Conservationist management in the Cerrado: coffee crop productivity and soil nutrient stocks under future climate change scenarios

Abstract

Soil organic matter and nutrient dynamics in tropical agricultural systems are strongly influenced by land use and management and are fundamental to the sustainability of coffee production in the Brazilian Cerrado. In this context, this thesis evaluated the effects of different management systems on soil carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) stocks, integrating experimental data and modeling approaches to understand their temporal dynamics and responses under climate change scenarios. The study was structured into four chapters. In Chapter 1, coffee systems with longer cultivation periods showed C and N stocks comparable to or greater than those observed under native vegetation, particularly in the more stable soil organic matter fraction (MAOM). In contrast, labile fractions were more sensitive to management and cultivation duration. Isotopic analysis indicated a predominance of C derived from C3 plants and revealed changes in the relative contribution of C3 and C4 sources throughout the land-use history of the coffee systems. In Chapter 2, the DayCent model was calibrated and validated using data from 14 coffee-growing areas, showing high performance for C (r = 0.98) and good agreement for N (r = 0.77). Simulations up to 2100 indicated that systems incorporating cover crops, particularly when combined with organic management (OR.CC.01), showed the greatest C sequestration potential (~0.61 Mg C ha1 yr1), whereas conventional systems presented lower stocks. Climate change under SSP5–8.5 resulted in moderate increases in C stocks (1.8–2.8%), whereas N showed low sensitivity. Higher-productivity areas exhibited greater C stocks, highlighting the combined influence of management and productivity. In 2023, the soils showed a mean mineral-associated C saturation deficit of 21.19%, corresponding to an estimated additional capacity of 12.08 Mg C ha1 for MAOM formation. In Chapter 3, field measurements and long-term simulations showed that conversion of native vegetation to coffee systems initially reduced C and N stocks. However, continuous use of cover crops favored stock recovery, particularly with Brachiaria, which showed values close to those observed under native vegetation and greater accumulation of mineral-associated organic matter. Mixed-species systems favored more labile organic matter fractions in surface layers. Simulations indicated that these systems could avoid emissions of up to 1.80 Mg ha1 yr1 of CO equivalent and increase soil C stocks. In Chapter 4, the evaluation of phosphorus fractions demonstrated that cultivation duration and management controlled their distribution in soil. Longer cultivation periods promoted total P accumulation and redistribution among fractions. Conservation and organic systems showed greater proportions of P in labile and moderately labile forms, whereas conventional systems accumulated more P in occluded forms that are less available to plants. These findings highlight the importance of management for improving P-use efficiency. Overall, the results demonstrate that continuous use of cover crops and conservation practices contributes to increasing C and N stocks, improving P dynamics, and strengthening the resilience of Cerrado coffee production systems under climate change. Keywords: soil organic carbon; nitrogen dynamics; phosphorus fractions; Coffea arabica L.; cover crops; Daycent modeling; Brazilian Cerrado; climate change;conservation systems; carbon sequestration.A dinâmica da matéria orgânica do solo e dos nutrientes em sistemas agrícolas tropicais é fortemente influenciada pelo uso e manejo da terra, sendo fundamental para a sustentabilidade da cafeicultura no Cerrado brasileiro. Nesse contexto, esta tese avaliou os efeitos de diferentes sistemas de manejo sobre os estoques de carbono (C), nitrogênio (N) e fósforo (P) no solo, integrando dados experimentais e modelagem para compreender sua evolução ao longo do tempo e sob cenários de mudanças climáticas. O trabalho foi estruturado em quatro capítulos. No Capítulo 1, verificou-se que sistemas cafeeiros com maior tempo de cultivo apresentaram estoques de C e N semelhantes ou superiores aos da vegetação nativa, especialmente nas frações mais estáveis da matéria orgânica (MAOM). Em contrapartida, as frações lábeis mostraram maior sensibilidade ao manejo e ao tempo de uso. A análise isotópica indicou predominância de carbono derivado de plantas C3 e evidenciou mudanças na contribuição relativa de fontes C3 e C4 ao longo do histórico de uso dos sistemas cafeeiros. No Capítulo 2, o modelo DayCent foi calibrado e validado com dados de 14 áreas cafeeiras, apresentando elevado desempenho para C (r = 0,98) e bom ajuste para N (r = 0,77). As simulações até 2100 indicaram que sistemas com plantas de cobertura, especialmente associados ao manejo orgânico (OR.CC.01), apresentaram maior potencial de sequestro de C (~0,61 Mg C ha1 ano1), enquanto sistemas convencionais apresentaram menores estoques. As mudanças climáticas (SSP5–8.5) promoveram aumentos moderados nos estoques de C (1,8–2,8%), enquanto o N apresentou baixa sensibilidade. Áreas mais produtivas apresentaram maiores estoques de C, evidenciando a influência conjunta do manejo e da produtividade. Em 2023, os solos apresentaram déficit médio de saturação de C associado aos minerais de 21,19%, equivalente a uma capacidade adicional estimada de 12,08 Mg C ha1 para formação de MAOM. No Capítulo 3, medições de campo e simulações de longo prazo mostraram que a conversão da vegetação nativa para sistemas cafeeiros reduz inicialmente os estoques de C e N. Entretanto, o uso contínuo de plantas de cobertura favorece a recuperação desses estoques, principalmente com braquiária, que apresentou valores próximos aos observados na vegetação nativa e maior acúmulo de matéria orgânica associada a minerais. Sistemas com mistura de espécies favoreceram frações mais lábeis da matéria orgânica nas camadas superficiais. As simulações indicaram que esses sistemas podem evitar emissões de até 1,80 Mg ha1 ano1 de CO equivalente e aumentar os estoques de C no solo. No Capítulo 4, a avaliação das frações de fósforo demonstrou que o tempo de cultivo e o manejo controlam sua distribuição no solo. O aumento do tempo de uso promoveu acúmulo de P total e redistribuição entre frações. Sistemas conservacionistas e orgânicos apresentaram maior proporção de P em formas lábeis e moderadamente lábeis, enquanto sistemas convencionais concentraram maiores teores em formas oclusas, menos disponíveis às plantas. Esses resultados evidenciam a importância do manejo para a eficiência do uso do P. De forma integrada, os resultados demonstram que o uso contínuo de plantas de cobertura e práticas conservacionistas contribui para aumentar os estoques de C e N, melhorar a dinâmica do P e fortalecer a resiliência dos sistemas cafeeiros do Cerrado frente às mudanças climáticas. Palavras-chave: C do solo; dinâmica do N; frações de P; Coffea arabica L.; plantas de cobertura; modelagem Daycent; Cerrado brasileiro; mudanças climáticas; sistemas conservacionistas; sequestro de carbono.