N no fertilizante usado (IPCC, 2006). Esse valor é

referente à média de 846 trabalhos e é calculado descontando a emissão do solo sem a

aplicação do fertilizante nitrogenado. Porém, essa quantidade de N2O emitida em relação ao

que foi aplicado é difícil de ser estimada, pois a emissão deste gás depende de vários fatores.

EICHNER (1990) listou os seguintes fatores: (i) técnicas de manejo – tipo do fertilizante,

dose, modo de aplicação, momento da aplicação, tipo de plantio, uso de outros produtos

químicos, cultura, irrigação, N e C residual; (ii) fatores ambientais – temperatura, chuva,

umidade do solo, C orgânico, disponibilidade de oxigênio, porosidade, pH e microrganismos.

Assim, uma grande variação de fator de emissão é encontrada na literatura, que

depende de cada situação. EICHNER (1990) encontrou valores de 0,001 a 7% do N aplicado

ao compilar dados de 104 trabalhos na literatura. No cultivo de cana-de-açúcar na Austrália,

WANG et al. (2016) reportaram fatores de emissão de 1,3% e de 10% em solos distintos

quanto ao teor de matéria orgânica DENMEAD et al. (2010) mostraram fator de emissão de

21% do N aplicado. LISBOA et al. (2011) compilaram dados da literatura de emissão de N2O

no cultivo de cana-de-açúcar em vários países e chegaram na média de 3,87% do N aplicado,

nesse estudo os autores não descontaram a emissão do solo sem aplicação do fertilizante

nitrogenado para o cálculo do fator de emissão.

Um aspecto importante na emissão de N2O é a fonte de N aplicada, que pode ser na

forma orgânica, e nas formas inorgânicas de amônio, ureia ou nitrato. A emissão de N2O está

correlacionada com o teor de N-NH4+ e N-NO3

- no solo (BAIRD, 2002; CARMO et al., 2005;

MCSWINEY & ROBERTSON, 2005; TENUTA & BEAUCHAMP, 2003). TENUTA &

BEACHAMP (2003) concluíram que a emissão de N2O foi maior pela aplicação de fontes

amoniacais do que nítricas no solo. Contudo, o tempo de avaliação foi de 21 dias, tempo curto

para avaliar a desnitrificação. SNYDER et al. (2009) citaram vários trabalhos que comparam

Page 22: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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fontes de N na emissão de N2O; e alguns estudos mostram que a emissão de N2O com o uso

de ureia é geralmente maior que de outras fontes, devido ao acúmulo de nitrito durante algum

tempo no solo (VENTEREA et al., 2015).

Alguns fatores ambientais podem contribuir para que ocorra diferença na emissão de

N2O em relação à fonte de N aplicada. LIU et al. (2007) em estudo com 15

N sob condições

controladas mostraram que a emissão de N2O foi maior com a aplicação de nitrato em solo

com umidade de 75% do espaço poroso preenchido por água (EPPA). Por outro lado, a

emissão de N2O com fonte amoniacal foi o dobro em relação à fonte de nitrato em solo com

60% EPPA. VENTEREA et al. (2015) mostraram que a emissão de N2O pela aplicação de

ureia é maior em solos com menor adsorção de NH4+. MÜLLER et al. (2014) observaram

maior emissão de N2O derivado do N orgânico do solo do que da fonte de N inorgânico

aplicada. Deste modo, os fatores edafoclimáticos podem influenciar na emissão de N2O em

relação à fonte de N aplicada. Esse é um importante fator a ser investigado, pois pode gerar

recomendações diferentes em relação à fonte de N a ser aplicada de acordo com a condição

edafoclimática do sistema agrícola adotado.

Outro aspecto relacionado à emissão de N2O diz respeito à dose de N aplicada. O

IPCC (2006) considera como efeito linear o aumento de dose de N na emissão de N2O, porém

alguns autores vêm questionando esse valor padrão. MCSWINEY & ROBERTSON (2005)

não encontraram resposta linear entre emissão de N2O e dose de N aplicada, mas mostraram

que dose de N acima da exigência da cultura aumenta exponencialmente a emissão de N2O.

Dados semelhantes foram compilados na revisão feita por SNYDER et al. (2009). Em uma

publicação mais recente, KIM et al. (2013) sugerem que a emissão de N2O pode ter efeito

linear, exponencial e depois hiperbólico. Ocorre efeito linear quando planta e microrganismos

competem pelo N; no caso em que a dose de N aplicada é superior ao exigido pela planta, o

efeito será exponencial por haver mais N disponível para os microrganismos; porém, caso o C

seja limitante, a emissão será em forma de hipérbole, com pouca variação na emissão de N2O

pela adição de N.

Há dúvidas se a relação entre emissão de N2O e a dose de N pode ser dependente da

fonte de N aplicada, devido aos diferentes fatores de emissão reportados na literatura. Esse é

um assunto que merece atenção, visto que o consumo de nitrogênio tem aumentado para

elevar a produtividade das culturas, juntamente com a pressão da sociedade por medidas que

reduzem a emissão de GEE.

Page 23: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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2.2.2 Fertilizantes de eficiência aumentada

Recentemente, a Associação Americana de Nutrição de Plantas (AAPFCO) criou o

termo “fertilizantes de eficiência aumentada” para produtos desenvolvidos para reduzir as

perdas de N em relação às fontes solúveis (HALL, 2005). Os fertilizantes são divididos em

duas categorias: 1) fertilizantes estabilizados que contêm compostos para controlar a taxa de

transformação dos fertilizantes no solo, apresentando três fertilizantes distintos: i) com adição

de inibidores de urease; ii) adição de inibidores de nitrificação; iii) combinação dos dois

inibidores; 2) fertilizantes de liberação lenta ou controlada, que são divididos em duas

categorias: i) fertilizante de liberação controlada, que incluem os fertilizantes solúveis

encapsulados com S elementar, resinas ou polímeros sintéticos; ii) fertilizante de liberação

lenta, que são compostos de baixa solubilidade em água.

Os inibidores de urease retardam a hidrólise da ureia no solo, com o propósito de

reduzir a perda de N por volatilização de NH3. Milhares de compostos, orgânicos e

inorgânicos, têm sido testados com esse propósito (KISS & SIMIHĂIAN, 2002; RADEL et

al., 1988), sendo que o produto fabricado de maior sucesso até o momento é o tiofosfato de N-

(n-butil) triamida – NBPT - (CANTARELLA, 2007; WATSON, 2000). Apesar de se

encontrar na literatura dados que mostram que a adição de NBPT na ureia reduz a emissão de

N2O (ZAMAN et al., 2008), a maioria dos estudos indica que os inibidores de urease não têm

efeito na emissão desse gás quando comparado com fontes convencionais a base de ureia

(AKIYAMA et al., 2010, SNYDER et al., 2014).

Por outro lado, os inibidores de nitrificação mostram resultados bem positivos na

redução de emissão de N2O (SNYDER et al., 2009; 2014). Esses inibidores retardam por um

determinado período o processo de nitrificação no solo, evitando a formação de nitrato que

acarretaria em perdas de N por lixiviação, emissão de N2O e N2 (CHIEN et al., 2009). A

maioria dos inibidores de nitrificação age na enzima amônia monooxigenase (AMO), presente

em microrganismos que participam da primeira fase da nitrificação, transformação de amônio

para hidroxilamina (RUSER & SCHULZ, 2015; SUBBARAO et al., 2006; TRENKEL,

2010).

Há vários inibidores de nitrificação patenteados e empregados em fertilizantes

comerciais, especialmente a nitrapirina, a dicianodiamida (DCD) e o fosfato de 3,4-

dimetilpirazole (DMPP). O modo de ação desses três produtos é formação de quelato com o

cobre contido na enzima amônia monooxigenase, retardando a transformação do N no solo

Page 24: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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(SUBBARAO et al., 2006). O período de efetiva inibição varia de 3 a 10 semanas,

dependendo do produto, do tipo de solo, da temperatura e outros fatores (TRENKEL, 1997;

WEISKE et al., 2001).

O inibidor de nitrificação dicianodiamida é empregado em várias formulações

comerciais por ser barato, pouco volátil, relativamente solúvel em água e é eficiente em

fertilizantes nitrogenados nas doses de 5 a 10% do nitrogênio aplicado (SLAGEN &

KERKHOFF, 1984). O DCD é uma amida (C2N4H4), que além de inibir a nitrificação, é um

fertilizante de liberação lenta que tem 65% de N (SLAGEN & KERKHOFF, 1984). O DCD

tem baixa toxidez, sendo a dose letal (LD50) > 10.000 mg kg-1

é considerado praticamente

não-tóxico (TRENKEL, 1997). Tem efeito bacteriostático sobre as Nitrosomonas e não afeta

a comunidade microbiana do solo (DI & CAMERON, 2004; O'CALLAGHAN et al., 2010).

No solo é degradado por enzimas específicas sendo convertido em ureia (TRENKEL, 2010).

O DMPP é classificado como nova substância química (Figura 2; ZERULLA et al.,

2001) e teve que passar por diversos testes de toxicidade para animais e para o meio ambiente

para ser registrado, apresentando dose letal (LD50) que varia de 300 a 2.000 mg kg-1

(TRENKEL, 2010). O DMPP tem a vantagem de ser eficiente em dose menor que a do DCD

e ter mobilidade mais baixa no solo, sendo semelhante à do amônio; assim, a dose de 0,5 a 1,5

kg/ha ou 1% do N aplicado tem se mostrado eficiente em inibir a nitrificação (TRENKEL,

2010; WEISKE et al., 2001, ZERULLA et al., 2001). O DMPP é degradado no solo, tendo o

CO2 como produto final (FETTWEIS et al., 2001).

Figura 2 - Estrutura química do fosfato de 3,4-dimetilpirazole – DMPP. (Extraída de

ZERULLA et al., 2001).

Page 25: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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No período de tempo em que o inibidor é eficiente, o N é mantido na forma de NH4+,

que é absorvido pelas plantas, e assim reduz a emissão de N2O que ocorreria pelas

transformações de N no solo. Dados recentes da literatura mostram que a adição de inibidores

de nitrificação pode reduzir de 19 até 100% a emissão de N2O em comparação às fontes

convencionais, dependendo do solo, fonte de N aplicada e condições ambientais (SNYDER et

al., 2014). WEISKE et al (2001) compararam o inibidor de nitrificação DMPP com o DCD e

mostraram que o DMPP foi mais eficiente, reduzindo em 49% a emissão de N2O, enquanto

que o DCD reduziu em 26%. Porém, no trabalho de AKIYAMA et al. (2010), com dados

compilados, houve pouca diferença entre os inibidores de nitrificação, apontando para média

de 38% de redução da emissão de N2O. Em estudo mais recente usando meta análise,

GILSANZ et al. (2016) chegaram à média de 42% de redução com uso de DCD e 40%, com

DMPP.

Essa variação da eficiência dos inibidores, como por exemplo, mostrado na revisão de

SNYDER et al (2014) pode ocorrer devida sua eficiência ser afetada por diversos fatores,

como as propriedades do inibidor, pH do solo, matéria orgânica do solo, porosidade,

temperatura, umidade, etc (SINGH et al., 2008; SUBBARAO et al., 2006; TRENKEL, 1997;

WEISKE et al., 2001). Por exemplo, SINGH et al. (2008) mostraram que a redução de

emissão de N2O pela adição de DCD em urina foi de 90% em solo com baixo teor de matéria

orgânica (carbono orgânico: 3,4 g/kg), por outro lado a redução caiu para 45% em solo com

alto teor de matéria orgânica (carbono orgânico: 8 g/kg). Assim dependendo das condições do

local o inibidor é degradado no solo mais rapidamente que a demanda da cultura pelo N,

ficando nitrogênio no solo suscetível a nitrificação e desnitrificação ocorrendo maiores

emissões de N2O após o período que o inibidor é eficiente (HU et al., 2013; JUMADI et al.

2008; LIU et al., 2013; WEISKE et al., 2001). Em outros trabalhos os inibidores de

nitrificação foram usados em fontes que contém parte do N na forma de NH4+ e parte como

NO3-; desse modo o inibidor só irá reduzir a emissão de N2O proveniente da nitrificação do

N-NH4+, não tendo efeito diretamente na desnitrificação, em que o N2O é formado a partir do

NO3- e assim a eficiência do inibidor será menor (SNYDER et al., 2009; 2014).

Na outra categoria dos fertilizantes de eficiência aumentada estão os produtos com

liberação gradual do nutriente, divididos em dois produtos, de liberação controlada e os de

liberação lenta. Os fertilizantes de liberação controlada incluem ureia revestida com

encapsulados de enxofre e/ou revestida com polímeros. A liberação de N depende da

espessura e qualidade do encapsulado, sendo que falhas do revestimento, na manipulação e no

Page 26: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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processo de fabricação podem afetar as propriedades do fertilizante (GOULD et al., 1996;

SHAVIV et al., 2005).

Essa barreira física vai aos poucos sendo degradada no solo por ação da água,

temperatura e microrganismos e assim libera lentamente os nutrientes pelos microporos dos

fertilizantes (TRENKEL, 2010). A liberação gradual de nutriente, pelos fertilizantes de

liberação controlada, em sincronia com a demanda da planta pode reduzir as perdas de N e,

consequentemente, aumentar a eficiência de uso do N e a produtividade das culturas

(CARRERES et al., 2003; FAN et al., 2004; MUNOZ et al., 2005; SHOJI et al., 2001; WEN

et al., 2001). Porém, caso a demanda da planta seja em período diferente da liberação de N

pelo fertilizante, o produto pode não ter efeito positivo em relação às fontes solúveis

(RODRIGUES et al., 2010).

Os fertilizantes de liberação controlada também podem reduzir a emissão de N2O.

AKIYAMA et al. (2010) compilaram dados de 35 estudos para avaliar o efeito de fertilizantes

de liberação controlada na redução de emissão de N2O, observando uma média de 35% de

redução em relação às fontes convencionais de N orgânicas e minerais. Entretanto, em recente

revisão, SNYDER et al. (2014) discutem que os efeitos desses fertilizantes na emissão de N2O

não são consistentes; pois em alguns casos o fertilizante de liberação controlada reduz a

emissão de N2O e em outros não tem esse efeito benéfico quando comparado com uma fonte

convencional.

Os fertilizantes de liberação lenta são formados pela condensação de produtos de ureia

e ureia-aldeído, que pode gerar produtos com diferentes tempos de liberação do nutriente por

alterar a solubilidade do fertilizante (CHIEN et al., 2009). Uma das vantagens dos fertilizantes

de liberação lenta é a redução na volatilização de NH3 (CHRISTIANSON et al., 1988). Em

geral esses fertilizantes são mais eficientes que os tradicionais, quando o fornecimento

gradual de N é vantajoso, como em grãos, culturas perenes, pastagens e gramados. Entretanto,

CAHILL et al. (2007), em oito experimentos, nos EUA, com trigo e milho, mostraram que a

aplicação de ureia formaldeído líquido resultou no mesmo rendimento quando as culturas

foram adubadas com o fertilizante convencional fluído de ureia com nitrato de amônio.

Devido à menor participação desses produtos no mercado, poucos estudos foram feitos em

relação à emissão de N2O. JIANG et al. (2010) mostraram redução na emissão de N2O com o

uso de ureia formaldeído em comparação à ureia convencional; contudo o fertilizante de

liberação lenta resultou em aumento da produtividade de milho pelo aumento da eficiência do

uso do N. Em outras situações em que a liberação lenta não resulte em aumento da eficiência

Page 27: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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do uso do N dificilmente irá resultar em redução na emissão de N2O, pois a mesma

quantidade de N estará disponível para microbiota do solo.

Apesar de esses produtos terem participação pequena no mercado, devido ao preço

mais elevado que as fontes convencionais (TRENKEL 2010), atualmente vêm ganhando

destaque pelos benefícios ambientais e agronômicos (CHIEN et al., 2009). O IPCC considera

os inibidores de nitrificação e os fertilizantes de liberação controlada como opções de

mitigação de GEE, podendo reduzir em 30% a emissão de N2O (IPCC, 2001). Essa redução

depende de diversos fatores e pode ser superior a esse valor.

2.3 Processos Bióticos e Abióticos Envolvidos na Emissão de N2O no Solo

A emissão de N2O no solo ocorre principalmente pelos processos de nitrificação e

desnitrificação, havendo, entretanto, outras transformações do N solo como a nitrificação

desnitrificante, redução dissimilatória do nitrato para amônio, quimio-desnitrificação e co-

desnitrificação (Figura 3). Esses processos envolvem reações abióticas e reações feitas por

microrganismos autotróficos e heterotróficos, pertencentes aos domínios Bactéria e Arqueia e

ao reino Fungo (BAGGS, 2008; BRAKER & CONRAD, 2011; CANFIELD et al., 2010;

FRAME & CASCIOTTI, 2010; HAYATSU et al., 2008; STEVENS & LAUGHLIN, 1998;

MÜLLER et al., 2014; SPOTT et al., 2011; ZHAO et al., 2012).

Os estudos feitos para diferenciar esses processos utilizam isótopo marcado como N15

e O18

(BAGGS et al., 2008; MÜLLER et al., 2014), inibidores ou antibióticos (CHEN et al.,

2014; SAGGAR et al, 2013) e as técnicas moleculares (HAYATSU et al., 2008). A

metagenômica permitiu maior acesso às informações sobre a microbiota no solo, visto que a

maioria dos microrganismos não é cultivável em laboratórios (CARDENAS & TIEDJE, 2008;

RAJENDHRAN & GUNASEKARAN, 2008).

Os genes que codificam algumas enzimas e transformações do N no solo são para o

processo de nitrificação: amônia monooxigenase (amoA), hidroxilamina oxidoredutase (hao)

e nitrito oxidoredutase (nxr), e para desnitrificação: nitrato redutase (narG), nitrito redutase

(nirK/nirS), óxido nítrico redutase (norB) e óxido nitroso redutase (nosZ), conforme mostrado

na figura 3 (CANFIELD et al., 2010).

Page 28: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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Figura 3 - Transformações do N no solo, genes relacionados e vias de produção de N2O: 1)

Nitrificação; 2) Desnitrificação; 3) Redução dissimilatória do nitrato para amônio; 4)

Nitrificação desnitrificante; 5) Co-desnitrificação; 6) Quimio-desnitrificação. Figura adaptada

de BAGGS (2008); BRAKER & CONRAD (2011), CANFIELD et al. (2010), FRAME &

CASCIOTTI (2010), HAYATSU et al. (2008), STEVENS & LAUGHLIN (1998), MÜLLER

et al. (2014), SPOTT et al. (2011) e ZHAO et al. (2012).

Page 29: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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A nitrificação é a oxidação de NH3/NH4+ para NO3

-, que de acordo com o modelo

clássico ocorre por duas etapas principais; a formação do nitrito, através da hidroxilamina, e a

formação do nitrato, ocorrendo em condições aeróbicas. Recentemente foi descoberto que a

nitrificação pode ocorrer durante uma única etapa, realizada por bactérias do gênero

Nitrospira (KESSEL et al., 2015); porém, ainda não se sabe se ocorre emissão de N2O nesse

processo de uma única etapa. No modelo clássico de nitrificação, a primeira etapa é feita

principalmente por bactérias e arqueias oxidadoras de amônia, que são organismos

autotróficos – obtém carbono do CO2 presente na atmosfera. Diversos trabalhos foram feitos

para avaliar a abundância do gene amoA que codifica a primeira etapa da nitrificação e está

presente em bactérias e arqueias, com o intuito de saber qual microrganismo está mais

envolvido na nitrificação e emissão de N2O em diferentes condições edafoclimáticas (JIANG

et al., 2015; MARTENS-HABBENA et al., 2010; NICOL et al, 2008; PEREIRA & SILVA et

al., 2012; SANTORO et al., 2011; HE et al., 2007; YANG et al., 2013; ZHANG et al., 2012).

Na segunda etapa da nitrificação, a oxidação do nitrito é feita por bactérias

autotróficas, não ocorrendo essa função em arqueias (HAYATSU et al., 2008). Esse processo

é importante para emissão de N2O, pois em casos que o NO2- se acumula devido ao efeito

tóxico de alta concentração de NH3, ocorre queda nesse processo, codificado pelo gene nxr e

há aumento da emissão de N2O (VENTEREA et al., 2015). As duas etapas da nitrificação

também podem ser feitas por bactérias e fungos heterotróficos – obtém carbono orgânico, e

contribuem para produção de N2O (JORDAN et al., 2005; HAYATSU et al., 2008;

LAUGHIN et al, 2008; MARUSENKO et al, 2013; ISLAM et al, 2007; RUTTING et al.,

2013). O N2O durante a nitrificação formado através da hidroxilamina também pode ocorrer

por processo químico (SPOTT et al., 2011), também chamado de quimio-desnitrificação

(BRAKER & CONRAD, 2011). A quimio-desnitrificação também se refere à formação

química de N2O através do nitrito e um agente orgânico, como a amida, ou inorgânico, como

o ferro e o cobre (BRAKER & CONRAD, 2011).

Durante a nitrificação pode ocorrer a desnitrificação através do nitrito, antes de formar

nitrato. Processo conhecido como nitrificação desnitrificante, realizado por bactérias

oxidadoras de amônia que tem o gene nirK e/ou norB e assim realizam a desnitrificação

também, ocorrendo emissão de N2O (HAYATSU et al., 2008; DI et al., 2014; KOOL et al.,

2010). Outro processo envolvido na oxidação do amônio é o chamado “ANAMMOX” (Do

inglês anaerobic ammonium oxidation), que ocorre em condições anaeróbicas formando NO2-

e N2, não sendo uma via de produção de N2O (HAYATSU et al., 2008).

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O processo de desnitrificação envolve as etapas de redução do nitrato, do nitrito, do

óxido nítrico e do óxido nitroso para N2, codificadas pelos genes narG, nirK/nirS, norB e

nosZ, respectivamente. Essas etapas são feitas predominantemente por bactérias heterotróficas

em condições anaeróbicas (BRAKER & CONRAD, 2011). Há indícios que as arqueias

também realizam a desnitrificação (HAYATSU et al., 2008). Fungos heterotróficos também

desnitrificam e contribuem para emissão de N2O, pois contém o gene nirK (WEI et al., 2015)

e norB (MOTHAPO et al., 2013; SHOUN et al., 2012) e não contém o nosZ, assim o produto

final é o N2O e não N2 (BRAKER & CONRAD, 2011). A desnitrificação pode ocorrer

também em condições aeróbicas por bactérias desnitrificantes adaptadas às flutuações entre

condições anaeróbicas e aeróbicas (HAYATSU et al., 2008).

O processo de redução dissimilatória do nitrato para amônio é realizado por bactérias

heterotróficas fermentadoras, ocorrendo em condições anaeróbicas e com alta relação C/N no

solo. Entretanto, SCHMIDT et al. (2011) mostraram que esse processo também é importante

em solos aerados. Essas bactérias podem gerar N2O e N2 durante esse processo (HAYATSU

et al. 2008; STEVENS & LAUGHLIN, 1998; YIN et al., 2002).

O processo de co-desnitrificação pode ser abiótico e biótico, sendo realizado por

bactéria, arqueia e fungos (SPOTT et al., 2011). O processo químico é favorecido em pH < 5,

pois envolve consumo de H+, enquanto que os processos bióticos ocorrem em pH próximo a

neutralidade. No processo de co-desnitrificação ocorre a combinação de duas fontes de N no

processo de desnitrificação, assim um composto redutor como NO-, NO2

- e NO3

- combinado

com a hidroxilamina, amônio ou N orgânico gera N2O ou N2 (SPOTT et al., 2011).

2.4 Cultivo de Cana-de-açúcar e Emissão de N2O

A área com cultivo de cana-de-açúcar no Brasil supera 9 milhões de ha, sendo o

Estado de São Paulo o maior produtor com 52% da área cultivada na safra 2014/15 (CONAB,

2015). Em São Paulo a cana-de-açúcar é a cultura mais cultivada, tendo produtividade média

de 73 t/ha, sendo próxima à média nacional de 70 t/ha (CONAB, 2015).

A cultura tem grande importância econômica no país; na safra de 2014/15, 43% da

cana colhida foi destinada à produção de 36 milhões de toneladas de açúcar e 57% para gerar

29 bilhões de litros de etanol (CONAB, 2015). Esses números representam mais da metade do

açúcar proveniente de cana comercializado no mundo (CONAB, 2015), e mais de 17% da

matriz energética do Brasil – incluindo a queima de bagaço e palha (MME, 2015), sendo que

Page 31: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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o consumo de etanol superou o de gasolina automotiva no período de 2008 a 2010 e ficou

abaixo de 2011 a 2013 (ANP, 2015). Em valores econômicos, o açúcar produzido nesta safra

2014/15 representa mais de R$ 60 bilhões, considerando o preço do saco de 50 kg a R$ 83,60,

e o álcool equivale a mais de R$ 54 bilhões, sendo o preço de R$1,87/L (CEPEA, 2016).

O etanol proveniente de cana-de-açúcar se destaca na questão ambiental, por ser

combustível renovável e reduzir em até 80% a emissão de gases de efeito estufa quando

comparado com gasolina (BODDEY et al., 2008; MACEDO et al., 2008). Entretanto a

emissão de N2O oriundo da adubação nitrogenada pode reduzir ou negar esse efeito.

CRUTZEN et al. (2008) relataram que o fator de emissão de N2O pelo uso de fertilizantes é

de 3 a 5% do N aplicado e assim a quantidade de N requerida pelas culturas para produzir

biocombustível iria causar maior emissão de GEE do que o CO2 emitido com o combustível

fóssil. Neste estudo os autores mostraram que para a cultura de cana-de-açúcar o balanço de

GEE ainda seria um pouco positivo, quase se equivaleria à emissão do combustível fóssil.

Vários estudos mostraram que a emissão de N2O tem grande impacto na produção de

etanol (BODDEY et al., 2008; EGESKOG et al., 2014; FILOSO et al., 2015; LISBOA et al.,

2011; MACEDO et al., 2008), podendo representar 40% da emissão total de gases (LISBOA

et al., 2011). Neste estudo os autores compilaram dados de emissão no cultivo de cana na

Austrália e Estados Unidos principalmente, e chegaram a um fator de emissão médio de 3,9%

do N aplicado. Nesse caso a emissão de N2O do solo sem fertilizante não foi descontada para

o cálculo do fator de emissão. Em estudo mais recente, EGESKOG et al. (2014) mostraram

que a emissão de N2O também representou 40% da emissão total de GEE na produção de

etanol, porém os autores utilizaram fator de emissão de N2O de 1% do N total disponível para

planta (fertilizante, mineralização da matéria orgânica do solo, resíduos adicionados, como

palha, vinhaça e torta de filtro; e emissões indiretas), em que o N proveniente diretamente do

fertilizante representou aproximadamente 50% do N disponível.

Os dados de fator de emissão de N2O no cultivo variam de acordo com o local, fonte

de N, condições ambientais entre outros. Os estudos feitos na Austrália indicam que o fator de

emissão é mais elevado que no Brasil. ALLEN et al. (2010) mostraram fator de emissão de

N2O de 1 até 7% do N aplicado. WEIER et al. (1998) reportaram valores de 0,2 a 1,5%.

WANG et al. (2016) chegaram a 1,3% e 10% em solos distintos quanto ao teor de matéria

orgânica. DENMEAD et al. (2010) reportaram fator de emissão de 21%. Nesses estudos as

áreas foram irrigadas ficando com acúmulo de água no solo por um período de tempo, o teor

de matéria orgânica no solo era elevado, além disso, a dose aplicada de N foi de 160 kg ha-1

,

superior ao que é utilizado no Brasil, em torno de 120 kg ha-1

(RAIJ et al, 1997).

Page 32: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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Em recente revisão, FILOSO et al. (2015) mostraram diversos estudos de emissão de

N2O no cultivo de cana-de-açúcar no Brasil. O fator de emissão foi 0,2 a 1% do N aplicado.

Porém, nos estudos com a adição de resíduos como vinhaça, torta de filtro ou palha na

superfície do solo, o fator de emissão de N2O do fertilizante aumenta para aproximadamente

3% do N aplicado (CARMO et al., 2013; PAREDES et al., 2014; PITOMBO et al., 2015). No

estudo de SIQUEIRA-NETO et al. (2015), no entanto, mesmo com a adição de vinhaça ou

torta de filtro, o fator de emissão foi de 0,2 a 0,8% do N aplicado. A emissão de N2O,

portanto, variam muito em função das condições edafoclimáticas de cada local.

Dada à revisão de literatura, estudos com a emissão de gases do efeito estufa devem

ser feitos com o propósito de procurar medidas para reduzir o impacto ambiental de atividades

antrópicas no clima do planeta, como por exemplo, a produção de biocombustíveis, na qual só

a emissão de N2O representa 40% da emissão total de GEE considerando todo o processo de

produção do etanol proveniente de cana-de-açúcar. A maioria dos estudos com cultivo de

cana-de-açúcar no Brasil aponta para relativamente baixas emissões de N2O, menos de 1% do

N aplicado. Porém, essa emissão pode ser mais elevada em algumas situações. Entretanto,

poucos estudos foram feitos para caracterizar a emissão de N2O no cultivo de cana-de-açúcar,

especialmente, em relação ao manejo das fontes e doses de N aplicadas. Além disso, medidas

que visam reduzir a emissão são necessárias.

3 MATERIAL E MÉTODOS

Foram feitos dois estudos em condições de campo em localidades já cultivadas com

cana-de-açúcar. O primeiro estudo foi feito com fertilizantes de eficiência aumentada, sendo

avaliado durante três ciclos consecutivos de cana soca, da 1ª a 3ª soca, no município de

Campinas/SP. O segundo estudo foi feito com diferentes doses e fontes de N, durante um

ciclo de cana planta em Piracicaba/SP.

3.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada

Foram testados três tipos de fertilizantes de eficiência aumentada, dois que contém

inibidores de nitrificação e um de liberação controlada. Os fertilizantes foram avaliados em

três ciclos consecutivos de cana soca, nos anos de 2011/12, 2012/13 e 2013/14.

Page 33: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

18

3.1.1 Primeiro ciclo - 2011/12

O experimento foi instalado em um bloco de uma área já cultivada com cana-de-

açúcar, variedade SP79-1011 com 1,5 m de espaçamento, no centro experimental do Instituto

Agronômico – IAC, no município de Campinas-SP (22º52’15” S, 47º04’57” O). O primeiro

ciclo (cana planta) foi plantado em abril de 2010 e colhido em dezembro de 2011; em abril de

2012, quando os fertilizantes foram aplicados na 1ª soca, as plantas já estavam com 1,5 m de

altura. A colheita foi feita em novembro de 2012, totalizando 217 dias após adubação.

O solo da área foi classificado como Latossolo Vermelho de acordo com o sistema

brasileiro de classificação de solos (EMBRAPA, 2006) e analisado no começo do

experimento em 2010 quanto às propriedades químicas (RAIJ et al., 2001) e físicas

(CAMARGO et al., 1986), que constam na tabela 1.

Os tratamentos aplicados foram: 1) Controle sem N; 2) Ureia (UR); 3) UR + DCD; 4)

UR + DMPP; 5) UR recoberta com polímeros e enxofre (PSCU). O delineamento

experimental foi inteiramente casualizado com quatro repetições para cada tratamento,

totalizando 20 parcelas experimentais.

A ureia contendo os inibidores de nitrificação foi preparada no laboratório do Instituto

Agronômico. O inibidor de nitrificação DCD, contendo 650 g kg-1

de N, de grau analítico

(Sigma Aldrich), em forma de pó, foi pesado individualmente e misturada à porção de ureia

de cada parcela experimental, sendo aplicado na dose de N-DCD correspondente a adição de

5% do N-Ureia aplicado. O DMPP de grau analítico, em forma de pó, também foi pesado

individualmente e misturado à porção de ureia de cada parcela experimental, aplicado na dose

de 1% em relação ao N-Ureia aplicado.

O fertilizante PSCU foi produzido e fornecido pela empresa de fertilizantes

Produquimica (Produquimica Ltda, Brasil). Segundo o fabricante, o polímero é derivado de

poliacrilato não hidrossolúvel e contém enxofre. O fertilizante contem 39% de N e 11% de S.

Tabela 1 – Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental

de Campinas†.

pH CaCl2 C-org P K Ca Mg H+Al CTC V% Argila Silte Areia

g dm-3 mg dm-3 _____________________ mmolc dm-3 ______________________ % _____________ g kg-1 ____________

5,6 12 8 2,7 22 12 19 56 66 410 175 415 †

pH CaCl2: CaCl2 0,0125mol L-1

; C-org: carbono orgânico: oxi-redução.; P, K, Ca, Mg: extraído com resina de

troca iônica; H + Al: solução tampão a pH 7,0; CTC: capacidade de troca catiônica; V%: saturação por base;

Textura: método da pipeta.

Page 34: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

19

Os fluxos de N2O foram medidos utilizando-se câmaras estáticas (Figura 4), feitas de

PVC com 20 cm de altura e 30 cm de diâmetro (0,071 m2). Cada câmara correspondeu a uma

unidade experimental, assim 20 câmaras foram instaladas a 10 cm de uma linha de cana-de-

açúcar de 25 m de comprimento, sendo 1 m a distância entre elas. Essa distância entre

câmaras foi feita devido à grande variabilidade espacial da emissão de N2O (MATHIEU et al.,

2006). Para o cálculo de emissão na área total foi considerado que as câmaras com fertilizante

nitrogenado representam 16% da área (Figura 5) e para 84% foram utilizados os dados

obtidos com a câmara do tratamento sem aplicação de N (CARMO et al., 2013).

Figura 4 - Câmaras estáticas e tampas feitas de PVC instaladas no experimento e utilizadas

para coleta de gases. Foto de Johnny R. Soares.

Figura 5 - Esquema representativo da disposição das câmaras em um bloco da área e cálculo

para emissão total da área.

Page 35: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

20

Não foram instaladas câmaras nas entrelinhas, pois experimentos anteriores não

mostraram diferença significativa na emissão de N2O entre câmaras nas entrelinhas de

parcelas adubadas comparando com aquelas no tratamento sem fertilizante. Visto que o

fertilizante é aplicado na linha de plantio e não em área total.

A fixação das bases foi feita por meio de movimentos rotacionais até a profundidade

de 5 cm no solo, sendo instaladas um mês antes da aplicação dos fertilizantes, para evitar

emissões de gases devido a perturbação do solo. Para o cálculo exato do volume das câmaras,

a altura das bases foi medida em três pontos em cada semana de coleta de gases. A correção

da acidez do solo e a adubação de base com P, K, S e micronutrientes foi feita considerando

as características atuais de fertilidade segundo RAIJ et al. (1997).

A dose de N aplicada foi de 120 kg ha-1

, que está na faixa de valores recomendados

para cana-de-açúcar no Brasil (RAIJ et al., 1997). A palha que fica no campo foi retirada para

simular condições em que esse resíduo é coletado para produzir energia e para facilitar a

incorporação dos fertilizantes. Os fertilizantes foram incorporados no solo com auxílio de

enxada para evitar perdas de N por volatilização de NH3, visto que a adição de inibidores de

nitrificação na ureia aumenta essa perda de N (SOARES et al., 2012), o que poderia

subestimar a quantidade emitida de N2O. O fertilizante foi aplicado à mão em faixa paralela a

20 cm da linha de cana-de-açúcar, sendo que o fertilizante aplicado dentro das câmaras foi

pesado individualmente para cada unidade experimental e aplicado de forma incorporada no

solo com auxílio de uma pá.

O restante do fertilizante necessário para a cultura foi aplicado de lado oposto das

câmaras referente à mesma planta, sendo de 1 m o comprimento de cada parcela

experimental. Neste estudo não foi analisada a produtividade da cultura, pois a diferença de

perda de N (N2O, N2, lixiviação de NO3-) entre as fontes utilizadas não seria suficiente para

alterar a produtividade da cultura, visto que a dose de N aplicada corresponde a um ponto na

curva de resposta em que uma pequena variação na quantidade de nutriente fornecida não

resultaria em diferença de produtividade.

Durante os três primeiros meses do experimento, foi retirada semanalmente uma

amostra de solo da camada de 0-10 cm, utilizando-se um trado com diâmetro de 5 cm. Foram

retiradas três subamostras a fim de obter uma amostra composta de cada parcela experimental

do lado onde foi colocado o restante dos fertilizantes, oposto ao lado das câmaras. No total

foram feitas dez amostragens de solo, nas seguintes datas: 17, 31, 39, 45, 55, 62, 69, 78, 86 e

98 dias após a aplicação dos fertilizantes.

Page 36: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

21

As amostras foram homogeneizadas e armazenadas em sacos plástico em freezer a -

20ºC, para posterior análise em laboratório de umidade, que foi feito gravimetricamente após

peso constante a 105ºC; determinação do pH do solo (relação de 1:2,5; solo:solução), em

solução de CaCl2 0,0125 mol L-1

; e dos teores de N-NH4+ e N-NO3

-, que foi feito por

destilação a vapor conforme CANTARELLA & TRIVELIN (2001). O espaço poroso

preenchido por água (EPPA) foi calculado considerando a densidade e porosidade do solo,

feitas no início do experimento; para essas análises, o solo foi amostrado (0 – 10 cm) com

anéis volumétricos, sendo retirada uma amostra por bloco da área.

Durante os três primeiros meses após a aplicação dos fertilizantes, as coletas de gases

foram feitas três vezes por semana no período da manhã (ALVES et al., 2012). Após esse

período as coletas foram semanais ou quinzenais. Durante a coleta, as câmaras foram fechadas

com tampas de mesmo diâmetro da base e altura de 7 cm, durante 30 minutos. Na tampa tem

um orifício para coleta de gases e o outro para regular a pressão interna com a externa. Com o

auxílio de seringas de plástico (60 ml) os gases foram coletados em três tempos após o

fechamento das câmaras: 1, 15 e 30 minutos, conforme MOSIER et al. (2006). Antes da

coleta, o gás dentro da câmara foi homogeneizado através de cinco repetições de sucção e

injeção do ar contido na câmara com a seringa. As amostras foram colocadas em frascos pré-

evacuados de vidro (20 ml) de penicilina vedados com tampas de borrachas e lacres de

alumínio ou em exetainers® de 12 ml (Labco Limited, United Kindom).

As amostras foram analisadas em cromatógrafo gasoso Shimadzu, modelo GC-2014,

com determinação simultânea das concentrações de N2O por meio de detector tipo ECD

(captura de elétrons) operando a 325ºC (HUTCHINSON & MOSIER, 1981) e de CH4 e CO2

tipo FID (ionização de chama) operando a 250ºC. A quantidade de moles de gases foi

corrigida pela pressão atmosférica e temperatura medidas no momento da amostragem. O

fluxo de cada gás foi calculado por meio da variação da concentração nos três tempos de

avaliação até 30 minutos, obtendo-se o coeficiente angular de uma equação de reta ajustada.

Em toda coleta de gás foram retiradas três amostras de solo da área total para

determinar a umidade do solo. A temperatura do ar e do solo também foram medidas junto

com as coletas de gases, utilizando termômetro do tipo espeto. Os dados pluviométricos

foram obtidos da estação meteorológica do IAC instalada a 200 m da área experimental.

Page 37: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

22

3.1.1.1 Análises estatísticas

Os fluxos diários de N2O foram expressos em g ha-1

dia-1

, sendo calculados

considerando que a emissão dentro da câmara representa 16% da área total, e os dados da

emissão no tratamento controle foram utilizados para 84% (CARMO et al., 2013). Para a

emissão acumulada dos gases, foi feito interpolação linear dos dados para os dias em que não

foram medidos os fluxos e foram expressos em g ha-1

para N2O e CH4 e em kg ha-1

para CO2,

considerando o total de dias de cada ciclo de cana-de-açúcar após a aplicação dos fertilizantes.

Os dados da emissão acumulada total foram testadas quanto à normalidade dos resíduos pelo

teste Shapiro-Wilk, submetidos à análise de variância (ANOVA) e médias comparadas pelo

teste Tukey a 5% de probabilidade, usando o programa estatístico SISVAR® (FERREIRA,

2000). Os gráficos foram plotados e figuras feitas utilizando o software Sigma Plot, versão

12.5 (SYSTAT SOFTWARE, 2006).

A influência de variáveis edafoclimáticas na emissão de N2O foi determinada por de

regressão linear simples e regressão linear múltipla, sendo a seleção dos parâmetros do

modelo feita por processo passo-a-passo (stepwise), P ≤ 0,05. Os dados de pH do solo foram

transformados em H+: x = 10

-pH; antes da correlação. Os dados diários ou acumulados de N2O

foram transformados, quando necessário, em log10(X) com objetivo de estabilizar a variância

e aprimorar a distribuição normal dos resíduos (RAWLINGS et al., 1998). Após a

transformação, os dados foram reanalisados quanto à distribuição normal dos resíduos.

A emissão acumulada de N2O em função do tempo de aplicação dos fertilizantes foi

ajustada pelo modelo linear, sigmoide ou exponencial. A função linear é dada pela equação:

𝑁2𝑂 = 𝑎 + 𝑏𝑡 (1)

Em que N2O é a emissão acumulada de N-N2O, em g ha-1

, t é o tempo, em dias após a

aplicação dos fertilizantes, e a e b são parâmetros da equação, sendo que a é a interceptação

da reta (tempo zero) e b o coeficiente angular (taxa de crescimento).

A função sigmoide é semelhante à letra “S”, no início tem a fase “lag”, depois a fase

exponencial e a fase estacionária. A função exponencial ajustada apresenta uma taxa de

crescimento até atingir o máximo. As duas equações tendem ao infinito, assim extremos

devem ser evitados. A escolha pelo modelo foi feita em relação ao R2.

A função sigmoide é dada pela equação:

𝑁2𝑂 = 𝑎

1+𝑒−(

𝑡−𝑡0𝑏

) (2)

Page 38: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

23

Em que N2O é a emissão acumulada de N-N2O, em g ha-1

, t é o tempo, em dias após a

aplicação dos fertilizantes, e a, t0 e b são parâmetros da equação, sendo que a é a perda

máxima e t0 é o tempo em que ocorrem 50% da perda máxima.

A função exponencial é dada pela equação:

𝑁2𝑂 = 𝑎(1 − 𝑒−𝑏𝑡) (3)

Em que N2O é a emissão acumulada de N-N2O, em g ha-1

, t é o tempo, em dias após a

aplicação dos fertilizantes, e a e b são parâmetros da equação, sendo que a é a perda máxima

e b é a taxa de crescimento.

Estas equações podem ser usadas para estimar parâmetros de interesse, incluindo a

perda máxima de N2O, bem como calcular o tempo em que ocorrem determinadas

porcentagens da perda. Este é um importante fator para comparar tratamentos com

fertilizantes ou adição de resíduos, e mesmo a emissão “natural” do sistema, pois permite

caracterizar o processo de emissão de N2O em função do tipo de insumo, interação com o solo

e condições ambientais.

3.1.2 Segundo ciclo - 2012/13

No segundo ciclo, o período de avaliação foi de 382 dias, de novembro de 2012 a

novembro de 2013. Os tratamentos foram aplicados na mesma área, as câmaras não foram

removidas, e foram adicionados mais dois tratamentos, UR + DCD e UR + DMPP em outra

linha de cana (Figura 6). Isso foi feito para testar se os inibidores de nitrificação perdem a

eficiência quando reaplicados em uma mesma área. Os tratamentos aplicados foram 1)

Controle sem N; 2) UR; 3) UR + DCD-R: reaplicação do inibidor na mesma área do ciclo

anterior; 4) UR + DMPP-R; 5) PSCU; 6) UR + DCD; 7) UR+DMPP. Os fertilizantes foram

aplicados um mês após a colheita do experimento e as plantas estavam com 0,5 m de altura.

Antes do corte da cana do ciclo anterior ocorreu queima acidental. As câmaras não foram

queimadas, pois o solo estava sem palha.

Neste ciclo foi alterada a amostragem do solo. Assim, os fertilizantes foram colocados

dentro das câmaras e o restante do lado oposto da mesma planta, conforme o ciclo anterior.

Para coleta de amostras de solo, os fertilizantes foram aplicados ao longo de linhas de cana-

de-açúcar próximas as linhas que foram feitas medições de gases. Cada tratamento foi

aplicado em uma linha sem repetições, com intuito de coletar mais pontos como subamostras.

Foram feitas sete subamostragens para obter uma amostra composta para cada tratamento. As

Page 39: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

24

amostragens foram feitas: 8, 16, 23, 30, 38, 46, 53, 59, 67, 73, 81, 95, 109 e 134 dias após a

aplicação dos fertilizantes. Os demais procedimentos e avaliações foram feitos conforme o

ciclo anterior.

Figura 6 - Vista geral da área do experimento, incluindo câmaras adicionais a partir do

segundo ciclo. Foto de Johnny R. Soares.

3.1.3 Terceiro ciclo - 2013/14

O terceiro ciclo foi de dezembro de 2013 a setembro de 2014 (278 dias). No terceiro

ciclo teve a adição de mais um tratamento, aplicação de nitrato de cálcio, a fim de comparar

formas de N aplicadas. Os tratamentos aplicados foram: 1) Controle sem N; 2) UR; 3) UR +

DCD-R; 4) UR + DMPP-R; 5) PSCU; 6) UR + DCD; 7) UR+DMPP; 8) Nitrato de cálcio. O

delineamento experimental foi inteiramente casualizado com quatro repetições para cada

tratamento, totalizando 32 parcelas experimentais. Os fertilizantes foram aplicados 20 dias

após o corte.

Neste ciclo foram feitos os mesmos procedimentos e avaliações dos ciclos anteriores.

A análise de solo foi feita conforme o primeiro ciclo, ou seja, em 1 m da mesma planta em

lado oposto ao das câmaras. Isso foi feito para que a amostra de solo coletada representasse

melhor a microbiota relacionada com os gases, assim as coletas de gases e solo tiveram

influência da mesma planta. Neste ciclo foram incluídas análises moleculares para quantificar

a abundância dos genes que codificam a nitrificação e desnitrificação solo na microbiota do

solo, que foram feitas no Instituto Holandês de Ecologia (NIOO), na Holanda.

Page 40: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

25

Para essas análises, uma porção de 20 g da amostra de solo foi separada logo após a

coleta e armazenada em freezer a - 80ºC para análise de DNA da comunidade microbiana do

solo. No total foram feitas oito amostragens de solo, nas seguintes datas: 8, 16, 18, 27, 35, 42,

60 e 158 dias após a aplicação dos fertilizantes.

O DNA foi extraído a partir de 0,25 g de solo utilizando o kit de extração Power Soil

(Mobio, Carlsbad, EUA) conforme as instruções do fabricante. A quantidade e qualidade do

DNA foi medida no espectrofotômetro NanoDrop® ND-1000 (NanoDrop Technologies,

Montchanin, EUA) e a banda foi confirmada por eletroforese em gel de agarose 1% em

tampão TAE 0,5X (0,4 M Tris-acetato/0,001 M EDTA).

As amostras de DNA foram diluídas em água livre de RNAase e DNAase (Sigma

Aldrich). A abundância dos genes que codificam a nitrificação e desnitrificação foi feita por

qPCR (Reação em cadeia da polimerase em tempo real quantitativa) com o termociclador

Qiagen Rotor-Gene QTM

6000 (RO212226). Foi feita uma reação com volume final de 12 µl,

contendo 6 µl de Sybrgreen Bioline SensiFASTTM

SYBR®

non-rox mix, 0,5 µl de cada primer

(5 pmol/reação) e 5 µl de DNA (0,3 ng/reação). Exceções incluem o gene nirK, que foi feito

com o Sybrgreen Qiagen Rotor-Gene SYBR® Green PCR Kit e o gene nosZ, o qual foi

adicionado DNA na concentração de 30 ng/reação. As reações foram feitas pelo robô

QIAgility (003516).

As condições utilizadas para amplificar cada gene estão mostradas na tabela 2. A

aquisição foi feita a 72°C ou a 82-86°C (ciclo B), a fim de evitar primer dimers. A curva de

“melt” foi feita de 55-99°C e analisada para confirmar a especificidade; foi verificado o

produto final do qPCR por eletroforese em gel de agarose para confirmar a amplificação da

banda de interesse.

A curva padrão foi feita a partir de plasmídeo de microrganismos ou de amostra

ambiental contendo o gene de interesse e clonados nos vetores descritos na tabela 2. A

quantidade e qualidade do DNA foi medida no espectrofotômetro NanoDrop® ND-1000

(NanoDrop Technologies, Montchanin, EUA) e a banda foi confirmada por eletroforese em

gel de agarose. As curvas padrões foram feitas a partir de 10 a 108 cópias do gene por µl da

reação.

Em cada corrida do aparelho foi incluído o DNA, curva padrão e controle livre de

DNA: água livre de RNAase e DNAase (Sigma Aldrich), feitos em duplicata. A eficiência da

reação foi entre 89 a 105%, e o R2 de 0,94 a 0,99.

Os dados de abundância de cada gene foram expressos em número de cópias por

grama de solo, corrigido a umidade, submetidos à análise de variância (ANOVA) e médias

Page 41: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

26

comparadas pelo teste Tukey a 5% usando SISVAR®. Foram feitas correlações lineares

simples e múltipla entre emissão de N2O e abundância de cada gene pelo software SISVAR®

.

A distribuição normal dos resíduos e a estabilidade da variância dos dados foram verificadas

(RAWLINGS et al., 1998).

Page 42: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

27

Tabela 2 - Primers e condições térmicas usadas na análise de abundância de genes feita por qPCR.

Gene

amplificado

Nome do

Primer Sequência do Primer1

Tamanho

(pb) Condições Térmicas Referência Fonte do padrão - Plasmídeo Vetor

AOA amoA Arch-amoAF

5’-STAATGGTCTG

GCTTAGACG-3’

635 95°C-5 min.; 40x 95°C-30s,

55°C-45s, 72°C-45s, 82°C-15s

FRANCIS et al. (2005) Arqueia do solo pGEM®-T Vector Systems

Promega

Arch-amoAR 5’-GCGGCCATCC

ATCTGTATGT-3’

AOB amoA amoA1F 5’-GGGGTTTCT

ACTGGTGGT-3’

491 95°C-5 min.; 40x 95°C-30s,

56°C-45s, 72°C-45s, 82°C-15s

ROTTHAUWE et al.

(1997)

Nitrosomonas europaea pGEM®-T Vector Systems

Promega

amoA2R 5’-CCCCTCKGSA

AAGCCTTCTTC-3’

nosZ nosZ2F 5’-CGCRACGGCAA

SAAGGTSMSSGT-3’

267 95°C-5 min.; 40x 95°C-15s,

60°C-15s, 72°C-30s, 82°C-15s

HENRY et al. (2006) Pseudomonas stutzeri

(M13R/F)

Dh5alpha pgemTeasy

PCR4-topo vector

nosZ2R 5’-CAKRTGCAKSG

CRTGGCAGAA-3’

nirK NirK876 5'-ATYGGCGG

VAYGGCGA-3'

165 95°C-5 min.; 40x 95°C-15s,

63°C-30s, 72°C-30s, 82°C-15s

HENRY et al. (2004) Paracoccus denitrificans

(DSM 413)

Dh5alpha pgemTeasy

PCR4-topo vector

NirK1040 5'-GCCTCGATCA

GRTTRTGGTT-3'

nirS nirScd3aF 5'-GTSAACGTSA

AGGARACSGG-3'

425 95°C-5 min.; 40x 95°C-10s,

60°C-10s, 72°C-20s, 86°C-5s

THROBÄCK et al.

(2004)

Pseudomonas stutzeri

(M13R/F)

PCR product

nirSR3cd 5'-GASTTCGGRT

GSGTCTTGA-3'

Bacteria total Eub338 5'-ACTCCTACGG

GAGGCAGCAG-3'

200 95°C-5 min.; 40x 95°C-5s,

53°C-10s, 72°C-20s

FIERER et al. (2005) Firmicutes Dh5alpha pgemTeasy

PCR4-topo vector

Eub518 5'-ATTACCGC

GGCTGCTGG-3'

Arqueia total Arch915 5'-AGGAATTGGC

GGGGGAGCAC-3'

112 95°C-10 min.; 40x 95°C-10s,

60°C-10s, 72°C-20s

KLINDWORTH et al.

(2013)

Arqueia do solo Dh5alpha pgemTeasy

PCR4-topo vector

Arch1017r 5'-GGCCATGCA

CCWCCTCTC-3'

1 Bases nitrogenadas: A: Adenina, C: Citosina, T: Timina; G:Guanina; K: G ou T; M: A ou C; R: A ou G; S: C ou G; V: A, C ou G; W: A ou T; Y: C ou T.

Page 43: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

28

3.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N

Neste estudo foram avaliados os efeitos de fonte e dose de N na emissão de GEE. Este

estudo foi realizado em uma área da APTA (Agência Paulista de Tecnologia dos

Agronegócios) em Piracicaba-SP (22º41’02” S, 47º38’44” O). Foi plantada a variedade

IACSP95-5000, utilizando mudas pré-brotadas.

O esquema experimental foi um fatorial duplo, com quatro doses de N (0, 30, 60 e 90

kg ha-1

) e duas fontes, ureia (UR) e nitrato de amônio e cálcio (CAN). O delineamento foi de

blocos ao acaso, sendo feitas quatro repetições. O tratamento controle não foi repetido para as

duas fontes, assim o total de parcelas foi de 28 (Figura 7). As parcelas foram feitas com 15 m

de comprimento e 5 linhas de cana-de-açúcar espaçadas a 1,5 m.

CAN 60 CAN 90

CAN 30 Ctrl

25 26

27 28

2m

Ctrl UR 30

CAN 60 UR 90

21 22

23 24

Bloco 3

Bloco 4

CAN 30 UR 90

UR 30 UR 60

17 18

19 20

CAN 60 UR 60

CAN 90 UR 90

13 14

15 16

UR 90 CAN 30

Ctrl CAN 60

9 10

11 12

Bloco 1

Bloco 2

CAN 90 Ctrl

CAN 90 UR 30

5 6

7 8

UR 30 UR 60

UR 60 CAN 30

1 2

3 4

4,5 m

Figura 7 - Delineamento experimental, Piracicaba. Tratamentos: Ctrl (Controle – sem N); UR

(Ureia) e CAN (Nitrato de amônio e cálcio) nas doses 30, 60 e 90 kg ha-1

de N.

Page 44: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

29

O fertilizante nitrato de amônio e cálcio (Nitrocálcio) - CAN (Abreviação do inglês:

Calcium amonnium nitrate) foi fornecido pela empresa Yara (Yara International ASA) e

contém 27% de N na forma de NH4+ e NO3

- (1:1), além de 4% de cálcio e 2% de magnésio,

pela adição de calcário. Para efeito das avaliações de formas de N, foi empregada ureia como

fonte de N na forma de amida e o CAN na forma de NH4+ e NO3

-. Os fertilizantes foram

aplicados no sulco do plantio.

Este experimento faz parte de um projeto que engloba outras avaliações agronômicas,

como produtividade, quantidade de nutrientes extraídos na colheita, estoque de C, etc.

Entretanto esses dados não foram incluídos neste estudo.

A correção da acidez do solo e a adubação de base com P, K, S e micronutrientes foi

feita considerando as características atuais de fertilidade, analisada no início do experimento.

O solo da área foi classificado como Latossolo Vermelho (Embrapa, 2006) e analisado quanto

às propriedades químicas e físicas (Tabela 3) antes do plantio.

As câmaras para medições de GEE bem como a instalação das mesmas foram feitas

conforme experimento anterior e foram instaladas em dois blocos da área total do

experimento. Deste modo, foram colocadas duas câmaras dentro da mesma parcela referente a

cada tratamento, no começo da primeira e da última linha da parcela, a fim de diminuir o

pisoteio dentro da área. Foram colocadas quatro câmaras, duas em dois blocos, nas entrelinhas

dos tratamentos controle, ureia e CAN na dose de N de 90 kg ha-1

(Figura 8). No total foram

instaladas 40 câmaras.

Tabela 3 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental

de Piracicaba†.

pH CaCl2 C-org P K Ca Mg H+Al CTC V% Argila Silte Areia

g dm-3 mg dm-3 _____________________ mmolc dm-3 ______________________ % _____________ g kg-1 ____________

4,9 11 15 0,8 28 14 31 74 58 519 146 335 †

pH CaCl2: CaCl2 0,0125mol L-1

; C-org: carbono orgânico: oxi-redução.; P, K, Ca, Mg: extraído com resina de

troca iônica; H + Al: solução tampão a pH 7.0; CTC: capacidade de troca catiônica; V%: saturação por base;

Textura: método da pipeta.

Page 45: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

30

Figura 8 - Câmaras instaladas dentro da parcela (A), na linha e entrelinha (B). Foto de

Johnny R. Soares.

Os procedimentos para as avaliações dos fluxos de GEE foram feitos conforme o

experimento anterior, que incluem o tempo de coleta de gases, armazenamento, análises e

cálculos, além das medições de temperatura do ar, do solo e altura das câmaras em cada

coleta. Os dados pluviométricos foram obtidos da estação meteorológica instalada na APTA a

50 m de distância da área experimental.

Neste experimento o cálculo da emissão por área foi feito considerando que a câmara

representa 16% da área total e para 84% foi utilizado os dados das câmaras nas entrelinhas.

Como os tratamentos UR e CAN nas doses de 30 e 60 kg ha-1

não tinham câmaras nas

entrelinhas, foram utilizados os dados das câmaras nas entrelinhas do tratamento controle.

Amostragem do solo (camada de 0-10 cm) foi feita semanalmente utilizando-se um

trado com 5 cm de diâmetro durante os três primeiros meses após a aplicação dos fertilizantes.

Foram retiradas 10 subamostras nas três linhas centrais, a fim de obter uma amostra composta

de cada parcela experimental. As amostras foram homogeneizadas e armazenadas em sacos

plástico para posterior análise em laboratório de umidade, determinação do pH do solo e dos

teores de N-NH4+ e N-NO3

- conforme experimento anterior. No total foram feitas nove coletas

de solo, nas datas: 6, 13, 22, 29, 36, 44, 48 e 66 dias após a aplicação dos fertilizantes.

Os dados da emissão acumulada total foram checados quanto à distribuição normal

dos resíduos pelo teste Shapiro-Wilk, submetidos à análise de variância (ANOVA),

considerando o fatorial 4 x 2 (4 doses e 2 fontes), em que os dados do tratamento controle

(Sem N) foi utilizado para as duas fontes. O efeito de fontes foi comparado pelo teste Tukey a

5% e o efeito de dose por regressão linear, quadrática ou exponencial (p ≤ 0,05). Foram

utilizados os softwares SISVAR® e Sigma Plot, versão 12,5.

A B

Page 46: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

31

4 RESULTADOS

4.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada

4.1.1 Primeiro e segundo ciclos - 2011/12 e 2012/13

Os dados climáticos mensais durante o período do experimento e histórico estão

mostrados na figura 9 e 10 para os ciclos 2011/12 e 2012/13, respectivamente. No ciclo

2011/12, nos primeiros meses do experimento a chuva foi maior que o histórico, porém no

período seco a chuva foi ainda menor (Figura 9). No ciclo 2012/13 o acumulado de chuva foi

de 1258 mm, mais de 300 mm inferior ao histórico (Figura 10). A temperatura média do ar

mensal para ambos os ciclos foi semelhante à média histórica.

Figura 9 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2011/12.

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

250

Tem

per

atu

ra m

édia

men

sal

(ºC

)

Ch

uv

a m

ensa

l (m

m)

Meses

Ano 2012, total 712 mm Histórico, total 562 mmTemp. média 2012 Temp. média histórica

Page 47: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

32

Figura 10 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2012/13.

Nas figuras 11 e 12 estão mostrados os dados climáticos diários no período do

experimento junto com os dados de emissão de N2O. A temperatura média do ar ficou entre

15 e 30ºC e ocorreram precipitações perto de 40 mm, bem como algumas em menor volume

no ciclo de 2011/12 (Figura 11A e B). No ciclo de 2012/2013 a temperatura ficou entre 20 e

35ºC (Figura 12A e B).

Nos primeiros 10 dias após a aplicação dos fertilizantes no ciclo de 2011/12, a emissão

de N-N2O foi baixa, menor que 5 g ha-1

dia-1

(Figura 11C e D). O tratamento com UR

apresentou elevado pico de emissão de N2O no 17º dia, correspondente a 70 g ha-1

dia-1

, após

esse período houve dois picos, 40 e 30 g ha-1

dia-1

, acompanhando os eventos de chuva e a

disponibilidade de N no solo (Figura 13A). Entre esses três picos a emissão foi próxima a 15

g ha-1

dia-1

. Os tratamentos com os inibidores de nitrificação tiveram baixa emissão de N2O,

tendo valores semelhantes ao solo sem aplicação de N, cerca de 5 g ha-1

dia-1

. No tratamento

com ureia recoberta com polímeros houve um pico no 17º dia, menor que o ocorrido com

ureia, 30 g ha-1

de N-N2O aproximadamente, e nos outros dois picos a emissão foi semelhante

ao tratamento com ureia convencional (Figura 11C e D).

No período de 80 a 160 dias após a aplicação dos fertilizantes a emissão de todos os

tratamentos foi bem baixa devido à baixa precipitação neste período (Figura 11A e C).

Quando começou a chover novamente o tratamento com ureia recoberta com polímeros teve

maior emissão, apresentando pico de 30 g ha-1

de N-N2O. Os demais tratamentos tiveram

emissão de N-N2O próxima a 10 g ha-1

dia-1

(Figura 11C).

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

250

300

Tem

per

atu

ra m

édia

men

sal

(ºC

)

Ch

uv

a m

ensa

l (m

m)

Meses

Ano 2012/13, total 1258 mm Histórico, total = 1563 mm

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33

Figura 11 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com

ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por

polímeros e enxofre (PSCU). Figuras B e D – primeiros três meses.

No ciclo 2012/13, a emissão de N2O foi baixa nos dez primeiros dias, semelhante ao

ciclo anterior (Figura 12C e D). O tratamento com UR apresentou pico de emissão no 14º dia,

correspondente a 80 g ha-1

dia-1

de N-N2O, ocorrendo posteriormente mais dois picos, 60 e 40

g ha-1

dia-1

, de acordo com a chuva e teor de N no solo (Figura 14A). Entre os picos de

emissão, o tratamento com UR apresentou emissões de N2O mais elevadas que os demais

tratamentos. A aplicação de UR recoberta com polímeros mostrou menor emissão de N2O que

o tratamento com UR apenas nos primeiros 20 dias após a aplicação dos fertilizantes. Após

esse período os picos foram semelhantes entre esses tratamentos, e após 40 dias o tratamento

com PSCU apresentou maiores emissões de N2O que os demais tratamentos (Figura 12C e D).

Page 49: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

34

Figura 12 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com

ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por

polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de cana-de-açúcar. R: reaplicação dos inibidores na

mesma área. Figuras B e D – primeiros três meses.

Neste ciclo de 2012/13 o volume de precipitação foi maior que no ciclo anterior nos

primeiros meses da aplicação dos fertilizantes, 571 mm diante de 347 mm nos primeiros 90

dias. Assim a liberação de N pelo PSCU aconteceu nos primeiros meses após a aplicação, não

apresentando maior emissão de N2O no final da safra como observado no ciclo 2011/12. Os

tratamentos contendo inibidor de nitrificação apresentaram baixa emissão de N-N2O, por

volta de 5 g ha-1

dia-1

, semelhante ao tratamento sem aplicação de N, não havendo diferença

em relação ao tratamento com a reaplicação dos inibidores na mesma área do ciclo anterior.

Page 50: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

35

Figura 13 - Concentração de NH4

+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP)

ou ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de cana-de-açúcar, ciclo

2011/12.

Figura 14 - Concentração de NH4

+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP)

ou ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) no cultivo de cana-de-açúcar, ciclo

2012/13.

Após 220 dias, no ciclo de 2011/12, o tratamento sem aplicação de N causou emissão

acumulada de N-N2O de 1100 g ha-1

. O tratamento com ureia apresentou emissão de N-N2O

de aproximadamente 2000 g ha-1

, correspondendo a 0,7% do N total aplicado. A adição dos

inibidores de nitrificação à UR resultou em redução na emissão de N2O de 95 e 98%, não

diferindo do tratamento sem aplicação de N. O tratamento com o fertilizante de liberação

controlada apresentou emissão de N2O que não diferiu da observada no tratamento com UR

(Tabela 4).

Page 51: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

36

Tabela 4 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por

polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2011/12. Período de 217 dias.

Tratamentos N-N2O C-CO2 C-CH4

g ha

-1 * % do N aplicado

† Diferenças da ureia (%) kg ha

-1 g ha

-1

Sem N 1098 b - - 3849 ns -48 ns

UR 1924 a 0,69 ± 0,25 - 3935 -64

UR+DCD 1142 b 0,04 ± 0,09 - 95 3998 -78

UR+DMPP 1112 b 0,01 ± 0,09 - 98 4014 -87

PSCU 2213 a 0,93 ± 0,04 + 35 4005 -47 *Teste de Tukey, p ≤ 0,05; ns: não significativo; (-) redução, (+) aumento; coeficiente de variação: 17%; †Resultado do tratamento sem aplicação de N foi subtraído para este cálculo; ± o desvio padrão.

A perda acumulada de N2O em função do tempo após a aplicação dos fertilizantes foi

ajustada pelas equações linear, sigmoide e exponencial para os tratamentos controle (Sem N),

ureia e ureia recoberta por polímeros. O ajuste também foi feito descontando a emissão do

tratamento sem aplicação de N, a fim de avaliar somente o efeito do fertilizante na emissão

acumulada de N2O. Para os tratamentos com inibidores de nitrificação o ajuste da equação

não foi feito, pois os dados apresentaram emissão de N2O baixa, semelhante ao tratamento

sem N.

A emissão acumulada de N2O no tratamento sem aplicação de N foi ajustada pelo

modelo linear; com a aplicação do PSCU foi semelhante, porém com maior aumento na

emissão de N2O, visto que o coeficiente angular da reta foi quase o dobro em relação ao

tratamento sem N, 8,64 ante a 4,42 (Figura 15A). O tratamento com UR apresentou efeito

exponencial com crescimento até o final do experimento, em que 90% da perda máxima de

N2O segundo a equação aconteceria no 237º dia, o que ocorreria após o período do

experimento (Figura 15A). Porém, descontando a emissão do tratamento sem N, o efeito do

fertilizante na emissão mostrou comportamento sigmoidal o qual atingiu 90% da perda

máxima de N2O aos 72 dias após a aplicação do fertilizante (Figura 15B); após esse período a

emissão se estacionou e ocorreu devido à emissão do solo sem fertilizante. O ajuste foi linear

o tratamento com o PSCU descontando a emissão do tratamento controle. O que mostra que

seu efeito na emissão de N2O ocorreu em tempo maior que a aplicação de ureia convencional.

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37

Figura 15 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2011/12

(A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi descontada. Equação ajustada

(linhas em preto) pelo modelo linear, exponencial ou sigmoide, p<0,0001; ns: não

significativo.

No ciclo de 2012/13, a emissão de N-N2O no tratamento sem aplicação de N foi de

600 g ha-1

, após 382 dias. O tratamento com UR apresentou emissão de N-N2O de 1500 g ha-

1, que representa 0,75% do N total aplicado. A aplicação de PSCU resultou em emissão

acumulada de N2O maior que o tratamento com UR comum, atingindo quase 2000 g ha-1

de

N-N2O, correspondendo a 1,09% do N total aplicado. Os tratamentos com inibidor de

nitrificação reduziram a emissão de N2O da ureia em 81 a 100%, não havendo diferença entre

os inibidores DCD e DMPP, nem do tratamento sem aplicação de N e nem pela reaplicação

dos inibidores na mesma área que do ciclo anterior (Tabela 5).

Não houve diferença entre os tratamentos em relação à emissão de CO2 e CH4, sendo

que para o metano ocorreu consumo (Tabela 5 e 6).

Page 53: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

38

Tabela 5 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por

polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2012/13. Período de 382 dias.

Tratamentos N-N2O C-CO2 C-CH4

g ha

-1* % do N aplicado

† Diferenças da ureia (%) kg ha

-1 g ha

-1

Sem N 587 c - - 7813 ns -466 ns

UR 1484 b 0,75 ± 0,10 - 7771 -499

UR+DCD – R 674 c 0,07 ± 0,04 - 90 7996 -557

UR+DMPP – R 643 c 0,05 ± 0,03 - 94 7810 -491

PSCU 1901 a 1,09 ± 0,28 + 46 7910 -505

UR+DCD 759 c 0,14 ± 0,03 - 81 7846 -553

UR+DMPP 584 c 0,00 ± 0,03 - 100 7734 -514 *Teste de Tukey, p ≤ 0,05; ns: não significativo; R significa reaplicação dos inibidores na mesma área do ciclo

anterior; (-) redução, (+) aumento; coeficiente de variação: 19%; †Resultado do tratamento sem aplicação de N

foi subtraído para este cálculo; ± o desvio padrão.

A perda de N2O acumulada apresentou efeito exponencial crescente até atingir um

máximo para os tratamentos sem N, UR e PSCU (Figura 16A). Para a aplicação de UR, 90%

da perda total acumulada ocorreram em 94 dias após a aplicação do fertilizante, com o PSCU

foram em 240 dias e, no tratamento sem N, em 280 dias. Considerando o efeito do fertilizante

na emissão acumulada de N2O, o tratamento com UR apresentou efeito sigmoide, atingindo

90% da perda total em 40 dias após a aplicação. Com o PSCU o efeito na emissão de N2O foi

mais prolongado do que com a UR, a equação ajustada para o tratamento com o PSCU foi

exponencial e 90% da emissão total de N2O ocorreram em 230 dias (Figura 16B).

Figura 16 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2012/13

(A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi descontada. Equação ajustada

(linhas em preto) pelo modelo exponencial ou sigmoide, p<0,0001.

Page 54: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

39

A emissão de N2O foi significativamente correlacionada com algumas variáveis

ambientais. No ciclo 2011/12, temperatura do solo, teor de N-NO3- foram as que apresentaram

maior coeficiente de correlação (Tabela 6). Sem os tratamentos com inibidor de nitrificação, o

teor de NH4+ teve melhor correlação que o nitrato. A correlação com a umidade do solo

apresentou maior R2 que com a chuva do dia anterior e da semana. A temperatura do solo

mostrou correlação positiva, enquanto que a temperatura do ar não foi significativa, assim

como CO2 e CH4 não mostraram correlação com N2O emitido (Tabela 6).

O melhor modelo dado pela seleção passo-a-passo no ciclo 2011/12 incluiu

temperatura do solo, teor de NO3- e umidade do solo. Sem os tratamentos com inibidor de

nitrificação, o modelo incluiu o teor de N na forma de NH4+ e resultou numa regressão com

valor de R2 superior (Tabela 7).

Tabela 6 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou

sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por polímeros

(PSCU) no cultivo de cana soca 2011/12 (n = 120).

Variáveis (x)† Regressão* R2 Regressão R

2

Todos tratamentos Sem inibidores de nitrificação

N-NH4+ N2O = 1,93 + 0,00032x 0,0347 N2O = 1,97 + 0,0010x 0,2646

N-NO3- N2O = 1,87 + 0,0021x 0,1179 N2O = 1,94 + 0,0025x 0,1710

EPPA N2O = 1,29 + 0,020x 0,1002 N2O = 0,96 + 0,033x 0,1667

Temp. ar ns - ns -

Temp. solo N2O = 0,84 + 0,066x 0,1487 N2O = 0,75 + 0,077x 0,1866

pH ns - ns -

Chuva dia anterior N2O = 1,95 + 0,011x 0,0804 N2O = 2,04 + 0,013x 0,1149

Chuva semana N2O = 1,93 + 0,0022x 0,0513 N2O = 2,03 + 0,0025x 0,0587

C-CO2 ns - ns -

C-CH4 ns - ns - * p ≤ 0,05; ns: não significativo; † N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+50); C-CO2: mg m-2 h-1; C-CH4: µg m-2 h-1; N-

NH4+ e N-NO3

-: mg kg-1 0-10 cm solo; Chuva dia e semana: mm; Temperatura ar e solo: ºC; EPPA: Espaço poroso

preenchido por água, %; pH-CaCl2: transformado em H+, 10-pH.

Page 55: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

40

Tabela 7 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes em cana-de-

açúcar, ciclo 2011/12 (n = 120).

Modelo* Parâmetros R2

Todos tratamentos†

N-N2O = β0 + βTemp.solo + βN-NO3- +

βEPPA‡ 0,32 + 0,056Temp.solo + 0,0026N-NO3

- + 0,015EPPA 0,3463

Sem inibidores de nitrificação

N-N2O = β0 + βN-NH4+ + βEPPA + βN-

NO3- + βTemp.solo

0,11 + 0,00041N-NH4++ 0,029EPPA + 0,0023N-NO3

- +

0,043Temp.solo 0,5183

* Seleção passo-a-passo, p ≤ 0,05; † Tratamentos: Sem N, Ureia (UR), UR+DCD, UR+DMPP, e Ureia recoberta com

polímeros e enxofre; ‡ N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+50); N-NO3-: mg kg-1 0-10 cm solo; EPPA: Espaço poroso

preenchido por água, %.

No ciclo 2012/13, os teores de N na forma de NH4+ e NO3

- apresentaram maior R

2 que

as demais (Tabela 8). Retirando os tratamentos com inibidores de nitrificação, o teor de NH4+

mostrou maior R2 do que o de nitrato. A temperatura do ar e solo tiveram correlação positiva

com a emissão de N2O. Umidade do solo e os dados de chuva não mostraram correlação

significativa. O CO2 teve correlação positiva, enquanto que o CH4 não (Tabela 8). O modelo

de regressão linear múltipla ajustado para o ciclo 2012/13 incluiu os teores de N na forma de

amônio e nitrato, umidade do solo, CO2 e temperatura do solo. Sem os inibidores, foi incluído

ainda o CH4 e temperatura do ar ao invés do solo, resultando em maior R2 (Tabela 9).

Tabela 8 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou

sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP) ou ureia recoberta por polímeros

(PSCU) no cultivo de cana soca 2012/13 (n = 392).

Variáveis (x)† Regressão* R2 Regressão R

2

Todos tratamentos Sem inibidores de nitrificação

N-NH4+ N2O = 2,08 + 0,0011x 0,2280 N2O = 2,14 + 0,0020x 0,4412

N-NO3- N2O = 2,05 + 0,0074x 0,3086 N2O = 2,12 + 0,0075x 0,4255

EPPA ns - ns -

Temp. ar N2O = 1,76 + 0,015x 0,0391 N2O = 1,30 + 0,038x 0,1979

Temp. solo N2O = 1,73 + 0,018x 0,0181 N2O = 1,26 + 0,043x 0,0814

pH ns - ns -

Chuva dia anterior ns - ns -

Chuva semana ns - ns -

C-CO2 N2O = 2,06 + 0,0009x 0,0243 N2O = 2,06 + 0,0019x 0,0846

C-CH4 ns - ns - * p ≤ 0,05; ns: não significativo; † N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+100); C-CO2: mg m-2 h-1; C-CH4: µg m-2 h-1;

N-NH4+ e N-NO3

-: mg kg-1 0-10 cm solo; Chuva dia e semana: mm, Temperatura ar e solo: ºC; EPPA: Espaço poroso

preenchido por água, %; pH-CaCl2: transformado em H+, 10-pH.

Page 56: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

41

Tabela 9 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes em cana-de-

açúcar, ciclo 2012/13 (n = 392).

Modelo* Parâmetros R2

Todos tratamentos†

N-N2O = β0 + βN-NO3- + βN-NH4

+ +

βEPPA + βCO2 + βTemp.solo ‡

1,87 + 0,0066N-NO3- + 0,0006N-NH4

+ + 0,012EPPA +

0,001CO2 - 0,0165Temp.solo 0,4270

Sem inibidores de nitrificação

N-N2O = β0 + βN-NH4+ + βN-NO3

- +

βEPPA + βCO2 + βCH4 + βTemp.ar

1,14 + 0,0014N-NH4+ + 0,0042N-NO3

- 0,016EPPA +

0,001CO2 + 0,002CH4 + 0,010Temp.ar 0,6560

* Seleção passo-a-passo, p ≤ 0.05; † Tratamentos: Sem N, Ureia (UR), UR+DCD, UR+DMPP, e Ureia recoberta com

polímeros e enxofre; ‡ N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+100); C-CO2: mg m-2 h-1; C-CH4: µg m-2 h-1; N-NH4+ e N-

NO3-: mg kg-1 0-10 cm solo; Temperatura ar e solo: ºC; EPPA: Espaço poroso preenchido por água.

4.1.2 Terceiro ciclo - 2013/14

4.1.2.1 Emissão de gases

Os dados climáticos durante o período do experimento estão mostrados nas figuras 17

e 18. O acumulado de chuva no período foi de 600 mm, aproximadamente metade da média

histórica para local, que é de 1150 mm (Figura 17). A temperatura média do ar ficou entre 20

e 40 ºC e ocorreram precipitações perto de 50 mm, bem como algumas em menor volume

(Figura 18A e B).

Figura 17 - Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento e a

média histórica (de 1993 até 2013). Ciclo 2013/14.

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

250

300T

eper

atu

ra m

édia

men

sal

(ºC

)

Ch

uv

a m

ensa

l (m

m)

Meses

Ano 2013/14, total = 600 mm Histórico, total = 1150 mm

Page 57: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

42

Figura 18 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com

ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia recoberta por polímeros e

enxofre (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana-de-açúcar. R: reaplicação dos

inibidores na mesma área. Figuras B e D – primeiros três meses.

Nos primeiros 10 dias após a aplicação dos fertilizantes, a emissão de N-N2O foi

baixa, menor que 5 g ha-1

dia-1

. O tratamento com UR apresentou elevado pico de emissão de

N-N2O no 14º dia, correspondente a 220 g ha-1

, após esse período houve outro elevado pico

no 29º dia, 170 g ha-1

dia-1

, e entre esses picos a emissão foi elevada, de 15-70 g ha-1

dia-1

(Figura 18C e D) acompanhando os eventos de chuva e a disponibilidade de N no solo (Figura

19). Nesse período de elevadas emissões de N2O, primeiros dois meses, os inibidores

mantiveram o N na forma de amônio principalmente (Figura 20). Os tratamentos com os

inibidores de nitrificação apresentaram baixa emissão de N2O, tendo valores semelhantes ao

solo sem aplicação de N, que foi por volta de 5 g ha-1

dia-1

. O tratamento com ureia recoberta

com polímeros apresentou picos menores que a ureia, emissão de N2O de 80 g ha-1

Page 58: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

43

aproximadamente; nos outros dois picos a emissão foi semelhante ao tratamento com ureia

convencional (Figura 18C e D).

No período de 70 a 160 dias após a aplicação dos fertilizantes a emissão de todos os

tratamentos foi bem baixa, próxima a 5 g ha-1

dia-1

. Entretanto no tratamento com ureia

recoberta com polímeros ocorreu maior emissão, chegando a 20 g ha-1

dia-1

de N-N2O (Figura

18C e D).

Figura 19 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP),

ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana-de-

açúcar, ciclo 2013/14. R: reaplicação dos inibidores na mesma área.

Figura 20 - Porcentagem de N-NH4+ no solo (0 – 10 cm) em relação ao N inorgânico total

(N-NH4+ + N-NO3

-) pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de

inibidores de nitrificação (DCD e DMPP).

Page 59: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

44

Após 278 dias, o tratamento sem aplicação de N teve emissão acumulada de N-N2O de

300 g ha-1

. O tratamento com ureia apresentou emissão de N-N2O de 2300 kg ha-1

,

correspondendo a 1,7% do N total aplicado. A adição dos inibidores de nitrificação à UR

resultou em grande redução na emissão de N2O, que não foi diferente do tratamento sem

aplicação de N; exceto no tratamento com a reaplicação de DCD, que resultou em emissão de

N-N2O de 0,5 kg ha-1

, sendo maior que a emissão do tratamento sem aplicação de N, porém

muito menor que a emissão do tratamento com ureia. A redução na emissão de N2O pela

adição dos inibidores na ureia foi de 88 a 97% reaplicados na mesma área ou não. O

tratamento com PSCU apresentou emissão de N2O não diferente em relação ao tratamento

com UR; e a aplicação de nitrato de cálcio resultou em baixa emissão de N2O, não diferente

do tratamento sem aplicação de N ou ureia com inibidores de nitrificação (Tabela 10).

Emissões totais de CO2 e CH4 não mostraram diferenças entre os tratamentos aplicados

(Tabela 10).

Neste ciclo a emissão de N2O do solo sem fertilizante nitrogenado foi mais baixa que

nos ciclos anteriores. Assim, a equação ajustada para aplicação de UR foi sigmoide nos dois

casos, considerando ou não a emissão do solo sem o fertilizante, atingindo 90% da emissão

total acumulada de N2O em 40 dias após a aplicação (Figura 21A e B). No tratamento com o

PSCU o efeito foi mais prolongado, sendo a equação exponencial que melhor explicou a

emissão de N2O, em que 90% da emissão ocorreram após 187 dias. O tratamento sem

aplicação de N atingiu 90% da perda total em 185 dias (Figura 21A).

Tabela 10 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia, incorporada no

solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia recoberta por

polímeros (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca 2013/14. Período de 278 dias.

Tratamentos N-N2O C-CO2 C-CH4

g ha

-1 log* % N aplicado† Redução (%) kg ha

-1 g ha

-1

Sem N 286 2,4 c - - 5835 ns -598 ns

Ureia 2301 3,4 a 1,68 ± 0,24 - 5933 -633

UR+DCD-R 531 2,7 b 0,20 ± 0,08 88 5883 -612

UR+DMPP-R 350 2,5 c 0,05 ± 0,03 97 5871 -532

PSCU 2165 3,3 a 1,57 ± 0,42 7 5912 -648

UR+DCD 410 2,6 bc 0,10 ± 0,10 94 5859 -633

UR+DMPP 353 2,5 c 0,06 ± 0,02 97 5897 -656

Nitrato de cálcio 329 2,5 c 0,04 ± 0,02 98 5973 -600 *Teste de Tukey, p ≤ 0,05; N-N2O: g ha

-1 transformado em log(X); ns: não significativo; R significa reaplicação

dos inibidores na mesma área do ciclo anterior; Coeficiente de variação: 17%; †Resultado do tratamento sem

aplicação de N foi subtraído para este cálculo; ± o desvio padrão.

Page 60: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

45

Figura 21 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia

convencional (UR) ou ureia recoberta por polímeros (PSCU) no cultivo de cana soca 2013/14

(A). Figura B - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi descontada. Equação ajustada

(linhas em preto) pelo modelo exponencial ou sigmoide, p<0,0001.

Análise de regressão linear simples mostrou que a variável que melhor se

correlacionou com o fluxo de N2O foi a abundância do gene AOB amoA, resultando em R2 de

0,18 (Tabela 11). Os genes AOA amoA e arqueia total tiveram correlação negativa com N2O.

O teor de NO3- apresentou correlação positiva, porém retirando os tratamentos com inibidor

de nitrificação não houve correlação significativa com nitrato, enquanto que foi significativo

com NH4+. A umidade do solo (EPPA), bem como a chuva acumulada no dia anterior e na

semana apresentaram correlação com N2O, sendo que a chuva na semana teve R2 superior às

outras duas variáveis. Temperatura do solo e do ar não tiveram correlação significativa, assim

como o CO2. O CH4 mostrou correlação positiva com o N2O (Tabela 11).

O melhor modelo dado pela seleção passo-a-passo relacionando a emissão de N2O

com as variáveis ambientais incluiu a abundância do gene AOB amoA, chuva acumulada em

uma semana antes, N-NH4+, N-NO3

-, gene para bactéria total, pH e CO2, resultando em R

2 de

0,47. Sem os tratamentos com a aplicação dos inibidores de nitrificação, o teor de N-NH4+ foi

relacionado com a emissão, enquanto o de N-NO3- não foi; além disso, aumentou o R

2 para

0,53 (Tabela 12).

Page 61: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

46

Tabela 11 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou

sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e DMPP), ureia recoberta por polímeros

(PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca 2013/2014 (n = 256).

Variáveis (x)† Regressão* R2 Regressão R

2

Todos tratamentos Sem inibidores de nitrificação

N-NH4+ ns - N2O = 1,87 + 0,00073x 0,0879

N-NO3- N2O = 1,64 + 0,0016x 0,0389 ns -

EPPA N2O = 0,74 + 0,031x 0,1021 N2O = 0,82 + 0,034x 0,0864

Temp. ar ns - ns -

Temp. solo ns - ns -

pH N2O = 1,70 + 2,4e4x 0,0214 ns -

Chuva dia anterior N2O = 1,58 + 0,013x 0,0818 N2O = 1,77 + 0,013x 0,0609

Chuva semana N2O = 1,40 + 0,0081x 0,1589 N2O = 1,60 + 0,0078x 0,1017

C-CO2 ns - ns -

C-CH4 N2O = 1,78 + 0,0073x 0,0243 N2O = 2,02 + 0,011x 0,0422

AOA amoA N2O = 1,88 - 2,83e-8x 0,0990 N2O = 2,18 – 3,83e-8x 0,2107

AOB amoA N2O = 1,56 + 2,94e-7x 0,1786 N2O = 1,71 + 3,02e-7x 0,1944

nirK N2O = 1,82 – 1,32e-11x 0,0405 N2O = 2,03 – 1,55e-11x 0,0485

nirS ns - ns -

nosZ ns - ns -

Bactéria total N2O = 1,80 + 7,83e-11x 0,0297 ns -

Arqueia total N2O = 1,84 – 2,28e-9x 0,0532 N2O = 2,10 – 3,24e-9x 0,1076 * p ≤ 0,05; ns: não significativo; † N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+10); C-CO2: mg m-2 h-1; C-CH4: µg m-2 h-1; N-

NH4+ e N-NO3

-: mg kg-1 0-10 cm solo; Chuva dia e semana: mm, Temperatura ar e solo: ºC; EPPA: Espaço poroso

preenchido por água, %; pH-CaCl2: transformado em H+, 10-pH; AOB amoA, AOA amoA, nirK, nirS, nosZ, bactéria total e

arqueia total: cópias do gene g-1 solo seco.

Tabela 12 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes em cana-de-

açúcar, ciclo 2013/14 (n = 256).

Modelo* Parâmetros R2

Todos tratamentos†

N-N2O = β0 + βAOB + βChuvasemana +

βpH - + βN-NH4

+ + βBactéria + βCO2 +

βN-NO3- ‡

0,84 + 2,96e-7AOB + 0,0097Chuvasemana + 3,3e4pH +

0,0050N-NH4+ - 0,9e-10Bactéria + 0,0019N-NO3

- +

0,00093CO2

0,4741

Sem inibidores de nitrificação

N-N2O = β0 + βAOB + βChuvasemana +

βNH4+-N + βBactéria + βpH + βCO2

0,96 + 2,93e-7AOB + 0,0096Chuvasemana + 0,0012N-

NH4+ - 1,8e-10Bactéria + 3,0e4pH + 0,0023CO2

0,5267

* Seleção passo-a-passo, p ≤ 0.05; † Tratamentos: Sem N, Ureia (UR), UR+DCD, UR+DMPP, Ureia recoberta com

polímeros e enxofre e Nitrato de cálcio; ‡ N-N2O: µg m-2 h-1 transformado em log(X+10); AOB e Bactéria: amoA de bactéria

oxidadora de amônia e bactéria total; cópias do gene g-1 solo seco; N-NH4+ e N-NO3

-: mg kg-1 0-10 cm solo; Chuvasemana:

mm; pH-CaCl2: transformado em H+, 10-pH.

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47

4.1.2.2 Abundância de genes

A abundância do gene de arqueias oxidadoras de amônia (AOA) amoA mostrou que a

aplicação de N reduziu o número de cópias desse gene quando comparado ao tratamento sem

aplicação de N (Figura 22B). Praticamente nas oito coletas de solo a abundância de AOA

amoA foi maior no tratamento controle em relação aos demais tratamentos, não havendo

diferença entre as fontes de N aplicadas (Tabela 13). O gene de arqueia total mostrou resposta

semelhante ao AOA amoA (Figura 22H). Houve correlação negativa entre o gene AOA amoA

e a emissão de N2O (Tabela 11).

A abundância do gene de bactérias oxidadoras de amônia (AOB) teve correlação

positiva com a emissão de N2O, apresentando coeficiente de correlação de 0,18 (Tabela 11).

Em sete das oito amostragens de solo, a abundância de AOB amoA foi maior no tratamento

com a aplicação de ureia em relação aos demais tratamentos, acompanhado as emissões de

N2O (Figura 22A e C e Tabela 13). O pico de emissão de N2O pela aplicação de ureia

coincidiu com pico de aumento na abundância de AOB, queda do pH do solo e no teor de

NH4+ e aumento e depois queda de NO3

-. A temperatura do solo estava entre 20 a 30ºC e

ocorrerem três eventos de chuva (Figura 23A-F).

Para os genes relacionados com o processo de desnitrificação, nirK e nirS não houve

diferenças entre os tratamentos aplicados (Figura 22D e E e Tabela 13). A abundância do

gene nosZ foi maior para os tratamentos com aplicação de N em relação ao tratamento sem N

(Figura 22F e Tabela 13). Não houve correlação positiva entre emissão de N2O e os genes

nirS e nosZ. O gene nirK mostrou correlação negativa (Tabela 11). Não houve diferença

significativa entre os tratamentos em relação à abundância do gene para bactéria total (Figura

22G e Tabela 13).

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48

Figura 22 - Fluxo de N2O (A) e abundância de genes (B-H) no solo após 16 dias da aplicação

de ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação (DCD e

DMPP), ureia recoberta por polímeros e enxofre (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de

cana-de-açúcar, ciclo 2013/14. R: reaplicação dos inibidores na mesma área. Médias seguidas

da mesma letra não diferem entre si pelo teste Tukey, 5%.

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Figura 23 - Fluxo de N2O (A), abundância do gene AOB amoA (B), teor de NH4+ (C) e NO3

-

(D) no solo, pH do solo (F), chuva, temperatura e umidade do solo (EPPA: espaço poroso

preenchido por água) (E) pela aplicação de ureia no cultivo de cana-de-açúcar, ciclo 2013/14.

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50

Tabela 13 - Fluxo de N2O e abundância de genes pela aplicação de ureia, incorporada no solo, com ou sem a adição de inibidores de nitrificação

(DCD e DMPP), ureia recoberta por polímeros (PSCU) ou nitrato de cálcio no cultivo de cana soca.

Tratamentos N-N2O AOA amoA AOB amoA nirK nirS nosZ Arqueia total Bactéria total

7 DAF† µg m-2

h-1

106 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

8 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

6 cópias g

-1 10

7 cópias g

-1 10

9 cópias g

-1

Sem N 3,8 c 7,5 a 2,3 b 7,8 ns 4,2 ns 15,9 ns 9,7 ns 2,6 abc

UR 82,0 a 2,0 b 12,2 a 6,8

4,6

21,3

4,5

5,9 a

UR+DCD - R‡ 12,9 c 3,5 b 2,8 b 7,1

3,9

13,9

5,1

4,9 abc

UR+DMPP - R 5,8 c 3,2 b 3,0 b 8,5

4,8

18,7

8,6

5,6 ab

PSCU 55,5 b 1,9 b 2,6 b 4,0

1,4

6,7

2,9

1,3 bc

UR+DCD 8,9 c 3,5 b 0,6 b 2,0

0,8

5,3

2,3

1,2 c

UR+DMPP 8,3 c 2,5 b 1,4 b 3,7

2,7

10,2

3,1

2,0 abc

Nitrato de cálcio 12,8 c 1,6 b 0,5 b 1,1

1,7

3,7

1,5

0,8 c

16 DAF Sem N 18,7 c 41,1 a 1,5 b 2,2 ns 5,3 ns 0,7 b 24,5 a 1,2 ns

UR 1781,3 a 8,7 b 8,7 a 1,3

7,4

3,4 a 8,3 b 1,1

UR+DCD - R 238,4 c 13,4 b 2,2 b 0,9

5,2

2,9 ab 9,7 b 0,8

UR+DMPP - R 47,7 c 12,9 b 1,2 b 2,2

6,6

2,1 ab 16,3 ab 1,1

PSCU 609,8 b 9,8 b 5,1 ab 0,9

7,4

2,8 ab 8,7 b 1,3

UR+DCD 62,2 c 11,7 b 0,9 b 0,4

3,6

2,5 ab 6,3 b 0,7

UR+DMPP 39,3 c 10,0 b 0,7 b 0,8

4,7

2,8 ab 5,7 b 0,9

Nitrato de cálcio 36,9 c 11,9 b 0,4 b 0,4

1,8

1,3 ab 6,4 b 0,5

18 DAF

Sem N 15,3 c 23,6 a 2,8 b 14,5 ns 35,2 ns 0,7 b 18,0 a 1,0 ns

UR 1187,0 a 8,5 b 10,7 ab 7,9

14,2

1,6 a 3,2 b 0,7

UR+DCD - R 110,6 c 4,3 b 16,7 a 10,0

20,0

1,0 ab 5,1 b 1,1

UR+DMPP - R 27,6 c 6,4 b 1,7 b 9,3

27,7

1,2 ab 5,2 b 1,0

PSCU 558,0 b 2,2 b 6,6 ab 2,8

6,0

0,8 b 2,0 b 0,3

UR+DCD 53,8 c 7,4 b 4,4 b 5,8

9,6

1,1 ab 7,3 b 0,9

UR+DMPP 20,9 c 3,5 b 1,9 b 5,9

6,4

1,0 ab 4,7 b 0,5

Nitrato de cálcio 27,4 c 9,0 b 1,1 b 4,1

10,7

0,5 b 9,9 ab 0,5

Médias seguidas da mesma letra na coluna por dias após a aplicação dos fertilizantes (DAF) não diferem pelo teste Tukey 5%; ns: não significativo; †Dia após a aplicação dos

fertilizantes; ‡ R: reaplicação dos inibidores na mesma parcela. Continua na próxima página.

Page 66: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

51

Tabela 13 - Continuação.

Tratamentos N-N2O AOA amoA AOB amoA nirK nirS nosZ Arqueia total Bactéria total

27 DAF µg m-2

h-1

106 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

8 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

6 cópias g

-1 10

7 cópias g

-1 10

9 cópias g

-1

Sem N 8,1 c 27,8 a 6,8 bc 15,4 a 5,3 a 1,8 abc 14,4 a 1,3 ns

UR 1356,3 a 2,1 bc 53,8 a 7,3 ab 4,1 ab 2,2 a 2,0 c 0,9

UR+DCD - R 163,8 c 6,0 bc 31,3 ab 7,3 ab 4,9 ab 1,7 abc 4,1 bc 0,7

UR+DMPP - R 10,7 c 8,3 b 3,7 c 11,1 ab 6,5 a 2,1 ab 8,3 ab 1,4

PSCU 704,8 b 1,5 c 17,9 bc 3,9 b 2,1 b 1,3 bc 2,4 bc 0,8

UR+DCD 77,3 c 5,0 bc 10,2 bc 5,2 ab 2,2 b 1,4 abc 3,2 bc 0,8

UR+DMPP 39,3 c 6,0 bc 4,4 bc 7,1 ab 2,6 b 1,7 abc 3,1 bc 0,9

Nitrato de cálcio 36,9 c 6,8 bc 1,8 c 3,6 b 0,8 b 0,9 c 3,0 bc 0,4

35 DAF Sem N 8,4 b 12,4 a 1,2 b 5,5 ns 1,2 ns 2,1 ns 3,7 ns 0,3 ns

UR 1137,0 a 4,0 ab 11,8 a 6,2

1,3

2,0

2,4

0,5

UR+DCD - R 83,9 b 4,4 ab 5,7 b 2,6

0,9

2,2

2,0

0,3

UR+DMPP - R 42,4 b 3,8 ab 1,6 b 5,6

1,3

1,3

3,0

0,5

PSCU 1167,5 a 1,4 b 2,8 b 2,5

0,3

1,2

1,0

0,2

UR+DCD 264,5 b 4,8 ab 3,4 b 3,0

0,6

1,9

1,7

0,3

UR+DMPP 105,4 b 9,1 ab 1,6 b 4,3

1,4

3,1

2,1

0,4

Nitrato de cálcio 28,7 b 9,4 ab 1,0 b 4,7

0,7

2,0

2,8

0,3

42 DAF Sem N 4,0 b 28,1 a 1,6 ns 13,5 ns 3,4 ns 2,5 ns 7,9 a 0,7 ns

UR 225,3 ab 1,4 b 8,5

4,5

2,0

2,4

0,8 b 0,4

UR+DCD - R 10,8 b 3,3 b 8,0

10,2

2,8

1,7

3,6 ab 0,6

UR+DMPP - R 22,1 b 5,7 b 3,0

11,9

4,2

2,1

3,5 ab 0,7

PSCU 312,9 a 1,8 b 6,5

4,0

1,6

1,7

1,0 b 0,3

UR+DCD 15,3 b 6,1 b 9,7

6,0

1,4

1,7

3,3 ab 0,5

UR+DMPP 10,7 b 5,5 b 1,6

7,7

2,4

1,6

3,3 ab 0,6

Nitrato de cálcio 6,5 b 7,0 b 1,2

5,0

1,0

1,1

2,7 ab 0,4

Continua na próxima página.

Page 67: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

52

Tabela 13 - Continuação.

Tratamentos N2O-N AOA amoA AOB amoA nirK nirS nosZ Arqueia total Bactéria total

82 DAF µg m-2

h-1

106 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

8 cópias g

-1 10

5 cópias g

-1 10

6 cópias g

-1 10

7 cópias g

-1 10

9 cópias g

-1

Sem N 0,2 b 40,7 a 1,7 b 22,1 ns 4,6 ab 0,6 c 13,8 ns 1,3 ns

UR 1,6 b 1,0 b 10,7 a 2,9

1,1 b 1,7 abc 0,8

0,2

UR+DCD - R 0,1 b 1,9 b 2,8 b 13,4

9,2 ab 1,1 bc 6,2

0,8

UR+DMPP - R 0,2 b 6,2 b 0,8 b 3,0

3,1 ab 0,8 bc 4,0

0,1

PSCU 8,8 a 1,4 b 4,8 ab 1,9

1,4 b 0,7 c 1,0

0,1

UR+DCD 0,2 b 22,4 ab 3,7 b 19,5

8,8 ab 2,2 ab 9,8

2,2

UR+DMPP 0,1 b 23,2 ab 2,4 b 29,6

13,0 ab 3,1 a 12,6

2,4

Nitrato de cálcio 0,1 b 51,3 a 2,4 b 19,7

17,4 a 2,0 abc 20,8

2,6

158 DAF

Sem N 0,1 b 35,3 a 2,9 ab 23,9 ns 14,7 ns 1,0 ns 9,2 a 1,1 ns

UR 0,3 b 2,8 b 4,2 ab 6,3

5,2

1,0

2,4 ab 0,5

UR+DCD - R 0,2 b 10,1 b 5,7 a 13,8

16,5

0,9

6,2 ab 2,0

UR+DMPP - R 0,1 b 5,2 b 1,3 b 7,0

5,1

0,8

3,7 ab 0,5

PSCU 4,6 a 7,7 b 4,1 ab 6,6

4,0

0,8

2,4 ab 0,7

UR+DCD 0,1 b 6,5 b 1,7 b 5,5

4,2

0,7

0,5 b 0,5

UR+DMPP 0,2 b 10,0 b 0,9 b 5,5

4,7

0,9

0,3 b 0,4

Nitrato de cálcio 0,0 b 11,9 b 1,3 b 13,1

4,4

0,7

0,5 b 0,6

Page 68: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

53

4.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N

As condições climáticas durante o período do experimento e média mensal histórica

estão mostradas na figura 24. A chuva total foi de 1408 mm, cerca de 400 mm abaixo do

histórico. A temperatura média mensal durante o período do experimento foi semelhante ao

registrado para a área em 12 anos. Os dados climáticos diários estão na figura 25. Ocorreram

precipitações acima de 60 mm e a temperatura do ar variou de 12 a 30 °C.

Figura 24 – Chuva e temperatura média do ar mensal durante o período do experimento em

Piracicaba e a média histórica (de 1991 até 2013).

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

200

250

300

Tem

per

atu

ra m

édia

men

sal

(ºC

)

Ch

uv

a m

ensa

l (m

m)

Meses

Ano 2013-2014, total = 1408 mm Histórico, total = 1836 mmTemp. média 2013-2014 Temp. média histórica

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54

Figura 25 - Chuva, temperatura do ar, umidade do solo (EPPA = espaço poroso preenchido

por água) (A e B) e fluxo de N2O (C e D) pela aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca),

incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no cultivo de cana planta.

Figuras B e D – primeiros três meses.

As emissões de N2O foram em torno de 15 g ha-1

dia-1

nos primeiros 15 dias após a

aplicação dos fertilizantes (Figura 25C e D). Todos os tratamentos tiveram um pico de

emissão de N2O no 16º dia, mas a emissão foi maior com a aplicação de N, especialmente

ureia na dose de N de 60 e 90 kg ha-1

, que correspondeu a mais de 80 g ha-1

dia-1

de N-N2O.

Depois disso, outros elevados picos de emissão aconteceram especialmente no tratamento

com ureia na dose de N de 90 kg ha-1

, de acordo com as chuvas e disponibilidade de N

inorgânico (Figura 26A).

Page 70: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

55

Figura 26 - Concentração de NH4+ e NO3

- no solo (A) e pH do solo (B) pela aplicação de

ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

,

no cultivo de cana planta.

Depois de 552 dias, a emissão acumulada de N-N2O no tratamento controle foi

equivalente a 1,4 kg ha-1

. O tratamento com ureia teve emissão de N-N2O de 2 kg ha-1

, o que

equivale a 1,1% do total do N aplicado (média das doses de N). Aplicação de CAN resultou

em emissão acumulada inferior a ureia: 1,6 kg ha-1

foram emitidos como N-N2O, que

representa cerca de 0,4% do N aplicado (Tabela 14). Não houve diferenças entre ureia e CAN

nas doses de N de 30 e 60 kg ha-1

, apenas na dose mais alta de N (Tabela 14). Dados da

emissão acumulada de N2O nas entrelinhas dos tratamentos sem N, UR 90 kg ha-1

e CAN 90

kg ha-1

estão mostrados em anexo (Tabela em anexo A1).

Tabela 14 - Emissão acumulada de N2O, CO2 e CH4 pela aplicação de ureia ou CAN

(NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no cultivo de

cana planta. Período de 552 dias.

Dose de N Emissão de N-N2O Emissão de C-CO2 Emissão de C-CH4

UR CAN UR CAN UR CAN

kg ha-1

_____

kg ha-1

(% do N aplicado) †

______

________________________________ kg ha

-1 _____________________________

0 1,43 ( - ) ns 1,43 ( - ) ns 8195 ns 8195 ns - 0.88 ns - 0.88 ns

30 1,53 (0,3 ± 0,5) ns 1,47 (0,1 ± 0,2) ns 8014 ns 8054 ns - 0.83 ns - 0.95 ns

60 1,87 (0,7 ± 0,4) ns 1,83 (0,7 ± 0,1) ns 8012 b 9048 a - 0.83 ns - 0.93 ns

90 3,47 (2,3 ± 0,4) a 1,67 (0,3 ± 0,2) b 11837 a 8405 b - 1.00 a - 0.86 b

Média 2,07 (1,1 ± 1,0) a 1,60 (0,4 ± 0,3) b 9015 a 8426 b - 0.88 ns - 0.90 ns

Médias seguidas de letra diferente na linha diferem entre si; ns: não significativo; teste de Tukey, p ≤ 0,05; †Resultado do tratamento sem aplicação de N foi subtraído para este cálculo; ± o desvio padrão.

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56

A emissão acumulada de N2O em função do tempo foi ajustada pelo modelo

exponencial crescente até um máximo (Figura 27A e C). No tratamento sem N, a perda de

N2O atingiu 90% do total em 217 dias. Com a aplicação de UR, 90% da emissão total de N2O

ocorreram em 206, 148 e 158 dias para as doses de 30, 60 e 90 kg ha-1

, respectivamente

(Figura 27A). Descontando a emissão do solo sem fertilizante, 90% das perdas de N2O no

tratamento com UR 90 kg ha-1

mostrou ocorreram em 127 dias; na dose de 60 kg ha-1

o efeito

foi sigmoide, e 90% da perda ocorreram em 27 dias (Figura 27B). Com a aplicação do CAN,

a perda acumulada de N2O atingiu 90% do total em 204, 200 e 181 dias para as doses de 30,

60 e 90 kg ha-1

respectivamente (Figura 27C). Sem considerar a emissão do tratamento sem

N, o efeito foi sigmoide no tratamento com CAN na dose de 90 kg ha-1

, atingindo 90% das

perdas em 35 dias; para a dose de 60 kg ha-1

o efeito foi exponencial e 90% das emissões

totais ocorreram em 128 dias; na menor dose o ajuste não foi significativo (Figura 27D).

Figura 27 - Emissão acumulada de N2O (pontos em vermelho) pela aplicação de ureia (A e

B) ou CAN (NH4NO3 + Ca) (C e D), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg

ha-1

, no cultivo de cana planta. Figuras B e D - a emissão do tratamento controle (Sem N) foi

descontada. Equação ajustada (linhas em preto) pelo modelo exponencial ou sigmoide,

p<0,0001; ns: não significativo.

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57

Figura 28 - Emissão total de N2O (A) e CO2 (B) pela aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 +

Ca), incorporado no solo, em função das doses de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1

, no cultivo de

cana planta.

A emissão de N2O apresentou efeito exponencial em função da dose de N aplicada

como ureia (Figura 28A). No tratamento com a aplicação do CAN o efeito foi quadrático,

com pequeno aumento de N2O pelo aumento da dose de N e depois redução (Figura 28A).

A emissão total de C-CO2 foi maior com a aplicação de ureia do que CAN (Tabela

14). A emissão de CO2 teve uma resposta semelhante à emissão de N2O em função da dose de

N aplicada e fonte de N (Figura 28B), e foi a variável que melhor se correlacionou com a

emissão de N2O (Tabela 15). As emissões de CH4 foram negativas e não teve diferença entre

as fontes de N, média das três doses, apenas houve diferença na dose mais elevada (Tabela

14).

O teor de NH4+ teve melhor correlação com a emissão de N2O que o teor de nitrato,

sendo que para os tratamentos com a aplicação de CAN, o teor de NO3- não teve correlação

significativa (Tabela 15). A temperatura do ar e do solo tiveram correlação positiva, enquanto

que a umidade do solo não teve correlação significativa e o volume de chuva no dia e na

semana mostraram correlação negativa. Isso ocorreu devido as maiores precipitações após o

período dos picos de emissão (Figura 25A). O CO2 e CH4 mostraram alta correlação com

N2O. O pH do solo não mostrou correlação significativa, nem considerando só os tratamentos

com aplicação de ureia (Tabela 15). Os valores de pH (Figura 26B) com aplicação de ureia

ficou abaixo dos outros experimentos (Figura 13, 14 e 19), provavelmente devido a maior

profundidade do sulco de plantio, pois foi cultivo de cana planta.

y = 1,1128x2 - 63,737x + 8377,4

R² = 0,9375

y = -0,1394x2 + 17,963x + 8056,4

R² = 0,3365

7000

9000

11000

13000

0 20 40 60 80 100

C-C

O2 (

kg

ha

-1)

Dose de N (kg ha-1

)

)

A B

Page 73: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

58

Tabela 15 - Parâmetros e coeficientes (R2) da regressão linear simples relacionando o fluxo

diário de N2O com variáveis ambientais pela aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca),

incorporado no solo, em função das doses de N de 30, 60 e 90 kg ha-1

, no cultivo de cana

planta. (n = 224).

Variáveis (x)† Regressão* R2 Regressão* R

2 Regressão* R

2

Todos tratamentos UR CAN

N-NH4+ y = 1,008 + 0,0061x 0,1415 y = 1,05 + 0,0058x 0,1487 y = 0,93 + 0,0064x 0,0621

N-NO3- y = 1,01 + 0,0064x 0,0331 y = 1,02 + 0,011x 0,0689 ns

EPPA ns - ns ns

Temp. ar y = 0,39 + 0,028x 0,1525 y = 0,33 + 0,033x 0,1748 y = 0,41 + 0,023x 0,1941

Temp. solo y = 0,24 + 0,036x 0,0543 y = 0,24 + 0,039x 0,0512 y = 0,12 + 0,038x 0,0997

pH ns - ns ns

Chuva dia anterior y = 1,13 - 0,003x 0,0804 y = 1,18 - 0,0031x 0,0647 y = 1,03 - 0,0028x 0,1371

Chuva semana y = 1,16 - 0,0019x 0,1099 y = 1,21 - 0,002x 0,0880 y = 1,06 - 0,0017x 0,1789

C-CO2 y = 0,77 + 0,014x 0,1835 y = 0,83 + 0,014x 0,1569 y = 0,75 + 0,012x 0,1788

C-CH4 y = 1,06 + 0,108x 0,1565 y = 1,12 + 0,17x 0,2152 y = 0,98 + 0,07x 0,1624

* p ≤ 0,05; ns: não significativo; † N-N2O: g ha-1 dia-1 transformado em log(X); C-CO2: kg ha-1 dia-1; C-CH4: g ha-1 dia-1; N-NH4+ e N-NO3

-:

mg kg-1 0-10 cm solo; Chuva dia e semana: mm, Temperatura ar e solo: ºC; EPPA: Espaço poroso preenchido por água, %; pH-CaCl2:

transformado em H+, 10-pH.

O modelo dado pela seleção passo-a-passo incluiu as variáveis CO2, CH4 e NO3-.

Considerando os tratamentos com aplicação de ureia foi incluído o teor de NH4+, temperatura

do ar e chuva na semana. Para os tratamentos com CAN não foram incluídos os teores de N

(Tabela 16).

Tabela 16 - Parâmetros (β) e coeficientes (R2) da regressão linear múltipla relacionando o

fluxo diário de N2O com variáveis ambientais após a aplicação dos fertilizantes em cana-de-

açúcar (n = 224).

Modelo* Parâmetros R2

Todos tratamentos†

N-N2O = β0 + βCO2 + βCH4 + βN-NO3- 0,79 + 0,011CO2 + 0,092CH4 + 0,0062N-NO3

- 0,3048

Ureia

N-N2O = β0 + βCH4 + βTemp.ar + βN-

NO3- + βChuvasemana + βN-NH4

+

0,39 + 0,2070CH4 + 0,0237Temp.ar + 0,0087N-NO3- +

0,0016Chuvasemana + 0,0029N-NH4+

0,4396

CAN

N-N2O = β0 + βCH4 + βTemp.solo +

βChuvasemana

- 0,04 + 0,035CH4 + 0,049Temp.solo -

0,017Chuvasemana 0,3799

* Seleção passo-a-passo, p ≤ 0.05; † Tratamentos: ureia e CAN (NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, em função das doses

de N de 0, 30, 60 e 90 kg ha-1; ‡ N-N2O: g ha-1 dia-1 transformado em log(X); C-CO2: kg ha-1 dia-1; C-CH4: g ha-1 dia-1 N-

NH4+ e N-NO3

-: mg kg-1 0-10 cm solo; Chuvasemana: mm; Temperatura ar e solo: ºC.

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59

5 DISCUSSÃO

5.1 Estudo 1: Experimento com Fertilizantes de Eficiência Aumentada

5.1.1 Primeiro e segundo ciclos - 2011/12 e 2012/13

A emissão de N2O das parcelas sem aplicação de N foi de 1,1 kg ha-1

e 0,6 kg ha-1

de

N para o primeiro e secundo ciclo, respectivamente, próximo ao valor de referência de

aproximadamente 1 kg ha-1

ano-1

estimado por BOUWMAN (1996). O autor enfatiza que essa

referência de emissão do solo agrícola não é a emissão “natural” do sistema, mas também

inclui o efeito de resíduos de culturas e adições prévias de insumos. De fato, no presente

estudo o solo tem sido regularmente adubado nos anos anteriores. A menor emissão ocorrida

no segundo ciclo pode ser explicada pela baixa quantidade de resíduos no solo, pois a cana foi

queimada acidentalmente antes do corte no ciclo anterior. Visto que a palha de cana tem

mostrado aumento na emissão de N2O (CARMO et al., 2013; VARGAS et al., 2014).

Os dados com fluxos diários de N2O mostraram que ocorreram elevadas emissões

deste gás no tratamento com ureia durante os primeiros meses após a aplicação do fertilizante.

Pela equação ajustada na emissão acumulada de N2O, 90% da perda do tratamento com ureia,

descontando a emissão “natural”, ocorreram em 40 e 72 dias para os ciclos 2011/12 e

2012/13, respectivamente. Esses dados estão de acordo com CARMO et al. (2013), que

mostraram elevadas emissões diárias de N2O durante os primeiros 60 dias após a aplicação de

ureia em cana-de-açúcar no Estado de São Paulo, Brasil. Outros autores também mostraram

elevados fluxos de N2O nas primeiras semanas após a aplicação do fertilizante, atribuindo este

efeito ao aumento da disponibilidade de N, para processos microbianos como a nitrificação e

a desnitrificação, e condições ambientais favoráveis a emissão de N2O nos solos, como

umidade do solo, chuva, C disponível, temperatura, entre outros (JUMADI et al., 2008;

LINZMEIER et al., 2001; MENÉNDEZ et al., 2006; SIGNOR et al., 2013; WEITZ et al.,

2001; ZAMAN et al., 2008).

A emissão acumulada de N2O neste estudo foi de 0,7% do N total aplicado no

tratamento com ureia convencional. Este valor está próximo da estimativa de emissão de N2O

do IPCC que é de 1% do N total aplicado (IPCC, 2006). Por outro lado, os valores

encontrados neste estudo estão abaixo dos reportados na literatura com a cultura de cana-de-

açúcar em outros locais (WEIER et al., 1998; CRUTZEN et al., 2008; DENMEAD et al.,

2010; SANHUEZA et al., 2009; LISBOA et al., 2011). CARMO et al. (2013) mostraram fator

Page 75: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

60

de emissão de 0,7% do N aplicado como ureia no cultivo de cana-de-açúcar no Brasil, porém

quando vinhaça e palha estavam presentes o fator de emissão do fertilizante subiu para 3%.

LISBOA et al. (2011) listaram diversos estudos com cana e fator de emissão médio de 3,9%

(valores de 2 a 29%, emissão do solo sem N não foi subtraída). Semelhante ao presente

estudo, outros estudos feitos no Brasil mostraram fator de emissão de N2O abaixo do 1%

sugerido pelo IPCC. Isto tem sido atribuído alta capacidade de drenagem dos Latossolos, o

que previne o acúmulo de água no solo por longo período de tempo (JANTALIA et al., 2008;

MORAIS et al., 2013).

A redução da emissão de N2O pelo uso de fertilizantes de eficiência aumentada é de

30% segundo os modelos utilizados pelo IPCC (IPCC, 2001). Os dados apresentados no

presente estudo mostraram que a redução pode ser bem maior, visto que os inibidores de

nitrificação reduziram a emissão de N2O pela aplicação de ureia em aproximadamente 95%.

SNYDER et al. (2014) com dados compilados mostraram que os inibidores de nitrificação

podem reduzir a emissão de N2O em valores de 19 a 100%, sendo que esse máximo de

redução foi encontrado neste estudo (SOARES et al., 2015).

Essa variação na redução de emissão de N2O pelos inibidores de nitrificação pode

ocorrer devida sua eficiência ser afetada por diversos fatores, como as propriedades do

inibidor, pH do solo, matéria orgânica do solo, porosidade, temperatura, umidade, etc

(HALVORSON et al., 2014; SINGH et al., 2008; SUBBARAO et al., 2006; TRENKEL,

1997; WEISKE et al., 2001). SINGH et al. (2008) mostraram que a redução de emissão de

N2O pela adição de DCD em urina de bovinos foi de 90% em solo com baixo teor de matéria

orgânica (carbono orgânico: 3,4 g/kg), por outro lado a redução caiu para 45% em solo com

alto teor de matéria orgânica (carbono orgânico: 8 g/kg) em avaliação feita em 60 dias. Assim

dependendo das condições do local o inibidor é degradado no solo mais rapidamente que a

demanda da cultura pelo N, ficando nitrogênio no solo suscetível a nitrificação e

desnitrificação ocorrendo maiores emissões de N2O após o período que o inibidor é eficiente

(HU et al., 2013; JUMADI et al. 2008; LIU et al., 2013; WEISKE et al., 2001).

A cana-de-açúcar é uma planta de desenvolvimento rápido, com capacidade de

acumular de 30 a 60 t ha-1

de matéria seca em um ciclo (CANTARELLA et al., 2012). A

demanda da cultura por N é rápida nos primeiros meses de crescimento (FRANCO et al.,

2011). No ciclo de 2011/12 os fertilizantes foram aplicados no fim do verão quando as plantas

estavam com 1,5 m em crescimento rápido; em 2012/13, o N foi aplicado 15 dias depois da

colheita no final da primavera – período quente e úmido suficiente para rápido crescimento da

planta. Deste modo, mesmo se os inibidores não tivessem um efeito longo devido às altas

Page 76: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

61

temperaturas, o NH4+ no solo foi rapidamente absorvido pela cultura, antes do processo de

nitrificação. Provavelmente, isto explica a alta eficiência dos dois inibidores de nitrificação

em reduzir a emissão de N2O no presente estudo.

A safra de cana-de-açúcar no Brasil nessa região é de abril a novembro. De abril até

setembro (outono até começo da primavera no hemisfério sul) as chuvas são escassas e a

temperatura amena para o desenvolvimento da cana e para absorção de N. Talvez não seja

possível encontrar a mesma eficiência dos inibidores de nitrificação em reduzir a emissão de

N2O se aplicados nos meses secos comparados com os resultados mostrados aqui. Devido a

essa longa safra, muitas áreas são fertilizadas nos meses secos, estudos dos inibidores nessas

condições merecem atenção.

A reaplicação dos inibidores no mesmo local que anos anteriores não afetou a

capacidade do DCD e DMPP em reduzir a emissão de N2O (Tabela 5). RAJBANSHI et al.

(1992) mostraram que o DCD foi degradado mais rápido em solo quando reaplicado, o que

poderia reduzir a eficiência em inibir a oxidação do NH4+. Entretanto, o intervalo entre

reaplicações foi menor do que um ano feito no presente estudo. Outros autores reportaram

resultados opostos, indicando que a reaplicação de DCD em 57 dias (WAKELIN et al., 2013)

ou reaplicação durante 3 anos (WEISKE et al., 2001) não afetaram a eficiência dos inibidores.

Assim, a maioria dos estudos indicou que o uso contínuo dos inibidores não oferece riscos

para diminuir a eficiência em reduzir a emissão de N2O.

Além disso, em alguns estudos a adição dos inibidores de nitrificação foi feita em

fertilizantes que contém parte do N na forma de nitrato, o que pode subestimar a eficiência

dos inibidores, visto que a emissão de N-N2O pode ocorrer pelo processo de desnitrificação na

qual o inibidor não teria efeito (LINZMEIER et al., 2001; MENÉNDEZ et al., 2006;

SNYDER et al., 2009; WEISKE et al., 2001).

Não houve diferença entre os inibidores DCD e DMPP. WEISKE et al. (2001)

mostraram que o DMPP foi mais eficiente que o DCD em reduzir a emissão de N2O, devido

ao DCD ter sido degradado no solo mais rápido que o DMPP. SUBBARAO et al. (2006)

enfatizaram que a mobilidade do DCD no solo é maior que a do NH4+, enquanto que a

mobilidade do DMPP é semelhante ao amônio, o que poderia deixar o DMPP potencialmente

mais eficiente que o DCD. Entretanto no presente estudo os dois inibidores tiveram grande

eficiência em reduzir a emissão de N2O, provavelmente devido às condições edafoclimáticas.

O fertilizante de liberação controlada utilizado neste estudo não mostrou redução na

emissão de N2O quando comparado com a ureia. Isto foi inesperado, apesar de não ser

novidade na literatura. No segundo ciclo inclusive, a emissão de N2O pela aplicação do PSCU

Page 77: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

62

foi maior que a UR convencional (Tabela 5). Ao liberar lentamente o nutriente em sincronia

com a demanda da planta, quantitativamente menos N será nitrificado e desnitrificado,

reduzindo a emissão de N2O nos primeiros dias após a aplicação do fertilizante (DELGADO

& MOSIER, 1996). O aumento da dose aplicada de N pode resultar, dependendo da

disponibilidade de C no solo, em aumento exponencial de N2O (KIM et al., 2013). Assim a

liberação gradual do N pelo fertilizante de liberação controlada ou o parcelamento de N pode

reduzir a emissão de N2O dependendo das condições ambientais e propriedades do produto

(AKIYAMA et al., 2010; BURTON et al., 2008; HALVORSON et al., 2014; HYATT et al.,

2010; YANG et al., 2012).

A sincronia entre a liberação do nutriente pelo fertilizante de liberação controlada, das

condições ambientais e da demanda da planta pelo N pode afetar a quantidade de N no solo, e

assim os riscos de fluxos de N2O para atmosfera (VENTEREA et al., 2012). No primeiro

ciclo, os fertilizantes foram aplicados em abril – final da época das chuvas. A emissão de N2O

pela aplicação do PSCU foi menor que a ureia convencional nos primeiros 60 dias (Figura

11D), quando provavelmente menos N do PSCU estava disponível. Entretanto, após o período

de seca, em outubro, um pico de emissão de N2O indica que provavelmente o N permanecido

nos grânulos do PSCU foi liberado. No segundo ciclo os fertilizantes foram aplicados antes

do longo período quente e chuvoso do verão, e a maior parte do N do PSCU foi

provavelmente liberado antes: aproximadamente 40 dias após a aplicação, a emissão de N2O

do PSCU foram superiores ao da UR (Figura 12D). Entretanto, ocorreram emissões de N2O

mais tardias que no tratamento com ureia convencional, o que resultou em efeito mais

prolongado na emissão acumulada de N2O pela aplicação de PSCU do que a ureia; assim 90%

da perda total de N2O pela aplicação do PSCU ocorreram após 220 dias, enquanto que com

ureia ocorreram em 72 dias (Figura 15 e 16). Deste modo, as condições ambientais e demanda

da cultura não favoreceram o PSCU e a emissão de N2O foi semelhante ou superior ao da UR

convencional.

Outros autores reportaram situações em que a emissão de N2O de solos que receberam

a aplicação de fertilizantes de liberação lenta ou controlada foi semelhante àquelas fontes de

N prontamente disponível (DELGADO & MOSIER, 1996; HALVORSON et al., 2014; HU et

al., 2013; JUMADI et al., 2008; VENTEREA et al., 2011), na maioria dos casos devido à

falta de sincronia da liberação do nutriente e a demanda da planta.

No presente estudo, foram conduzidas intensas medições da emissão de N2O para

comparar a emissão derivada de um fertilizante nitrogenado convencional (ureia) com aquelas

de ureia contendo dois inibidores, e um fertilizante de liberação controlada. Os resultados

Page 78: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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indicam menor fator de emissão de N2O para o fertilizante convencional que a maioria dos

resultados reportados na literatura internacional para cana-de-açúcar, sugerindo que as

emissões de N2O de Latossolos com alta capacidade de drenagem nessa região do Brasil

podem ser menores que a maioria dos outros solos. Além disso, foi demonstrado que os

inibidores diminuíram severamente as emissões de N2O, mas que o fertilizante de liberação

controlada foi ineficiente em reduzir a emissão. Os resultados mostrados foram os primeiros

da literatura em testar essa classe de fertilizantes em solo tropical e em particular cana-de-

açúcar no Brasil (SOARES et al., 2015). A eficiência dos inibidores em reduzir a emissão de

N2O deverá ser testada no futuro, incluindo áreas onde as fontes são aplicadas nos meses

secos do ano e em combinação com palha e vinhaça – práticas comuns na maioria das

indústrias de cana – que aumenta substancialmente as emissões de N2O (CARMO et al.,

2013).

Tem havido interesse crescente da comunidade internacional nos dados de emissões de

GEE na produção de bioetanol derivado de cana-de-açúcar, pois a emissão de N2O é um

importante componente nos cálculos do balanço de GEE pela produção de etanol (BODDEY

et al., 2008; MACEDO et al., 2008). Deste modo, os inibidores de nitrificação podem ser uma

opção para aumentar os indicadores de sustentabilidade. Há indícios que a cana-de-açúcar

prefere NH4+ em relação ao NO3

- em nutrição mineral (DEARMAS et al., 1992; PARASHAR

et al., 1980), o que pode futuramente justificar o uso dos inibidores.

Recentemente, YANG et al. (2016) selecionaram 81 artigos publicados com DCD e

DMPP em estudos feitos com a cultura do milho em vários países e, fizeram análise de custo

e benefício, considerando as perdas de N e a produtividade das culturas. Ambos os inibidores

de nitrificação resultaram em aumento de lucro, sendo o DCD com melhor resultado,

aumentando em 6% o ganho monetário em relação à produtividade de grãos para cultura do

milho. Testes conduzidos no Brasil com o DCD não evidenciaram aumento do rendimento na

cultura do milho (MARCELINO, 2009). No estudo de MARCELINO (2009), embora o

rendimento de grãos de milho não tenha sido afetado, os tratamentos com o DCD

apresentaram maior absorção do N fertilizante do que aqueles sem o inibidor. Assim o uso

dos inibidores de nitrificação tem grande potencial de resultar em ganhos para o agricultor

além dos benefícios ambientais. Esse é um assunto que merecer ser mais explorado, visto a

atual preocupação mundial com o meio ambiente.

Entretanto, os inibidores de nitrificação não são comumente usados no Brasil devido à

adição do custo dos fertilizantes, e não é sempre que esses produtos aumentam a

produtividade (TRENKEL, 2010), especialmente em situações onde a perda de N por

Page 79: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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lixiviação de nitrato é baixa. CANTARELLA (2007), GHIBERTO et al. (2009; 2011)

observaram pequena lixiviação do NO3- proveniente de fertilizantes nitrogenados no cultivo

de cana-de-açúcar usando fertilizante marcado com 15

N. Apesar das perdas de N como N2O

serem bastante importante para o meio ambiente, essas perdas são uma pequena parte do custo

do fertilizante, e os produtores de cana-de-açúcar talvez não irão pagar esse custo dos

inibidores de nitrificação se nenhum aumento de produtividade acompanhar esse benefício

ambiental. A mitigação das emissões de N2O da agricultura possa, portanto, requerer

abordagens mais amplas, como a internacionalização de custos de abatimento dos GEE

(CAVIGELLI et al., 2012; VENTEREA et al., 2012), em adição às soluções técnicas

encontradas pelos pesquisadores.

No Brasil, por exemplo, o governo federal tem o plano ABC (Plano Setorial de

Mitigação e de Adaptação às Mudanças Climáticas para a Consolidação de uma Economia de

Baixa Emissão de Carbono na Agricultura). Porém, neste plano não está incluído o uso

eficiente de fertilizantes, como por exemplo, a adição de inibidores de nitrificação para

reduzir as emissões de N2O. Assim, esperam-se mais esforços políticos para estimular o

produtor a usar essas tecnologias.

5.1.2 Terceiro ciclo - 2013/14

5.1.2.1 Emissão de gases

A emissão de N2O no tratamento com aplicação de ureia foi maior que o encontrado

nos dois ciclos anteriores. O fator de emissão foi de 1,7% do N aplicado, que é superior ao

reportado em outros estudos com cana-de-açúcar no Brasil, entre 0,7 – 1% do N aplicado

como ureia (CARMO et al., 2013; FILOSO et al., 2015; SOARES et al., 2015). Neste ciclo

2013/14 a chuva acumulada foi próxima a 500 mm, sendo muito menor que o histórico para

região, em torno de 1000 mm. Neste sentido, o desenvolvimento da planta foi afetado nas

primeiras semanas e a absorção de N provavelmente foi menor que normalmente. Assim a

quantidade de N no solo foi maior, ocorrendo maiores emissões de N2O que o esperado. Os

picos de N2O ocorreram após duas chuvas seguidas de alto volume (40 + 25 mm e 50 + 40

mm) em solo seco (15 a 20% EPPA), esse efeito pode ser observado pela alta correlação entre

N2O e a chuva acumulada da semana. Assim, as condições climáticas neste ciclo levaram às

maiores emissões de N2O.

Page 80: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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De maneira semelhante aos ciclos anteriores, neste ciclo ocorreu grande redução na

emissão de N2O pela adição dos inibidores de nitrificação, e também falta de efeito benéfico

do fertilizante de liberação controlada. A emissão de N2O no tratamento com PSCU foi menor

do que com ureia nas primeiras semanas, porém o PSCU apresentou efeito mais prolongado

na emissão de N2O que a aplicação de ureia (Figura 21), provavelmente devido à liberação

gradual do N. Assim no final do experimento, a emissão acumulada de N2O foi semelhante

entre os tratamentos com ureia e com PSCU.

Neste ciclo foi incluída a aplicação de nitrato de cálcio e surpreendentemente essa

fonte de N mostrou emissão de N2O muito baixa, similar ao tratamento sem aplicação de N e

com aplicação dos inibidores de nitrificação. Este é o primeiro estudo em condições de campo

mostrando grande diferença entre aplicação de N na forma de NO3- em comparação com ureia

ou fonte de NH4+; a redução na emissão de N2O foi de 98% comparado com ureia. Isso pode

ser atribuído principalmente à alta capacidade de drenagem do Latossolo, que previne

acúmulo de água no perfil do solo (JANTALIA et al., 2008; MORAIS et al., 2013), e

consequentemente evita condição favorável para o processo de desnitrificação.

Em condições controladas com 15

N marcado, LIU et al. (2007) compararam as

emissões de N2O de fontes de NH4+ e NO3

- em duas diferentes umidades do solo, 60 e 75%

EPPA. O processo de desnitrificação teve maior contribuição para emissão de N2O na

umidade mais alta (75% EPPA), enquanto que a fonte de NH4+ resultou em emissão de N2O

duas vezes maior que a de NO3- no solo com 60% EPPA. No presente estudo, a umidade do

solo chegou a 40% EPPA no máximo (Figura 18), assim a concentração de O2 possivelmente

não foi baixa suficiente para favorecer o processo desnitrificação, o que resultou em baixa

emissão de N2O com a aplicação de N na forma de NO3-.

Outra hipótese pela baixa emissão de N2O no tratamento com nitrato de cálcio poderia

ser devido à lixiviação de nitrato. Apesar do teor de N no solo (10 cm) estava menor com

nitrato de cálcio do que no tratamento com ureia, as emissões de N2O são maiores com

aplicação mais profunda de N no solo (SNYDER et al., 2009; XUE et al., 2013). Além disso,

estudos com N15

mostraram muito baixa lixiviação de NO3- no cultivo de cana-de-açúcar no

Brasil (CANTARELLA, 2007; GHILBERTO et al., 2009; 2011). Resultados opostos com

redução na emissão de N2O pela aplicação mais profunda do N são mostrados na literatura,

porém em climas úmidos (KESSEL et al., 2013). Deste modo, não é esperado que a lixiviação

de NO3- tenha sido o motivo pela baixa emissão de N2O no tratamento com a aplicação de

nitrato de cálcio.

Page 81: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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Outro aspecto que pode ter contribuído para a baixa emissão de N2O pela aplicação da

fonte de NO3- é o baixo teor de carbono orgânico no solo, aproximadamente 1% (Tabela 1), e

não foram adicionadas fontes de C como vinhaça, torta de filtro ou manter a palha no solo, o

que poderia favorecer o processo de desnitrificação. VARGAS et al. (2014) mostraram que a

palha de cana aumentou a emissão de N2O em solo com alto teor de umidade (75 – 100% da

EPPA). CARMO et al. (2013) reportaram aumento na emissão de N2O pela aplicação de

vinhaça. Por outro lado, esses resíduos podem favorecer não somente os desnitrificantes, mas

também os nitrificantes e outros microrganismos relacionados com o ciclo do N (PITOMBO

et al., 2015). Estudos feitos nessas condições com palha ou adição de vinhaça e torta de filtro

podem gerar resultados diferentes dos observados no presente estudo e merecem atenção.

Outros estudos reportaram menor emissão de N2O pela aplicação de nitrato de cálcio

quando comparado com ureia ou fontes amoniacais (AKIYAMA & TSURUTA, 2002;

ABALOS et al., 2014; MCTAGGARD & TSURUTA, 2003). TENUTA & BEAUCHAMP

(2003) mostraram menor emissão de N2O com nitrato de cálcio em relação à ureia em

experimento de 21 dias em condições controladas e no campo, mas a diferença ocorreu em

um pico de emissão, e a emissão total de óxido nitroso pela aplicação de ureia foi

relativamente pequena, em torno de 0,5% do N aplicado, o que dificulta comparar

tratamentos. Em estudo mais recente com milho no Brasil, MARTINS et al. (2015) chegaram

ao fator de emissão de N2O em torno de 0,2% do N aplicado, sem diferença entre as fontes

ureia e nitrato de cálcio. No presente estudo a emissão total no tratamento com ureia foi mais

alta, 1,7% do N aplicado, o que aumenta a relevância do estudo, pois a diferença entre as

fontes nitrato de cálcio e ureia foram grandes em condição com alta emissão de N2O.

Ao contrário desses resultados, ZANATTA et al. (2010) mostraram maior emissão de

N2O com nitrato de cálcio em comparação à ureia, provavelmente devido às condições

ambientais favoráveis para desnitrificação. O estudo foi feito na região sul do país, em

GLEISSOLO, e a umidade do solo foi maior que 60% EPPA na maior parte do experimento.

Nessas condições é esperado que fertilizantes à base de nitrato resultem em maior emissão de

N2O que aplicação de ureia ou fontes amoniacais. ZHU-BARKER et al. (2015) também

mostraram maior emissão de N2O pela aplicação de nitrato de cálcio em comparação com a

ureia em estudo feito nos EUA, sendo que a umidade do solo foi entre 50 e 70% EPPA

durante o experimento. Deste modo, a menor emissão de N2O devido à fonte de NO3-

encontrada no presente estudo é atribuída às condições ambientais, principalmente o tipo de

solo, que é bem drenado e evita o acúmulo de água que favoreceria a desnitrificação.

Page 82: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

67

Em relação à emissão de CO2 e CH4, os três ciclos mostraram resultados semelhantes,

em que a aplicação dos tratamentos não alterou a mineralização de C no solo (emissão de

CO2) e nem a oxidação do CH4 – solos agrícolas em condições aeróbicas agem mais como

dreno de CH4 do que fonte (LE MER & ROGER, 2001). Apesar de possivelmente os

inibidores de nitrificação também bloquear a enzima que oxida o metano (TRENKEL, 2010),

não foi encontrado no presente estudo nenhum efeito dos inibidores na emissão desse gás,

semelhante ao reportado na literatura (WEISKE et al., 2001). Como os inibidores são

específicos para a enzima amônia mono-oxigenase, não tendo efeito biocida (SUBBARAO et

al., 2006), a emissão de CO2 também não sofreu alteração pela aplicação dos inibidores, em

que a maior parte corresponde a mineralização do C no solo (SORNPOON et al., 2013).

5.1.2.2 Abundância de genes

A abundância do gene AOA amoA foi menor nos tratamentos que receberam

fertilizante contendo N quando comparado com o tratamento sem aplicação de N.

Provavelmente a alta concentração de amônia e elevado pH do solo (Figura 19) favoreceram

as bactérias oxidadoras de amônia em relação às arqueias (DI et al., 2014; JIANG et al., 2015;

NICOL et al., 2008; O’CALLAGHAN et al., 2010). Entretanto as parcelas que receberam

nitrato de cálcio também mostraram menor abundância do gene AOA amoA; o presente

experimento foi o terceiro ciclo de cana soca, assim o efeito de nitrato de cálcio pode ter sido

o efeito acumulado da aplicação de nitrato de amônio nos três ciclos anteriores, enquanto que

o tratamento controle não recebeu N nos dois ciclos anteriores.

A emissão de N2O foi positivamente correlacionada com a abundância do gene AOB

amoA, mostrando que provavelmente as bactérias e não arqueias foram mais responsáveis

pela emissão de N2O. Além disso, a desnitrificação pareceu ser bem baixa neste estudo, visto

que não ocorreu diferença entre os tratamentos nem correlação positiva entre a emissão de

N2O e os genes nirS, nosZ e nirK - presente em desnitrificantes e também em AOB no

processo de nitrificação desnitrificante. Além disso, a aplicação do nitrato de cálcio resultou

em emissão de N2O muito baixa, estando de acordo com a abundância desses genes. Neste

sentido o modelo que melhor estimou a emissão de N2O incluiu a abundância do gene AOB

amoA e o teor de NH4+ no solo e não de nitrato, mostrando a maior importância da

nitrificação na emissão de N2O.

Page 83: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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Correlação positiva entre N2O e AOB foi mostrado por DI et al. (2014) em solo

subtropical com a aplicação de urina; os autores também acharam correlação significativa

com o gene nirK, indicando que a desnitrificação também contribuiu para a emissão de N2O

e/ou AOB que tem o gene nirK. Por outro lado, o presente estudo foi conduzido em solo

tropical, em que a nitrificação pode ser mais favorecida que a desnitrificação. ZHANG et al.

(2014) mostraram menor potencial de desnitrificação no solo subtropical que de clima

temperado, assim como menor abundancia dos genes nirK e cnorB. Isso pode sugerir menor

potencial de desnitrificação nos trópicos. VENTEREA et al. (2015) mostraram grande

correlação da emissão de N2O pela aplicação de ureia ou urina com o teor de NO2- no solo,

que ficou elevado pelo aumento da abundância de AOB amoA e não aumento na abundância

do gene nxrA, que codifica a oxidação do nitrito. Contudo, os autores destacaram que a

emissão de N2O ocorreu durante o processo de nitrificação e pouco provável durante a

desnitrificação, semelhante ao mostrado no presente estudo.

No presente estudo a emissão de N2O pode ter ocorrido durante a oxidação da

hidroxilamina, (𝑁𝐻4+ → 𝑁𝐻2𝑂𝐻 → 𝑁2𝑂 → 𝑁2) por bactéria oxidadoras de amônia (FRAME

& CASCIOTTI, 2010), por microrganismos nitrificantes heterotróficos (JOO et al., 2005;

ZHAO et al., 2010; 2012) ou abiótico (SPOTT et al., 2011). Outro processo que pode estar

envolvido na emissão de N2O é a co-desnitrificação que pode ser abiótica ou biótica, sendo

realizada por bactérias, arqueia ou fungos. Nesse processo um composto redutor como NO-,

NO2- ou NO3

- combinado com N orgânico, hidroxilamina ou amônio gera N2O, ocorrendo em

condições aeróbicas e anaeróbicas (SPOTT et al., 2011; MÜLLER et al. 2014). Mais estudos

envolvendo essas reações merecem atenção e podem melhor explicar a emissão de N2O.

O presente estudo mostrou correlação significativa entre o gene AOB amoA e a

emissão de N2O, sugerindo que esse gene pode ser usado como um indicador e/ou incluído

em modelos a fim de estimar a emissão de N2O. Outros estudos em diferentes classes de solo,

fontes de N e abundância de outros genes são necessários para complementar os resultados

mostrados aqui.

5.2 Estudo 2: Experimento com Diferentes Fontes e Doses de N

Conforme o estudo anterior, esse experimento também foi conduzido em solo

pertencente à classe dos Latossolos, em que a umidade não passou de 40% EPPA (Figura 25).

Page 84: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

69

Dessa forma, os resultados foram condizentes com o estudo anterior; a emissão de N2O pela

aplicação do CAN, que contém parte do N na forma de NO3- foi menor que a de ureia.

A emissão de N2O em função da dose aplicada de N pode ser separada em três fases

distintas: linear, exponencial e hipérbole (KIM et al., 2013). Dependendo da disponibilidade

do C no solo, dose de N aplicada, máximo de absorção de N pela planta e pelo microrganismo

pode ocorrer essas três respostas. O modelo exponencial é atribuído quando a dose de N

aplicada for superior à demanda da planta, sem ser situação com C limitante. No presente

estudo, a aplicação de ureia mostrou esse efeito exponencial na emissão de N2O pelo aumento

da dose de N (Figura 28); não houve resposta à aplicação de N na produtividade da cultura

(Dados não mostrados), o que sugere que a maior dose de N foi superior a demanda da planta;

e a emissão de CO2 também teve efeito semelhante ao N2O, sugerindo que o carbono não era

limitante. Por outro lado, a outra fonte de N testada, o CAN teve efeito diferente da ureia,

mostrando resposta quadrática da emissão de N2O em função da dose de N aplicada.

O efeito na emissão de N2O é linear ou exponencial quando o microbiota responsável

pela emissão de N2O está competindo com a planta pelo N aplicado, e hipérbole quando o C

se torna limitante. Conforme as condições ambientais deste estudo, quando a fonte de N

aplicada é na forma de nitrato, a emissão de N2O é muito baixa, assim é provável que na

aplicação de CAN, o N na forma de NO3- não estava sendo emitido como N2O.

O CAN tem metade do N na forma de NO3- e outra metade em NH4

+, assim o aumento

de amônio poderia resultar em aumento de N2O, pelo processo da nitrificação semelhante à

aplicação de ureia. Contudo a reação do CAN no solo é diferente da ureia, que aumenta o pH

em torno do fertilizante (CANTARELLA, 2007) e assim favorece a atividade de bactérias

nitrificantes (VENTEREA et al., 2015). Essa reação da ureia pode acumular NO2- por algum

tempo no solo e assim tem sido apontada como o principal motivo quando ocorre maior

emissão de N2O pela aplicação de ureia que outra fonte de N (SNYDER et al., 2009;

VENTEREA et al., 2015).

Efeito exponencial na emissão de N2O pela aplicação de ureia foi mostrado por

HOBEN et al. (2011) e MCSWINEY & ROBERTSON (2005); e efeito linear pela aplicação

de CAN por LEBENDER et al. (2014a). Porém nenhum estudo foi feito para comparar essas

duas fontes em diferentes doses. Em estudos comparando as duas fontes na mesma dose, a

emissão de N2O pela aplicação de CAN tem sido semelhante à da ureia, como nos 12 locais

cultivados com trigo no Reino Unido (SMITH et al, 2012) e em três locais na Alemanha

(LEBENDER et al., 2014b). Provavelmente devido ao tipo de solo, em que a desnitrificação

tenha contribuição na emissão de N2O.

Page 85: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

70

Os dados de emissão de CO2 reforçam o efeito distinto da reação de ureia no solo em

comparação ao tratamento contendo o CAN. A emissão de CO2 foi maior com a aplicação de

ureia do que o CAN, tendo efeito de dose de N semelhante ao N2O. Essa maior emissão

ocorreu nos primeiros meses após a aplicação dos fertilizantes (Dados não mostrados), assim

é possível que o aumento de pH do solo estimulou a mineralização do C nos tratamentos com

a aplicação de ureia. Dificilmente o C estava numa situação limitante neste estudo, visto que o

solo foi revolvido para o cultivo de cana planta, o que aumenta a mineralização da matéria

orgânica, assim ocorreu maior emissão de CO2 e de N2O do tratamento sem aplicação de N

que os demais estudos.

O efeito distinto na emissão de N2O em relação à fonte de N e o efeito do N excedente

também pode ser vistos na emissão acumulada de N2O; as duas fontes de N nas doses que

resultaram em maior emissão de N2O atingiram 90% de sua perda total em 127 dias após a

aplicação do N, quanto nos outros estudos conduzidos essa perda era atingida em menor

tempo com a aplicação de ureia, 40 e 72 dias. Além disso, a maior dose N aplicada como

ureia resultou no maior fator de emissão encontrado dos quatros ciclos avaliados, 2,3% do N

aplicado. Esses dados indicam N excedente por um período, porém a emissão de N2O foi bem

maior com a ureia do que com o CAN, sugerindo que o efeito na emissão de N2O pela

aplicação de ureia pode estar também relacionado à reação do fertilizante no solo. Deste

modo, o presente estudo mostra que o efeito de dose de N na emissão de N2O é dependente da

fonte de N utilizada e possivelmente interação com fatores ambientais, como o tipo de solo

em relação ao teor de carbono e retenção de água. O aumento de dose de N com fonte de NO3-

em solo que retém mais água pode resultar em efeito diferente do encontrado no presente

estudo e merece atenção.

5.3 Influência das variáveis edafoclimáticas na emissão de N2O

No presente estudo foram avaliados quatro ciclos de cana-de-açúcar, que tiveram em

comum o uso de ureia como fonte de N; sem adição de fonte de C como vinhaça, torta de

filtro ou palha; solos da mesma ordem dos Latossolos e clima semelhante. Algumas variáveis

foram relacionadas com a emissão de N2O, entre elas o teor de N no solo na forma de NH4+ e

NO3-, o pH, a umidade do solo, o efeito da chuva no dia anterior e acumulada da semana,

temperatura do ar e do solo, emissão de CO2 e CH4, e em um ciclo a abundância de genes

relacionados ao ciclo do N: amoA, nirK, nirS, nosZ, bactéria total e arqueia total.

Page 86: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

71

A influência dessas variáveis na emissão de N2O foi analisada por regressão linear

simples e múltipla, visto que mais de uma variável poderia explicar a emissão de N2O. A

análise de uma variável sozinha raramente explicou mais de 20% da emissão desse gás,

enquanto que os modelos selecionados por processo passo-a-passo na regressão múltipla

chegaram a explicar 50% ou mais da emissão de N2O.

Em cada ciclo de cana-de-açúcar foi gerado um modelo diferente para explicar a

emissão de N2O, porém com certa semelhança entre eles. Por exemplo, a influência da água

na emissão foi significativa em alguns anos pelo teor de umidade no espaço poroso no solo

(Ciclos 2011/12 e 2012/13), e em outros ciclos pela chuva acumulada na semana, ano de

2013/14 nas duas localidades. O ciclo de 2013/14 a quantidade de chuva foi menor que o

histórico para a região, assim o efeito da chuva após um período com solo seco teve maior

importância para emissão de N2O que os ciclos anteriores. Os teores de N no solo tanto NH4+

quanto NO3- têm sidos incluídos no modelo, por outro lado o pH foi significativo em apenas

um ciclo. O CO2, que em parte indica a mineralização do carbono no solo e a outra menor

parte a respiração das raízes, também foi incluído, tendo destaque no experimento de

Piracicaba, no qual era cultivo de cana planta e a mineralização da matéria orgânica teve

grande importância na emissão de N2O. Assim, em cada situação houve uma prevalência

maior de uma ou mais variáveis independentes na emissão de N2O, contudo os quatro ciclos

avaliados mostram grande importância do processo de nitrificação na emissão de N2O, visto a

melhor correlação da emissão com o amônio em relação ao nitrato no solo; com a abundância

do gene amoA no ciclo 2013/14 e não com outro gene da desnitrificação; além disso as

menores emissões de N2O quando se aplica N na forma de nitrato.

Na literatura são encontrados dados semelhantes com regressão linear múltipla para

explicar a emissão de N2O, inclusive incluindo outras variáveis não medidas no presente

estudo como teor de nitrito no solo, oxigênio dissolvido, carbono orgânico dissolvido,

densidade do solo, relação fungo/bactéria, evaporação da água, produtividade da cultura entre

outras (AHN et al., 2010; CHIRINDA et al, 2010; JAHANGIR et al., 2011; LI et al., 2012;

VENTEREA et al., 2015; VITALE et al., 2013). Em estudo mais recente, VENTEREA et al.

(2015) mostraram que o teor de NH4+ na solução do solo e o pH explicaram 89% da emissão

de N2O devido à aplicação de urina em experimento com condições controladas, e apenas o

teor de NO2- no solo explicou 83% da emissão. Contudo o estudo foi feito em condições

controladas, e os outros trabalhos feitos em condições de campo mostram menor R2, de 30 a

70%, devido à grande variabilidade na emissão de N2O e os diversos fatores que são

envolvidos na emissão (BUTTERBACH-BAHL et al., 2013). YATES et al. (2007) avaliando

Page 87: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

72

essa variabilidade espacial e temporal, concluíram que em algumas situações não foi possível

prever a emissão de N2O sendo necessário medições diretas. BUTTERBACH-BAHL et al.

(2013) destacaram a complexidade de processos envolvidos no solo na emissão de N2O e

concluíram que a cooperação entre a modelagem e as medições de N2O devem continuar para

melhor entender os fatores que influenciam a emissão e consumo de óxido nitroso no solo.

6 CONCLUSÕES

A emissão de N2O é diferente em relação à fonte e dose de N aplicada no cultivo de

cana-de-açúcar. Com a aplicação de ureia no solo essa emissão é maior do que fontes

contendo N na forma de nitrato, principalmente nas maiores doses de N.

A adição dos inibidores de nitrificação DCD e DMPP à ureia reduz em 95% a emissão

de N2O, enquanto que o fertilizante de liberação controlada não reduz.

A emissão de N2O está relacionada com o processo de nitrificação no solo. As

bactérias oxidadoras de amônia são o principal grupo funcional da microbiota do solo

relacionado com a emissão de N2O.

Recomenda-se a adição de inibidores de nitrificação em ureia e o uso de fontes

contendo N exclusivamente na forma de NO3- como opções de mitigação de N2O.

Page 88: EMISSÃO DE N2O E OPÇÕES DE MITIGAÇÃO PELA … · viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Propriedades da camada de 0-20 cm do Latossolo Vermelho na área experimental de Campinas. Tabela

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90

8 ANEXO

No estudo 2 foram colocadas câmaras nas linhas da cana-de-açúcar em todos os

tratamentos e, nas entrelinhas nos tratamentos sem N, UR 90 kg ha-1

e CAN 90 kg ha-1

. A

emissão acumulada de N2O foi maior na entrelinha do tratamento com UR 90 kg ha-1

em

comparação à entrelinha do CAN 90 kg ha-1

; apesar da diferença não ter sido significante em

relação à emissão da entrelinha no tratamento sem N, a diferença foi relevante (Tabela A1).

Tabela A1 – Emissão acumulada de N2O na linha e entrelinha no cultivo de cana planta pela

aplicação de ureia ou CAN (NH4NO3 + Ca), incorporado no solo, nas doses de N de 0, 30, 60

e 90 kg ha-1

. Período de 552 dias.

Tratamentos Emissão de N-N2O

_________________________________

g ha-1________________________________

Sem N 286 c

UR 30 386 c

UR 60 726 bc

UR 90 1382 ab

CAN 30 330 c

CAN 60 673 bc

CAN 90 473 c

Sem N entrelinha 1132 abc

UR 90 entrelinha 1942 a

CAN 90 entrelinha 922 bc Médias seguidas da mesma letra não diferem entre si pelo teste Tukey, 5% (Coeficiente de variação: 43%;

diferença mínima significativa: 860). Câmara utilizada para medições de gases na faixa de adubação (linha)

representa 16% da área e a câmara da entrelinha foi considerada como 84%.