O processo de compactação do solo, sua modelagem e aplicações

Moacir de Souza Dias Junior, Ph.D

Departamento de Ciência do SoloUniversidade Federal de Lavras

[email protected]

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


Cupim

CanaisCupim


( Alves, M. V., 2009)


Formiga

Ninhos Canais


( Alves, M. V., 2009)

PorosidadeAeraçãoDifusão

InfiltraçãoPenetração de raízes


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 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


Eixo dianteiro σm = 399 kPa7 vezes

Eixo traseiro σm = 1,109 kPa19 vezes


Eixo dianteiro σm=469kPa8 vezes

Eixo traseiro σm = 742 kPa12 vezes


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


Média 5%

Média 18%


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


(%)


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


(%)

Média 4%

Média 16%


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


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


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


Altera a estrutura do solo e o lugar onde as raízes desenvolvem.

Sem tráfego Com tráfego Com tráfego

Foto: F.P. Leite


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


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


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


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


GC = 95%

LV

GC = 95%

AQ

GC = 95%

LVA

-3

GC = 65% GC = 72%-

GC = 65%

Foto: G.A. Santos


GC = DsmáxDsi

GC 95%85%75%65%(Santos, 2001)


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


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).


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


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


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


σp = 10 ( 3,04 - 5,54 U ) R2 = 0,91** Intervalo de confiança 95%Processador 1996

Processador θ (m3 m-3)



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


σp = 10( 3,04 - 5,54 U ) R2 = 0,91** Intervalo de confiança 95%Forwarder 1996

Forwarder

θ (m3 m-3)



Compactado: 63%

Medir as pressões de pré-consolidação durante um ciclo do eucalipto


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


Forwarder


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


θ (m3 m-3)


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.

Obrigado

http://result/pages/campus6.htm

http://result/pages/campus6.htm

http://result/pages/capela.htm

Documents

O processo de compactação do solo, sua modelagem e aplicações