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Moacir de Souza Dias Junior, Ph.D
Departamento de Ciência do SoloUniversidade Federal de Lavras
Compactação do solo; modelagem e aplicações
O problema da degradação dos solos não ocorre só no Brasil.
Estima-se que o total de solos degradados no mundo é de 2 bilhões de hectares (área do tamanho dos Estados Unidos e Canadá juntos).
O avanço da catástrofe é de 20 milhões de hectares por ano.(http:/www.agrisus.org.br/artigos.asp).
A sustentabilidade e uso da terra Preservação da estruturado solo.
Principal processo de degradação física do solo compactação.
Recuperação natural da estrutura do solo10-20 anos compactação superficial (Dickerson, 1976; Jakolbsen, 1991).50-100 anos compactação profunda (Greacen & Sands, 1991).
Moreira, 2009
Ciclos de secagem e umedecimento
Recuperação natural da estrutura do solo
Incorporação de matéria orgânica
Atividades biológicas- Macrofauna: > 2 mm- Mesofauna: 0.2 – 2 mm- Microfauna: < 0.2 mm
Canais
Organismo Bio - estruturas
Resíduos
Minhoca
Coprólitos
( Alves, M. V., 2009)
Agregação
Recuperação natural da estrutura do solo
Cupim
CanaisCupim
Organismo Bio - estruturas
( Alves, M. V., 2009)
Recuperação natural da estrutura do solo
Formiga
Ninhos Canais
Organismo Bio - estruturas
( Alves, M. V., 2009)
PorosidadeAeraçãoDifusão
InfiltraçãoPenetração de raízes
Recuperação natural da estrutura do solo
Ar
Água
Sólidos
Compactação do solo redução de volume expulsão de ar dos poros do solo.
Água
Sólidos
Adensamento redução de volume expulsão de água dos
poros do solo.
Manejo inadequado
Ar
Água
Sólidos
Solo nãocompactado
A compactação do solo pode ser causada pelo uso de diferentes tipos de máquinas e veículos
Que podem aplicar pressões maiores do que a capacidade de suporte de carga do solo causando compactação
Eucalipto
Cana de açúcar
Café
Magnitude das pressões estáticas aplicadas na superfície do solo
Trator de pneus: 64 - 380 kPa
Trator de esteiras: 50 - 60 kPa
Skidder de esteiras: 30 - 40 kPa
Skidder de pneus: 55 – 85 kPa
Forwarder: 85 - > 125 kPa (Allmaras et al., 1988; Seixas, 1999).
Implementos de preparo: 100 kPa (Hillel, 1982)
Subsolador: 550 kPa (Hillel, 1982)
PisoteioHumano: 190 kPa (Lull, 1959)Gado: 330 kPa (Lull, 1959)
Máquina/EquipamentoPressão de contato/pneu-esteira
Frontal Traseiro
Kgf/cm2 kPa Kgf/cm2 kPa
Trator Massey Fergusson 275 4x2 TDA 2.582 253 2.761 271
Trator Massey Fergusson 292 4x2 TDA 1.977 194 2.787 273
Trator Massey Fergusson 299 4x2 TDA 2.723 267 2.787 273
Trator John Deere 6405 4x2 TDA 2.582 253 2.336 229
Trator John Deere 7500 4x2 TDA 1.977 194 2.206 216
Trator New Holland TM 150 4x2 TDA 3.155 309 3.699 363
Pulverizador autopropelido Max Sistem Plat. 290 4x2 TDA 3.247 318 3.391 332
Pulverizador autopropelido Max Sistem Plat. 6600 4x2 TDA 3.236 317 2.766 271
Pulverizador autopropelido UNIPORT Jacto 4x2 4.127 405 4.606 452
Colhedora de cereais Massey Fergusson 5650 4x2 3.386 332 3.218 316
Colhedora de cereais John Deere 1175 4x2 3.695 362 2.879 282
Colhedora de algodão John Deere 9935 4x2 3.484 342 3.041 298
Fonte: Cardoso, 2007
Magnitude das pressões estáticas aplicadas na superfície do solo
Declividade: 0-10°Carga: 30 árvores
Eixo dianteiro σm=275kPa5 vezes
Eixo traseiro σm=460 kPa8 vezes
Declividade: 0-10°Carga: 95 árvores
Eixo dianteiro σm = 399 kPa7 vezes
Eixo traseiro σm = 1,109 kPa19 vezes
Declividade: 10-20°Carga: 30 árvores
Eixo dianteiro σm=469kPa8 vezes
Eixo traseiro σm = 742 kPa12 vezes
Declividade: 10-20°Carga: 95 árvores
Eixo dianteiro σm = 444kPa7 vezes
Eixo traseiro σm = 752 kPa13 vezes
ClambunkPressão estática = 60 kPa
(manual do fabricante)
(Araujo Junior& Dias Junior, 2010)
Estimativa das pressões dinâmicas aplicadas na superfície do solo pelas máquinas florestais
A compactação do solo pode ocorrer na área toda.
Compactação em lugares específicos
Devido a isso
A compactação do solo tem sido identificada como o principal processo causador da degradação do solo
(Canillas & Salokhe, 2002, Horn et al., 2003).
Redução da produtividade
Portanto, é importante destacar as propriedades físicas utilizadas na IDENTIFICAÇÃO
da degradação da estrutura dos solos
Aumenta a densidade do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al., 2001)
Projeto Ds antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área do tráfego 30 66 Proc.
Buriti 1,02 1 0 7 - - - -Dourado 0,92 5 5 8 - - - -S. Leonardo 1,04 8 4 8 - - - -
Estação Seca (aumento %)
Estação Chuvosa (aumento %)Imbaúbas 1,01 22 - 21 11 - - 34Água Suja 1,13 13 - - 21 6 1 26Cajá Ba. 1,29 15 - - 22 18 7 26
Mg m-3
F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Aumenta a densidade do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al., 2001)
Projeto Ds antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área do tráfego 30 66 Proc.
Buriti 1,02 1 0 7 - - - -Dourado 0,92 5 5 8 - - - -S. Leonardo 1,04 8 4 8 - - - -
Estação Seca (aumento %)
Estação Chuvosa (aumento %)Imbaúbas 1,01 22 - 21 11 - - 34Água Suja 1,13 13 - - 21 6 1 26Cajá Ba. 1,29 15 - - 22 18 7 26
Mg m-3
F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.
Média 5%
Média 18%
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Reduz a porosidade total, tamanho e continuidade dos poros(Servadio et al., 2001)
Projeto PT antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área tráfego 30 66 Proc.
Buriti 61 0 0 3 - - - -Dourado 64 3 3 5 - - - -S. Leonardo 58 7 3 7 - - - -
Estação Seca (redução %)
Estação Chuvosa (redução %)Imbaúbas 58 16 - 16 9 - - 24Água Suja 56 11 - - 18 5 0 20Cajá 51 16 - - 28 18 8 25
F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.
(%)
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Reduz a porosidade total, tamanho e continuidade dos poros(Servadio et al., 2001)
Projeto PT antes F+S F+S H+F M+F F+C M+M Área tráfego 30 66 Proc.
Buriti 61 0 0 3 - - - -Dourado 64 3 3 5 - - - -S. Leonardo 58 7 3 7 - - - -
Estação Seca (redução %)
Estação Chuvosa (redução %)Imbaúbas 58 16 - 16 9 - - 24Água Suja 56 11 - - 18 5 0 20Cajá 51 16 - - 28 18 8 25
F+S 30 = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; F + S 66 = Feller Büncher e Skidder pneus largos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder; F+C = Feller Büncher e Clambunk; M+M = Serra Motorizada e Manual ; Área Proc. = Área de Processamento.
(%)
Média 4%
Média 16%
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Reduz a porosidade total e a macroporosidade
(Gontijo, 2007)
V (m
3m
-3)
0,300,37
0,67
0,21
0,39
0,60
30% 5% 11 %
Valmet 785
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Aumenta a resistência do solo (Arvidson, 2001; Ishaq et al.,2001)
0
2
4
6
8
10
12
R P
(MPa
)
Buriti S.Leonardo Grota
Sem TráfegoTráfego
Fonte: F.P. Leite
2 MPaLimite para
Penetração dasraízes
Propriedades utilizadas na identificação da compactação dos solos
Reduz a aeração do solo (Gysi, 2001)
Efeitos negativos da compactação dos solos
Aumenta a energia necessária para o preparo (Stone, 1987)
Foto: S. Fonseca
Efeitos negativos da compactação dos solos
Altera a estrutura do solo e o lugar onde as raízes desenvolvem.
Sem tráfego Com tráfego Com tráfego
Foto: F.P. Leite
Efeitos negativos da compactação dos solos
Reduz a infiltração de água (Defossez & Richard, 2002)
Projeto TI antes F+S H+F M+F tráfego (mm/hr) % de redução
Buriti 148 80 86 77Dourado 105 86 84 -S. Leonardo 103 80 86 76Imbaúbas 155 100 100 100Aeroporto 180 90 91 90
F+S = Feller Büncher e Skidder pneus estreitos; H+F = Harvester e Forwarder; M+F = Manual e Forwarder. Fonte: F.P. Leite
Efeitos negativos da compactação dos solos
Reduz a drenagem interna e a redistribuição da água (Hillel, 1982)
Latossolo
Umidade, kg kg-1
24 28 32 36 40 44 48
Suc
ção,
kP
a
1
10
100
1000
10000
Não compactadoCompactado
AD
Efeitos negativos da compactação dos solos
Reduz a água disponível (Ishaq et al., 2001)
Aumenta o escorrimento superficial e o risco de erosão(Defossez & Richard, 2002; Dias Junior, 2000).
Foto: F.P. Leite
Efeitos negativos da compactação dos solos
Foto: J.M. Lima
Restringe a penetração de raízes devido a: Pressão de crescimento das raízes ser insuficiente para vencer a resistência mecânica do solo (Veen, 1982)
Dose = 0 mg dm -3
GC = 95%
Dose = 0 mg dm -3
GC = 95%
Dose = 0 mg dm -3
GC = 95%
-3GC = 65% GC = 72% -GC = 65%Foto: S. Fonseca Foto: N. Curi
Efeitos negativos da compactação dos solos
GC = 95%
LV
GC = 95%
AQ
GC = 95%
LVA
-3
GC = 65% GC = 72%-
GC = 65%
Foto: G.A. Santos
Efeitos negativos da compactação dos solos
GC = DsmáxDsi
GC 95%85%75%65%(Santos, 2001)
Efeitos negativos da compactação dos solos
O crescimento restrito das raízes pode levar a uma redução na produtividade pela limitação da água e absorção de nutrientes (Santos, 2001)
. DIAGNÓSTICO DA COMPACTAÇÃO DO SOLO
No solo
- Aparecimento de trincas nos sulcos de rodagem do trator
- Zonas endurecidas abaixo da superfície do solo
- Empoçamento de água
- Erosão pluvial excessiva
- Presença de resíduos vegetais parcialmente decompostos muitos mesesapós sua incorporação
- Necessidade de maior potência das máquinas de cultivo.
- Presença de crostas
. DIAGNÓSTICO DA COMPACTAÇÃO DO SOLO
Na planta
- Baixa emergência das plantas
- Variação no tamanho das plantas
- Folhas amarelecidas
- Sistema radicular pouco profundo
- Raízes mal formadas
MEDIDAS PREVENTIVAS PARA EVITAR A COMPACTAÇÃO DO SOLO
Manejo da água do solo
Manejo do maquinário agrícola
Práticas agronômicas
- Drenagem
- Irrigação
- Nível de carga por eixo
- Pressão de contato das rodas
- Frequência das operações
- Incorporação (manutenção) da matéria orgânica
- Calagem
- Sistema de plantio
Medidas curativas
Medidas aliviatórias
- Preparo do solo
- Subsolagem
- Rotação de culturas
- Manejo da umidade do solo
- Manejo da fertilidade do solo
- Espécies mais resistentes aos efeitos da compactação (resistência aostress de água e sistema radicular com maior poder de penetração)
Portanto, PREVENIR a compactação do solo é importante.
O preparo de solos compactados resulta em aumento de energia e dos custos.
A prevenção da compactação do solo
Modelagem daCapacidade de Suporte de Carga do Solo
Ensaio de Compressão Uniaxial
Fotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires
Amostra indeformadas coletadas em anéis de 6,4 cm de diâmetroe 2,54 cm de altura usando o amostrador de Uhland.
Foto: C.F.A. Junior & B.S.Pires
Amostragem – Ensaio de compressão uniaxial
Fotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires
Amostragem – Ensaio de compressão uniaxial
Modelos de Capacidade de Suporte de Carga As amostras indeformadas devem ser inicialmente saturadas em uma bandeja
com água até 2/3 da altura da amostra por 24 h e
Fotos: P. S. M. PaisFotos: C.F.A. Junior & B.S.Pires
Ensaio de Compressão Uniaxial
secas ao ar no laboratório até uma determinada umidade volumétrica ou equilibradas a uma determinada sucção
e então usadas no ensaio de compressão uniaxial.
Avaliação dos impactos das operações mecanizadas
Os ensaios de compressão uniaxial realizados comamostras indeformadas coletadas com umidades nas quais as operações mecanizadas foram realizadas.
Consolidômetro (Boart Longyear). Amostras indeformadas.Pressões aplicadas:
25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1.600 kPa. Amostras parcialmente saturadas. Aplicação de cada pressão: até que 90% da
deformação máxima seja alcançada (Taylor, 1948).
Ensaio de Compressão Uniaxial
Log Pressão Aplicada
Den
sida
de d
o So
loDeformações
Elásticas
DeformaçõesPlásticas
σpCurva de
CompressãoSecundária
Curva de Compressão
Virgem
Curva de compressão do solo
Pressão, kPa100 1000
Den
sida
de d
o So
lo, M
g m
-3 1.0
1.2
1.4
0.340.270.180.05
σp
U, kg kg-1
Curva de compressãoSecundária Curva de
compressãovirgem
Curvas de compressão do solo para diferentes umidades
50020010060
θ (m3 m-3)0,0 0,1 0,2 0,3
σ p (kP
a)
0
200
400
600
800
σp = 10 (2,87 - 3,96 θ) R2 = 0.94**
σp = 120 kPa
σp = 300 kPa
ɵ = 0,14 m3 m-3
Modelo de Capacidade de Suporte de Carga
Usado para determinar acapacidade de suporte
de carga do solo em função da umidade
volumétrica.
θ (m3 m-3)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
σ p (kP
a)
0
100
200
300
400
500
600
Umidade de trabalho
BA e ES: 5-15%
LV: 10-12,5 cm - MGLVA: 10-12,5 cm: MG
PA: 5-10,0 cm: BA
FX, PA, LA: 0 - 3 cm - ES
Identificar a classe de solo mais resistente e mais suscetível àcompactação
130
230
290
Classes de solomais suscetíveis à compactação:FX, PA, LA – ESPA - BA
Classe de solomais resistente à compactação:LV – MG
U (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
σ p (kP
a)
0
200
400
600
σp = 10 ( 3.04 - 5.54 U ) R2 = 0.91**
σp = 10 (2.99 - 3.44 U) R2 = 0.80**
PAHoriz. AHoriz. B
Identificar o horizonte de maior resistência mecânica
θ (m3 m-3)
200
300
420
Horizonte BMais restritivo ao
desenvolvimento dosistema radicular
40
Pressão de Pré-consolidação Estimativa da resistência do solo na qual a elongação das raízes cessa (Römkens & Miller, 1971)
Avaliar a eficiência do preparo do solo
Prof
undi
dade
(cm
)
020406080
Pressão de Pré-consolidação (kPa)0 200 400 600
020406080
Com subsolagemSem subsolagem
PAÁrea 051
Área 56
Sem subsolagem
Sem subsolagem
90 cm
80 cm
Área 051
Área 056
Com subsolagem
Com subsolagem
As operações realizadas com os diferentes tipos de máquinas e veículos causam ou não compactação?
Autocarregável Caminhão Pneu Largo
Clambunk ForwarderSkidder
Transbordo e Colhedora
U (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
σ p (kP
a)
0
100
200
300
400
500
600Capacidade de Suporte de CargaIntervalo de Confiança 95%
Região onde já ocorreu a compactação do solo
Região onde existe tendência emocorrer a compactação do solo
Região onde não hácompactação do solo
Critérios usados para identificar os impactos das operações mecanizadas sobre a estrutura do solo
θ (m3 m-3)
Identificar a operação crítica Colhedora, Trator e
Transbordo
Umidade (kg kg-1)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
150
300
450
600
LV: σp = 10(3,26 - 7,36U); R2 = 0,88** Intervalo de confiança 95%
11/05
08/06
Manual
03/06
Época chuvosa
Época seca
(Severiano, 2007)
LVA0-3 cm
Autocarregável
LV0 - 3 cm
Umidade Volumétrica (m3 m-3)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
100
200
300
400
500
600
700 Estação Chuvosa 2008Colheita com HarvesterResíduo casca e galho
Modelo de Capacidade de Suporte de Carga
Intervalo de Confiança 95%
Autocarregável 3 passadas (n = 5)
Identificar a intensidade de tráfego que causa maior compactação do solo
Compactado: 0%
Autocarregável
LV0 - 3 cm
Umidade Volumétrica (m3 m-3)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
100
200
300
400
500
600
700 Estação Chuvosa 2008Colheita com HarvesterResíduo casca e galho
Modelo de Capacidade de Suporte de Carga
Intervalo de Confiança 95%
Autocarregável 7 passadas (n = 5)
Identificar a intensidade de tráfego que causa maior compactação do solo
Compactado: 80%
Umidade (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
200
400
600
Argissolo AmareloHoriz. A
σp = 10 ( 3,04 - 5,54 U ) R2 = 0,91** Intervalo de confiança 95%Feller 1996
Feller
Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo
θ (m3 m-3)
Modelo Capacidade Suporte Carga
Compactado: 11%
Umidade (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
200
400
600
Argissolo AmareloHoriz. A
σp = 10 ( 3,04 - 5,54 U ) R2 = 0,91** Intervalo de confiança 95%Processador 1996
Processador θ (m3 m-3)
Modelo Capacidade Suporte Carga
Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo
Compactado: 44%
Umidade (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
200
400
600
Argissolo AmareloHoriz. A
σp = 10( 3,04 - 5,54 U ) R2 = 0,91** Intervalo de confiança 95%Forwarder 1996
Forwarder
θ (m3 m-3)
Modelo Capacidade Suporte Carga
Identificar a operação mecanizada que causa maior compactação do solo
Compactado: 63%
Medir as pressões de pré-consolidação durante um ciclo do eucalipto
Recuperação natural da estrutura do solo
FORWARDER
A operação crítica da colheita do eucalipto
Compactado
Umidade (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
200
400
600
Argissolo Amarelo Horiz. A
1996 1998 2000 2002 2004
63% 22% 11% 4% 7%
37% 74% 85% 92% 93%
0% 4% 4% 4% 0%
a
b
c
a
b
c
σp = 10(2,88 - 3,95 U) R2 = 0,86** (n = 76) Intervalo de confiança 95%Forwarder 1996Forwarder 1998Forwarder 2000Forwarder 2002Forwarder 2004
Recuperação natural da estrutura do solo
Forwarder
Modelo Capacidade Suporte Carga
θ (m3 m-3)
Compactado
Umidade (kg kg-1)0,0 0,1 0,2 0,3
Pres
são
de P
reco
nsol
idaç
ão (k
Pa)
0
200
400
600
Argissolo Amarelo Horiz. A
Após colheita Antes colheita Após colheita1996 2004 2004
7%
93%
0%
a
b
c
abc
67%
33%
0%
σp = 10(2,88 - 3,95 U) R2 = 0,86** (n = 76) Intervalo de confiança 95%
Forwarder 2004 - Antes da colheitaForwarder 2004 - Após a colheita
63%
37%
0%
Forwarder 1996 - Após a colheita
Forwarder
Modelo Capacidade Suporte Carga
θ (m3 m-3)
Recuperação natural da estrutura do solo
Identificar o efeito do resíduo (Sem resíduos)
2 passadas 8 passadas
Foto: A.R. Silva
LA
Identificar o efeito do resíduo (Galhada)
Galhada (G)
Foto: A.R. Silva
Identificar o efeito do resíduo (Galhada e Casca)
Foto: A.R. Silva
Identificar o efeito do resíduo
Latossolo Amarelo - Guanhães - MG
(Silva, 2006)
Resíduos
Calhada e casca Galhada Solo sem resíduo
Profundidade % de amostras compactadas
10–13 cm
2 passadas de um Forwarder de pneus
0 0 30
8 passadas de um Forwarder de pneus
0 10 50
Mapas de isolinhas
Finalidade de estimar: A capacidade de
suporte de carga(logística de operações)
A suscetibilidade àcompactação
Resistência ao preparo
(Gontijo, 2007)
Considerações Finais
Os modelos de capacidade de suporte de carga predizem amáxima pressão que o solo pode suportar sem sofrercompactação e, portanto, degradação da estrutura do solo emfunção da pressão de pré-consolidação e da umidade.
Espera-se que em estudos futuros de degradação da estruturado solo, os modelos de capacidade de suporte de cargapossam ser utilizados como uma ferramenta preventiva dacompactação do solo.
A pressão de pré-consolidação deve ser a máxima pressão a seraplicada ao solo para que a degradação de sua estrutura sejaevitada.