Assessing Soil Health in Family Farming Systems Using a Four-Quadrant Model Based on β-Glucosidase, Arylsulfatase and Organic Carbon

Resumo

O modelo de quatro quadrantes, que integra a atividade das enzimas β-glicosidase e arilsulfatase do solo ao carbono orgânico, foi recentemente proposto como referencial para avaliar o estado de saúde de solos agrícolas. No entanto, as respostas da atividade enzimática do solo a práticas contrastantes da agricultura familiar ainda são pouco compreendidas. Foram avaliadas as atividades de β-glicosidase e arilsulfatase em resposta a práticas convencionais e agroecológicas da agricultura familiar e sua relação com atributos biológicos e de fertilidade do solo. Foram estudadas quatro propriedades familiares brasileiras, com sistemas de horticultura e de lavoura implantados há 3 a 15 anos. Amostras de solo foram coletadas na camada de 0,00–0,10 m para análise das atividades de β-glicosidase e arilsulfatase, carbono da biomassa microbiana, respiração basal, abundância de ácaros e colêmbolos, pH, cálcio e magnésio trocáveis, potássio e fósforo disponíveis e teor de matéria orgânica do solo. A atividade enzimática, a abundância de ácaros e o teor de matéria orgânica tenderam a ser maiores no solo de mata (referência). O modelo de quatro quadrantes diferenciou os sistemas agroecológicos dos convencionais, com os sistemas agroecológicos, sobretudo os que combinam insumos orgânicos e cobertura do solo, apresentando padrões compatíveis com melhoria da saúde do solo. A análise de componentes principais revelou relações semelhantes entre os atributos do solo. Esses padrões podem estar associados a práticas de manejo como adubação orgânica, uso de plantas de cobertura, menor revolvimento do solo e rotação de culturas, que em conjunto elevam os teores de matéria orgânica e estimulam a atividade microbiana. Entretanto, pode ser necessário manejo de mais longo prazo ou mais intensivo para atingir a categoria mais alta de saúde do solo. Os resultados indicam que o modelo de quatro quadrantes pode ser um referencial útil para interpretar mudanças na saúde do solo em sistemas de agricultura familiar. A matéria orgânica do solo, a respiração basal e a atividade enzimática foram os atributos mais associados ao funcionamento biológico do solo e podem servir para diagnosticar e monitorar a saúde do solo em sistemas de base familiar.

Abstract

The four-quadrant model integrating soil β-glucosidase and arylsulfatase enzyme activity with organic carbon has been recently proposed as a framework to assess agricultural soil health status. Nevertheless, soil enzyme activity responses to contrasting family farming practices remain poorly understood. We evaluated β-glucosidase and arylsulfatase enzyme activity in response to conventional and agroecological family farming practices and their relationship with biological and soil fertility attributes. Four Brazilian family-based farms including horticultural and crop systems with 3–15 years of existence were studied. Soil samples were collected from the 0.00–0.10 m layer for analysis of soil β-glucosidase and arylsulfatase enzyme activities, microbial biomass carbon, basal respiration, mites and springtails abundance, pH, exchangeable calcium and magnesium, available potassium and phosphorus, and soil organic matter content. Enzyme activity, mite abundance and soil organic matter content tended to be higher in forest soil (reference). The four-quadrant model differentiated agroecological from conventional systems, with agroecological systems, particularly those combining organic inputs and soil cover, showing patterns consistent with improvement in soil health. Principal component analysis revealed similar relationships among soil attributes. These patterns may be associated with management practices such as organic fertilization, cover cropping, reduced mechanical soil disturbance, and crop rotation, which together enhance organic matter levels and stimulate microbial activity. However, longer-term or more intensive management may be required to reach the highest soil health category. The results indicate that the four-quadrant model may be a useful framework for interpreting changes in soil health under family farming systems. Soil organic matter, basal respiration, and enzymatic activity were the attributes most closely associated with soil biological functioning and may serve to diagnose and monitor soil health in family-based farming systems.