O Papel Da Ciência Na Mitigação Da Degradação Do Solo

O solo é a base de todos os processos de produção de alimentos, com quase 95% da produção global de alimentos dependentes dele.

Na entrevista, Vasyl Cherlinka, Cientista de Solos da EOS Data Analytics, discute o problema do uso racional do solo, da degradação do solo, de suas causas e consequências para a segurança alimentar global. O especialista também fala sobre mapeamento e modelagem digital do solo e seu papel no monitoramento e manutenção da saúde do solo e maximização da produção agrícola.

O Que É A Degradação Do Solo?

A degradação do solo é a perda de suas características físicas, fisioquímicas ou biológicas devido a processos naturais ou antropogênicos. Há quatro razões principais para a degradação do solo.

A primeira causa é a patologia do perfil do solo e horizontes genéticos. Horizontes genéticos são camadas de solo com certas características (por exemplo, textura, cor, estrutura, espessura, comunidades biológicas hospedadas, conteúdo químico e mineral). As propriedades de cada camada indicam que ela foi exposta a processos de formação do solo. E um perfil de solo é como esses horizontes são organizados.

A erosão do solo — desprendimento, movimento e deposição de solo superior devido ao vento ou à água — é um dos tipos de causa. Embora as razões para a erosão do solo sejam naturais, as pessoas podem exacerbar, por exemplo, durante atividades agrícolas como arar ou organizar e cultivar culturas ao longo de encostas.

A compactação do solo acontece quando suas partículas são pressionadas juntas, e o espaço dos poros entre elas reduz. Como resultado, menos água e ar penetram no solo, o que é ruim para o desenvolvimento de plantas e sistemas radiculares. Tratores maciços (especialmente os de rodas) que podem pressionar o solo até um metro e meio podem levar à compactação do solo.

Poluição e envenenamento químico também ameaçam a saúde do solo. Primeiro, estamos falando do uso descontrolado de fertilizantes minerais que podem mudar o pH do solo. A segunda questão é que uma quantidade excessiva de fertilizantes não só impulsiona o crescimento das culturas, mas também torna as culturas tóxicas para os seres humanos. Todos provavelmente ouviram falar de nitratos: comer alimentos ricos em nitrato pode levar à paralisia muscular cardíaca.

Deve-se ter cuidado com os pesticidas. Esses produtos químicos, populares entre os agrários, podem ser usados para controle de ervas ( herbicidas), prevenção de doenças vegetais fúngicas (fungicidas) e combate a pragas (zoocidas, inseticidas, etc.). Quando aplicados corretamente, economizam mais de 30% da cultura. Mas pesticidas excedentes podem migrar e entrar em águas subterrâneas. Ao acumular no solo, eles podem ser transmitidos através de cadeias alimentares e causar doenças aos animais e às pessoas.

Finalmente, grandes doses de fertilizantes podem chegar a corpos de água próximos com um fluxo de água contínuo, e a concentração excessiva de insumos na água leva a um fenômeno como a eutrofização de bacias hídricas. É o que acontece com o rio Dnipro, na Ucrânia , no verão: suas águas ficam verdes devido ao crescimento de algas que usam muito oxigênio da água, e os peixes morrem. Então, o uso inadequado desses insumos causa uma cadeia de eventos adversos.

A terceira razão para a degradação do solo é a violação de seus regimes hídricos e químicos. Pode ser indicado como desertificação, deslizamentos de terra e salinização secundária etc.

Várias mudanças ambientais levam à desertificação. As mudanças climáticas causam diminuição das chuvas. As fronteiras da zona climática estão mudando (mudanças na fauna e na flora também mostram essa mudança), portanto, o solo fértil perde suas características, e o território se transforma em deserto.

Deslizamentos de terra, típicos de áreas montanhosas e montanhosas, podem ser desencadeados por fortes chuvas, erupções vulcânicas, terremotos, pavimentações rodoviárias, mineração ou desmatamento.

A destruição antropogênica das florestas (uma árvore pode conter até 500 litros de água durante a chuva) e a vegetação de arbustos levam a mudanças profundas no regime hídrico dos territórios. Nessas condições, as massas do solo começam a se deslocar sobre argilas molhadas, deslizando pela encosta, e a cobertura do solo é completamente destruída.

Os solos de encostas expostas (sem vegetação) são lavados tão intensamente que todos os horizontes genéticos desaparecem em 3-5 anos, e apenas rochas estão na superfície. O córrego da água, que primeiro lavou uma parte significativa do material fino da superfície dos solos inclinados, tendo ganhado velocidade, varre tudo nos vales da montanha em seu caminho: pontes, campos, jardins, rebanhos de animais, assentamentos. Este evento foi chamado de fluxo de lama.

Pode haver salinização secundária (a liberação de sais de camadas inferiores do solo para a superfície devido ao regime de irrigação inadequado), mudança na natureza e aparência de acidez secundária (mudança de equilíbrio na acidez que pode ser causada pela escolha errada de culturas ou fertilizantes) e desidratação do solo.

A quarta causa é a violação do regime de bioenergia dos solos e ecossistemas, podendo ser expressa em desarmamento e desumação (decomposição da matéria orgânica). O primeiro significa declínio da vegetação, e pode ocorrer devido ao equilíbrio da água do solo interrompido em um determinado território. A devegetação pode ser impulsionada pelo vento soprando do solo onde as plantas restantes crescem. Solos com vegetação artificialmente esgotada perdem sua biomassa radicular. Portanto, suas reservas de minerais valiosos, matéria orgânica e recursos de bioenergia se esgotam. Tais solos ficam estéreis, estruturalmente insalubres, e podem facilmente corroer. Acontece na parte sul da Ucrânia, por exemplo.

A desumação é a perda da matéria orgânica do solo em meio a uma não utilização a longo prazo de fertilizantes minerais e orgânicos, a influência dos processos de erosão e outros fatores. Substâncias orgânicas que compõem matéria orgânica começam a se decompor sob a influência da parte microbiana do solo. A matéria orgânica do solo estabiliza o solo agindo como uma cola mantendo suas partículas juntas. Quanto menor o percentual de húmus no solo, maior o risco de degradação do solo por razões naturais ou antropogênicas.

Práticas agrícolas intensivas também são culpadas pela degradação do solo. Por exemplo, aqueles que cultivam as mesmas plantas temporada após temporada sem uma pausa gradualmente esgotam o solo. Esse fenômeno é conhecido há muito tempo e é chamado de fadiga do solo. Fertilizantes não ajudarão a restaurar a fertilidade do solo neste caso.

Especialistas Acham Que A Degradação Do Solo Ameaça A Segurança Alimentar Global. Você Concorda Com Essa Noção?

Eu tenho que concordar com eles porque a população mundial está crescendo, mas a quantidade de recursos naturais não: terra e solo são limitados devido às características territoriais do planeta Terra. Cerca de 71% da superfície do planeta está coberta de água, com oceanos segurando quase 96,5% de toda a água. Os sistemas de montanhas fazem cerca de 40% da superfície terrestre. Uma área significativa está localizada em regiões polares e outras áreas impróprias para a agricultura (desertos, semi-desertos, aterros sanitários, etc.). Ao longo dos anos, cada vez menos terras permanecem disponíveis para a agricultura. Grandes territórios são retirados da circulação agrícola em meio à urbanização, e a crescente desertificação piora as coisas. Dado que mais de 95% da produção de alimentos depende do solo, as pessoas devem preservá-la para poder se alimentar no futuro.

O que é alarmante é o uso ineficaz e insustentável do solo. O problema é grave nos países africanos e na América Latina. Por exemplo, o solo em terras aráveis no Brasil está exposto à erosão da água, pois quase 2.000 milímetros de precipitação caem no município anualmente. Há também desmatamento sistemático que aumenta a pressão sobre ele.

Mas não é só a degradação do solo que coloca a segurança alimentar em risco (nós sabemos, estamos fora de tópico.) Os conflitos militares também são uma ameaça, resultando em cadeias de suprimentos agrícolas interrompidas. Em 2022, o mundo vê como a invasão russa da Ucrânia está causando uma escassez de alimentos. Atualmente, dois dos portos da Ucrânia usados para exportação de grãos, Mariupol e Kherson, estão bloqueados pela Rússia. O papel da Ucrânia no apoio à segurança alimentar de certos países é difícil de subestimar: só em 2021, o país exportou 10% do trigo. Os três principais compradores foram China, Egito e Turquia.

É difícil até mesmo avaliar os danos causados ao solo pela guerra. Basta listar os principais efeitos negativos que complementam a degradação previamente lembrada.

O solo está fisicamente danificado devido a:

• violação ou remoção de material do solo devido a tentativas contra ofensivas
• mísseis, bombas, projéteis, instalação de minas anti-tanque e antipessoal
• tráfego de combate, incluindo manobras de veículos de rodas pesadas e rastreados
• provocou incêndios em terras agrícolas ou florestais

Há também um efeito químico da ação militar nos solos, como contaminação com elementos potencialmente tóxicos, poluição por compostos energéticos e influência de produtos químicos de combate.

Assim, Para Preservar Solos, Os Agricultores E As Explorações Agrícolas Devem Sustentar A Saúde Do Solo Usando Quantidades Ideais De Fertilizantes, Gerenciando A Irrigação Ou As Culturas Rotativas. As Agências Governamentais Devem Controlar Como Indivíduos E Empresas Usam Recursos Naturais. Qual É O Papel Dos Cientistas?

A produção agrícola inclui dois setores principais — produção agrícola e pecuária, que têm diferentes ações dependendo do país. Mas ambas as indústrias afetam diretamente o solo. A tarefa da produção agrícola é o cultivo de plantas agrícolas que convertem a energia de radiação solar na energia da matéria orgânica, ou seja, diferentes tipos de culturas. A pedra angular para o sucesso do desenvolvimento da pecuária é uma base sólida de forragem, a criação da qual é impossível sem produção agrícola. Portanto, a relação entre as indústrias agrícola e pecuária é a base para a organização racional e a gestão efetiva da produção agrícola.

Como o solo é a base de todos os processos de produção, os cientistas têm se concentrado em encontrar métodos para maximizar suas propriedades benéficas (aumentar a fertilidade) e minimizar os danos (evitar a degradação de vários tipos de solo). Portanto, o solo é o principal meio de produção, pois é um objeto e um meio de trabalho.

Graças aos esforços dos pesquisadores, surgiu a agricultura como ciência. A agricultura permite a produção de alimentos para as pessoas, ração para a pecuária e matérias-primas para o setor de processamento de alimentos.

A agricultura abrange inúmeras disciplinas como cultivo de plantas, cultivo de hortaliças, fruticultura, viticultura, seleção, cultivo de pastagens, etc.

Deve-se notar que a ciência do solo não está incluída na lista mencionada de ciências. No entanto, a agricultura se beneficia de suas conquistas.

Como você pode ver, há uma estreita interação entre toda uma gama de ciências para alcançar o efeito máximo dos solos em relação à produção agrícola. Mesmo no início do século passado, uma produção de trigo de 15 a 20 quintais por hectare foi considerada excelente. Hoje, 50-60 Quintais por hectare é um resultado medíocre, e as melhores fazendas recebem 100 e até 120. E esse crescimento maciço é observado em quase todas as culturas. O mérito dos cientistas aqui é inestimável!

Existem vários métodos para melhorar a fertilidade do solo: químico (por exemplo, fertilização pesquisada dentro da agroquímica), física e biológica. E a agricultura se concentra nos dois últimos. O uso racional da melhoria da fertilidade da terra arável e do solo envolve um complexo de métodos biológicos, químicos e físicos de influenciar o solo.

Todas essas atividades afetam o meio ambiente, a qualidade dos produtos, a saúde humana e toda a vida na Terra. Portanto, é crucial controlar sua correção e estudar possíveis consequências. Isso é o que os cientistas estão fazendo.

Além de introduzir sistemas de controle e monitoramento, a solução para este problema é facilitada pela melhoria dos sistemas agrícolas zonais e pela introdução de tecnologias de proteção do solo para o cultivo de plantas baseadas nos princípios metodológicos modernos do manejo da fertilidade do solo.

O nosso modernismo, em grande parte, é graças aos esforços de cientistas que estudam e desenvolvem métodos para regular os regimes de ar e nutrientes do solo. Eles visam definir as condições ideais de crescimento e desenvolvimento das plantas, criar medidas de controle de plantas, rotações racionais de culturas e sistemas de lavoura. Eles também pesquisam métodos de uso racional da terra, sua proteção contra a erosão e obtenção de rendimentos altos e sustentáveis com um aumento constante da fertilidade do solo.

Por Favor, Conte-nos Sobre O Mapeamento Digital Do Swolo

Modelar significa analisar dados terrestres, satélites ou aéreos usando uma ampla gama de algoritmos ou softwares (GIS, R, Python, etc.) que tem esses algoritmos sob o capô para criar um mapa de tipos ou características do solo. Ao mesmo tempo, dependendo da tarefa, você pode criar mapas estáticos (atuais, passados ou futuros) ou dinâmicos.

Quais São Os Benefícios Dos Mapas Digitais Do Solo?

A vantagem dos mapas de solo digital está em sua precisão incomparável. Mapas modelados com base em uma abordagem matemática são muito mais precisos do que os feitos à mão, no modo offline.

Como os cientistas tradicionalmente mapeiam tipos de solo? Eles vão para um local, e fazem uma amostra de solo transversal em uma forma de terra mais característica; a amostra parece um poço, mas com passos. Eles cavam até que todas as camadas de solo (horizontes genéticos) possam ser distinguidas por gradientes de cores e outras características visuais sob luz natural. E uma vez que os pesquisadores têm um conjunto dessas seções de solo em que os tipos de solo já foram estudados, eles constroem manualmente um mapa com base neles. Se dermos o mesmo conjunto de dados a 10 cientistas do solo, eles fariam 10 mapas semelhantes que são ligeiramente diferentes em detalhes.

Com a abordagem matemática, pode-se sentir a diferença. Analisando dados do perfil do solo com um algoritmo considerando derivativos do modelo digital de elevação (MDE) e características climáticas, obteríamos um mapa de maior precisão do que o feito convencionalmente. Essa abordagem também permite obter um mapa das chamadas incertas ou um mapa de erro que indica probabilidades de encontrar um ou outro solo em um ponto.

Quais São Os Casos De Uso Comum Do Mapeamento Do Solo Digital?

O primeiro caso de utilização é fazer mapas de propriedade do solo — mapas que ilustram características quantitativas do solo (por exemplo, húmus, teor de nitrogênio, pH) e mostrando distribuição espacial dessas propriedades. E essas propriedades podem ser definidas mesmo dentro de um tipo de solo.

O segundo caso de utilização é a criação de mapas precisos do tipo solo. O tipo de solo (ou classe de solo) é um exemplo de uma característica categórica. É descrito não quantitativamente (por um número), mas qualitativamente (em palavras: Chernozems, Podzols, Kastanozems). Criar esses mapas é uma abordagem autônoma e implica o uso de adaptações específicas de algoritmos.

A criação de mapas do tipo de solo refere-se ao nível mais geral de classificação do solo. A classificação inclui as seguintes unidades taxonômicas: tipo, subtipo, gênero, série litológica, espécie, variante e variedade. Mas podemos modelar o solo tanto no mais alto nível (tipos de solo) quanto nos mais baixos, até o fundo, obtendo mapas mais detalhados. Modelar a cobertura do solo em diferentes níveis refere-se ao mapeamento de unidades de solo taxonômico.

Em 2019, construímos um mapa dos grupos de produtos agrícolas de solo da Ucrânia, e é um exemplo dessa abordagem. Grupos agroprodutos de solos são uma classificação artificial criada para a agricultura. Combina níveis de unidades de solo taxonômico. Os solos ucranianos pertencem a 222 classes, cada uma com características agrícolas específicas. Estamos muito orgulhosos deste projeto, pois os pesquisadores levaram 40 anos de pesquisa de campo para fazer uma versão anterior (original) deste mapa, e o mapa cobriu apenas dois terços do país. Concluímos o trabalho para todo o país em 14 meses. A duração mencionada deveu-se ao desenvolvimento das ferramentas necessárias para esse tipo de modelagem, e mapas para outros países já podem ser modelados muitas vezes mais rápido.

A tecnologia de construção de mapas de propriedades do solo é uma base para a fabricação de cartogramas agroquímicos (eles mostram a quantidade de elementos nutrientes para as plantas) usados para o planejamento de produção de culturas e cálculo de doses de fertilizantes minerais para rendimentos futuros. E um mapa de aplicação de fertilizantes baseia-se em percepções sobre produtividade de zonas de campo (um mapa de produtividade) que são extraídos através da análise de campos com índices de vegetação. É assim que esses indicadores são interconectados.

Você Falou Sobre Camadas De Solo, O Que Significa Que Cada Um Tem Suas Propriedades Físicas, Químicas E Biológicas. Mapas De Solo Digital Retratam Apenas O Solo?

Os mapas de que falei antes ilustram apenas o solo superficial. No entanto, é possível estudar e descrever camadas de solo colocadas mais profundas que 30 cm (30 cm é uma profundidade de solo superior) fazendo mapas volumosos. Ao contrário de mapas bidimensionais onde cada pixel corresponde a uma determinada área terrestre, esses mapas estão em voxels, os chamados pixels volumosos.

A morfometria do solo é uma nova linha de pesquisa que se concentra na modelagem de mudanças nas propriedades do solo dentro do volume do solo e na visualização desses achados em mapas 3D.

As raízes das plantas podem crescer até 1-3 metros (por exemplo, girassol, alfafa, lupine), de modo que a informação sobre a razão de elementos em todo o espaço do solo permite que os agricultores melhorem significativamente a nutrição da cultura com fertilizantes. Existe um software dedicado (por exemplo, SimRoot, SPACSYS, R-SWMS, ROOTMAP, RootTyp) para modelar os sistemas radiculares das culturas em escala de campo usando dados voxel. Dessa forma, os pesquisadores podem formular recomendações sobre o tempo e a profundidade da aplicação de fertilizantes (é possível aplicar fertilizante a uma profundidade de 60 cm.)

Desenvolver um modelo voxel de um território com solo encharcado e um sistema de drenagem também pode ajudar os agricultores a otimizar seu equilíbrio hídrico.

Os Cientistas Do Solo Podem Visualizar Informações Sobre Solos Na Forma De Mapas 2D E 3D. O Que Mais Para A Modelagem Nesta Linha De Pesquisa Pode Ser Usado?

Pode ser usado para cálculos de degradação do solo. Por exemplo, os pesquisadores podem modelar processos de erosão da água para definir quanto solo será lavado durante uma chuva em uma cobertura de terra específica (grama, milho, trigo sarraceno). Isso os ajudará a estimar os riscos de danos no solo com base em qual cultura será cultivada, prever onde exatamente a erosão da água pode ocorrer e planejar como lidar com isso se isso acontecer.

Este slide com um mapa de fluxo de sedimentos digitais mostra locais de partículas lavadas e locais de sua concentração máxima. Você pode ver que o modelo, a chuva e a distribuição da chuva são quase idênticos à foto no canto direito.

O cálculo da erosão do vento requer mais variáveis a serem tomadas em conta, por exemplo, ganhar força e intensidade, cobertura de terra (cultura de sementes ou cultura de cobertura), a presença ou ausência de uma tira de quebra-vento, e assim por diante.

Existem Métodos Emergentes De Pesquisa De Solo Que Merecem Mencionar Que Você Gostaria De Começar A Usar No Seu Trabalho Diário? E Se Sim, Quais São As Restrições De Usá-los?

Sim, tais métodos existem. Além da modelagem voxel das propriedades do solo atualmente utilizadas apenas em publicações científicas, considero muito promissora a direção que pertence à modelagem/mapeamento de unidades de solo taxonômicos, ou seja, a desagregação de mapas convencionais do solo. O solo em grandes áreas de muitos países não foi pesquisado (é caro), então os mapas de solo existentes são baseados em informações relativamente incompletas. Ao mesmo tempo, foram construídos por cientistas do solo com grande experiência prática.

Usando o poder dos algoritmos modernos e das tecnologias de geoinformação, os especialistas podem analisar esses mapas um tanto esquemáticos. E então, contando com dados adicionais (dados de sensoriamento remoto, valores de índices de vegetação, modelo de elevação digital e seus derivados), pode-se construir um modelo de cobertura de solo altamente detalhado. No entanto, aqueles que trabalham nesta linha de pesquisa podem lutar para encontrar mapas legados digitalizados de determinados países e regiões em resolução suficiente.

Também vejo excelentes perspectivas no desenvolvimento de tecnologia para prever e medir o acúmulo de carbono orgânico em solos agrícolas e sua dinâmica usando satélites ópticos multiespectrais e sensores SAR bipolares. O acúmulo de carbono orgânico nos solos ocorre através da sequestro de dióxido de carbono da atmosfera pelas plantas.

Essa abordagem é muito valiosa não só em termos de benefícios para o solo, mas também na luta contra o aquecimento global. É necessário quantificar a relação entre as medições do solo e toda uma gama de dados adicionais para desenvolver tais modelos. Considero a criação desta tecnologia que permite obter resultados suficientemente precisos como uma das tarefas mais importantes e desafiadoras a serem implementadas. Além da complexidade algorítmica, a falta de dados do solo medidos em laboratório torna o problema quase insolúvel.