Aluminum Toxicity in the No-Tillage System: A Case Study

Author(s): Felipe Franco de Oliveira, Camila da Silva Dourado

Acid soils cover about 40 to 50% of the world's agricultural area and are one of the main limiting factors to plant production. However, the natural process of soil acidification can be intensified by agricultural practices, mainly related to fertilization. In Brazil, soils are mostly naturally acidic and about 65% of the territory is covered by this type of soil, and as a consequence, there is greater availability of aluminum (Al). The toxicity caused by aluminum (Al) is one of the factors that has most limited crop productivity in acid soils of tropical and subtropical regions. The primary and most evident symptom of Al toxicity in plants is inhibition in root elongation and decreased nutrient absorption, which can be minimized with the No-Tillage System (NTS). In the NTS there are changes in the chemical, physical and biological characteristics of the soil, which can act in the reduction of Al toxicity in the composition of the soil. Therefore, this study aimed to perform a literature review about the toxicity of Al in a no-tillage system, seeking to present the damage to the growth and development of plants caused by Al toxicity, together with the mechanisms that help reduce the toxicity of this metal through the NTS.

Agricultural Crops, Planting, Productivity, Acidic Soils

1. BERTSCH, P. M.; PARKER, D. R. Aqueous polynuclear aluminum species. In: The environmental chemistry of aluminum. Ed: SPOSITO, G. 2nd Ed, 1996, 480p. Disponível em: https://www.taylorfrancis.com/chapters/edit/10.1201/9780138736781-4/aqueous-polynuclear-aluminum-species-paul-bertsch-david-parker.
2. CAMARGOS, S. L. Acidez do solo e calagem (reação do solo). Apostila da Disciplina Solos II da Faculdade de Agronomia e Medicina Veterinária da Universidade Federal de Mato Grosso, 2005, 26p. Disponível em: https://www.ufjf.br/baccan/files/2019/04/Apostila_Capitulo_2_Acidez_Calagem.pdf.
3. CASTRO FILHO, C. D.; MUZILLI, O.; PODANOSCHI, A. L. Estabilidade dos agregados e sua relação com o teor de carbono orgânico num Latossolo Roxo distrófico, em função de sistemas de plantio, rotações de culturas e métodos de preparo das amostras. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 22, n. 3, p. 527-538, 1998. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbcs/a/dXTDkRQqTBB3ZP5q8QnKXJS/?format=pdf&lang=pt.
4. CHAUHAN, D. K.; YADAV, V.; VACULÍK, M.; GASSMANN, W.; PIKE, S.; ARIF, N.; SINGH, V.P.; DESHMUKH, R.; TRIPATHI, D. K. Aluminum toxicity and aluminum stress-induced physiological tolerance responses in higher plants. Critical Reviews in Biotechnology, v. 41, n. 5, p. 715–730, 2021.
5. CHANDRA, J.; KESHAVKANT, S. Mechanisms underlying the phytotoxicity and genotoxicity of aluminum and their alleviation strategies: A review. Chemosphere, 278, 130384, 2021.
6. COHEN, J.; SLESSAREV, E. Soil pH fertility: The Current; University of California: Santa Barbara, CA, USA, 2016; Available online: http://www.news.ucsb.edu/2016/017434/soil-fertility. Acessed: 30 October 2021.
7. DELHAIZE, E.; RYAN, P.R. Aluminum toxicity and tolerance in plants. Plant Physiology, v.107, p.315-321, 1995.
8. ECHART, C.L.; CAVALLI-MOLINA, S. Fitotoxicidade do alumínio: efeitos, mecanismo de tolerância e seu controle genético. Ciência Rural, v. 31, p. 531-541, 2001.
9. EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Disponível em: https://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/CONTAG01_87_1311200215104.html. Acesso em 14 abr. 2022.
10. FERNANDES, C. H. S.; TEJO, D. P.; ARRUDA, K. M. A. Desenvolvimento do sistema de plantio direto no Brasil: histórico, implantação e culturas utilizadas. Uniciências, v. 23, n. 2, p. 83-89, 2019.
11. GARCÍA-RODEJA, E.; NÓVOA, J.C.; PONTEVEDRA, X.; MARTÍNEZ-CORTIZAS, A. & BUURMAN, P. Aluminium fraccionation of European volcanic soils by selective dissolution techniques. Catena, v. 56, p. 155-183, 2004.
12. HALISKI, A. Acidez do solo e toxicidade do alumínio em sistema de plantio direto de longa duração. Tese. Doutorado em Agronomia, Universidade Estadual de Ponta Grossa, 144 p.
13. HE, H.; LI, Y.; HE, L. F. Aluminum toxicity and tolerance in Solanaceae plants. South African Journal of Botany, v. 123, p. 23-29, 2019.
14. JORIS, H.A.W; CAIRES, E.F.; SCHARR, D.A.; BINI, A.R.; HALISKI, A. Liming in the conversion from degraded pastureland to a no-till cropping system in Southern Brazil. Soil & Tillage Research, v. 162, p. 68-77, 2016.
15. MALAVOLTA, E. Elementos de Nutrição Mineral de Plantas. São Paulo: Editora agronômica Ceres Ltda. 1980. 251 p.
16. NATALE, W.; ROZANE, D. E.; PARENT, L.E.; PARENT, S. E. Acidez do solo e calagem em pomares de frutíferas tropicais. Revista Brasileira de Fruticultura, v. 34, n. 4, p. 1294-1306, 2012.
17. OLIVEIRA, A. S. A matéria orgânica na redução do efeito tóxico do alumínio. Monografia. Curso de Agronomia, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 39f., 2018.
18. PAVINATO, P. S.; ROSOLEM, C. A. Disponibilidade de nutrientes no solo: decomposição e liberação de compostos orgânicos de resíduos vegetais. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 32, p. 911-920, 2008.
19. QUAGGIO, J. A. Acidez e calagem em solos tropicais. Campinas. Instituto Agronômico, 2000. 111p.
20. RAHMAN, M.; LEE, S. H.; JI, H. C.; KABIR, A. H.; JONES, C. S.; LEE, K. W. Importance of mineral nutrition for mitigating aluminum toxicity in plants on acidic soils: current status and opportunities. International Journal of Molecular Sciences, v. 19, n. 10, p. 3073, 2018.
21. RICARDI, A. C.; KOSZALKA, V.; LOPES, C.; EURICH, K.; MULLER, M. M. L. Acidez do solo em função de níveis de calagem em sistema plantio direto. Anais eletrônicos da VI Reunião Paranaense de Ciência do Solo – RPCS: o desafio da produção agropecuária com baixo impacto ambiental de 28 a 31 de maio de 2019 [Publicação eletrônica] / Eduardo Augusto Agnellos Barbosa et al. (Org.). Ponta Grossa: UEPG/PROEX, 2019. 994p.; E-book PDF ISBN: 978-85-63023-46-9.
22. SALES, R.P.; PORTUGAL, A.F.; MOREIRA, J.A.A.; KONDO, M.K.; PEGORARO, R.F. Physical quality of a latosol under no-tillage and conventional tillage in the semi-arid region. Revista Ciência Agronômica, v. 47, p. 429-438, 2016.
23. SALOMÃO, E. A.; KRIEBEL, W.; SANTOS, A. A.; MARTINS, A. C. E.A importância do sistema de plantio direto na palha para reestruturação do solo e restauração da matéria orgânica. Research, Society and Development, v. 9, n. 1, e154911870, 2020.
24. SALTON, J. C.; HERNANI, L. C.; ZANONI, C. Sistema Plantio Direto. Coleção 500 Perguntas, 500 Respostas. Editora Embrapa Informação Tecnológica, 5ª Impressão (2012), 248 p., 1998.
25. SANTOS, O.F.; SOUZA, H.M.; OLIVEIRA, M.P.; CALDAS M.B.; ROQUE C.G. Propriedades químicas de um Latossolo sob diferentes sistemas de manejo. Revista de Agricultura Neotropical, v. 4, p. 36-42, 2017.
26. SANTOS NETO, J. dos; DELFINI, J.; SILVA, T.W.; HIROSE, A.A.; NOVAIS, J.M.; GONÇALVES, L.S.A.; MODA-CIRINO, V. Response of Common Bean Cultivars and Lines to Aluminum Toxicity. Agronomy, v. 10, n. 2, p. 296, 2020.
27. SILVA, T. R. B.; LEMOS, L. B.; CRUSCIOL, C. A. Produtividade e características tecnológicas de cultivares de feijão em resposta à calagem superficial em plantio direto. Bragantia, v. 70, n. 1, p. 196-205, 2011.
28. SILVA, C. O.; BRITO, D. S.; SILVA, A. A. da; ROSA, V. do R.; SANTOS, M. F. S.; SOUZA, G. A. de; AZEVEDO, A.A.; DAL-BIANCO, M.; OLIVEIRA, J.A.; RIBEIRO, C. Differential accumulation of aluminum in root tips of soybean seedlings. Brazilian Journal of Botany, v. 43, n. 1, p. 99–107, 2020.
29. SOUSA, D. M. G.; MIRANDA, L.N.; OLIVEIRA, S.A. Acidez do solo e sua correção. In: NOVAIS, R.F.; ALVAREZ, V.H.; BARROS, N.F.; FONTES, R.L.; CANTARUTTI, R.B.; NEVES, J.C.L. Fertilidade do solo. Viçosa, MG; Sociedade de Ciência do Solo, p. 205-275, 2007.
30. SPARKS, D.L. Environmental Soil Chemistry. 2.ed. EUA: University of Delaware, 2003. 345p.
31. VANCE, G. F.; STEVENSON, F. J.; SIKORA, F. J. Environmental chemistry of aluminum-organic complexes. In: SPOSITO G (ed). Environmental chemistry of aluminum. p. 169-220, 1995.
32. VELOSO, C. A. C.; BORGES, A. L.; MUNIZ, A. S.; VEIGAS, J. A. J. M. Efeito de diferentes materiais no pH do solo. Scientia Agricola, v. 49, n. 1, p. 123-128, 1992.
33. VERONESE, M.; FRANCISCO, E.A.B.; ZANCANARO, L.; ROSOLEM, C.A. Plantas de cobertura e calagem na implantação do sistema plantio direto. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v. 47, p. 1158-1165, 2012.
34. ZHAO, W.-R.; LI, J.-Y.; JIANG, J.; LU, H.-L.; HONG, Z.-N.; QIAN, W.; XU, R.-K.; DENG, K.-Y.; GUAN, P. The mechanisms underlying the reduction in aluminum toxicity and improvements in the yield of sweet potato (Ipomoea batatas L.) after organic and inorganic amendment of an acidic ultisol. Agriculture, Ecosystems & Environment, v. 288, p. 106716, 2020.
35. ZHOU, J.; LI, Z.; ZHOU, T.; XIN, Z.; WU, L.; LUO, Y.; CHRISTIE, P. Aluminum toxicity decreases the phytoextraction capability by cadmium/zinc hyperaccumulator Sedum plumbizincicola in acid soils. Science of the Total Environment, v. 711, p. 134591, 2020.