Soil tillage, fertilization, and conservation practices for improving coffee yield, quality, and sustainability in Brazil

Abstract

Coffee cultivation in Brazil occurs under a wide range of edaphoclimatic and topographic conditions, necessitating site-specific soil management strategies to ensure sustainable productivity. This doctoral thesis aimed to evaluate the effects of deep soil tillage, organic and mineral fertilization, and land-shaping practices on soil fertility, nutrient dynamics, root development, nutrient export, and coffee productivity (Coffea arabica and Coffea canephora) in different cultivars under contrasting environmental conditions. The first chapter investigated the influence of deep tillage, combined with organic and mineral fertilization, on root development, carbon dynamics, and biological activity in a cohesive soil under Coffea canephora cultivation. The results showed that deep tillage significantly promoted root system expansion, especially in deeper soil layers, increased carbon stocks, and enhanced biological activity throughout the soil profile, contributing to a more resilient rhizosphere environment. The second chapter focused on a Coffea arabica production system under both irrigated and rainfed conditions. It was observed that deep tillage, in combination with organic and mineral inputs, improved nutrient availability, enhanced soil fertility throughout the soil profile, and increased coffee yield. These findings reinforce the importance of integrating physical and nutritional soil management regardless of water availability. In the third chapter, nutrient export via harvested beans was quantified in different Coffea arabica cultivars grown in the Cerrado Mineiro. It was found that nutrient export by coffee fruits in this region is more strongly influenced by yield levels than by genotypic differences among cultivars. The final chapter presents a technical bulletin on the use of bench terraces for coffee cultivation in mountainous areas. It outlines the principles of topographic surveying, terrace design, and construction, with a focus on soil conservation practices and practical recommendations for the sustainable implementation of this technique in sloped landscapes. Taken together, the results of this thesis demonstrate that the adoption of integrated soil management practices, including deep tillage, the use of organic inputs, mineral fertilization, and conservation-oriented terracing, contributes to improved soil fertility, enhanced root performance, greater nutrient use efficiency, and sustained coffee productivity across diverse agricultural zones in Brazil.Keywords: Coffea arabica, Coffea canephora, terracing, cattle manure, nutrient extractionA cafeicultura no Brasil ocorre em uma ampla variedade de condições edafoclimáticas e topográficas, o que demanda estratégias de manejo do solo específicas para cada ambiente, visando à sustentabilidade da produtividade. Esta tese de doutorado teve como objetivo avaliar os efeitos do preparo profundo do solo, da adubação orgânica e mineral e das práticas de adequação do relevo sobre a fertilidade do solo, a dinâmica de nutrientes, o desenvolvimento radicular, a exportação de nutrientes em diferentes cultivares de café arábica e na produtividade do cafeeiro (Coffea arabica e Coffea canephora) em diferentes condições ambientais. O primeiro capítulo avaliou a influência do preparo profundo do solo, associado à adubação orgânica e mineral, sobre o desenvolvimento radicular, a dinâmica do carbono e atividade biológica em um solo coeso na cultura de Coffea canephora. Os resultados demonstraram que o preparo profundo favoreceu significativamente a expansão do sistema radicular, especialmente em camadas mais profundas do solo, aumentando os estoques de carbono e melhorando a atividade biológica do solo ao longo do perfil, contribuindo para um ambiente rizosférico mais resiliente. O segundo capítulo abordou um sistema de produção de Coffea arabica sob condições irrigadas e de sequeiro. Observou-se que o preparo profundo, em combinação com insumos orgânicos e minerais, promoveu maior disponibilidade de nutrientes, melhoria na fertilidade do solo ao longo do perfil do solo e aumento da produtividade do cafeeiro. Esses achados reforçam a importância da integração entre o manejo físico e nutricional do solo, independentemente da disponibilidade hídrica. No terceiro capítulo, quantificou-se a exportação de nutrientes pelos grãos colhidos em diferentes cultivares de Coffea arabica cultivadas no Cerrado Mineiro. Observou-se que A exportação de nutrientes pelos frutos do café no Cerrado Mineiro é mais fortemente influenciada pelos níveis de rendimento do que pelas diferenças genotípicas entre as cultivares. O último capítulo apresenta um boletim técnico sobre o terraceamento do tipo patamar para o cultivo de café em áreas montanhosas. São descritos os princípios para o levantamento topográfico, o traçado e a construção dos terraços, com enfoque em práticas conservacionistas do solo e recomendações práticas para a implementação sustentável dessa técnica em relevo acidentado. De forma integrada, os resultados desta tesedemonstram que a adoção de práticas de manejo integrado do solo, incluindo o preparo profundo, o uso de insumos orgânicos, a adubação mineral e o terraceamento conservacionista, contribui para a melhoria da fertilidade do solo, o desempenho radicular, a eficiência no uso de nutrientes e a manutenção da produtividade do cafeeiro em diferentes zonas agrícolas do Brasil. Palavras-chave: Coffea arabica, Coffea canephora, terraceamento, cama de frango, esterco bovino, extração de nutrientes.