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Soil recovery and occasional tillage in regenerative agricultural systems of the Brazilian Cerrado: carbon dynamics, proximal sensing and machine learning

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Universidade Federal de Lavras

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Escola de Ciências Agrárias de Lavras (ESAL)

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Departamento de Ciência do Solo

Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo

Agência de fomento

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) – Processo 40582/2022-3.

Tipo de impacto

Sociais
Tecnológico
Econômicos

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Meio ambiente
Tecnologia e produção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
ODS 5: Igualdade de gênero
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima
ODS 15: Vida terrestre
ODS 17: Parcerias e meios de implementação

Dados abertos

Resumo

A conversão da vegetação nativa para sistemas agrícolas intensivos no Cerrado brasileiro resultou em expressivas perdas de carbono orgânico do solo, comprometendo atributos físicos essenciais ao funcionamento dos agroecossistemas e gerando uma dívida de carbono que representa um desafio para a sustentabilidade da agricultura tropical. Embora a agricultura regenerativa seja reconhecida como uma estratégia promissora para restaurar a saúde do solo, permanecem lacunas sobre a recuperação das frações do carbono orgânico após perturbações mecânicas ocasionais e sobre métodos capazes de monitorar essas mudanças. Assim, esta tese teve como objetivo compreender a recuperação do carbono orgânico e da qualidade do solo em sistemas regenerativos de soja-algodão no Cerrado brasileiro e avaliar o potencial da integração de sensores próximos, como fluorescência de raios-X portátil (pXRF), espectroscopia de reflectância difusa na região do visível e infravermelho próximo (Vis-NIR) e infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), e algoritmos de aprendizado de máquina para predizer estoques de carbono e atributos físicos e químicos do solo. O estudo foi conduzido em Latossolos da região dos Parecis, Mato Grosso, utilizando áreas de Cerrado nativo e áreas agrícolas sob plantio direto regenerativo com um, seis e dez anos de recuperação após uma única subsolagem estratégica, realizada para aliviar a compactação do solo. Amostras coletadas até 1,0 m de profundidade foram utilizadas para determinar estoques de carbono orgânico total, carbono orgânico particulado (POC), carbono associado aos minerais (MAOC), nitrogênio total e atributos físicos e químicos do solo, além da aquisição de informações elementares e espectrais pelos sensores. Os resultados demonstraram que a recuperação do carbono ocorreu de forma distinta entre as frações e ao longo do perfil. O MAOC apresentou recuperação progressiva, sobretudo abaixo de 20 cm, aproximando-se ou superando os valores observados sob vegetação nativa em parte do perfil. Em contraste, o POC permaneceu como o principal componente da dívida de carbono após dez anos de recuperação, evidenciando que sua recomposição depende do aumento contínuo dos aportes de biomassa e da reconstrução da estrutura do solo. Observaram-se melhorias graduais na agregação, porosidade e retenção de água, indicando que a recuperação da funcionalidade do solo está associada a mudanças na estrutura e nos processos de estabilização do carbono. Os modelos preditivos apresentaram elevado desempenho para estimar estoques de carbono, frações funcionais da matéria orgânica, nitrogênio e diversos atributos físicos e químicos, demonstrando que a integração entre pXRF, FTIR e Vis-NIR aumenta a capacidade preditiva em relação ao uso individual dos sensores. Os resultados demonstram que a agricultura regenerativa favorece a reestruturação gradual da funcionalidade dos Latossolos do Cerrado e que a combinação entre sensoriamento proximal e aprendizado de máquina constitui uma abordagem robusta para o monitoramento da saúde do solo. Ao integrar processos de estabilização do carbono com tecnologias de diagnóstico, esta tese amplia a compreensão sobre a regeneração de solos tropicais e fornece bases científicas para programas de agricultura de baixo carbono, monitoramento, reporte e verificação (MRV), certificação ambiental e avaliação da sustentabilidade de sistemas agrícolas regenerativos.

Abstract

The conversion of native vegetation to intensive agricultural systems in the Brazilian Cerrado has resulted in substantial losses of soil organic carbon, compromising physical properties essential to agroecosystem functioning and generating a carbon debt that poses a challenge to the sustainability of tropical agriculture. Although regenerative agriculture is recognized as a promising strategy for restoring soil health, knowledge gaps remain regarding the recovery of organic carbon fractions following occasional mechanical disturbances and the methods available to monitor these changes. Therefore, this thesis aimed to understand the recovery of soil organic carbon and soil quality in regenerative soybean–cotton systems in the Brazilian Cerrado and to evaluate the potential of integrating proximal sensors, including portable X-ray fluorescence (pXRF), visible and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy (Vis-NIR), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), with machine-learning algorithms to predict carbon stocks and soil physical and chemical properties. The study was conducted on Oxisols in the Parecis region of Mato Grosso, using areas of native Cerrado vegetation and agricultural fields under regenerative no-tillage with one, six, and ten years of recovery following a single strategic subsoiling operation performed to alleviate soil compaction. Soil samples collected to a depth of 1.0 m were used to determine total soil organic carbon stocks, particulate organic carbon (POC), mineral-associated organic carbon (MAOC), total nitrogen, and soil physical and chemical properties, in addition to acquiring elemental and spectral information from the sensors. The results showed that carbon recovery differed among carbon fractions and throughout the soil profile. MAOC showed progressive recovery, particularly below 20 cm, approaching or exceeding the values observed under native vegetation in parts of the soil profile. In contrast, POC remained the main component of the carbon debt after ten years of recovery, indicating that its replenishment depends on sustained increases in biomass inputs and the rebuilding of soil structure. Gradual improvements in soil aggregation, porosity, and water retention were also observed, indicating that the recovery of soil functionality is associated with changes in soil structure and carbon stabilization processes. The predictive models showed high performance in estimating carbon stocks, functional organic matter fractions, nitrogen, and several soil physical and chemical properties, demonstrating that the integration of pXRF, FTIR, and Vis-NIR improves predictive capability compared with the use of individual sensors. The results demonstrate that regenerative agriculture promotes the gradual restoration of soil functionality in Cerrado Oxisols and that the combination of proximal sensing and machine learning provides a robust approach for monitoring soil health. By integrating carbon stabilization processes with advanced diagnostic technologies, this thesis advances the understanding of tropical soil regeneration and provides a scientific basis for low-carbon agriculture programs, monitoring, reporting and verification (MRV), environmental certification, and sustainability assessment of regenerative agricultural systems.

Descrição

Área de concentração

Recursos Ambientais e Uso da Terra

Linha de pesquisa

Conservação do Solo e da Água

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

ISBN

DOI

Citação

SILVA DE SÁ, Rafaella Tatiane. Soil recovery and occasional tillage in regenerative agricultural systems of the Brazilian Cerrado: carbon dynamics, proximal sensing and machine learning. 2026. 149 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) — Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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