https://hdl.handle.net/1884/39589 Fri, 03 Apr 2026 20:41:41 GMT 2026-04-03T20:41:41Z https://hdl.handle.net/1884/101452 Soil pore functionality, carbon storage, and ecosystem services in long-term agricultural systems Resumo: A intensificação sustentável da agricultura, através de sistemas integrados e conservacionistas, é fundamental para restaurar a funcionalidade do solo e mitigar as mudanças climáticas. O objetivo geral desta tese foi analisar a interdependência entre a funcionalidade do sistema de poros do solo, os estoques de carbono orgânico do solo e os serviços ecossistêmicos sob estratégias de manejo de conservação de longo prazo. Para atingir esse objetivo, a pesquisa abrangeu a avaliação de sistemas agrícolas integrados no sul do Brasil, bem como o uso de culturas de cobertura (>30 anos) em solos arenosos temperados na Suécia. A pesquisa foi estruturada em dois estudos de longa duração. O primeiro, realizado no Sul do Brasil (clima subtropical) em um Latossolo de textura argilosa, avaliou sistemas integrados de produção agropecuária (Pecuária, Lavoura-Pecuária, Pecuária-Floresta e Lavoura-Pecuária-Floresta) sob plantio direto. O segundo, conduzido no Sudoeste da Suécia (clima temperado) em solos de textura arenosa, investigou o impacto de culturas de cobertura (Lolium perenne) versus solo descoberto. No primeiro capítulo (publicado) os sistemas Lavoura-Pecuária e Lavoura Pecuária-Floresta aumentaram a condutividade hidráulica saturada (Ks) e a permeabilidade ao ar (Ka) em um Latossolo argiloso. No segundo capítulo, calculou-se o Índice de Serviços Ecossistêmicos (ISE) para avaliar a oferta de serviços em sistemas pecuários e pecuários florestais, visando quantificar, por meio de uma abordagem integrada, os benefícios e os trade offs decorrentes da presença de árvores nas pastagens. A aplicação deste índice demonstrou que a integração do componente arbóreo eleva a provisão global de serviços, aumentando o ISE de 0,52 (Pecuária) para 0,72 (Pecuária-Floresta). Evidenciou-se que eventuais reduções na provisão forrageira provocadas pelo sombreamento são funcional e amplamente compensadas pela produção de madeira e, principalmente, pela adicionalidade no sequestro de carbono, o que impulsiona significativamente os serviços de regulação climática. No âmbito dos processos físicos (Capítulo 3), observou-se uma relação negativa entre o carbono orgânico e os fluxos de água e ar, sugerindo que a aeração excessiva pode acelerar a mineralização da matéria orgânica. Já no estudo sueco (Capítulo 4), em solos arenosos vulneráveis, o manejo com culturas de cobertura (Lolium perenne) provou ser favorável ao aporte de carbono orgânico no solo e a retenção de água via microporosidade. Conclui-se que a adoção de sistemas integrados melhora as propriedades físicas do solo e potencializa serviços ambientais, demonstrando que a diversidade biológica atua como reguladora fundamental da estrutura dos poros. Dessa forma, o manejo conservacionista assegura o equilíbrio entre a funcionalidade hidráulica e a preservação do carbono, promovendo a resiliência dos sistemas agrícolas frente aos desafios climáticos globais; Abstract: Sustainable agricultural intensification, through integrated and conservation systems, is fundamental to restoring soil functionality and mitigating climate change. The general objective of this thesis was to analyze the interdependence among soil pore system functionality, soil organic carbon stocks, and ecosystem services under long-term conservation management strategies. To achieve this, the research encompassed the evaluation of integrated agricultural systems in Southern Brazil, as well as the use of cover crops (>30 years) in temperate sandy soils in Sweden. The research was structured into two long-term studies. The first, conducted in Southern Brazil (subtropical climate) on a clayey Ferralsol, evaluated integrated crop livestock systems (Livestock, Crop-Livestock, Livestock-Forestry and Crop-Livestock Forestry) under no-tillage. The second, conducted in Southwestern Sweden (temperate climate) on sandy soils, investigated the impact of cover crops (Lolium perenne) versus bare soil. In the first chapter (published), the Crop-Livestock and Crop-Livestock-Forestry systems increased saturated hydraulic conductivity (Ks) and air permeability (Ka) in a clayey Ferralsol. In the second chapter, the Ecosystem Services Index (ESI) was calculated to evaluate the provision of services in livestock and livestock-forestry systems, aiming to quantify, through an integrated approach, the benefits and trade-offs arising from the presence of trees in pastures. The application of this index demonstrated that the integration of the tree component enhances the overall provision of services, increasing the ESI from 0.52 (Livestock) to 0.72 (Livestock Forestry). It was evidenced that any reductions in forage provision caused by shading are functionally and largely offset by wood production and, most notably, by the additionality in carbon sequestration, which significantly boosts climate regulation services. Regarding physical processes (Chapter 3), a negative relationship was observed between organic carbon and water and air fluxes, suggesting that excessive aeration may accelerate organic matter mineralization. In the Swedish study (Chapter 4), on vulnerable sandy soils, management with cover crops (Lolium perenne) proved favorable for soil organic carbon input and water retention via microporosity. It is concluded that the adoption of integrated systems improves soil physical properties and enhances ecosystem services, demonstrating that biological diversity acts as a fundamental regulator of pore structure. Thus, conservation management ensures the balance between hydraulic functionality and carbon preservation, promoting the resilience of agricultural systems against global climate challenges Orientadora Profa. Dra. Karina M. V. Cavalieri Polizeli; Coorientador: Prof. Dr. Leandro Bittencourt de Oliveira; Banca: Karina Maria Vieira Cavalieri Polizeli (Presidente da Banca), Felipe Bonini da Luz, Lorena Chagas Torres e Rachel Muylaert Locks Guimarães; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 11/02/2026; Inclui referências Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101452 2026-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101402 Interactions of plant growth-promoting microorganisms with Araucaria angustifolia (Bertol.) Kuntze Resumo: A Mata Atlântica Brasileira (MAB) é um hotspot de biodiversidade cuja restauração florestal necessita de estratégias que melhorem o desempenho inicial das mudas. Nesse sentido, microrganismos promotores de crescimento vegetal (MPCV), como fungos micorrízicos arbusculares (FMA) e bactérias promotoras de crescimento vegetal (BPCV) têm sido estudados como ferramentas biotecnológicas capazes de melhorar o estado nutricional e o vigor de espécies florestais nativas. Entre as espécies de interesse, a araucária (Araucaria angustifolia), que apresenta uma fitofisionomia própria dentro da MAB, nomeada Floresta de Araucárias ou Floresta Ombrófila Mista, está listada como criticamente ameaçada de extinção há mais de uma década, o que reforça a necessidade de estratégias que aumentem seu estabelecimento e sobrevivência. Portanto, esta tese foi alicerçada na hipótese de que a inoculação com MPCV melhoram o crescimento, o estado nutricional e a resiliência de mudas de espécies nativas da MAB. A pesquisa foi conduzida na literatura com dezenas de espécies florestais nativas da MAB, e experimentalmente com ênfase em A. angustifolia. Foram considerados diferentes grupos microbianos, condições experimentais, estresses ambientais e etapas do processo de produção e estabelecimento de mudas. O capítulo 1 consistiu em uma meta-análise com dados de 60 artigos que avaliaram os efeitos de FMA, BPCV, bactérias fixadoras de nitrogênio (BFN) e a combinação FMA+BFN em mudas nativas da MAB, considerando estágios sucessionais, grupos funcionais e condições experimentais. Os capítulos 2, 3 e 4 foram desenvolvidos com base em experimentos realizados com mudas de A. angustifolia, respectivamente, para: (2) avaliar o crescimento, o estado nutricional e a persistência de BPCV em diferentes substratos, utilizando técnicas de cultivo e PCR quantitativo (qPCR); (3) analisar os efeitos da inoculação com BPCV sob diferentes regimes hídricos, com avaliação de respostas morfológicas, fisiológicas e bioquímicas; (4) avaliar o efeito da inoculação com BPCV e FMA em diferentes momentos do ciclo de produção e estabelecimento das mudas em campo. A meta-análise demonstrou que a inoculação com MPCV, especialmente FMA, promove maiores benefícios em espécies pioneiras e secundárias iniciais, principalmente em condições estéreis e com fertilização fosfatada. A inoculação com BPCV melhorou o estado nutricional e o crescimento radicular de forma diferenciada em diferentes substratos, o que sugere que as BPCV utilizadas têm diferentes níveis de competitividade após a inoculação. Além disso, a qPCR mostrou-se uma ferramenta molecular eficaz para monitorar a persistência de BPCV nas raízes. A inoculação de BPCV em condições de seca afetou o acúmulo de nutrientes das mudas, o que poderia ser atribuído à maior tolerância à seca. No campo, a inoculação não afetou a altura ou a biomassa, mas as taxas de aplicação dos inoculantes ao longo do tempo influenciaram o diâmetro. Os resultados indicam que os benefícios dos MPCV dependem da adequação entre microrganismos, espécies vegetais, estágio sucessional e condições ambientais. Embora a inoculação contribua para aspectos específicos do desenvolvimento inicial e da resiliência das mudas, sua eficácia em campo requer abordagens integradas e experimentos adicionais em diferentes contextos ambientais, reforçando seu potencial, mas também suas limitações, como ferramenta para a restauração e conservação florestal; Abstract: The Brazilian Atlantic Forest (BAF) is a biodiversity hotspot whose forest restoration requires strategies that improve the early performance of seedlings. In this context, plant growth-promoting microorganisms (PGPM) such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant growth-promoting bacteria (PGPB), have been studied as biotechnological tools capable of enhancing the nutritional status and vigor of native forest species. Among the species of interest, the araucaria (Araucaria angustifolia), which forms a distinct phytophysiognomy within the BAF known as Araucaria Forest of Mixed Ombrophilous Forest, has been listed as critically endangered for more than a decade, reinforcing the need for strategies that increase its establishment and survival. Therefore, this thesis was based on the hypothesis that inoculation with PGPM improve the growth, nutritional status, and resilience of seedlings of native BAF species. The research was conducted through a literature review involving dozens of native forest species from BAF and experimentally with emphasis on A. angustifolia. Different microbial groups, experimental conditions, environmental stresses, stages of the seedling production and establishment process were considered. Chapter 1 consisted of a meta-analysis of data from 60 articles that evaluated the effects of AMF, PGPB, nitrogen-fixing bacteria (NFB), and the AMF+NFB combination on native BAF seedlings, considering successional stages, functional groups, and experimental conditions. Chapters 2, 3, and 4 were developed based on experiments conducted with A. angustifolia seedlings, respectively, to: (2) evaluate growth, nutritional status, and PGPB persistence in different substrates using cultivation techniques and quantitative PCR (qPCR); (3) analyze the effects of PGPB inoculation under different water regimes, assessing morphological, physiological, and biochemical responses; and (4) evaluate the effect of PGPB and AMF inoculation at different moments of the production cycle and seedling establishment in the field. The meta-analysis demonstrated that inoculation with PGPM, especially AMF, promotes greater benefits in pioneer and early secondary species, mainly under sterile conditions and with phosphate fertilization. PGPB inoculation improved nutritional status and root growth in different ways depending on the substrate, suggesting that the PGPB strains used exhibit different levels of competitiveness after inoculation. Furthermore, qPCR proved to be an effective molecular tool for monitoring PGPB persistence in roots. PGPB inoculation under drought conditions affected nutrient accumulation in seedlings, which could be attributed to increased drought tolerance. In the field, inoculation did not affect height or biomass, but the application rates of inoculants over time influenced stem diameter. The results indicate that the benefits of PGPM depend on the compatibility among microorganisms, plant species, successional stage, and environmental conditions. Although inoculation contributes to specific aspects of early development and seedling resilience, its effectiveness in the field requires integrated approaches and additional experiments in different environmental contexts, reinforcing its potential, but also its limitations, as a tool for forest restoration and conservation Orientadora: Profa. Dra. Glaciela Kaschuk; Banca: Glaciela Kaschuk (Presidente da Banca), Ana Carmen Cohen, Jesiane Stefania da Silva Batista, Danilo Eduardo Rozane e Raul Matias Cezar; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 20/02/2026; Inclui referências; Área de concentração: Solo e Ambiente Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101402 2026-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/99049 Biomarcadores no solo e perdas de água, sedimento e nutrientes via escoamento superficial em plantio direto com aplicação de dejeto líquido bovino Resumo: A aplicação de dejeto líquido bovino (DLB) no solo oferece vantagem para os sistemas agrícolas. No entanto, ela pode contribuir com a hidrofobicidade do solo comprometendo a infiltração e a disponibilidade hídrica para as plantas. Neste estudo, buscamos identificar biomarcadores associados à hidrofobicidade do solo em distintas condições: no próprio DLB, em solos com aplicações de DLB de curto e longo prazo, e em solos sem aplicação de DLB. Adicionalmente, avaliamos as perdas de água, solo e nutrientes por escoamento superficial em sistema de plantio direto que recebeu DLB consecutivamente por 15 anos. A metodologia para análise e identificação dos biomarcadores do solo e do DLB envolveu a extração da fração lipídica de amostras, seguida por análise em cromatografia gasosa acoplada ao espectrômetro de massa. Os grupos funcionais orgânicos presentes foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados de cromatografia permitiram a identificação de grupos de compostos como terpenoides, ácidos graxos, n-alcanos, esteroides e fitoesteroides. Notavelmente, no DLB e nos solos com DLB submetidos a 5 dias de incubação, os esteroides e ácidos graxos apresentaram os maiores percentuais de abundância. Para responder sobre o transporte via escoamento superficial, quantificamos a concentração de nutrientes em diferentes frações, bem como as perdas de água, solo e nutrientes sob precipitação natural e diferentes doses de DLB (0, 60, 120 e 180 (0, 60, 120 e 180 m3 ha–1 ano–1). Este monitoramento ocorreu entre 2015 e 2021 em um Latossolo Vermelho distroférrico, sob sistema plantio direto com adição contínua de DLB na superfície do solo (sem incorporação) desde 2005. Observou-se um efeito positivo da aplicação de DLB nas classes de precipitação de baixo e médio volume. No entanto este benefício não tenha sido mantido em classes de alta precipitação. Embora a aplicação de DLB tenha aumentado a concentração de nutrientes, ela reduziu as perdas na fração biodisponível e, portanto, reduziu o risco ambiental a curto prazo. O resíduo de soja, por sua vez, apresentou o pior desempenho na mitigação das perdas de água e sedimentos; Abstract: Application of dairy liquid manure (DLM) to soil offers advantages to agricultural systems. However, it may contribute to soil hydrophobicity, thereby impairing infiltration and water availability for plants. in this study, we aimed to identify biomarkers associated with soil hydrophobicity under different conditions: within the DLM itself, in soils with short- and long-term DLM application, and in soils without DLM application. Additionally, we evaluated water, soil, and nutrient losses via surface runoff in a no-till system that received consecutive DLM applications over a period of 15 years. The methodology for analyzing and identifying soil and DLM biomarkers involved lipid fraction extraction from samples, followed by gas chromatography coupled with mass spectrometry. The presence of organic functional groups was characterized using Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Chromatographic results enabled the identification of compound groups such as terpenoids, fatty acids, n-alkanes, steroids, and phytosteroids. Notably, in DLM and soils subjected to 5 days of incubation, steroids and fatty acids exhibited the highest abundance percentages. To address nutrient transport via surface runoff, we quantified nutrient concentrations in different fractions, as well as water, soil, and nutrient losses under natural precipitation and varying DLM doses (0, 60, 120, and 180 m³ ha-¹ year-¹). This monitoring was conducted between 2015 and 2021 in a dystrophic red Latosol under a no-till system with continuous surface application of DLM (without incorporation) since 2005. A positive effect of DLM application was observed in low and medium precipitation classes; however, this benefit was not maintained under high precipitation conditions. Although DLM application increased nutrient concentrations, it reduced losses in the bioavailable fraction, thereby decreasing short-term environmental risk. Conversely, soybean residue demonstrated the poorest performance in mitigating water and sediment losses Orientadora: Profa. Dra. Nerilde Favaretto; Coorientadoras: Profa. Dra. Beatriz Helena L. de Noronha Sales Maia (UFPR), Profa. Dra. Deborah Pinheiro Dick (UFRGS); Banca: Nerilde Favaretto (Presidente da Banca), Josiléia Acordi Zanatta, Gabriel Barth e Julio Cesar Rodrigues de Azevedo; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 28/04/2025; Inclui referências; Área de concentração: Solo e Ambiente Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/99049 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98900 Solos compactados e adubação fosfatada : efeitos na qualidade física do solo e desenvolvimento de culturas agrícolas Resumo: A compactação do solo, induzida pelo tráfego de máquinas agrícolas, compromete funções essenciais do solo, como fluxo de água, aeração, ciclagem de nutrientes, produtividade das culturas e habitat de organismos edáficos. Além disso, dificulta a absorção de fósforo pelas plantas, ao restringir o crescimento radicular e reduzir o movimento difusivo do nutriente. Este estudo avaliou os efeitos de diferentes graus de compactação e doses de P2O5 sobre atributos físicos e químicos do solo e o desempenho de culturas sob sistema de plantio direto. Compactações elevadas (GC de 95%) aumentaram a resistência à penetração e a densidade do solo, reduzindo porosidade e fluxo de água. A adubação fosfatada mitigou parcialmente esses efeitos, especialmente em compactações moderadas (80–90%), favorecendo a disponibilidade de P, a condutividade hidráulica (Ksat), a condutividade de ar (Kar), o acúmulo de biomassa e a produtividade de milho e feijão. Paralelamente, avaliou-se a construção de Tecnosolos como alternativa para a recuperação de áreas degradadas. Foram comparados um Tecnosolo (mistura de solo descarte e biossólidos) e um solo orgânico convencional, com dois níveis de compactação. O Tecnosolo apresentou menor densidade aparente, maior estabilidade de agregados, maior hidrofobicidade e maiores teores de fósforo, nitrogênio, condutividade elétrica e pH, especialmente nas camadas superficiais. A biomassa seca foi superior no Tecnosolo (10,48 t ha?¹), com redução expressiva sob compactação. Esses resultados destacam a viabilidade dos Tecnosolos como substratos produtivos e sustentáveis, com desempenho físico-químico superior ao solo convencional, desde que manejados com atenção à compactação. Portanto, tanto em solos agrícolas quanto em Tecnosolos, o grau de compactação é um fator determinante para a eficiência da adubação, a dinâmica de nutrientes e o desempenho das culturas; Abstract: Soil compaction induced by agricultural machinery traffic compromises essential soil functions such as water flow, aeration, nutrient cycling, crop productivity, and edaphic organism habitat. Additionally, it hampers phosphorus uptake by plants by restricting root growth and reducing the diffusive movement of this nutrient in the soil profile. This study evaluated the effects of different compaction levels and P2O5 doses on soil physical and chemical attributes, as well as crop performance under no-till systems. Severe compaction (95%) increased soil penetration resistance and bulk density, reducing porosity and water flow. Phosphorus fertilization partially mitigated these effects, especially under moderate compaction (80–90%), enhancing P availability, hydraulic conductivity (Ksat), air conductivity (Kar), biomass accumulation, and maize and bean yield. Concurrently, the construction of Technosols was assessed as an alternative for the recovery of degraded areas. A Technosol (composed of discarded soil layers and class B biosolids) and a conventional organic soil were compared under two compaction levels. The Technosol showed lower bulk density, greater aggregate stability, higher hydrophobicity, and increased phosphorus, nitrogen, electrical conductivity, and pH especially in the surface layers. Dry biomass was higher in the Technosol (10.48 t ha?¹), with notable reduction under compaction. These results highlight the viability of Technosols as productive and sustainable substrates, with superior physicalchemical performance compared to conventional soils, provided compaction is properly managed. Therefore, in both agricultural soils and Technosols, compaction degree is a key factor for fertilization efficiency, nutrient dynamics, and crop performance Orientador: Prof. Dr. André Carlos Auler; Coorientador: Prof. Dr. Filipe Behrends Kraemer; Banca: André Carlos Auler (Presidente da Banca), Rachel Muylaert Locks Guimarães, Antonio Carlos Vargas Motta, Osvaldo Guedes Filho e Karina Maria Vieira Cavalieri Polizeli; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa : Curitiba, 16/05/2025; Inclui referências; Área de concentração: Solo e Ambiente Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98900 2025-01-01T00:00:00Z