Conservation agricultural systems improve soil physical quality, health, and plant performance in sandy soils : insights from Brazil and the United States

Abstract

RESUMO: Esta tese investiga como sistemas agrícolas conservacionistas podem melhorar a qualidade física, a saúde e a produtividade de solos arenosos no Brasil e nos Estados Unidos. Os solos arenosos são amplamente distribuídos globalmente, mas representam uma das classes de solo mais frágeis devido ao seu baixo teor de matéria orgânica, fraca agregação, baixa retenção de água e suscetibilidade à compactação e à erosão. Manter a produtividade agrícola nessas condições requer estratégias de manejo que aprimorem a estrutura do solo, a disponibilidade de água e o funcionamento biológico. Para enfrentar esses desafios, esta pesquisa avaliou os efeitos de culturas de cobertura diversificadas, do plantio direto e de sistemas integrados lavoura-pecuária (ILP) sobre atributos físicos, químicos e biológicos do solo, bem como sobre o desempenho fisiológico das plantas. Os estudos foram conduzidos em solos arenosos tropicais e subtropicais no Brasil e no sudeste dos Estados Unidos, com foco principal em sistemas baseados em algodão, uma cultura altamente sensível à compactação e à degradação estrutural do solo. A tese está organizada em quatro capítulos principais: O Capítulo 1 demonstra que a combinação de gramíneas e leguminosas como culturas de cobertura melhorou substancialmente a permeabilidade ao ar, a continuidade dos poros, o carbono orgânico do solo (COS) e a água disponível às plantas em solos arenosos, sem alterações significativas na densidade do solo ou na porosidade total. Esses resultados destacam a importância da diversidade de espécies e da complementaridade radicular na restauração da funcionalidade física do solo. O Capítulo 2 compara múltiplos sistemas conservacionistas, incluindo o plantio direto, a adubação nitrogenada, o ILP e rotações baseadas em gramíneas perenes (SBR), mostrando que sistemas que integram lavouras e pecuária aumentam o COS, a porosidade e a atividade microbiana, melhorando assim a saúde e a resiliência do solo. Esses sistemas também reduzem a lixiviação de nitrato e aprimoram a multifuncionalidade dos agroecossistemas arenosos. O Capítulo 3 explora o Intervalo Hídrico Ótimo (IHO) como um indicador integrador da qualidade física do solo. Os resultados revelam que o manejo conservacionista amplia a LLWR e melhora a capacidade do solo de fornecer simultaneamente ar, água e suporte mecânico para o crescimento radicular. Essa avaliação integrativa confirma a LLWR como uma métrica sensível para a avaliação da saúde do solo em ambientes arenosos. O Capítulo 4 investiga os efeitos da compactação do solo sobre a morfologia e a fisiologia das raízes do algodão. Os resultados mostram que o aumento da densidade do solo restringe o alongamento radicular, diminui a área foliar e a capacidade fotossintética, e reduz a produtividade. Essas evidências ligam diretamente as restrições físicas do solo ao desempenho fisiológico da planta e destacam os limites críticos de resistência do solo que restringem o funcionamento radicular. De modo geral, a tese fornece fortes evidências de que sistemas de manejo baseados na conservação, particularmente aqueles que envolvem culturas de cobertura diversificadas e integração lavoura-pecuária, podem restaurar a estrutura do solo, aprimorar a dinâmica da água e do ar e melhorar a sustentabilidade ecológica e produtiva de solos arenosos. Ao integrar perspectivas físicas, químicas, biológicas e fisiológicas, este trabalho avança na compreensão de como a saúde do solo pode ser restaurada em ambientes frágeis, contribuindo para a intensificação agrícola sustentável em regiões tropicais e subtropicais.

ABSTRACT: This thesis investigates how conservation agricultural systems can improve the physical quality, health, and productivity of sandy soils in Brazil and the United States. Sandy soils are widespread globally but represent one of the most fragile soil classes due to their low organic matter content, weak aggregation, poor water retention, and susceptibility to compaction and erosion. Maintaining crop productivity under these conditions requires management strategies that enhance soil structure, water availability, and biological functioning. To address these challenges, this research evaluated the effects of diversified cover crops, conservation tillage, and integrated crop-livestock systems (ICL) on soil physical, chemical, and biological attributes, as well as plant physiological performance. The studies were conducted across tropical and subtropical sandy soils in Brazil and the southeastern United States, focusing primarily on cotton-based systems-a crop highly sensitive to soil compaction and structural degradation. The thesis is organized into four main chapters: Chapter 1 demonstrates that combining grasses and legumes as cover crops substantially improved air permeability, pore continuity, soil organic carbon (SOC), and plant-available water in sandy soils, without significant changes in bulk density or total porosity. These results highlight the importance of species diversity and root complementarity in restoring soil physical functionality. Chapter 2 compares multiple conservation systems, including no-tillage, nitrogen fertilization, ICL, and sod-based rotations (SBR), showing that systems integrating crops and livestock increase SOC, porosity, and microbial activity, thereby improving soil health and resilience. These systems also reduce nitrate leaching and enhance the multifunctionality of sandy agroecosystems. Chapter 3 explores the Least Limiting Water Range (LLWR) as an integrative indicator of soil physical quality. The findings reveal that conservation management widens the LLWR and improves the soil's ability to simultaneously supply air, water, and mechanical support for root growth. This integrative assessment confirms LLWR as a sensitive metric for evaluating soil health in sandy environments. Chapter 4 investigates the effects of soil compaction on cotton root morphology and physiology. Results show that increased bulk density restricts root elongation, decreases leaf area and photosynthetic capacity, and reduces yield. These findings link soil physical constraints directly to plant physiological performance and highlight the critical thresholds of soil resistance that limit root function. Overall, the thesis provides strong evidence that conservation-based management systems, particularly those involving diverse cover crops and crop-livestock integration, can restore soil structure, enhance water and air dynamics, and improve the ecological and productive sustainability of sandy soils. By integrating soil physical, chemical, biological, and plant physiological perspectives, this work advances the understanding of how soil health can be restored in fragile environments, contributing to sustainable agricultural intensification in both tropical and subtropical regions.