Como Maximizar a Eficiência dos Fertilizantes Fosfatados?

Introdução

A disponibilidade global de fósforo (P) nos solos é geralmente baixa, tornando a adubação essencial para garantir a produtividade agrícola e a segurançaa limentar (Tilman et al., 2011). Com a previsão de um aumento de 100-110% na demanda global de alimentos até 2050, espera-se uma intensificação da exploração de áreas agrícolas, resultando em uma maior necessidade de fertilizantes, sobretudo os fosfatados (Tilman et al., 2011). No entanto, os fertilizantes produzidos a partir de rochas fosfáticas podem reduzir sua disponibilidade natural em 60% até o ano de 2100 (Van Vuuren et al., 2010). Dada a falta de substitutos para o P e os limites nas reservas globais de rochas fosfáticas, os custos destes fertilizantes podem aumentar. Portanto, destaca-se a importância do aumento de eficiência no uso desses fertilizantes para manter a produtividade agrícola e a segurança alimentar global.

O P é um dos 14 elementos minerais essenciais para o desenvolvimento das plantas (Fraústo da Silva & Williams, 2001) sendo absorvido do solo na forma de ortofosfato (H2PO4- e HPO42⁻), desempenhando um papel crucial em processos metabólicos. Tais como, componente de ácidos nucléicos, nucleotídeos, membranas fosfolipídicas e coenzimas. Ainda, o P está envolvido na codificação genética, captura e transferência de energia, desenvolvimento celular e modificações proteicas (Fraústo da Silva &Williams, 2001).

O solo é o principal reservatório acessível de P em sistemas terrestres, com concentrações médias de 1.000 a 800 mg/kg na crosta terrestre e nos solos, respectivamente. A gestão eficaz dos fertilizantes fosfatados em solos agrícolas visa suprir a demanda das plantas, minimizando as perdas, embora seja desafiador devido à forte ligação do P nos óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio, da fase sólida do solo (Bowen, 1979; Sparks, 2003).

Em solos tropicais, a fixação de P com a fase sólida do solo é grande, resultando em um aproveitamento pelas plantas na faixa entre 5 a 25% do P aplicado como fertilizante. A adsorção de P é mais acentuada em solos tropicais altamente intemperizados, com baixo pH e prevalência de óxidos de ferro e alumínio, em comparação com solos de regiões temperadas (Maluf et al., 2018).

Entretanto, em ambientes bem manejados, estudos indicam que esses fertilizantes podem apresentar uma menor perda, proporcionando uma maior eficiência agronômica ao maximizar a absorção pelas plantas, contribuindo assim para o aumento da produtividade das culturas agrícolas (Nunes et al., 2023).

Dinâmica do P no solo

O P no solo assume várias formas químicas, incluindo o P inorgânico (Pi) e o P orgânico (Po). Geralmente, o Pi representa de 35 a 75% do P total no solo (Harrison, 1987). Minerais primários de P, como apatita, estrengita e variscita, são altamente estáveis, e a liberação de P disponível desses minerais ocorre de forma lenta, dificultando o suprimento da demanda das culturas. Já os minerais secundários de P, contendo cálcio (Ca), ferro (Fe) e alumínio (Al), têm taxas de dissolução variáveis conforme o tamanho das partículas e o pH do solo (Hinsinger, 2001, Pierzynski et al., 2005, Antelo et al., 2005; Pavinato et al., 2009). O P adsorvido em diversas argilas e óxidos de Fe e Al pode ser liberado por meio de reações de dessorção, representando um equilíbrio complexo entre formas estáveis, com disponibilidade moderada, e frações disponíveis para as plantas, como o P lábil e P em solução (Figura 1).

A fração não lábil de P está fortemente ligada por uma reação bidentada, aos coloides do solo, sendo predominantemente indisponível para as plantas e constituindo a maior parte do P presente no solo. Em solos ácidos, o P é adsorvido principalmente por Al e Fe, formando complexos com minerais como gibbsita, hematita e goethita (Parfitt, 1989) que limitam a disponibilidade do P para as plantas (Arai & Sparks, 2007).

O processo de fixação do P é desencadeado pela atração eletrostática entre as cargas do íon fosfato (H2PO4⁻) e as cargas positivas da argila. A adsorção subsequente envolve a troca de ligantes, como OH– e OH2+, da superfície dos óxidos, pelo H2PO4– presente na solução (Figura 1). A fixação ocorre quando ocorrem duas ligações coordenadas com a superfície da argila, diferentemente de uma única ligação, essas duas ligações impedem a dessorção do P (Sposito, 2008).

Figura 1. Ilustração das formas de fósforo no solo divididos em P em solução, P lábil e P fixado. Também é apresentado o esquema da absorção do P por meio de ligações mono e bidentadas, demostrando a formação de fosforo lábil para não lábil no solo (Fonte: Figura criada pelo autor)

Nos solos, o P-orgânico (Po), representa de 30% a 65% do total de P nos solos (Harrison, 1987). O Po está predominantemente em formas estáveis, como fosfonatos, e em formas ativas, como diésteres de ortofosfato, monoésteres de ortofosfato lábeis e polifosfatos orgânicos (Turner et al., 2005). A liberação do Po ocorre por meio de processos de mineralização, mediados por organismos do solo e raízes de plantas, associados à secreção de fosfatase. Esses processos são influenciados pela umidade do solo, temperatura, propriedades físico-químicas da superfície, pH e Eh do solo (potencial redox). A transformação do Po exerce uma influência significativa na biodisponibilidade global do fósforo no solo (Turner et al., 2005).

Adicionalmente, as substâncias húmicas presentes no solo ou adicionada aos fertilizantes desempenham um papel crucial na disponibilidade do P. Derivadas da decomposição de matéria orgânica, essas substâncias têm a capacidade de complexar íons metálicos e interagir com o P, formando complexos orgânicos que reduzem a fixação do desse nutriente pelos coloides do solo. A presença de substâncias húmicas promove a solubilização do P, tornando-o mais acessível às plantas (Stevenson, 1994).

Dinâmica do P na rizosfera

A rizosfera constitui a zona crítica de interações dinâmicas entre plantas, solos e microrganismos. As raízes das plantas desempenham um papel crucial na modificação do ambiente da rizosfera, influenciando os processos químicos e biológicos por meio de atividades fisiológicas, como a exsudação de compostos orgânicos, incluindo ácidos orgânicos, fosfatases e substâncias sinalizadoras específicas. Esses compostos são impulsionadores fundamentais de várias dinâmicas na rizosfera, determinando não apenas a mobilização e aquisição de nutrientes do solo, mas também a dinâmica microbiana (figura 2). Esses processos, por sua vez, têm um impacto substancial na eficiência do uso de nutrientes nas culturas, exercendo influência direta sobre sua produtividade (Hinsinger et al., 2009; Richardson et al., 2009).

O P, devido à sua baixa solubilidade e mobilidade no solo, enfrenta o risco de esgotamento na rizosfera devido à absorção pelas raízes, resultando em um gradiente de concentração de P que diminui radialmente a partir da superfície da raiz. Apesar de o teor total de P no solo muitas vezes exceder as necessidades das plantas, a limitada mobilidade restringe sua disponibilidade. Na rizosfera, o P na solução do solo deve ser substituído de 20 a 50 vezes por dia, fornecendo P da fase sólida do solo para atender às demandas das plantas (Marschner, 1995). Portanto, a dinâmica do P na rizosfera é, em grande parte, governada pelo crescimento e função das raízes, estando fortemente interligada às propriedades físicas, químicas e biológicas do solo (Neumann & Römheld, 2002).

Devido às características únicas do P no solo, como sua baixa solubilidade, mobilidade restrita e forte fixação pela matriz do solo, a disponibilidade de P para as plantas é predominantemente regulada por dois processos principais. Em primeiro lugar, a disponibilidade espacial e aquisição de P estão relacionadas à arquitetura da raiz da planta e à associação micorrízica. Em segundo lugar, a biodisponibilidade e aquisição de P são determinadas pelos processos químicos e biológicos específicos que ocorrem na rizosfera. Essa interação complexa destaca a importância de compreender e gerenciar a dinâmica do P na rizosfera para otimizar a disponibilidade desse nutriente vital para o desenvolvimento das plantas (Shen et al., 2011).

Figura 2. Dinâmica do fósforo na rizosfera das plantas divididos em aquisição de fósforo, distribuição espacial e biodisponibilidade (Fonte: Adaptado de Shen et al., 2011)

Fertilizantes fosfatados de eficiência aprimorada

De acordo com o Instituto Internacional de Nutrição Vegetal (IPNI), o consumo de fertilizantes fosfatados no Brasil (um dos líderes mundiais na produção e exportação de produtos agrícolas) era de 5 mil toneladas no final de 2016 e esse número era 3 vezes maior ao índice registrado para o mundo. O manejo adequado de fertilizantes é crucial do ponto de vista econômico, para maximizar a produtividade e lucratividade, otimizar o uso do solo e reduzir a necessidade de novas áreas cultivadas (Benício et al., 2017).

Além disso, os possíveis “efeitos colaterais” do manejo incorreto de fertilizantes fosfatados devem ser considerados, especificamente poluição de cursos d’água ou outras águas superficiais perto de campos de cultivo por nutrientes. Resultando na eutrofização que é o crescimento excessivo de plantas e algas na água reduzindo a sua qualidade (Beegle et al., 2002).

As técnicas agrícolas convencionais são frequentemente associadas ao manejo inadequado de fertilizantes e ao uso ineficiente de nutrientes pelas plantas, levando a baixos rendimentos e potenciais danos ao meio ambiente. As aplicações excessivas de P, de forma geral, são inúteis, pois ele fica indisponível para as plantas devido à imobilização por precipitação com cátions, especialmente Fe3 + e Al3+ (Gyaneshwar et al., 2002). O uso de fertilizantes de eficiência aprimorada evita a aplicação excessiva de fertilizantes fosfatados, evitando sua imobilização no solo e proporcionando uma disponibilidade mais constante de fosfato após a fertilização do solo (Da Cruz et al., 2017). Portanto, o real efeito desses materiais tem a ver com o estoque de fosfato para fertilidade do solo disponível para uso em colheitas futuras.

Os ácidos orgânicos podem bloquear os sítios de adsorção do P, reduzindo a adsorção desse nutriente (Borggaard et al., 2005). Esses ácidos orgânicos, além de complexar o ferro e o alumínio presentes na solução do solo, complexam o P reduzindo a precipitação, desse modo, os compostos orgânicos de P tem a sua disponibilidade aumentada (Andrade et al., 2013). Assim, fertilizantes fosfatados associados a ácidos orgânicos diminuem a adsorção de P pelo solo e aumentam a sua disponibilidade às plantas (Ruiz et al., 1988). Essa mistura reduz a adsorção de P, protegendo-o quimicamente (por meio da manutenção do P na solução ao redor dos grânulos de ácidos orgânicos) (Figura 2).

De acordo com Guppy et al. (2005), os ácidos orgânicos se ligam com ferro e alumínio na solução do solo ou competem por sítios de adsorção na matriz do solo. Em ambos os casos reduz a intensidade de adsorção/precipitação e, consequentemente, afeta diretamente a disponibilidade de P (Figura 2).

Figura 3. Esquema demostrando o processo de solubilização do fertilizante fosfatado convencional e o fertilizante com com a tecnologia MaxxiPhos da ICL com recobrimento de polímeros + ácidos orgânicos. No fertilizante convencional o H2PO4- liberado para a solução do solo se liga com os óxidos de Fe e Al, já na tecnologia MaxxiPhos da ICL os polímeros + ácidos orgânicos formam uma barreira e assim retardam a ligação do H2PO4- com esses minerais do solo.

Alternativas tecnológicas têm sido estudadas para aumentar a disponibilidade de P em solos tropicais (Stauffer et al., 2019). Atualmente, fertilizantes fosfatados revestidos com polímero são usados para disponibilizar P gradualmente às plantas e aumentar a disponibilidade desse nutriente por longos períodos (Figura 2) (Trenkel, 2010).

Os fertilizantes fosfatados revestidos com polímeros, possuem características que afetam a entrada de água nas microfissuras dos grânulos do fertilizante, podem oferecer maior controle sobre a dissolução de P e, possivelmente, sobre a disponibilidade de P. Atualmente, fertilizantes fosfatados revestidos com polímero são usados na tentativa de aumentar a eficiência do fertilizante e prolongar o período durante o qual os nutrientes estarão disponíveis (Trenkel, 2010). Para o P, os revestimentos poliméricos não só levam à sua liberação gradual para a solução do solo, mas também reduzem a intensidade de sua adsorção ao fornecer proteção física, minimizando o contato direto do fertilizante com a superfície coloidal. Figueiredo et al. (2012) avaliaram o efeito na produção de milho da aplicação de fertilizante fosfatado revestido com polímero, constataram que o revestimento polimérico promoveu um aumento de 3,48 t ha-1 em relação ao produto não revestido. Resultado semelhante foi encontrado por Cruz et al. (2017) ao estudarem o efeito do fertilizante DAP revestido com polímeros na disponibilidade de P em um latossolo. Segundo os autores, o revestimento do DAP com polímeros aumentou a disponibilidade de P devido a sua liberação mais lenta e menor tempo de contato e interação do P com os coloides do solo.

Os fertilizantes de eficiência aprimorada têm potencial para melhorar a liberação de nutrientes e reduzir o impacto ambiental em comparação aos fertilizantes minerais convencionais. Materiais de revestimento inorgânicos e/ou orgânicos podem ser usados como barreiras de difusão para produzir fertilizantes de eficiência aprimorada e para controlar a taxa de liberação de fósforo (Bernardo et al., 2018).

Ácidos orgânicos no desenvolvimento de plantas

As substâncias húmicas são as principais componentes da matéria orgânica do solo, são objeto de estudo em várias áreas da agricultura, como química do solo, fertilidade, fisiologia vegetal, bem como ciências ambientais, devido aos múltiplos papéis desempenhados por esses materiais que podem beneficiar muito o crescimento das plantas (Tan, 1998 ). Elas são compostas por diferentes complexos nitrogenados compreendendo grupo amino em decomposição e complexos aromáticos (Arjumend et al., 2015).

Na presença de grupos carboxila (COOH-) e fenólicos (OH-), esses complexos orgânicos afetam as propriedades do solo e as propriedades fisiológicas das plantas (Robert et al., 2014). Os ácidos fúlvicos têm envolvimento direto e indireto no crescimento das plantas (Sharif et al., 2002). A agregação do solo, aeração, crescimento microbiano, mineralização da matéria orgânica, capacidade de retenção de água e transporte de macro e micronutrientes são aprimorados indiretamente na presença de substâncias húmicas (Saruhan et. al., 2011; Daur et al., 2013).

Devido as propriedades de complexação, vários micronutrientes são ainda complexados com ácidos húmicos para formar quelatos orgânicos (Barron et al., 1981). Esses quelatos são utilizados para superar uma deficiência específica no solo e são usados sempre que necessário na regulação do crescimento das plantas (Yingei et al., 1988). Já foi amplamente reportado na literatura que os ácidos orgânicos tem influência na absorção de íons do solo, tal como fosfato em beterraba (Vaughan e MacDonald, 1971), NO3- , SO42− e K em aveia e cevada ( Maggioni et al., 1987) além de micronutrientes no milho (Sharif et al., 2002).
Múltiplos processos vegetais são afetados por substâncias húmicas, incluindo atividade enzimática, metabolismo de proteínas, fotossíntese, respiração e absorção de água e nutrientes. Esses mecanismos foram estudados por envolver fluxos de hormônios, hidroxiprolina: prolina, permeabilidade da membrana da célula, componentes de transporte de cadeia de elétrons, atividade de radicais livres dentro da estrutura húmica e espécies reativas de oxigênio em plantas (Vaughan & Malcolm, 1985; Vaughan et al., 1985; Vaughan, 1986; Visser, 1986; Berbara & Garcia, 2014; Calvo et al., 2014). Pesquisas recentes abordaram a atividade do H+-Enzima ATPase (Zandonadi et al., 2013; Calvo et al., 2014; Canellas & Olivares, 2014), que está localizada na membrana celular e bombeia prótons para fora da célula, criando um gradiente eletroquímico através da membrana que pode ser explorado por outros transportadores ligados à membrana para importar nutrientes, que por sua vez atraem água. Sob condições controladas, esses efeitos estão associados a mudanças benéficas nos fluxos de hormônios vegetais (Mora et al., 2010). Lazzarini et al. (2014) observaram resposta no crescimento de raízes de cana-de-açúcar com a aplicação de substâncias húmicas (Figura 4).

No geral, os caracteres fisiológicos das plantas são diretamente afetados pelos ácidos húmicos e fúlvicos que são conhecidos principalmente por aumentar o crescimento das raízes e a absorção de nutrientes (Eyheraguibel et al., 2008), porém há outras atividades pelas quais Assim como ocorre para o P, a biodisponibilidade dos micronutrientes depende do pH do solo e de sua fertilidade, bem como da presença de outros íons (sinergismo ou antagonismo) (Barker & Pilbeam, 2015). A tabela 1 mostra a influência de micronutrientes na fisiologia da planta e apresenta os sintomas relacionados às deficiências.

Figura 4. Sistema radicular de cana-de-açúcar submetida (b) ou não (a) a aplicação de substância húmicas (Lazzarini et al. 2014).

Importância dos micronutrientes em fertilizantes fosfatados

Os solos brasileiros, embora vastos e diversificados, na maioria do território apresentam baixa disponibilidade de nutrientes para o desenvolvimento das plantas (Figura 5) (Embrapa, 2018). A diversidade geológica, desde Latossolos altamente intemperizados até Argissolos mais jovens, resulta em intensa perda de nutrientes, especialmente minerais solúveis em água, resultando em solos ácidos e empobrecidos (Embrapa, 2018).
A acidez do solo, influenciada pela presença de minerais como gibbsita e goethita, é comum, reduzindo a disponibilidade de nutrientes, como fósforo e cálcio, comprometendo a absorção pelas raízes (Malavolta et al., 1997). Além disso, a erosão do solo, derivada do uso inadequado, contribui para a perda física, química e biológica, afetando negativamente a capacidade de sustentar culturas. A intensificação da produção agrícola, caracterizada por cultivo extensivo e monocultura, pode esgotar rapidamente os nutrientes do solo, diminuindo sua fertilidade ao longo do tempo (Embrapa, 2018).

Figura 5. Disponibilidade de nutrientes variando de muito restrito a sem restrição no território brasileiro (Lopes & Fox, 1977).

Pelas funções que desempenham na planta os micronutrientes não podem ser substituídos por outros componentes e são cruciais para o desenvolvimento correto das plantas. Devido ao avanço das áreas agrícolas no Brasil e a busca de fertilizantes mais concentrados focou-se em fertilizantes químicos incluíam apenas macronutrientes, principalmente o nitrogênio, fósforo e potássio. Com o uso de sistemas de produção mais intensos, os solos começaram a empobrecer seus reservatórios de micronutrientes e os fertilizantes com micronutrientes tornaram-se necessários (Duhan et al., 2017).

Embora o conteúdo total de micronutrientes no solo (boro, zinco, cobre, ferro, manganês) pareça suficiente, os níveis de biodisponibilidade e formas solúveis são insuficientes para atender às necessidades das plantas. Por exemplo, o zinco disponível para plantas no solo é de apenas 1% do zinco total (Gupta, 2005).
Os micronutrientes são de grande importância para o crescimento adequado das plantas e desempenham um papel fundamental na definição de sua morfologia e anatomia. A deficiência de apenas um dos micronutrientes pode causar doenças e comprometer o seu desenvolvimento e produtividade. Na figura 6 observar-se o efeito da presença e ausência de boro em plantas de canola, soja e milho suficientes e deficientes em boro influenciando diretamente o crescimento radicular.

Figura 6. Efeito do baixo e adequado suprimento de boro no sistema radicular de canola, soja e milho. Imagem: Dr. Ismail Cakmak (Sabanci University).

Assim como ocorre para o P, a biodisponibilidade dos micronutrientes depende do pH do solo e de sua fertilidade, bem como da presença de outros íons (sinergismo ou antagonismo) (Barker & Pilbeam, 2015). A tabela 1 mostra a influência de micronutrientes na fisiologia da planta e apresenta os sintomas relacionados às deficiências.

Tabela 1. . Papel dos micronutrientes no crescimento das plantas.