ISSN 1678-0892
Outubro, 2021

Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
Embrapa Solos
Ministério da Agricultura Pecuária e Abastecimento

BOLETIM DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO
277

Determinação dos Fatores de Retardamento e Dispersão de Potássio em Latossolo Amarelo de Textura Muito Argilosa

Clayton Veríssimo Hashimoto
Wenceslau Geraldes Teixeira
Omar Cubas Encinas
Silvio Roberto de Lucena Tavares

Embrapa Solos
Rio de Janeiro, RJ
2021

Embrapa Solos

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1ª edição

E-book (2021)

Todos os direitos reservados.

A reprodução não autorizada desta publicação, no todo ou em parte,
constitui violação dos direitos autorais (Lei nº 9.610).

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Embrapa Solos

Determinação dos fatores de retardamento e dispersão de potássio em Latossolo Amarelo de textura muito argilosa / Clayton Verissimo Hashimoto … [et al.]. – Rio de Janeiro : Embrapa Solos, 2021.

E-book : il. color. – (Boletim de pesquisa e desenvolvimento / Embrapa Solos, ISSN 1678-0892 ; 277).

E-book no formato ePub.

1. Análise do Solo 2. Latossolo Amarelo. 3. Potássio. 4. Lixiviação. 5. Adubação. I. Hashimoto, Clayton Veríssimo. II. Teixeira, Wenceslau Geraldes. III. Encinas, Omar Cubas. IV. Tavares, Silvio Roberto de Lucena. V. Embrapa Solos. VI. Série.

CDD 631.4

Luciana Sampaio de Araujo (CRB 7/5165)

© Embrapa, 2021

Autores

Clayton Veríssimo Hashimoto

Biólogo, mestre em Engenharia Ambiental, analista da Petróleo Brasileiro S.A., Rio de Janeiro, RJ

Wenceslau Geraldes Teixeira

Engenheiro-agrônomo, doutor em Geoecologia, pesquisador da Embrapa Solos, Rio de Janeiro, RJ

Omar Cubas Encinas

Engenheiro-agrônomo, Ph.D., professor da Universidad Nacional de la Amazonia Peruana, Iquitos, Peru

Silvio Roberto de Lucena Tavares

Engenheiro-agrônomo, doutor em Engenharia Civil, pesquisador da Embrapa Solos, Rio de Janeiro, RJ

Resumo

O conhecimento da dinâmica dos nutrientes adicionados no solo via adubação é crucial para o adequado manejo da nutrição das plantas, bem como para avaliar riscos de contaminação do solo e das águas subterrâneas com a aplicação de efluentes. O estudo teve como objetivo avaliar a dinâmica do deslocamento de íons potássicos em amostras de um Latossolo Amarelo muito argiloso, caulinítico, que é a classe de solo dominante na Amazônia Central. Foram determinados os parâmetros de transporte de solutos em amostras de solos de uma camada superficial (0-20 cm) e de uma camada subsuperficial (20-40 cm), por meio de ensaios de retardo (breakthrough curves - BTC). As equações apresentaram um bom ajuste nos pontos da curva de distribuição de efluentes dos ensaios realizados, com RMSE de 2,44 e 6,26 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm respectivamente. Os resultados mostraram valores baixos para fatores de retardo (2,01 e 2,31) e coeficientes de dispersão de 0,45 para ambas as camadas, caracterizando baixa interação dos íons de potássio à matriz do solo. Os valores obtidos para os números de Peclet (10,31 e 10,33) para as camadas superficial e subsuperficial, respectivamente, demonstram predominância de movimento convectivo e uma baixa dispersão dos íons de potássio na matriz do solo. Os resultados evidenciam a baixa capacidade de retenção de potássio no solo, com consequente risco de lixiviação para camadas mais profundas e contaminação de águas subterrâneas. Esses riscos são maiores em aplicações de elevadas doses de fertilizantes potássicos e/ou efluentes ricos em potássio, como os gerados na extração de óleo de dendê, e a vinhaça produzida em usinas de processamento de cana-de-açúcar.

Termos para indexação: breakthrough curves, lixiviação, STANMOD, adubação.

Abstract

Determination of Potassium Delay and Dispersion Factors in Latossolo Amarelo very Clayey Kaolinitic

Dynamic knowledge of the nutrients supplied to the soil via fertilization is crucial for the proper management of plant nutrition, as for assessing risks of soil and groundwater contamination with the application of effluents. The study aimed to evaluate the dynamics of the displacement of potassium ions in a very clayey, kaolinitic Xanthic Ferralsol, the dominant soil class in the Central Brazilian Amazon. The solute transport parameters were determined through breakthrough curves (BTC) experiments. The equations showed a good fit in the points of the effluent distribution curve of the tests performed, with RMSE of 2.44 and 6.26 for the layers of 0-20 cm and 20-40 cm, respectively. The results showed low values for delay factors (2.01 and 2.31) and dispersion coefficients of 0.45 for both layers, characterizing low interaction of potassium ions to the soil matrix. The values obtained for the Peclet numbers (10.31 and 10.33) for the surface and subsurface layers, respectively, indicate a predominance of convective movement and a low dispersion of potassium ions in the soil matrix. The results show the low potassium retention capacity in the soil, with consequent risk of leaching for deeper layers and groundwater contamination. These risks are greater in applications of high doses of potassium fertilizers and or effluents rich in potassium, such as those generated in the extraction of palm oil, and the vinasse produced in sugar cane processing plants.

Index terms: breakthrough curves, leaching, STANMOD, fertilization.

Introdução

O aumento da produção de alimentos constitui um grande desafio atualmente. As possibilidades de ampliação das safras são pela expansão das áreas agrícolas e/ou aumento da produtividade, com a adoção de melhores tecnologias e dos manejos agronômicos utilizados nos cultivos.

Para o aumento da produtividade, na maioria das vezes, é necessária a utilização de fertilizantes, prática que vem se intensificando ao longo das últimas décadas, porém com raros estudos na quantificação das perdas de nutrientes por percolação profunda (lixiviação) nos solos brasileiros, em especial na região amazônica, área de ocorrência de frequentes chuvas de alta intensidade (Oliveira et al., 2002; Werle et al., 2008; Rosolem et al., 2010; Duarte et al., 2013).

A lixiviação, neste trabalho, é conceituada como o movimento descendente dos íons dissolvidos na solução pelo processo de percolação fora do alcance do sistema radicular e, consequentemente, da absorção pelas plantas. Pode se tornar um processo crítico na ciclagem global de nutrientes (Saffigna; Phillips, 2017), quando da aplicação em excesso de fertilizantes, que em algumas regiões podem lixiviar e poluir o lençol freático, alcançar as fontes de água superficiais, contaminando o meio ambiente (Bortolotto et al., 2013).

Em regiões tropicais, com elevada intensidade de precipitação, as perdas por lixiviação de íons nitrogenados e potássicos aplicados ao solo na forma de fertilizantes podem ser altas (Lawton et al., 1978). Sendo assim, os estudos relacionados ao processo de lixiviação são de suma importância, uma vez que esse processo acarreta a perda de nutrientes pelas culturas, significando, portanto, menores rendimentos e maiores custos de produção, e há riscos de poluição dos mananciais de água.

No Brasil, grande parte dos solos apresenta baixos teores de potássio (K) disponíveis para as plantas (Mielniczuk, 1977; Castilhos et al., 2002; Melo et al., 2003; Curi et al., 2005; Nachtigall; van Raij, 2005). Dada a essencialidade desse elemento e de que muitos cultivos apresentam elevada demanda desse nutriente, é necessário um correto manejo da adubação potássica para que o K seja fornecido em quantidades adequadas para o crescimento e desenvolvimento das plantas (Malavolta, 2005; Mielniczuk, 2005; Kaminski et al., 2007), com reduzidos riscos de perdas e poluição dos mananciais.

Este trabalho atende ao Objetivo de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 2 – Fome Zero e Agricultura Sustentável estipulado pelas Nações Unidas (ONU), mais especificamente à meta 2.4, que pretende, até 2030, garantir sistemas sustentáveis de produção de alimentos, por meio de políticas de pesquisa, de assistência técnica e extensão rural, entre outras, visando implementar práticas agrícolas resilientes que aumentem a produção e a produtividade e, ao mesmo tempo, ajudem a proteger, recuperar e conservar os serviços ecossistêmicos, fortalecendo a capacidade de adaptação às mudanças do clima, às condições meteorológicas extremas, secas, inundações e outros desastres, melhorando progressivamente a qualidade da terra, do solo, da água e do ar.

Lixiviação de íons potássicos (K⁺) no solo

O íon K⁺ é móvel no solo, podendo ser perdidas quantidades significativas por lixiviação (Sparks, 1987). O movimento dos íons K⁺ no solo depende das características do ambiente, da vegetação e do solo. Entre as propriedades do solo, estão a capacidade de troca de cátions (CTC), a mineralogia, a estrutura e o espaço poroso, em combinação com o cultivo e com o regime climático do local, determinarão o fluxo de íons de K no solo (Ernani et al., 2007; Donagemma et al., 2008).

Em solos com baixa CTC, os íons K⁺ podem ser facilmente lixiviados, necessitando de manejo adequado da fertilização potássica para redução das perdas por lixiviação (Silva et al., 2017). Entretanto, há poucos estudos de processos envolvendo esse tema, pois sua lixiviação não resulta diretamente em eutrofização (Alfaro et al., 2004), e o K também não é considerado um elemento tóxico. Dentre os estudos realizados sobre a dinâmica e os efeitos da lixiviação do K em classes de solo do Brasil, predominam os realizados por meio de ensaios de colunas de solo em laboratório (Donagemma et al., 2008; Pinho, 2009; Moura et al., 2013; Farias et al., 2014; Santos, 2014).

A utilização de colunas de percolação é uma eficiente maneira de avaliar a eficácia de um material adsorvente (Silva et al., 2015), pois, além de prática, é menos custosa do que os estudos da dinâmica de íons no campo, dada a dificuldade em se determinar e controlar as variáveis e os parâmetros de transporte dos solutos envolvidos nesse tipo de estudo (Costa et al., 2006). Consequentemente, os estudos em condições de campo são escassos, sobretudo no que se refere à caracterização dos principais parâmetros hidrodinâmicos e hidrodispersivos (Albuquerque et al., 2011; Maciel Netto et al., 2013; Silva et al., 2015; Silveira et al., 2015).

As colunas de percolação, popularmente denominadas de experimentos breakthrough curves (BTCs), permitem simular a capacidade de adsorção em condições controladas no laboratório e estimar os parâmetros de transporte de solutos em amostras de solo. Tais parâmetros podem posteriormente ser utilizados em programas numéricos, tais como os códigos que fazem parte do conjunto de programas do Studio of Analytical Models (STANMOD) (van Genuchten, 1981; Toride et al., 1995; Šimůnek et al., 1998, 2008; van Genuchten et al., 2012; Ben Moshe et al., 2021), os quais permitem ajustar os dados da equação de transporte a curvas experimentais de eluição (Inoue et al., 2000). O desenvolvimento e a forma das BTCs para determinado íon caracterizam o deslocamento miscível da solução aplicada; assim, indica a existência ou não de interação entre o soluto e o solo (Farias et al., 2014).

A utilização de modelos de simulação proporciona um entendimento dos processos de movimentação iônica que ocorrem nos solos, relativos ao deslocamento de solutos, constituindo ferramentas úteis a estudos de impactos da lixiviação no meio ambiente. Para a resolução das equações que predizem o deslocamento de solutos no solo, é necessária a determinação dos parâmetros de transporte que influenciam na relação solo-soluto, auxiliando na redução da lixiviação de solutos para as camadas subsuperficiais do solo (Silva et al., 2012).

Latossolos Amarelos no Brasil

Os Latossolos pertencem a uma classe de solos presente em grandes áreas nas regiões tropicais e particularmente no Brasil (Ker, 1997), sendo muito utilizado na agricultura e pastagens. Dentre as suas subordens, estão os Latossolos Amarelos (LA), que se caracterizam por serem solos profundos, de coloração amarelada, com perfis homogêneos, boa drenagem e baixa capacidade de reter cátions e reduzida fertilidade natural (IBGE, 2007). Essas características físico-químicas condicionam a esses solos taxas de lixiviação de nutrientes potencialmente elevadas ao longo dos seus perfis.

Os Latossolos Amarelos de textura muito argilosa são a classe de solo predominante na Amazônia Central (Teixeira et al., 2010) e grande parte da região noroeste e sudoeste do Pará e Maranhão (Santos et al., 2011). Os Latossolos Amarelos da região central da Amazônia se desenvolveram principalmente de sedimentos arcoseanos da Formação Alter do Chão (Vieira; Santos, 1987) e apresentam uma textura muito argilosa na maioria das ocorrências no estado do Amazonas. A sua assembleia mineralógica é constituída na fração areia basicamente por quartzo e alguns feldspatos (Arkcoll et al., 1985), e a fração argila tem o predomínio da caulinita (Camargo; Rodrigues, 1979; Möller, 1986). Os LA muito argilosos apresentam elevada taxa de infiltração básica (TIBxxxx) e condutividade hidráulica saturada (Ks) e insaturada (Teixeira et al., 2016). Dado que esses solos se encontram, predominantemente, em áreas de precipitações de alta intensidade, região amazônica e nos tabuleiros litorâneos (Santos et al., 2011), essas características predispõem esses solos a uma elevada taxa de condução de água e íons.

As principais áreas de ocorrência dos LA como classe dominante no Brasil são ilustradas na Figura 1, totalizando mais de 1 milhão de hectares (Santos et al., 2011). Contudo, os LA também aparecem em áreas menos extensas próximas ao litoral brasileiro, principalmente em solos originados de sedimentos da Formação Barreiras (Araújo et al., 2000; Carvalho Filho et al., 2003).

Figura 1. Localização das principais áreas de ocorrência dos Latossolos Amarelos no Brasil. Fonte: Adaptado de Santos et al. (2011).

Dessa forma, e considerando que a classe de Latossolo Amarelo muito argiloso, caulinítico, tem uso agrícola já consolidado na Amazônia Central, em algumas regiões dos estados do Pará, Maranhão e áreas próximas ao litoral, este trabalho tem como objetivo avaliar os parâmetros de transporte do íon K nesta classe de solo, como subsídio para o entendimento dos ciclos biogeoquímicos e de processos de lixiviação de K em áreas agrícolas e naturais.

Material e métodos

As amostras de solos foram coletadas no Campo Experimental do Rio Urubu (CERU – Embrapa Amazônia Ocidental) em Rio Preto da Eva, AM (2°27’08.44” S, 59°34’13.69” O), num Latossolo Amarelo Distrófico de textura muito argilosa localizado em um dendezal (Elaeis guineensis Jacq.) destinado a pesquisas agronômicas (Figura 2). O clima da região, segundo a classificação de Köppen, é do tipo Ami, quente úmido, tropical chuvoso, com pluviosidade anual média de 2.100 mm (Guillaumet et al., 2003).

Figura 2. Localização da área de coleta de amostras do Latossolo Amarelo, município de Rio Preto da Eva, AM. Campo Experimental do Rio Urubu – Embrapa Amazônia Ocidental.

As amostras do solo foram coletadas na camada superficial de 0 a 20 cm (Horizonte A) e em uma camada subsuperficial entre 20 cm e 40 cm de profundidade (Horizonte Bw). As amostras foram denominadas, respectivamente, camada 0-20 cm e camada 20-40 cm.

A caracterização química e física das amostras de solo foi realizada no Laboratório de Solos da Embrapa Amazônia Ocidental, em Manaus. As análises realizadas foram a distribuição granulométrica, sendo os teores de argila determinados pelo método da pipeta, o teor de silte estimado por diferença, e os teores de frações de areia grossa e fina determinados por tamização. As amostras foram dispersas com NaOH e agitação mecânica rápida, sendo as análises conduzidas segundo os procedimentos descritos em Teixeira et al. (2017).

O pH em água foi determinado na relação solo:solução 1:2,5. H+Al pelo método do acetato de cálcio 0,5 mol L⁻¹ a pH 7,0. Os teores de Ca²⁺, Mg²⁺ e Al³⁺ trocáveis foram extraídos com solução KCl 1 mol L⁻¹, e a determinação foi feita em espectrofotômetro de absorção atômica. Os teores de P e K⁺ com solução de H₂SO₄ 0,0125 mol L⁻¹ + HCl 0,05 mol L⁻¹. Os teores de K⁺ foram determinados por fotometria de chama. A soma de bases (S) foi calculada utilizando a fórmula S = Ca⁺² + Mg⁺² + K⁺. A saturação por alumínio (m %) = 100 Al⁺³/S + Al+3.. A saturação por bases foi obtida por meio do cálculo (V %) = 100 x S/T, e a capacidade de troca catiônica, por (T) = S + Al⁺³ + H. Foram também coletadas amostras indeformadas em cilindros metálicos de 100 cc em triplicata, em cada camada. Os cilindros foram inseridos nessas camadas para determinação da densidade do solo. Detalhes metodológicos das análises são descritos em Teixeira et al. (2018).

Os ensaios para obtenção dos parâmetros de transporte de solutos foram conduzidos no Laboratório de Análises de Contaminantes (LCR) e no Laboratório de Análise e Modelagem da Água no Solo (LAMAS), ambos situados na Embrapa Solos, na cidade do Rio de Janeiro. Os ensaios de curvas de distribuição de efluentes ou breakthrough curves (BTC), que representam as curvas de distribuição do íon em relação ao volume de solução aplicada (Farias et al., 2014), foram realizados em quatro etapas. A primeira foi o preparo das amostras de solo, sendo estas secas ao ar, destorroadas e peneiradas em malha de 2 mm. Posteriormente, foram adicionadas em colunas de acrílico com 15 cm de altura por 5 cm de diâmetro interno (Figura 3).

Figura 3. Etapas de elaboração da curva de distribuição de efluentes em amostras de solos.

O destorroamento das amostras de solo altera a estrutura original deste, entretanto, o procedimento possibilita minimizar possíveis efeitos de fendas e caminhos preferenciais do deslocamento de solutos pela amostra, o que pode modificar significativamente o seu transporte (Alcântara; Camargo, 2010). Os caminhos preferenciais causam heterogeneidade espacial no transporte de solutos através de um meio poroso e, portanto, prejudica significativamente os resultados experimentais (Lewis; Sjöstrom, 2010). Posteriormente, as colunas foram preenchidas em camadas de 2 cm de solo, as quais foram acomodadas com leves batidas externas na parte externa da coluna. Um frasco plástico de fundo chato foi utilizado para compactar levemente o solo, visando manter sua densidade o mais próximo possível àquela encontrada no campo, de 1,01 g cm⁻³. A coluna foi preenchida até a altura de 14 cm, totalizando um volume de solo de 275 cm³. As tampas superior e inferior da coluna foram então hermeticamente fechadas, tendo sido colocado abaixo de cada uma delas um disco de manta geotêxtil de drenagem para reduzir a turbulência da água e evitar o carreamento de partículas de solo para fora da coluna. Para que o fluxo de água se mantivesse estável, foi deixado um espaço de 1 cm entre o solo e a tampa superior da coluna para que se mantivesse uma carga hidráulica constante ao longo de todo o ensaio.

Na segunda etapa, referente à saturação do solo, a coluna foi submetida a um fluxo no sentido ascendente para permitir uma melhor saturação e a total expulsão de ar do solo (Basso; Kiang, 2017). Na terceira etapa, foi realizada a lavagem do solo em fluxo descendente com a bomba operando na vazão de 4 mL min⁻¹. Esta etapa teve como objetivo lixiviar os íons em solução que estivessem no solo e que pudessem interferir na obtenção dos parâmetros de transporte de soluto (Figura 4). A água deionizada utilizada tinha uma condutividade elétrica (CE) média de 37,24 μS cm⁻¹, com valor mínimo de 11,18 e máximo de 62,30 μS cm⁻¹, o pH médio foi de 4,9, com valor mínimo de 4,3 e máximo de 5,5.

Figura 4. Esquema do aparato utilizado para obtenção das curvas de distribuição de efluente de Latossolo Amarelo Distrófico muito argiloso.

A CE do soluto foi monitorada na saída da coluna até que a estabilidade fosse atingida, determinando-se assim a conclusão da etapa de lavagem do solo. A partir de então, deu-se início à quarta etapa dos ensaios, relativa à passagem da solução deslocadora na camada 0-20 cm e 20-40 cm utilizando-se das concentrações de 2.000 ppm e 500 ppm, respectivamente, com pH médio de 3,9, e valores mínimo de 3,7 e máximo de 4,2.

A utilização de solução da concentração de 2.000 ppm para a camada de 0-20 cm foi selecionada com base em estudos publicados, pois verificou-se que essa concentração também foi utilizada em ensaios de curvas de distribuição de efluentes em Nitossolo Vermelho argiloso, por Pinho (2009) e Pinho e Miranda (2014). Silva et al. (2012) utilizaram em seus estudos vinhaça com 2934 ppm de K, também em Nitossolo Vermelho argiloso.

A concentração da solução foi posteriormente reduzida para 500 ppm na camada de 20-40 cm, tendo em vista que, no ensaio com a camada 0-20 cm, foi verificada a rápida saturação pelo íon K. Os ensaios consistiram basicamente em deslocar um volume conhecido de líquido V0 na coluna de solo, por meio de uma solução contendo o traçador de concentração C0, em uma velocidade aparente média v.

O soluto se difunde ao mesmo tempo em que se infiltra em velocidades variáveis através dos poros do solo. Segue-se a progressão do avanço do soluto, medindo-se a concentração C do efluente ao longo do tempo (Milfont et al., 2008). O efluente foi coletado em tubos falcon com alíquotas de 25 mL, definidos em função do volume de poros (Vp), cujos valores estão em função do volume da coluna (Vt) e da porosidade do solo (α) (Equação 1), conforme Farias et al. (2014). Cada frasco correspondia aproximadamente 0,15 do volume total de poros.

VP=V.α

Equação 1

 onde:

V é o volume da coluna, em cm³;

α é o valor decimal adimensional.

A progressão da concentração do efluente coletado foi monitorada por meio de medições da CE utilizando-se o medidor multiparâmetro Orion Star III (Thermo, EUA) e eletrodo de condutividade elétrica (Orion, Dura Probe, Thermo, EUA).

O grau de mistura dos dois fluidos miscíveis pode ser quantificado determinando a relação entre a concentração do soluto no efluente (C), coletado na secção de saída do elemento controle, e a concentração desse mesmo soluto na solução deslocadora (C0) (Silva et al., 2012). O ensaio de coluna foi finalizado quando a concentração relativa C/C0 = 1, ou seja, quando a concentração da solução efluente (C) atingiu a mesma concentração inicial (C0). O fluxo e a concentração da solução de entrada (C0) foram mantidos constantes durante os ensaios de colunas (Basso; Kiang, 2017). Os frascos com efluentes foram armazenados em refrigeração, e a determinação das concentrações de potássio foram analisadas utilizando fotometria de chama (Fotômetro DM-62, Digimed, Brasil), detalhes do método de leitura do K em fotômetro de chama são disponíveis em Teixeira et al. (2017).

Os valores obtidos, na razão de concentração relativa (C/C0), foram relacionados com o volume de poros (VP) para construção das BTCs utilizando-se o software CFITIM, que faz parte da suíte de códigos do STANMOD (van Genuchten, 1981; van Genuchten et al., 2012). O CFITIM foi desenvolvido para análise de dados de efluentes de colunas, sendo baseado em soluções analíticas de modelos de não equilíbrio, os quais, por razões físicas ou químicas, consideram que a adsorção não ocorre a taxas iguais em todas as partes do solo. Para uso do CFITIM, foram selecionadas as opções de “equilíbrio de adsorção linear”, “condições de contorno de primeiro tipo” e “problema inverso”. Também foram inseridos os valores iniciais de 1, 100 e 1.000 para fator de retardamento (R), número de Peclet (P) e pulso, respectivamente, além dos valores obtidos de C/C0 em função do VP.

O número de Peclet (P) é um número adimensional utilizado no estudo da difusão através de um meio poroso, identificando qual mecanismo (convecção-dispersão ou difusão) domina o processo de transferência de solutos (Roth, 2012), tendo sido convencionalmente definido como a proporção da velocidade convectiva para a velocidade difusiva (Bhattacharya; Hwang, 1997).

Com base nos dados coletados nos experimentos, o programa CFITIM ajustou as BTCs e estimou os valores dos parâmetros R e P. A partir dos resultados, foram calculados os valores do coeficiente de difusão-dispersão (D) e da dispersibilidade (λ) utilizando as Equações 2 e 3 (Farias et al., 2014), respectivamente.

D= (v .L)/P

Equação 2

onde:

D é o coeficiente de difusão-dispersão (cm² min⁻¹);

v é a velocidade da água (cm min⁻¹);

L é o comprimento da coluna (cm);

P é o número de Peclet (adimensional).

λ=D/v

Equação 3

Onde:

λ é a dispersividade (cm);

D é o coeficiente de difusão-dispersão (cm² min⁻¹);

v é a velocidade da água (cm min⁻¹).

A dispersividade (λ) de um soluto é geralmente considerada uma propriedade intrínseca do solo, pois é dependente do meio poroso e da velocidade de propagação desse soluto no solo (Bromly et al., 2007).

Análise de desempenho do ajuste dos dados da curva de efluentes (BTC)

Para avaliação dos resultados fornecidos pelo CFITIM, foi computado o quadrado médio do erro RMSE (do inglês root mean square error). O RMSE avalia a diferença entre valores preditos pelo modelo ajustado e os valores observados, sendo utilizado para expressar a acurácia dos resultados numéricos com a vantagem de apresentar valores nas mesmas dimensões da variável analisada (Hallak; Pereira Filho, 2011).

Resultados e discussão

As análises para a caracterização das amostras de solos mostraram um solo muito argiloso, com mais de 700 g k-1 de argila nas duas camadas estudadas. Os valores de densidade do solo (Ds) ficaram próximos de 1,0 Mg m⁻³, que é o valor típico dos Latossolos Amarelos muito argilosos na Amazônia Central (Camargo; Rodrigues, 1979; Teixeira, 2001; Teixeira et al., 2010) e os valores do volume total de poros (VTP) próximos de 60% (Tabela 1).

Tabela 1. Características físicas de camada de 0-20 cm e 20-40 cm de amostras de um Latossolo Amarelo Distrófico de textura muito argilosa, de Rio Preto da Eva, AM.

Características físicas

Camada 0-20 cm

Camada 20-40 cm

Argila ( kg⁻¹)

721

795

Areia ( kg⁻¹)

95

74

Silte ( kg⁻¹)

184

131

gDs⁽¹⁾ (mg m⁻³)

1,01

1,09

VTP⁽²⁾ (%)

61

58

⁽¹⁾ Densidade do solo; ⁽²⁾ VTP - Volume total de poros.

Os valores de pH evidenciaram um solo ácido que também apresenta baixos valores para a soma de base (S) e alto percentual de saturação por alumínio (m). Os teores das bases trocáveis Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ são baixos, caracterizando um solo de caráter distrófico. Os teores de carbono orgânico e os valores da CTC também são baixos. Os valores relativamente elevados para o LA da Amazônia Central para os teores de P e Ca trocáveis evidenciam que a área de coleta de amostras já teve fertilização e apresenta efeito residual. O histórico de uso dessa área é detalhado nos trabalhos de Encinas (2016). Os dados da caracterização química das amostras são apresentados na Tabela 2. As consequências das características físico-químicas serão discutidas em conjunto com a interpretação dos resultados das BTCs.

Tabela 2. Características físicas das camadas de 0-20 cm e 20-40 cm de amostras de um Latossolo Amarelo Distrófico de textura muito argilosa, de Rio Preto da Eva, AM.

Características químicas

Camada (cm)

0-20

20-40

pH (H₂O)

4,4

4,3

C⁽¹⁾ ( kg⁻¹)

22

11

H+Al(2) (cmolc dm⁻³)

6

5

SB(3) (cmolc dm⁻³)

1,0

0,5

CTC(4) (cmolc dm⁻³)

7

5

V⁽⁵⁾ (%)

14,1

8,9

m⁽⁶⁾ (%)

62

79

P (mg m⁻³)

90

34

K⁺ (mg dm⁻³)

36

31

Ca2+ (cmolc dm⁻³)

0,70

0,27

Mg2+ (cmolc dm⁻³)

0,18

0,09

Al3+ (cmolc dm⁻³)

1,7

1,7

⁽¹⁾ Carbono orgânico; ⁽²⁾ Acidez potencial; ⁽³⁾ Soma de bases; ⁽⁴⁾ CTC a pH 7,0; ⁽⁵⁾ Saturação por bases; ⁽⁶⁾ Saturação por alumínio.

As BTCs resultantes da aplicação das doses de potássio nos ensaios de colunas obtidas para as camadas 0-20 cm e 20-40 cm são apresentadas na Figura 5, onde se verifica que a saturação na camada 0-20 cm, com solução deslocadora de 2.000 ppm de K, ocorreu a 5,5 volume de poros (VP), enquanto, na camada 20-40 cm, com solução de 500 ppm de K, a saturação foi um mais tardia, ocorrendo em torno de 6 VP. Isso provavelmente está relacionado a redução das cargas que retém cátions presentes na matéria orgânica que é reduzida nessa camada em relação à camada superficial, os menores teores de carbono e CTC nessa camada corroboram essas afirmativas (Tabela 1).

Figura 5. Curvas de distribuição de efluentes observadas (linha escura) e preditas (linha clara) para as amostras de solos das camadas de 0-20 cm e 20-40 cm (B) de um Latossolo Amarelo distrófico muito argiloso.

Os parâmetros de transporte de solutos são apresentados na Tabela 3, os quais foram obtidos após o ajuste dos dados dos ensaios BTCs com uso do programa CFITIM. Os ajustes foram considerados adequados com valores de RMSE de 2,44 e 6,26 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm, respectivamente. A saturação da camada de 20-40 ocorre com um volume de poros acima de 2.

Tabela 3. Valores dos parâmetros de transporte de solutos determinados experimentalmente para os ensaios de BTC no Latossolo Amarelo Distrófico muito argiloso nas camadas de 0-20 cm e de 20-40 cm.

Profundidade das camadas
(cm)

Número de Peclet (P)

Fator de Retardamento (R)

Coeficiente de Dispersão (D)
(cm² min⁻¹)

Dispersividade (λ)
(cm)

0-20

10,31

2,01

0,45

1,36

20-40

10,33

2,32

0,45

1,36

Os resultados obtidos para os números de Peclet (P) nas camadas 0-20 cm e 20-40 cm foram próximos de 10,31 e 10,33, respectivamente, mostrando que os íons de K⁺ se movimentaram predominantemente por convecção, considerando-se os valores adotados por Carmo et al. (2010), que propõem que para valores de P > 10, o transporte ocorre predominantemente por convecção. No transporte de íons por convecção ocorre o escoamento passivo de um soluto. Neste estudo específico, dos íons potássicos dissolvidos na solução do solo, ou seja, na ausência da difusão, a água e o íons de K dissolvidos movem-se à mesma velocidade (van Genuchten; Wierenga, 1986). Os valores de P encontrados no presente estudo estão de acordo com os sugeridos por Parlange et al. (1992), que afirmam que o valor deve ser maior do que quatro para que o resultado seja considerado confiável. Os valores do fator de retardamento (R) foram de 2,01 e 2,32 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm, respectivamente. O fator R representa a defasagem entre as velocidades de avanço do soluto e da frente de molhamento da solução percolantes (Vallochi, 1984). Os valores baixos indicam baixa interação com a matriz do solo.

O coeficiente de dispersão-difusão (D), parâmetro que expressa a capacidade que o solo tem em reter certa quantidade de soluto à medida que a solução avança no perfil do solo (Engler et al., 2008), apresentou valores de 0,45 para ambos os horizontes. Os baixos valores de R obtidos neste estudo indiretamente expressam a baixa capacidade dos Latossolos Amarelos muito argilosos da Amazônia Central em reter íons potássicos, relacionados a sua mineralogia caulinitica e os reduzidos teores de carbono e matéria orgânica (Tabela 1). Outros estudos também apresentaram baixos valores de R para solos com elevados teores de argila. Silva et al. (2012), em ensaios com vinhaça (2.934 mg K⁺ L⁻¹) em um Nitossolo Vermelho Eutrófico com teores de argila de 410 g kg⁻¹, encontraram valor de R de 1,396. Maciel Netto et al. (2013) encontraram valores de R entre 1,00 e 1,85 num estudo com amostras de Latossolo Amarelo com teores de argila variando entre 230 g kg⁻¹ e 438 g kg⁻¹.

Outro fator que pode contribuir para os baixos valores de R encontrados neste estudo pode estar relacionado à existência de cargas positivas, que repelem os íons de K⁺, fazendo com que o risco de contaminação de águas subterrâneas seja maior (Donagemma et al., 2008). Schroth et al. (2000), estudando o LA no mesmo local onde foram coletadas as amostras deste estudo, verificaram também a lixiviação de íons nitrogenados e a retenção de NO⁺₃ na subsuperfície do solo. A lixiviação e retenção de NO⁺₃, que indicam a presença de cargas positivas, também foram verificadas no LA na Amazônia Central em um estudo em sistemas agroflorestais (Schroth et al., 1999).

Bem como para R, os valores do coeficiente de dispersão (D) encontrados neste trabalho (Tabela 3) foram semelhantes àqueles encontrados tanto em solos arenosos como em argilosos em solos tropicais por outros autores. Os LA muito argilosos na Amazônia Central apresentam elevadas taxas de transmissão de solutos, na saturação e próximo da saturação (Teixeira et al., 2016). Esses solos, denominados de “pseudoareias”, apesar de apresentar teores elevados de argila (>700 g kg⁻¹), esta se encontra floculada, condicionando um comportamento típico de solos arenosos quanto à infiltração e transmissão de água (Chauvel et al., 1991; Teixeira, 2001). Os baixos valores de D podem ser atribuídos a uma menor velocidade do fluxo de água no solo, conforme também verificado por Assis et al. (2014), que obtiveram D entre 0,03 cm² min⁻¹ e 0,011 cm² min⁻¹, e Farias et al. (2014), que obtiveram D de 0,84 cm² min⁻¹, em estudo sobre percolação de solução de potássio em Planossolo Háplico de textura arenosa. Conforme observado por Ribeiro et al. (2011), outros fatores também podem influenciar os valores de D, tais como a baixa velocidade de avanço da solução, o comprimento da coluna utilizada nos ensaios de BTC e a dispersividade. Esses fatores foram responsáveis pelos baixos valores de D no transporte de íons K⁺, tanto em solos de predominância arenosa (Neossolo Quartzarênico Órtico) como para solo com maiores teores de argila (Latossolo Vermelho Distrófico). Além disso, também podem ter contribuído para D = 1,770 cm² min⁻¹ e 1,83 cm² min⁻¹ em Nitossolo Vermelho Eutrófico e Latossolo Vermelho Acriférrico, respectivamente, submetidos a um pulso 100 mL de KNO₃ 10 mmol L⁻¹ (Alcântara; Camargo, 2010). O mesmo fenômeno foi observado por Martinez et al. (2001) em estudo sobre a movimentação de zinco no horizonte B argiloso de Latossolo Vermelho-Amarelo e Podzólico Vermelho-Amarelo, obtendo valores de D = 0,852 e 0,787, respectivamente.

Os valores calculados para λ em ambas as camadas do solo foram de 1,36 cm (Tabela 3), estando de acordo com os encontrados por Moura et al. (2013), que encontraram valores entre 0,5 cm e 2 cm.

Volume de Poros

A interação entre os íons de K+ com o solo é indicada pelas setas verticais localizadas nos gráficos A e B da Figura 5. O ponto de interseção no eixo X, indica a relação entre a concentração relativa (C/C0) da solução traçadora, equivalente a 0,5, pelo volume de poros do solo na coluna (VP). Desse modo, pode-se observar que as curvas de distribuição do íon K⁺ encontram-se deslocadas para a esquerda, o que demonstra a baixa capacidade de interação deste íon com as substâncias orgânicas e partículas minerais das amostras das duas camadas do Latossolo Amarelo distrófico usado neste estudo.

Os resultados encontrados (Figura 5) mostram uma baixa interação, provavelmente consequência dos baixos teores de carbono orgânico e do predomínio da fração caulinita na argila (Camargo; Rodrigues, 1979; Möller, 1986) que condiciona uma baixa CTC, que não é capaz de reter grandes quantidades íon K⁺ na matriz do solo. O Latossolo Amarelo com predominância na sua assembleia mineralógica de argilas cauliniticas (Camargo; Rodrigues, 1979; Möller, 1986), argilomineral com reduzida área superficial específica (SE) e baixa densidade de cargas, reduz sua reatividade com os cátions como os íons de K⁺ (Castro et al., 2014).

A baixa sorção também é justificada pela baixa capacidade de troca catiônica (CTC) e baixos valores de pH reduzido (Tabela 2), o que ocasiona uma maior liberação de H⁺ no solo, tornando-o mais ácido e, consequentemente, reduzindo seu poder de retenção de cátions. Oliveira et al. (2013), em trabalho envolvendo mobilidade de lítio, também verificaram que, mesmo em solos argilosos, a capacidade de retenção de cátions é reduzida em virtude do pH ácido. Outro estudo que encontrou resultados semelhantes a este foi o de Basso e Kiang (2017), que também observaram uma baixa retenção de potássio em solo argiloso, caulinítico, de característica ácida, atribuindo a reduzida interação aos baixos valores de CTC e superfície específica.

A baixa interação entre os íons K⁺ e amostras das duas camadas do LA estudado, torna-se um fato preocupante, pois permite inferir que os cátions monovalentes (K⁺, NO3⁺) e provavelmente também os bivalentes (Ca²⁺ e Mg²⁺) sejam lixiviados facilmente, reduzindo a eficiência das adubações e podendo contaminar as águas subterrâneas (Assis et al., 2014). Couceiro e Santana (1999) também observaram uma menor adsorção de cátions monovalentes em um estudo de permutabilidade de cátions em Latossolo Amarelo similar a este estudo.

O transporte do íon K+ nas amostras de Latossolo Amarelo apresentou comportamento semelhante a solos com predominância da fração areia em Planossolos Háplico (Assis et al., 2014; Farias et al., 2014) e Latossolo Vermelho-Amarelo francoarenoso estudado por Pinho e Miranda (2014). Esses autores atribuíram o movimento convectivo de soluto à macroporosidade do solo estudado, cuja predominância de areia influenciou diretamente na infiltração da água no solo.

Essa baixa retenção dos íons K⁺ e elevada permeabilidade faz com que os Latossolos Amarelos argilosos e muito argilosos da Amazônia Central apresentam um comportamento denominado de “pseudoareias”, devido à alta floculação das argilas em estado natural, o que faz com a infiltrabilidade e condução rápida da água no solo saturado ou próximo da saturação seja bastante elevada (Teixeira, 2001; Teixeira et al., 2014). Isso aumenta os riscos de movimentação dos íons potássicos no solo adicionados por fertilizantes ou efluentes ricos nesses elementos como a vinhaça das usinas de processamento de cana-de-açúcar e os efluentes industriais das usinas de extração de óleo de palma.

Na comparação das BTCs entre as duas camadas de solos, os resultados mostraram que uma solução mais concentrada tende a apresentar uma interação de íons mais rápida à matriz do solo. No entanto, ainda que considerando a diferença de concentração de soluto e o mesmo fluxo utilizado em ambos os ensaios (4 mL min⁻¹), a priori, a retenção de íons ocorreu com velocidade maior na camada 0-20 cm devido a um maior conteúdo de carbono (matéria orgânica) que conferiu uma CTC naquela camada (Tabela 2). O fator de retardamento foi ligeiramente maior para a camada de 20-40 cm. Outro provável fator pode estar relacionado à baixa adsorção na camada 20-40 cm aos íons de soluto, visto que nessa camada há menores teores de matéria orgânica e CTC (Tabela 1), o que reduz a capacidade de adsorção do K⁺. A saturação dos sítios de troca por Al³⁺ e por íons provenientes de aplicações de fertilizantes catiônicos em adubações anteriores também é uma possibilidade. Resultado semelhante foi obtido por Santos (2014), que observou que a aplicação de soluções concentradas em diferentes íons, principalmente cátions, pode sobrecarregar os sítios, diminuindo, interferindo e/ou modificando a movimentação do íon estudado. Outros estudos também mostraram os efeitos da concentração e da matriz na avaliação do fator de retardamento (Martinez et al., 2001; Alcântara; Camargo, 2010; Oliveira et al., 2013). Sendo assim, tais fatores, aliados à baixa capacidade de retenção de íons pela caulinita, argila predominante nesse Latossolo Amarelo, resultam em menores valores de R e, por consequência, aumentam o risco de percolação do íon K⁺ com risco de contaminação das águas subterrâneas e redução da eficiência de adubações potássicas.

Conclusões

As equações apresentaram um bom ajuste nos pontos da curva de distribuição de efluentes dos ensaios realizados, com RMSE de 2,44 e 6,26 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm respectivamente.

Os baixos valores do fator de retardamento, 2,01 e 2,32 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm, indicam uma reduzida interação da matriz do solo com o íon K+.

Os valores obtidos para os números de Peclet foram de 10,31 e 10,33 para as camadas de 0-20 cm e 20-40 cm. Para os coeficientes de dispersão, foi de 0,45 cm² min⁻¹ para ambas as camadas, e de dispersividade, 1,35 cm para ambas as camadas, o que caracterizou um predomínio do movimento convectivo e uma baixa dispersão dos íons de potássio na matriz do solo. Esses resultados evidenciam a baixa capacidade de retenção de potássio no solo, com consequente risco de lixiviação do soluto para camadas mais profundas do solo e contaminação de águas subterrâneas. Esses riscos podem ser maiores em aplicações de efluentes ricos em potássio, como o efluente gerado na extração de óleo de dendê, comum na região amazônica, e a vinhaça produzida em usinas de processamento de cana-de-açúcar.

Recomenda-se que, em ensaios de BTCs com solos de textura muito argilosa com reduzida capacidade de troca de cátions, sejam utilizadas soluções com baixas concentrações do soluto, assim como uma baixa condutividade hidráulica (vazão de bombeamento) para uma melhor caracterização do transporte do soluto no solo.

Agradecimentos

À equipe da Embrapa Amazônia Ocidental pelo apoio na realização dos experimentos no Campo Experimental do Rio Urubu (CERU) em Rio Preto da Eva, AM, em especial ao Dr. Wanderlei Lima e Dra. Maria do Rosário Lobato Rodrigues.

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