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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.64.2020.tde-11112021-105508
Documento
Autor
Nombre completo
Ali Mehmandoost Kotlar
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
Piracicaba, 2020
Director
Título en inglés
Mitigation of nitrate leaching in tropical soils using layered double hydroxide
Resumen en inglés
Nitrate is the most intensively applied nutrient to agricultural land. Being a very mobile anion, even more in tropical acidic soils, its leaching easily contaminates surface and groundwater thus causing large financial loss for farmers. Estimation of water and solute fluxes using numerical models can be used to evaluate the efficiency of any hypothetical fertilizer management under a variety of soil and climatic conditions. As input, these models mainly require soil hydraulic properties, meteorological data and management scenarios. Therefore, the first objective of this study was to estimate soil hydraulic properties including water retention and hydraulic conductivity functions using easily measurable soil properties such as texture, organic matter or bulk density. Regarding nitrogen management practices, it is supposed that slow release fertilizers gradually release nitrate for root uptake leading to a reduction of nitrate loss, making them a good alternative to conventional fertilizers. This process was hypothetically modelled assuming application of slow-release fertilizers with different half-lives of 10, 20, 30 and 40 days under cultivation of summer maize and applying the commonly recommended 180 kg N ha-1. The yield of maize under application of SRFs with half-lives of 30 and 40 days showed to increase up to 200 kg N ha-1 and reduce leaching of nitrogen by 30 to 40 kg ha-1, unless bottom layers of the soil profile are very permeable. Finally, layered double hydroxides (LDH) which are supposed to be potentially applicable as slow release nitrate fertilizers were synthesized using a coprecipitation method and characterized by ICP-OES, XRD, FTIR and TGA analyses for nitrate release and leaching experiments. Batch experiments with LDH particles KCl, K2SO4 or CaCl2 showed that 60 to 100% of intercalated nitrate is exchanged by anions within a few hours. Soil column studies with soils from temperate (Denmark) and tropical (Brazil) regions confirmed rapid release of nitrate from LDH. Application of LDH to a soil profile with bulk density of 1300 kg m-3, 0.3 m rooting depth and a typical rate of field nitrogen application (120 kg ha-1) caused an accumulation of 400 to 1050 kg Mg and 230 to 478 kg of Fe or Al depending on type of LDH. This high load of residual metals and the relatively quick release of nitrate may restrain the use of the LDH as slow release nitrate source
Título en portugués
Mitigação da lixiviação de nitrato em solos tropicais usando hidróxidos duplos lamelares
Resumen en portugués
O nitrato é o nutriente mais intensamente aplicado às terras agrícolas. Sendo um ânion muito móvel, especialmente em solos ácidos tropicais, sua lixiviação pode contaminar as águas superficiais e subterrâneas e causar grandes perdas financeiras para os agricultores. A estimativa de fluxos de água e solutos usando modelos numéricos é uma alternativa para avaliar a eficiência de qualquer manejo hipotético de fertilizantes sob diversas condições climáticas e do solo. Esses modelos requerem como dados de entrada principalmente as propriedades hidráulicas do solo, dados metrológicos e cenários de manejo. O primeiro objetivo deste estudo é estimar as propriedades hidráulicas do solo, incluindo funções de retenção de água e condutividade hidráulica, usando propriedades facilmente mensuráveis do solo, como textura, matéria orgânica e densidade do solo. Em relação às práticas de manejo do nitrogênio, supõe-se que os fertilizantes de liberação lenta (FLL) sejam alternativas ideais, liberando gradualmente o nitrato para ser absorvido pelas raízes, resultando na minimização da perda de nitrato. Esse processo foi hipoteticamente modelado, assumindo a aplicação de fertilizante de liberação lenta com tempos de meias-vida de 10, 20, 30 e 40 dias sob cultivo de milho de verão e 180 kg N ha-1 usualmente recomendados. Os resultados demonstraram que o rendimento de milho sob aplicação de FLLs com meia-vida de 30 e 40 dias pode aumentar até 200 kg N ha-1 e a lixiviação de nitrogênio diminui de 30 a 40 kg ha-1, a menos que as camadas inferiores do perfil do solo sejam muito permeáveis. Por fim, os hidróxidos duplos em camadas (LDH) são conhecidos por serem fertilizantes de liberação lenta de nitrato, sintetizados pelo método de co-precipitação e caracterizados pela análise de ICP-OES, DRX, FTIR e TGA para liberação de nitrato e experimentos que avaliam lixiviação. Experimentos em lotes com partículas de LDH KCl, K2SO4 ou CaCl2 mostraram que 60 a 100% do nitrato intercalado é trocado por ânions dentro de algumas horas. Estudos de coluna de solo com solos das regiões temperada (Dinamarca) e tropical (Brasil) confirmaram a liberação rápida de nitrato do LDH. A aplicação de LDH em um perfil de solo com densidade de 1300 kg m-3, profundidade de raízes de 0,3 m e uma taxa típica de aplicação de nitrogênio no campo (120 kg ha-1) causaram acúmulo de 400 a 1050 kg de Mg e 230 a 478 kg de Fe ou Al, dependendo do tipo de LDH. Essa alta carga de metais residuais pode restringir o uso do LDH como fonte de nitrato de liberação lenta
 
Fecha de Publicación
2021-11-16
 
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