Medição e mapeamento da condutividade eléctrica aparente do solo em pastagens
INTRODUÇÃO
Trabalhos de investigação anteriores mostraram que a variabilidade das
características do solo numa exploração agrícola e dentro de cada parcela é de
importância chave para determinar a vantagem potencial da adopção de técnicas
de agricultura de precisão (King et al., 2005). Contudo, muito pouco é
conhecido sobre o grau desta variabilidade intra-parcelar em pastagens e
forragens (Schellberg et al., 2008).
A amostragem intensiva, quadrícula a quadrícula, é o método geralmente
utilizado para obter a informação detalhada das características do solo (Brevik
et al., 2006), o que envolve trabalho intensivo de recolha e tratamento
laboratorial das amostras que o tornam um processo caro (King et al., 2005;
Shibusawa, 2006) e impraticável à escala das explorações agrícolas (McCormick
et al., 2009). É, por isso, de todo o interesse encontrar outros meios, mais
rápidos e práticos de obter esta informação detalhada da variabilidade do solo
(King et al., 2005; Brevik et al., 2006). A gestão diferenciada do solo e das
culturas requer meios rápidos e de baixo custo para georeferenciar as
propriedades do solo com impacto na produtividade das culturas. A
conductividade eléctrica aparente (ECa) corresponde a estas exigências (Bronson
et al., 2005).
A ECa é medida a partir da indução de uma corrente electromagnética no solo
(EMI) e é uma das formas mais frequentes de avaliar a variabilidade espacial
das características deste (McCormick et al., 2009). A ECa é controlada por uma
combinação de sais, mineralogia das argilas, teor de humidade e temperatura do
solo (Brevik et al., 2006). Várias referências indicam que os valores da ECa se
encontram relacionados com as propriedades do solo, parâmetros de fertilidade e
também com a produtividade das culturas, pelo que a monitorização desta, em
tempo real, pode representar uma ferramenta muito atractiva em agricultura de
precisão (Mallarino & Wittry, 2004; Shibusawa, 2006). Netto et al. (2007)
verificaram uma correlação significativa entre o pH e a concentração de sódio
permutável no solo, e confirmaram uma correlação positiva e significativa entre
a conductividade eléctrica aparente e a concentração de sais no solo. King et
al. (2005) utilizaram um sensor de EMI num campo experimental em dois momentos
do ano, extremos em termos de humidade no solo: quando o solo se encontrava à
capacidade de campo e depois da colheita, quando o solo se encontrava muito
seco. Esta investigação demonstrou que o padrão de ECa se manteve estável em
ambas as situações, apesar de se verificarem diferenças significativas em
termos absolutos.
Os factores que contribuem para a condutividade eléctrica do solo são também
limitantes da produtividade das culturas. Foram encontradas relações
significativas entre a ECa, as características do solo e a produtividade das
culturas (Johnson et al., 2005), tendo estes admitido que a ECa pode ser
utilizada para identificar os gradientes de fertilidade do solo.
Com o desenvolvimento de sensores para monitorizar o solo, podem ser obtidos
dados sem perturbar o solo e com maior resolução espacial do que a obtida
através de métodos manuais ou laboratoriais (Dafonte, 2004; Proffitt et al.,
2006). O mapeamento da ECa do solo, utilizando um sensor EMI ligado ao sistema
de posicionamento global (GPS) tem merecido um interesse crescente uma vez que
constitui uma ferramenta simples, relativamente barata e não invasiva para
caracterizar a variabilidade intra-parcelar do solo (McCormick et al., 2009).
Para além da correlação com as propriedades do solo, o mapeamento da
conductividade eléctrica pode também ser utilizado para delinear zonas de
gestão diferenciada (Stafford, 2006).
O objectivo geral deste estudo consistiu em testar uma sonda de indução
electromagnética para avaliar a variabilidade do solo e da pastagem num
projecto de agricultura de precisão.
MATERIAIS E MÉTODOS
Campo experimental
O campo experimental, com aproximadamente 6 ha, encontra-se localizado na
Herdade da Revilheira (coordenadas 38º27'51.6N e 7º25'46.2W), a cerca de 40
km a Nordeste de Évora, na região Alentejo (a Sul de Portugal). O solo
predominante neste campo é classificado como LUVISSOL (FAO, 1998). A
profundidade do solo varia entre 0,2 m nas zonas mais elevadas do campo até
mais de um metro nas zonas baixas (Marques da Silva et al., 2008). Em Setembro
de 2000 foi estabelecida no campo experimental uma pastagem bio-diversa,
pastoreada por ovinos em regime de pastoreio rotativo. O campo experimental foi
sujeito a uma fertilização anual de manutenção (Superfosfato 18%) em Outubro de
cada ano, com uma aplicação homogénea de 54 mg kg-1de P2O5. Entre 2004 e 2007 o
campo foi integrado num projecto de agricultura de precisão financiado pelo
governo português através do programa AGRO, com o objectivo de demonstrar novas
tecnologias para aplicação diferenciada de fertilizantes. Com o apoio de um
GPS-RTK Trimble 4700, o campo experimental foi dividido em 76 quadrículas, cada
uma com 28 m de lado, tendo por base a largura de trabalho do distribuidor de
adubo. A partir do Outono de 2004 a parcela deixou de ser fertilizada de forma
homogénea, como até então, e passou a ser fertilizada de forma diferenciada, em
função dos níveis de P2O5 no solo.
Modelo digital do terreno
O levantamento topográfico da parcela foi realizado com o GPS-RTK Trimble 4700.
Os dados foram recolhidos com um veículo todo o terreno que percorreu a parcela
com uma distância entre passagens de cerca de 10m. O modelo digital,
representativo do relevo da parcela, foi calculado a partir da interpolação dos
dados obtidos realizada no software Arc View.
Recolha de amostras de solo e de pastagem
As amostras de solo e de pastagem foram recolhidas em cada quadrícula de 28m
por 28m. As amostras foram georeferenciadas com GPS e identificadas por códigos
de acordo com as correspondentes colunas e linhas (colunas 1-8; linhas A-J).
As amostras de solo foram recolhidas, em cada ano (entre 2004 e 2007), no final
da Primavera (no final do período de crescimento das culturas) utilizando uma
sonda meia-cana e um maço, até à profundidade de 200 mm. Cada amostra
compósita resultou de 5 sub-amostras, uma recolhida no centro e as outras
quatro nos cantos de cada quadrícula. O solo foi caracterizado em termos de
textura, pH, teor de matéria orgânica e macronutrientes principais (azoto,
fósforo e potássio).
As amostras de pastagem foram recolhidas utilizando tesouras manuais para
cortar a matéria verde contida em caixas de exclusão de pastoreio com 1m2 de
área, pré-instaladas no canto sudoeste de cada quadrícula. Este processo foi
realizado, em cada ano, entre Março e Maio, em função do desenvolvimento
vegetativo da pastagem. As amostras foram guardadas em sacos de plástico e
transportadas para laboratório, onde se procedeu a pesagem para determinação da
matéria verde por hectare. Pequenas sub-amostras foram retiradas dos sacos de
plástico e colocadas em sacos de cartão, procedendo-se de seguida à
desidratação, a 65ºC durante 48h, para determinar o teor de humidade
respectivo. Com base neste foi calculada a produtividade da pastagem em termos
de matéria seca. A restante amostra verde de cada quadrícula foi submetida a
separação manual por especialistas em três grupos de plantas: gramíneas,
leguminosas e outras espécies botânicas (outras).
Sonda de indução electromagnética
A sonda de indução electromagnética utilizada, modelo Dualem 1S, encontra-se
equipada com um transmissor de um lado e com uma antena GPS do outro. O
transmissor envia um sinal de corrente alterna que gera um campo
electromagético (campo magnético primário) que penetra no solo e que varia com
o tempo. Este campo magnético induz pequenas correntes no solo que criam um
segundo campo magnético, detectado pelo receptor. O receptor detecta ambos os
campos magnéticos e a sua relação depende da condutividade diferencial do
subsolo. A intensidade do sinal é proporcional ao grau de conductividade do
solo. Este sensor dual regista, simultaneamente, os dados das duas camadas de
solo, neste caso a 30 e a 80 cm de profundidade. As medições são afectadas
pelas condições ambientais, especialmente pela temperatura e a calibração é
frequentemente necessária. Atendendo à sensibilidade deste sensor a estruturas
metálicas, foi desenvolvido um veículo de quatro rodas e uma lança com 3 m de
comprimento, totalmente em PVC. As medições foram realizadas a cerca de meio
metro de altura da superfície do solo.
Procedimento de campo com o sensor EMI
No final do ciclo vegetativo de 2007 (Junho), com um teor de humidade no solo
de 12%, o campo foi varrido pelo sensor de indução electromagnética (EMI,
Dualem). O sensor foi conduzido no campo experimental a uma velocidade de 5
km h-1. Cada quadrícula foi percorrida em duas passagens, em direcções
contrárias (Figura 1), com um espaçamento entre passagens consecutivas de 12-14
m, considerado um aceitável compromisso em termos práticos, para campos de
grandes dimensões (King et al., 2005).
Figura 1 ' Procedimento utilizado no levantamento da conductividade eléctrica
do solo no campo experimental.
O sensor foi programado registar a conductividade eléctrica aparente do solo
com uma frequência de um segundo. No processamento dos dados foram utilizados
os valores médios da conductividade eléctrica aparente do solo registados em
cada quadrícula. Para o cálculo da média foi utilizado um filtro que permitiu
excluir os valores registados nos primeiros e nos últimos 4m de cada quadrícula
(Figura 2). Na prática, o valor médio da conductividade eléctrica aparente do
solo em cada quadrícula foi obtido com base na média aritmética de cerca de 28-
30 registos.
Figura 2 ' Diagrama ilustrativo do procedimento utilizado no registo da
conductividade eléctrica aparente do solo em cada quadrícula.
Tratamento estatístico
Os dados relativos à concentração dos nutrientes menos móveis do solo, como o
fósforo e o potássio, têm uma validade de 3 a 5 anos e o pH é válido por 5 a 10
anos (Haneklaus, 2006). Os teores de matéria orgânica, a textura do solo e a
capacidade de troca catiónica são características permanentes que necessitam
ser mapeadas apenas uma vez (Haneklaus, 2006).
De acordo com Pillesjo et al. (2005), os teores de matéria orgânica e de argila
do solo variam muito pouco, enquanto o teor de nitratos no solo varia muito
rapidamente, apresentando o fósforo, o pH e o potássio uma variabilidade
temporal intermédia.
Os valores médios das características estáveis do solo (pH, matéria orgânica,
textura, fósforo e potássio) e a produtividade da pastagem em 2007 e na média
dos 4 anos de avaliação foram comparados com os valores médios geoespacialmente
correspondentes (da mesma quadrícula) da conductividade eléctrica aparente do
solo, em duas profundidades (30 e 80 cm). Os parâmetros menos estáveis do solo
(concentração de nitratos) e a composição florística da pastagem foram
comparados utilizando unicamente os valores registados no último ano (2007).
A correlação entre as diferentes variáveis foi analisada utilizando o método
dos mínimos quadrados, que tem em consideração a existência ou não de
multicolinearidade.
A autocorrelação espacial foi analisada nas propriedades do solo e na ECa.
Atendendo a que propriedades importantes do solo se encontram correlacionadas
com outras, a análise estatística multivariada parece mais apropriada para
relacionar a ECa com a produtividade ou com múltiplas propriedades do solo. As
variáveis que não apresentam multicolinearidade foram analisadas pelo software
GWR (Geographically Weighted Regression) para estabelecer regressões
multivariadas, espacialmente ponderadas. Foi utilizado um nível de
significância p<0,05.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os Quadros 1 e 2 apresentam o resumo dos valores médios e do desvio padrão das
características do solo e da pastagem.
Quadro 1 ' Parâmetros do solo (média ± desvio padrão) do campo experimental na
camada superficial até 200 mm de profundidade (2004 ' 2007).
Quadro_2
' Parâmetros do solo (média ± desvio padrão) do campo experimental na camada
superficial até 200 mm de profundidade (2004 ' 2007).
Foram encontrados importantes coeficientes de variação espacial nas
propriedades do solo, especialmente nos macronutrientes (50-110%), com menor
variabilidade na matéria orgânica e na textura (20-26%) e com grande
estabilidade do pH e da conductividade eléctrica aparente do solo (menor que
10%). A variabilidade espacial foi igualmente importante na produtividade e na
composição florística da pastagem. A conductividade eléctrica aparente do solo
apresentou os seguintes valores médios: 78±2 mS m-1 a 30 cm de profundidade e
56±7 mS m-1 a 80 cm de profundidade.
A variabilidade temporal foi particularmente importante ao nível dos nitratos e
do fósforo (este como resultado da fertilização anual diferenciada), e ainda ao
nível da produtividade e da proporção de leguminosas na pastagem.
No Quadro 3 são apresentados os coeficientes de determinação entre a
conductividade eléctrica aparente do solo e: a altitude, as características do
solo e da pastagem.
Quadro_3
' Parâmetros do solo (média ± desvio padrão) do campo experimental na camada
superficial até 200 mm de profundidade (2004 ' 2007).
A Figura 3 mostra os mapas do relevo (altitude) e da conductividade eléctrica
aparente do solo (a 30 e 80 cm de profundidade). A parcela apresenta um
desnível de 20 m entre a cota mais alta e a cota mais baixa, facto que
contribui decisivamente para a acentuada variabilidade espacial das
características do solo e da pastagem (Marques da Silva et al., 2008). Os
valores negativos e significativos dos coeficientes de correlação entre a
altitude e a ECa demonstram a esperada relação inversa entre estes dois
parâmetros. A ECa mais elevada verifica-se nas zonas mais baixas do terreno
(ver Figura 3), onde os teores de humidade no solo tendem a ser, naturalmente
mais elevados no final da Primavera, em condições Mediterrânicas, como
mostraram Marques da Silva et al. (2008).
Figura 3 ' Mapas de altitude (à esquerda), da conductividade eléctrica aparente
do solo (ECa) a 30 cm (ao centro) e a 80 cm (à direita) de profundidade no
campo experimental.
O Quadro 4 mostra as equações de regressão e os respectivos coeficientes de
determinação para as correlações significativas apresentadas no Quadro_3.
Quadro_4
' Coeficientes a e b da equação linear do tipo y=a+b.ECa nas correlações
significativas identificadas no quadro_3.
A Figura 4 compara, através de mapas de distribuição, os valores de pH
estimados a partir das equações com melhores coeficientes de determinação (ECa-
30), com os valores medidos no campo experimental. A Figura 5 compara, através
de mapas de distribuição, os valores da produtividade da pastagem em termos de
matéria seca, estimados a partir das equações com melhores coeficientes de
determinação (ECa-80), com os valores medidos no campo experimental. Estas
figuras permitem verificar uma boa e significativa correlação entre o pH do
solo e a conductividade eléctrica do solo e também entre a produtividade da
pastagem e a conductividade eléctrica do solo. Como foi observado por Marques
da Silva et al. (2008), as áreas com maior produtividade da pastagem situam-se
nas zonas baixas da parcela, perto da linha de escoamento de água do solo,
consequentemente, onde os níveis de humidade são mais elevados, a que também
correspondem valores mais elevados de conductividade eléctrica aparente do solo
e do pH. Estes resultados estão de acordo com os apresentados por Netto et al.
(2007), que verificaram correlações significativas entre o pH e a
conductividade eléctrica aparente do solo, e por Klar (1988) que mostrou o
efeito do pH no desenvolvimento das culturas. Este aspecto é particularmente
importante uma vez que a amplitude do pH no campo experimental variou entre
5,49 e 8,02, com efeito diferenciado na disponibilidade do fósforo no solo,
macronutriente fundamental para o desenvolvimento das pastagens. Este é,
também, o principal nutriente fornecido às pastagens em extensivo da região do
Alentejo. Segundo King et al. (2005) a medição da ECaencontra-se directamente
dependente de algumas propriedades do solo, enquanto a produtividade das
culturas reflecte a resposta integrada destas às propriedades do solo mais
importantes para o seu crescimento (King et al., 2005).
Figura 4 ' Mapas ilustrativos da distribuição dos valores do pH: à esquerda,
valores estimados utilizando as equações de regressão estabelecidas com base na
medição da conductividade eléctrica aparente do solo; à direita, valores
observados.
Figura 5 ' Mapas ilustrativos da distribuição da produtividade da pastagem, em
termos de matéria seca (kg ha-1): à esquerda, valores estimados utilizando as
equações de regressão estabelecidas com base na medição da conductividade
eléctrica aparente do solo; à direita, valores observados.
Tendo por base os estudos publicados, esperar-se-ía uma boa correlação entre a
ECa e os parâmetros que permanecem relativamente estáveis no solo ao longo dos
anos, como o pH, os teores de matéria orgânica e os teores de argila no solo. O
estabelecimento de regressões com o software GWR, entre a conductividade
eléctrica aparente do solo a duas profundidades (30 e 80 cm) (ver Quadro_4) e
algumas características físicas e químicas do solo e a produtividade da
pastagem apenas revelou coeficientes de determinação aceitáveis e
significativos com o pH e com a produtividade da pastagem (respectivamente 0,33
e 0,19 para o pH e 0,19 e 0,28 para a produtividade da pastagem, a 30 e a 80 cm
de profundidade, respectivamente). Um dos aspectos que pode ter condicionado a
correlação da conductividade eléctrica com outras propriedades do solo tem a
ver com a diferente camada de solo avaliada. Enquanto as amostras de solo foram
recolhidas até à profundidade de 200 mm, as medições da sonda de indução
magnética Dualem abrangeram a camada de solo até 300 mm ou 800 mm de
profundidade. Este aspecto é particularmente relevante nas zonas altas da
parcela, onde a profundidade do solo arável é reduzida; nestes casos a sonda
poderá estar, às profundidades indicadas de medição, a medir a conductividade
eléctrica da rocha mãe, a qual tem um efeito diverso sobre estes parâmetros.
Apesar de estudos prévios terem demonstrado que o teor de humidade do solo não
altera o padrão básico da ECa do solo (King et al., 2005), poderá ser
interessante repetir este ensaio na altura em que o solo se encontra com teores
elevados de humidade, já que a maioria dos estudos publicados refere a
influência da humidade do solo na conductividade eléctrica aparente do solo.
Ainda no que se refere a parâmetros instáveis, foi identificada uma correlação
significativa entre a ECa e os níveis de gramíneas e outras espécies na
pastagem (coeficientes de determinação entre entre 0,21 e 0,40), a primeira com
uma correlação positiva e a segunda com uma correlação negativa. As gramíneas
tendem a desenvolver-se particularmente nas zonas baixas da parcela, onde
coincidem elevados teores de humidade e de conductividade eléctrica aparente do
solo, enquanto nas zonas altas e nas zonas de declive acentuado da parcela, se
verifica um desenvolvimento preferencial das espécies botânicas espontâneas
(desigandas como outras espécies), adaptadas às condições difíceis associadas
com a Primavera relativamente seca dos climas Mediterrânicos. A ausência de
leguminosas na pastagem em 2007 (ver Quadro_2) reflectiu-se, naturalmente, numa
baixa e não significativa correlação com a conductividade eléctrica do solo.
Estes resultados indicam a possibilidade de utilizar a sonda de indução
electromagnética do solo como ferramenta para monitorizar não unicamente as
características do solo, mas também da pastagem, o que pode representar uma
importante ajuda na simplificação do processo de amostragem e apoio à tomada de
decisão na gestão diferenciada em projectos de agricultura de precisão.
Interessa, no entanto, deixar uma nota de reserva. A chave do sucesso futuro da
agricultura de precisão não passa unicamente por recolher dados, é necessário
converter estes dados em informação útil e, posteriormente, tomar decisões
rigorosas que avaliem os riscos e os benefícios envolvidos. Será necessário
ainda desenvolver sistemas robustos de apoio à tomada de decisão, no sentido de
aumentar a aplicabilidade da agricultura de precisão também às pastagens e
forragens (Schellberg et al., 2008).
CONCLUSÕES
Os resultados deste estudo mostram que a conductividade eléctrica aparente do
solo, medida pelo sensor de indução electromagnética Dualem, se correlaciona
positiva e significativamente com o pH e com a produtividade da pastagem, em
termos de matéria seca, e apresenta uma correlação negativa e significativa com
a altitude. Os coeficientes de determinação obtidos (respectivamente: 0,33;
0,28 e 0,29) demonstram o potencial destes sensores para, em ligação com os
sistemas de posicionamento por satélite, efectuarem o levantamento de algumas
características do solo relacionadas com a sua fertilidade e para estimarem a
produtividade da pastagem.
Contrariamente ao que é apresentado em muitos trabalhos publicados foi
encontrada uma correlação não significativa entre a conductividade eléctrica
aparente e outras características do solo, nomeadamente os teores de argila e a
concentração de macronutrientes no solo.
