Resíduos da colheita do eucalipto: ciclagem de nutrientes e uso da espectroscopia do infravermelho próximo para predição da composição química

Abstract

A grande demanda por produtos oriundos das florestas de eucalipto faz com que se busquem formas adequadas de manejá-las, a fim de se obter elevadas produções em ciclos cada vez mais curtos. A grande exportação de nutrientes na colheita dos povoamentos gera preocupações sobre a sustentabilidade do ambiente e da produção dos ciclos subsequentes. A manutenção dos resíduos na área surge como alternativa para minimizar essa exportação, liberar gradualmente os nutrientes à próxima rotação e favorecer os estoques de matéria orgânica do solo (MOS), de papel fundamental nos solos de regiões tropicais. Esses processos são governados por fatores de clima, solo e qualidade do material vegetal. A avaliação da composição do material vegetal é feita por análises químicas trabalhosas e com grande consumo de tempo e reagentes. O uso de métodos espectroscópicos pode tornar esse processo mais simples, com resultados de boa confiabilidade. Os objetivos desse estudo foram avaliar a liberação de nutrientes pela decomposição dos resíduos da colheita do eucalipto e testar a viabilidade da espectroscopia do infravermelho próximo (NIRS) para predizer a composição química dos mesmos. As amostras utilizadas foram obtidas de dois experimentos distintos. Experimento 1: oito tratamentos definidos por um fatorial 2x2x2, sendo presença ou não da casca, com ou sem aplicação de N, mantidos em superfície ou incorporados, coletados em cinco tempos, até três anos em dez locais diferentes do Brasil, distribuídos por quatro estados. Foram determinados os teores de Ca, Mg, N, P, K e S. Não foi observada influência significativa da aplicação de N na liberação de nutrientes. A presença da casca aumentou os estoques de nutrientes na área e acelerou a liberação. A incorporação também aumentou a velocidade de liberação dos nutrientes. Os nutrientes tiveram comportamentos semelhantes nos locais avaliados, contudo, as taxas foram diferentes. Em geral, K foi o nutriente mais rapidamente liberado, enquanto o Ca teve liberação mais lenta. Mg, S, N, e P tiveram liberação mais gradual, tendendo a acompanhar a taxa de decomposição dos resíduos. Para todos os nutrientes, com exceção do K, foram observadas algumas fases de imobilização. Experimento 2: litter bags alocados em cinco povoamentos de eucalipto localizados em regiões distintas do Extremo Sul da BA, sendo quatro tratamentos, resultantes da combinação de resíduos de árvores submetidas ou não a altas doses de N, e presença ou ausência de casca, coletados em cinco tempos, até um ano após a instalação do experimento. Foram determinados os teores de C, N, lignina insolúvel Klason, lignina solúvel, extrativos e holocelulose. Foram selecionadas, com base na distribuição de frequência, 308 amostras que foram utilizadas na análise NIRS. Foram testadas 21 formas de pré-processamento espectral, variando entre a correção do espalhamento e aplicação de derivadas, até o segundo nível. Em cada uma das combinações, aplicou-se a técnica de análise de componentes principais (PCA) para identificar outliers e definir os grupos de calibração e validação. Com uso da mPLS (regressão modificada dos mínimos quadrados parciais) relacionou-se os espectros obtidos com os valores determinados pelos métodos químicos. Os modelos foram avaliados pelos resultados da validação cruzada e validação externa. Os modelos obtidos foram considerados eficientes na predição de todas as características, em todos os tempos, sendo para N e extrativos os mais acurados. Quando se utilizou formas diferenciadas de pré-processamento espectral para cada componente, ajustaram-se modelos com maior capacidade preditiva. O uso de apenas uma forma de pré-processamento (StdMSC 2a d.) possibilitou predizer o comportamento de todos os constituintes avaliados com boa precisão, apesar de não ter sido identificado como a melhor forma de pré-processamento para cada constituinte individualmente. Assim, verificou-se que é viável a utilização do NIRS para predição das transformações sofridas por diferentes componentes dos resíduos da colheita do eucalipto em decomposição.

The demand for eucalypt forests products are high, which leads research to find appropriate management practices to reach higher productions in shorter cycles. The potential nutrient export from harvested plantations raises concern about environmental wood production sustainability. The maintenance of the harvest residues on the field is an alternative to reduce this exportation, returning nutrient to soil in an available form and increasing soil organic matter stocks, which plays a major role in tropical soils quality. These processes are complex and are controlled by a mix of variables related to climate, soil and plant quality. The determination of plants chemical composition is usually done by laborious methods with are both time and reagents consuming. The use of spectroscopy methods can lead to simpler analyses, with results comparable to standard techniques. The aims of this study were to evaluate the nutrient release from the decomposing eucalypt harvest residue and test the viability of the near-infrared spectroscopy (NIRS) to predict its chemical composition. The samples used came from two distinct experiments. Experiment 1: eight treatments defined by a factorial 2x2x2 that included de-barking on field or not, supply of external mineral N or not, and placement of harvest residue (surface or incorporation). They were carried out in 10 Brazilian sites and sampled five times (0, 3, 6, 12 and 36 months) after experiment installation. We determined the contents of Ca, Mg, N, P, K and S. The results showed that there was no influence of external N supply. De-barking on field raised the nutrient stock that remains in the area and accelerates nutrient release from the residue. Incorporation of harvest residues also speeds up nutrient release. The nutrients seemed to behave similarly at the 10 sites evaluated, although the immobilization and mineralization rates were different. In general, K was released faster and Ca was the slowest. Mg, S, N, and P were released in a fairly constant rate, closely linked to biomass loss. For all nutrients evaluated, but K, some immobilization periods were observed. Experiment 2: samples were obtained from a litter bag experiment placed in five eucalypt stands in Southern Bahia. It consisted of four treatments that were the combination of eucalypt harvest residues (leaves + branches or leaves + branches + bark) which came from plants grown under different N supply levels (fertilized and unfertilized with 320 kg ha-1 N), thus having different internal N. Litter bags were collected five times (0, 1, 3, 6 and 12 months) after experiment installation. The content of C, N, Klason lignin, soluble lignin, holocellulose and extractives were determined. We selected 308 samples based on their frequency to test NIRS viability. We tried 21 pre-processing techniques that were combinations of scatter correction and derivatives. In each one we used the principal component analyses (PCA) to identify outliers and define the calibration and validation sets. Using the modified partial least square regression (mPLS) we related the chemical data to the spectra. The models were evaluated using the results of cross validation and external validation. For all characteristics in all stages of decomposition the models were considered efficient whereas for N and extractives the most accurate ones. Using different pre-processing techniques for each characteristic we were able to develop models with better predictive capacity. However, we were able to predict the behavior of all characteristics with good accuracy using just one pre-processing combination (StdMSC 2ndd.), despite the fact that this combination hasn t been identified as the best to each characteristic alone. Therefore, it has been shown that it is feasible to predict the chemical composition of decomposing eucalypt harvest residues by NIRS.