RESUMO
Appropriate management of agricultural crop residues could result in increases on soil organic carbon (SOC) and help to mitigate gas effect. To distinguish the contributions of SOC and sugarcane (Saccharum spp.) residues to the short-term CO2-C loss, we studied the influence of several tillage systems: heavy offset disk harrow (HO), chisel plow (CP), rotary tiller (RT), and sugarcane mill tiller (SM) in 2008, and CP, RT, SM, moldboard (MP), and subsoiler (SUB) in 2009, with and without sugarcane residues relative to no-till (NT) in the sugarcane producing region of Brazil. Soil CO2-C emissions were measured daily for two weeks after tillage using portable soil respiration systems. Daily CO2-C emissions declined after tillage regardless of tillage system. In 2008, total CO2-C from SOC and/or residue decomposition was greater for RT and lowest for CP. In 2009, emission was greatest for MP and CP with residues, and smallest for NT. SOC and residue contributed 47 % and 41 %, respectively, to total CO2-C emissions. Regarding the estimated emissions from sugarcane residue and SOC decomposition within the measurement period, CO2-C factor was similar to sugarcane residue and soil organic carbon decomposition, depending on the tillage system applied. Our approach may define new emission factors that are associated to tillage operations on bare or sugarcane-residue-covered soils to estimate the total carbon loss.
RESUMO
Appropriate management of agricultural crop residues could result in increases on soil organic carbon (SOC) and help to mitigate gas effect. To distinguish the contributions of SOC and sugarcane (Saccharum spp.) residues to the short-term CO2-C loss, we studied the influence of several tillage systems: heavy offset disk harrow (HO), chisel plow (CP), rotary tiller (RT), and sugarcane mill tiller (SM) in 2008, and CP, RT, SM, moldboard (MP), and subsoiler (SUB) in 2009, with and without sugarcane residues relative to no-till (NT) in the sugarcane producing region of Brazil. Soil CO2-C emissions were measured daily for two weeks after tillage using portable soil respiration systems. Daily CO2-C emissions declined after tillage regardless of tillage system. In 2008, total CO2-C from SOC and/or residue decomposition was greater for RT and lowest for CP. In 2009, emission was greatest for MP and CP with residues, and smallest for NT. SOC and residue contributed 47 % and 41 %, respectively, to total CO2-C emissions. Regarding the estimated emissions from sugarcane residue and SOC decomposition within the measurement period, CO2-C factor was similar to sugarcane residue and soil organic carbon decomposition, depending on the tillage system applied. Our approach may define new emission factors that are associated to tillage operations on bare or sugarcane-residue-covered soils to estimate the total carbon loss.
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To further understand the impact of tillage on CO2 emission, the applicability of two conceptual models was tested, which describe the CO2 emission after tillage as a function of the non-tilled emission plus a correction due to the tillage disturbance. Models assume that C in readily decomposable organic matter follows a first-order reaction kinetics equation as: dCsoil (t) / dt = -k Csoil (t), and that soil C-CO2 emission is proportional to the C decay rate in soil, where Csoil(t) is the available labile soil C (g m-2) at any time (t) and k is the decay constant (time-1). Two possible assumptions were tested to determine the tilled (F T) fluxes: the decay constants (k) of labile soil C before and after tillage are different (Model 1) or not (Model 2). Accordingly, C flux relationships between non-tilled (F NT) and tilled (F T) conditions are given by: F T = F NT + a1 e-a2t (model 1) and F T = a3 F NT e-a4t (model 2), where t is time after tillage. Predicted and observed CO2 fluxes presented good agreement based on the coefficient of determination (R² = 0.91). Model comparison revealed a slightly improved statistical fit of model 2, where all C pools are assigned with the same k constant. Rotary speed was related to increases in the amount of labile C available and to changes of the mean resident labile C pool available after tillage. This approach allows describing the temporal variability of tillage-induced emissions by a simple analytical function, including non-tilled emission plus an exponential term modulated by tillage and environmentally dependent parameters.
Para entendimento do impacto do preparo do solo sobre as emissões de CO2 desenvolvemos e aplicamos dois modelos conceituais que são capazes de prever a emissão de CO2 do solo após seu preparo em função da emissão da parcela sem distúrbio, acrescida de uma correção devido ao preparo. Os modelos assumem que o carbono presente na matéria orgânica lábil segue uma cinética de decaimento de primeira ordem, dada pela seguinte equação: dCsoil (t) / dt = -k Csoil (t), e que a emissão de C-CO2 é proporcional a taxa de decaimento do C no solo, onde Csolo(t) é a quantidade de carbono lábil disponível no tempo (t) e k é a constante de decaimento (tempo-1). Duas suposições foram testadas para determinação das emissões após o preparo do solo (Fp): a constante de decaimento do carbono lábil do solo (k) antes e após o preparo é igual (Modelo 1) ou desigual (Modelo 2). Conseqüentemente, a relação entre os fluxos de C das parcelas sem distúrbio (F SD) e onde o preparo do solo foi conduzido (F P) são dadas por: F P = F SD + a1 e-a2t (modelo 1) e F P = a3 F SD e-a4t (modelo 2), onde t é o tempo após o preparo. Fluxos de CO2 previstos e observados relevam um bom ajuste dos resultados com coeficiente de determinação (R²) tão alto quanto 0,91. O modelo 2 produz um ajuste ligeiramente superior quando comparado com o outro modelo. A velocidade das pás da enxada rotativa foi relacionada a um aumento na quantidade de carbono lábil e nas modificações do tempo de residência médio do carbono lábil do solo após preparo. A vantagem desta metodologia é que a variabilidade temporal das emissões induzidas pelo preparo do solo pode ser descrita a partir de uma função analítica simples, que inclui a emissão da parcela sem distúrbio e um termo exponencial modulado por parâmetros dependentes do preparo e de condições ambientais onde o experimento foi conduzido.
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To further understand the impact of tillage on CO2 emission, the applicability of two conceptual models was tested, which describe the CO2 emission after tillage as a function of the non-tilled emission plus a correction due to the tillage disturbance. Models assume that C in readily decomposable organic matter follows a first-order reaction kinetics equation as: dCsoil (t) / dt = -k Csoil (t), and that soil C-CO2 emission is proportional to the C decay rate in soil, where Csoil(t) is the available labile soil C (g m-2) at any time (t) and k is the decay constant (time-1). Two possible assumptions were tested to determine the tilled (F T) fluxes: the decay constants (k) of labile soil C before and after tillage are different (Model 1) or not (Model 2). Accordingly, C flux relationships between non-tilled (F NT) and tilled (F T) conditions are given by: F T = F NT + a1 e-a2t (model 1) and F T = a3 F NT e-a4t (model 2), where t is time after tillage. Predicted and observed CO2 fluxes presented good agreement based on the coefficient of determination (R² = 0.91). Model comparison revealed a slightly improved statistical fit of model 2, where all C pools are assigned with the same k constant. Rotary speed was related to increases in the amount of labile C available and to changes of the mean resident labile C pool available after tillage. This approach allows describing the temporal variability of tillage-induced emissions by a simple analytical function, including non-tilled emission plus an exponential term modulated by tillage and environmentally dependent parameters.
Para entendimento do impacto do preparo do solo sobre as emissões de CO2 desenvolvemos e aplicamos dois modelos conceituais que são capazes de prever a emissão de CO2 do solo após seu preparo em função da emissão da parcela sem distúrbio, acrescida de uma correção devido ao preparo. Os modelos assumem que o carbono presente na matéria orgânica lábil segue uma cinética de decaimento de primeira ordem, dada pela seguinte equação: dCsoil (t) / dt = -k Csoil (t), e que a emissão de C-CO2 é proporcional a taxa de decaimento do C no solo, onde Csolo(t) é a quantidade de carbono lábil disponível no tempo (t) e k é a constante de decaimento (tempo-1). Duas suposições foram testadas para determinação das emissões após o preparo do solo (Fp): a constante de decaimento do carbono lábil do solo (k) antes e após o preparo é igual (Modelo 1) ou desigual (Modelo 2). Conseqüentemente, a relação entre os fluxos de C das parcelas sem distúrbio (F SD) e onde o preparo do solo foi conduzido (F P) são dadas por: F P = F SD + a1 e-a2t (modelo 1) e F P = a3 F SD e-a4t (modelo 2), onde t é o tempo após o preparo. Fluxos de CO2 previstos e observados relevam um bom ajuste dos resultados com coeficiente de determinação (R²) tão alto quanto 0,91. O modelo 2 produz um ajuste ligeiramente superior quando comparado com o outro modelo. A velocidade das pás da enxada rotativa foi relacionada a um aumento na quantidade de carbono lábil e nas modificações do tempo de residência médio do carbono lábil do solo após preparo. A vantagem desta metodologia é que a variabilidade temporal das emissões induzidas pelo preparo do solo pode ser descrita a partir de uma função analítica simples, que inclui a emissão da parcela sem distúrbio e um termo exponencial modulado por parâmetros dependentes do preparo e de condições ambientais onde o experimento foi conduzido.