ABSTRACT
Wastewater irrigation may benefit agricultural crops with water and essential nutrients (mainly nitrogen), also affecting soil chemistry. The effects of effluent irrigation on yield, stalk nutrient uptake and on soil chemistry over 16 months were studied in a sugarcane (Saccharum spp.) crop growing on an Oxisol in Lins, State of São Paulo, Brazil. Irrigated plots received 50% of the recommended mineral-N fertilization and 100, 125, 150 or 200% of the crop water demand, while control plots received neither additional N nor water. The high sodium content of effluent resulted in Na inputs as high as 6.2 t ha-1, along with 1497 kg N ha-1 and 628 kg K ha-1. All the effluent plots except the T125 treatment had higher yields (up to 247 t ha-1) than the control (153 t ha-1). Significant amounts of N (up to 597 kg ha-1) and K (up to 546 kg ha-1) were exported by the plant harvest. Additions of nutrients and Na via irrigation were not compensated by stalk growth, causing a low recovery of N, P, Ca, Na, and showing the relative over N fertilization of the crop. Changes in soil pH, H + Al, Ca, Mg and K were small, whereas Na accumulated over time with irrigation. The treated wastewater irrigation is expected to gain increased importance, requiring careful considerations involving the adequate balance between nutritional inputs via irrigation and optimal plant productivity requirements.
A irrigação com águas residuárias pode beneficiar as culturas agrícolas com água e nutrientes essenciais (especialmente nitrogênio), afetando também a química do solo. Os efeitos da irrigação por 16 meses com efluente de esgoto na produtividade, extração de nutrientes pelo colmo, e nos atributos químicos do solo, foram estudados em um Latossolo cultivado com cana-de-açúcar (Saccharum spp.), situado em Lins, São Paulo. As parcelas irrigadas receberam 50% do N mineral recomendado e 100, 125, 150 ou 200% da demanda hídrica da cultura, enquanto o controle não recebeu N mineral e nem água. As elevadas concentrações de sódio do efluente ocasionaram um aporte de Na de até 6,2 t ha-1, juntamente com até 1497 kg N ha-1 e 628 kg K ha-1. Todas as parcelas irrigadas, com exceção do T125, apresentaram maior produtividade (até 247 t ha-1) do que o controle (153 t ha-1). Quantidades expressivas de N (até 597 kg ha-1) e de K (até 546 kg ha-1) foram exportadas através da colheita da cultura. As adições de nutrientes e de Na via irrigação não foram compensadas pelo crescimento da planta, ocasionando uma baixa recuperação de N, P, Ca e Na, evidenciando uma excessiva fertilização da planta (N). Alterações no solo de pH, H + Al, Ca, Mg e K, foram de pequena magnitude, enquanto houve acúmulo de Na trocável ao longo do tempo nos tratamentos irrigados. A irrigação com águas residuárias deverá adquirir importância crescente, exigindo atenção detalhada ao balanço entre o aporte de nutrientes via irrigação e as quantidades requeridas para a otimização da produtividade da cultura.
ABSTRACT
Wastewater irrigation may benefit agricultural crops with water and essential nutrients (mainly nitrogen), also affecting soil chemistry. The effects of effluent irrigation on yield, stalk nutrient uptake and on soil chemistry over 16 months were studied in a sugarcane (Saccharum spp.) crop growing on an Oxisol in Lins, State of São Paulo, Brazil. Irrigated plots received 50% of the recommended mineral-N fertilization and 100, 125, 150 or 200% of the crop water demand, while control plots received neither additional N nor water. The high sodium content of effluent resulted in Na inputs as high as 6.2 t ha-1, along with 1497 kg N ha-1 and 628 kg K ha-1. All the effluent plots except the T125 treatment had higher yields (up to 247 t ha-1) than the control (153 t ha-1). Significant amounts of N (up to 597 kg ha-1) and K (up to 546 kg ha-1) were exported by the plant harvest. Additions of nutrients and Na via irrigation were not compensated by stalk growth, causing a low recovery of N, P, Ca, Na, and showing the relative over N fertilization of the crop. Changes in soil pH, H + Al, Ca, Mg and K were small, whereas Na accumulated over time with irrigation. The treated wastewater irrigation is expected to gain increased importance, requiring careful considerations involving the adequate balance between nutritional inputs via irrigation and optimal plant productivity requirements.
A irrigação com águas residuárias pode beneficiar as culturas agrícolas com água e nutrientes essenciais (especialmente nitrogênio), afetando também a química do solo. Os efeitos da irrigação por 16 meses com efluente de esgoto na produtividade, extração de nutrientes pelo colmo, e nos atributos químicos do solo, foram estudados em um Latossolo cultivado com cana-de-açúcar (Saccharum spp.), situado em Lins, São Paulo. As parcelas irrigadas receberam 50% do N mineral recomendado e 100, 125, 150 ou 200% da demanda hídrica da cultura, enquanto o controle não recebeu N mineral e nem água. As elevadas concentrações de sódio do efluente ocasionaram um aporte de Na de até 6,2 t ha-1, juntamente com até 1497 kg N ha-1 e 628 kg K ha-1. Todas as parcelas irrigadas, com exceção do T125, apresentaram maior produtividade (até 247 t ha-1) do que o controle (153 t ha-1). Quantidades expressivas de N (até 597 kg ha-1) e de K (até 546 kg ha-1) foram exportadas através da colheita da cultura. As adições de nutrientes e de Na via irrigação não foram compensadas pelo crescimento da planta, ocasionando uma baixa recuperação de N, P, Ca e Na, evidenciando uma excessiva fertilização da planta (N). Alterações no solo de pH, H + Al, Ca, Mg e K, foram de pequena magnitude, enquanto houve acúmulo de Na trocável ao longo do tempo nos tratamentos irrigados. A irrigação com águas residuárias deverá adquirir importância crescente, exigindo atenção detalhada ao balanço entre o aporte de nutrientes via irrigação e as quantidades requeridas para a otimização da produtividade da cultura.
ABSTRACT
In many studies worldwide the use of treated sewage effluents (TSE) as water and nutrient sources in agricultural irrigation have been introduced as a viable alternative for wastewater destination in the environment. Considering agronomic and environmental aspects the objectives of this review were: (i) to present an overview of TSE irrigation on different agro-systems (annual crops, orchards, forests and forages); and (ii) to show the principal changes on chemical, physical and microbiological soil characteristics after TSE application. Various studies have revealed that the nutrient supply only by TSE irrigation was not sufficient to meet plant nutrient requirements resulting in yield decreases. The problem could be solved by an adapted effluent/fertilizer management. Moreover, TSE could generally substitute efficiently freshwater for irrigation. Regarding soil quality conditions, TSE irrigation affected mainly: (i) total soil carbon and nitrogen, and mineral nitrogen in soil solution; (ii) microbial activity, composition of microbial communities and their function; (iii) exchangeable calcium and magnesium; (iv) salinity, sodicity, clay dispersion and hydraulic conductivity. Other soil parameters considered in this review (e.g. heavy metals) did not present significant changes over short and medium terms. Due to the often observed accumulation of sodium and nitrogen losses (leaching, volatilization and denitrification) after TSE irrigation, the monitoring of these components is of crucial importance for a sustainable use. Finally, further studies on the technical-economical-environmental viability of TSE irrigation are required to establish reliable recommendations for TSE use particularly in Brazilian agro-systems.
O uso dos efluentes de tratamento de esgoto (ETEs) como fonte d'água e nutrientes na agricultura (via irrigação) tem sido, em diversos locais, uma alternativa viável para a disposição das águas residuárias no ambiente. Os objetivos dessa revisão foram: (i) enfocar aspectos agronômicos e ambientais concernentes ao uso de ETEs em diferentes agrossistemas (culturas anuais, fruticultura, florestas e forragens); (ii) enfatizar as principais mudanças nas características químicas, físicas e microbiológicas dos solos irrigados com ETEs. Foram observados que, em diversos trabalhos, a irrigação com ETEs não foi suficiente para atender a demanda nutricional das plantas, resultando em diminuição no rendimento. Esse problema poderia ser resolvido mediante adequação do manejo da fertilização e irrigação. Além disso, os ETEs poderiam substituir eficientemente a água doce normalmente empregada na irrigação. Quanto a qualidade de solo, a irrigação com ETEs tem alterado principalmente os parâmetros: (i) carbono total e nitrogênio total no solo e nitrogênio mineral na solução no solo; (ii) atividade, composição e função da comunidade microbiana; (iii) cálcio e magnésio trocáveis; (iv) salinidade, sodicidade, dispersão de argilas e condutividade hidráulica. Outros parâmetros de qualidade de solo (por exemplo, metais pesados) não apresentaram mudanças significativas em curto e médio prazo. O monitoramento da acumulação de sódio e das perdas de nitrogênio (lixiviação, volatilização e denitrificação) é crucial para o uso sustentável dos ETEs na irrigação. Finalmente, mais estudos são necessários para mostrar a viabilidade técnico-econômico-ambiental, objetivando-se a recomendação segura dos ETEs na irrigação dos agrossistemas brasileiros.
ABSTRACT
In many studies worldwide the use of treated sewage effluents (TSE) as water and nutrient sources in agricultural irrigation have been introduced as a viable alternative for wastewater destination in the environment. Considering agronomic and environmental aspects the objectives of this review were: (i) to present an overview of TSE irrigation on different agro-systems (annual crops, orchards, forests and forages); and (ii) to show the principal changes on chemical, physical and microbiological soil characteristics after TSE application. Various studies have revealed that the nutrient supply only by TSE irrigation was not sufficient to meet plant nutrient requirements resulting in yield decreases. The problem could be solved by an adapted effluent/fertilizer management. Moreover, TSE could generally substitute efficiently freshwater for irrigation. Regarding soil quality conditions, TSE irrigation affected mainly: (i) total soil carbon and nitrogen, and mineral nitrogen in soil solution; (ii) microbial activity, composition of microbial communities and their function; (iii) exchangeable calcium and magnesium; (iv) salinity, sodicity, clay dispersion and hydraulic conductivity. Other soil parameters considered in this review (e.g. heavy metals) did not present significant changes over short and medium terms. Due to the often observed accumulation of sodium and nitrogen losses (leaching, volatilization and denitrification) after TSE irrigation, the monitoring of these components is of crucial importance for a sustainable use. Finally, further studies on the technical-economical-environmental viability of TSE irrigation are required to establish reliable recommendations for TSE use particularly in Brazilian agro-systems.
O uso dos efluentes de tratamento de esgoto (ETEs) como fonte d'água e nutrientes na agricultura (via irrigação) tem sido, em diversos locais, uma alternativa viável para a disposição das águas residuárias no ambiente. Os objetivos dessa revisão foram: (i) enfocar aspectos agronômicos e ambientais concernentes ao uso de ETEs em diferentes agrossistemas (culturas anuais, fruticultura, florestas e forragens); (ii) enfatizar as principais mudanças nas características químicas, físicas e microbiológicas dos solos irrigados com ETEs. Foram observados que, em diversos trabalhos, a irrigação com ETEs não foi suficiente para atender a demanda nutricional das plantas, resultando em diminuição no rendimento. Esse problema poderia ser resolvido mediante adequação do manejo da fertilização e irrigação. Além disso, os ETEs poderiam substituir eficientemente a água doce normalmente empregada na irrigação. Quanto a qualidade de solo, a irrigação com ETEs tem alterado principalmente os parâmetros: (i) carbono total e nitrogênio total no solo e nitrogênio mineral na solução no solo; (ii) atividade, composição e função da comunidade microbiana; (iii) cálcio e magnésio trocáveis; (iv) salinidade, sodicidade, dispersão de argilas e condutividade hidráulica. Outros parâmetros de qualidade de solo (por exemplo, metais pesados) não apresentaram mudanças significativas em curto e médio prazo. O monitoramento da acumulação de sódio e das perdas de nitrogênio (lixiviação, volatilização e denitrificação) é crucial para o uso sustentável dos ETEs na irrigação. Finalmente, mais estudos são necessários para mostrar a viabilidade técnico-econômico-ambiental, objetivando-se a recomendação segura dos ETEs na irrigação dos agrossistemas brasileiros.
ABSTRACT
The addition of Na-rich anthropogenic residues to tropical soils has stimulated the scientific community to study the role of sodium in both the soil solution and the exchange complex. In this study, several different methods were used to calculate the concentration of exchangeable and soluble cations and this data was then used to establish correlations between the level of these cations and both the accumulation of various elements and the dry weight of maize grown in a greenhouse under different conditions. In the closed environments of the pots, the most suitable method for calculating the effective cation exchange capacity (ECEC) was the cation exchange capacity calculated by cations removed with barium chloride solution (CEC S). Then again, the actual cation exchange capacity (CEC A) should be measured by using Mg adsorption to prevent ionic force from influencing electric charges. A strong positive correlation was obtained between the concentrations of Na in the 1:2 soil:water extracts and the accumulation of Na in the maize plants, indicating saline or double acid extractors are not needed when monitoring the Na concentration only.
A disposição de resíduos antropogênicos ricos em sódio nos solos tropicais tem despertado o interesse da comunidade científica em estudar a participação deste elemento no complexo de troca, bem como na solução no solo. Objetivou-se neste trabalho estabelecer correlações entre as concentrações de cátions trocáveis e de cátions solúveis, obtidos por diferentes métodos, com o acúmulo de elementos e com a massa seca no milho. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, sob diferentes condições. Para experimentos em ambiente fechado (vasos), o método mais indicado para o cálculo da capacidade de troca catiônica efetiva (CTCe) é a capacidade de troca catiônica calculada a partir dos cátions removidos com solução de cloreto de bário. Ainda, a capacidade de troca catiônica atual deve ser medida ao pH do solo pela adsorção de Mg, para evitar a influência da força iônica nas cargas elétricas. Obteve-se alta correlação positiva entre a concentração de Na no extrato aquoso 1:2 e o acúmulo deste elemento nas plantas, indicando que quando somente o monitoramento do Na for necessário, pode-se desprezar o uso dos extratores salino ou duplo ácido.
ABSTRACT
The addition of Na-rich anthropogenic residues to tropical soils has stimulated the scientific community to study the role of sodium in both the soil solution and the exchange complex. In this study, several different methods were used to calculate the concentration of exchangeable and soluble cations and this data was then used to establish correlations between the level of these cations and both the accumulation of various elements and the dry weight of maize grown in a greenhouse under different conditions. In the closed environments of the pots, the most suitable method for calculating the effective cation exchange capacity (ECEC) was the cation exchange capacity calculated by cations removed with barium chloride solution (CEC S). Then again, the actual cation exchange capacity (CEC A) should be measured by using Mg adsorption to prevent ionic force from influencing electric charges. A strong positive correlation was obtained between the concentrations of Na in the 1:2 soil:water extracts and the accumulation of Na in the maize plants, indicating saline or double acid extractors are not needed when monitoring the Na concentration only.
A disposição de resíduos antropogênicos ricos em sódio nos solos tropicais tem despertado o interesse da comunidade científica em estudar a participação deste elemento no complexo de troca, bem como na solução no solo. Objetivou-se neste trabalho estabelecer correlações entre as concentrações de cátions trocáveis e de cátions solúveis, obtidos por diferentes métodos, com o acúmulo de elementos e com a massa seca no milho. O experimento foi conduzido em casa de vegetação, sob diferentes condições. Para experimentos em ambiente fechado (vasos), o método mais indicado para o cálculo da capacidade de troca catiônica efetiva (CTCe) é a capacidade de troca catiônica calculada a partir dos cátions removidos com solução de cloreto de bário. Ainda, a capacidade de troca catiônica atual deve ser medida ao pH do solo pela adsorção de Mg, para evitar a influência da força iônica nas cargas elétricas. Obteve-se alta correlação positiva entre a concentração de Na no extrato aquoso 1:2 e o acúmulo deste elemento nas plantas, indicando que quando somente o monitoramento do Na for necessário, pode-se desprezar o uso dos extratores salino ou duplo ácido.