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Desempenho de índices de vegetação na avaliação da resposta do algodoeiro à adubação nitrogenada

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O diagnóstico do status nutricional do algodoeiro pode ser realizado em tempo real e com alta resolução espacial por meio do uso de sensores de dossel. Existe, entretanto, a necessidade de uso de índices adequados às condições edafoclimáticas de desenvolvimento da cultura. O objetivo desse trabalho foi avaliar o desempenho de índices de vegetação obtidos por sensores ativos de dossel em estimar a resposta do algodoeiro ao nitrogênio aplicado em cobertura. Quatro índices de vegetação foram correlacionados com doses de nitrogênio (N) variando de 0 a 300 kg ha 1, além da condutividade elétrica aparente do solo (CEa). O índice de vegetação que apresentou maior capacidade em predizer a resposta do algodoeiro à adubação nitrogenada foi o índice de clorofila terrestre MERIS (MTCI), com coeficiente de correlação máximo de 0,76 aos 60 dias após a emergência. O índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) apresentou as maiores correlações com a CEa e as menores correlações com a dose de N dentre os índices avaliados.
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1
Desempenho de índices de vegetação na avaliação da resposta do
algodoeiro à adubação nitrogenada
Rodrigo Gonçalves Trevisan (1); Mateus Tonini Eitelwein (1); Gustavo Portz (1);
Natanael de Santana Vilanova Júnior (1); José Paulo Molin (2)
(1) Pós-graduando em Engenharia de Sistemas Agrícolas; Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz Universidade
de São Paulo (ESALQ USP); rodrigoagronomia@hotmail.com; (2) Professor Associado III; ESALQ – USP.
RESUMO: O diagnóstico do status nutricional do
algodoeiro pode ser realizado em tempo real e com
alta resolução espacial por meio do uso de sensores
de dossel. Existe, entretanto, a necessidade de uso
de índices adequados às condições edafoclimáticas
de desenvolvimento da cultura. O objetivo desse
trabalho foi avaliar o desempenho de índices de
vegetação obtidos por sensores ativos de dossel em
estimar a resposta do algodoeiro ao nitrogênio
aplicado em cobertura. Quatro índices de vegetação
foram correlacionados com doses de nitrogênio (N)
variando de 0 a 300 kg ha-1, além da condutividade
elétrica aparente do solo (CEa). O índice de
vegetação que apresentou maior capacidade em
predizer a resposta do algodoeiro à adubação
nitrogenada foi o índice de clorofila terrestre MERIS
(MTCI), com coeficiente de correlação máximo de
0,76 aos 60 dias após a emergência. O índice de
vegetação por diferença normalizada (NDVI)
apresentou as maiores correlações com a CEa e as
menores correlações com a dose de N dentre os
índices avaliados.
Termos de indexação: Agricultura de precisão,
sensores ativos de dossel, condutividade elétrica
aparente do solo.
INTRODUÇÃO
O nitrogênio (N) é um dos nutrientes essenciais
ao desenvolvimento das plantas. No algodoeiro
estimula o crescimento e o florescimento, regulariza
o ciclo da planta, aumenta a produtividade e melhora
o comprimento e a resistência da fibra, desde que
fornecido em doses adequadas. Entretanto, quando
aplicado em excesso pode causar desequilíbrio
nutricional que causa aumento no crescimento
vegetativo da planta em detrimento da produção e a
formação tardia das estruturas reprodutivas do
algodoeiro (Staut et al., 2002).
Uma técnica que vem sendo desenvolvida para
permitir o diagnóstico do status nutricional da cultura
em tempo real e com alta resolução espacial é o uso
de sensores de dossel. Esses sensores foram
concebidos a partir do estudo das curvas espectrais
de vegetação, que relacionam a proporção de luz que
é refletida em função do comprimento da onda
eletromagnética.
Historicamente, diferentes comprimentos de onda
e funções matemáticas têm sido usados para
relacionar os dados dos sensores a parâmetros
culturais de interesse agronômico (Jordan, 1969).
Especialmente em relação à predição do conteúdo
de clorofila e de N na planta, merecem destaque os
trabalhos com a utilização de comprimentos de onda
no limiar entre o vermelho e o infravermelho próximo.
Esta porção do espectro entre 650 e 800 nm é
conhecida como “red-edge” e é definida como o
comprimento de onda com a maior taxa de variação
da reflectância (Horler et al., 1983).
Entretanto, não há um consenso sobre o melhor
índice para todos os parâmetros de interesse em
todas as culturas. Melhores resultados são
observados em experimentos que contemplem as
condições edafoclimáticas de desenvolvimento da
cultura.
Diante disso, o objetivo desse trabalho foi avaliar
o desempenho de índices de vegetação obtidos por
sensores ativos de dossel em estimar a resposta do
algodoeiro ao nitrogênio aplicado em cobertura.
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi conduzido na safra de algodão
2015, no município de Campo Verde MT, nas
coordenadas 15°14’20’’ S e 54°57’54’’ O. O solo
predominante na área é classificado como Neossolo
Quartzarênico (Santos et al., 2013), com teores
médios de 880 g kg-1 de areia, 20 g kg-1 de silte e 100
g kg-1 argila. A análise química (0-0,20 m) resultou
em valores de 4,6 para o pH em CaCl2, 18 g dm-3 de
matéria orgânica do solo, 39 mg dm-3 de P (Resina),
4 mg dm-3 de S, 1,6 mmolc dm-3 de K, 11 mmolc dm-3
de Ca, 2 mmolc dm-3 de Mg, 2 mmolc dm-3 de Al, 36,6
mmolc dm-3 de CTC e 40% de saturação por bases.
A semeadura foi realizada no dia 17/01/2015, em
sistema de semeadura direta sobre palhada de soja.
Utilizou-se a cultivar de algodão TMG 81 WS,
semeada no espaçamento de 0,45 m entre fileiras, e
população final de 200.000 plantas ha-1. No dia
seguinte a semeadura, realizou-se a aplicação a
lanço de 100 kg ha-1 do fertilizante NPK 12-46-00.
Foram realizadas duas adubações potássicas de
cobertura, aplicando-se 45 kg ha-1 de K2O em cada,
usando como fonte o Cloreto de Potássio.
2
A adubação nitrogenada de cobertura foi
parcelada em quatro aplicações, usando como fontes
o Sulfato de Amônio nas duas primeiras e a Ureia nas
duas últimas. As doses médias aplicadas foram 30 kg
ha-1 de N aos 21 e 36 dias após a emergência (DAE)
e 45 kg ha-1 de N aos 48 e 60 DAE, variando-se de 0
ao dobro da dose média.
As condições climáticas foram adequadas ao
desenvolvimento da cultura e foram observadas
chuvas de pelo menos 20 mm em no máximo 48 h
após cada aplicação de N. As demais práticas
culturais e de controle fitossanitário foram as
usualmente empregadas na propriedade, seguindo
as recomendações para a cultura.
A área experimental utilizada foi de 17 ha,
divididos em seis blocos. Cada bloco apresentou
dimensões de 73,44 m, equivalente à largura de três
faixas de aplicação, e 400 m de comprimento, o que
permitiu a recomendação de 80 doses diferentes de
nitrogênio total em cobertura, variando-se
linearmente de 0 a 300 kg de N ha-1. As doses foram
distribuídas nos blocos com valores crescentes ou
decrescente de forma alternada, sem haver
aleatorização.
Os dados de condutividade elétrica aparente do
solo (CEa) foram obtidos através do sensor modelo
Veris 3100, que efetuou o levantamento da área no
dia anterior ao plantio, utilizando largura das faixas
de 12 m, velocidade de 4 m s-1 e taxa de aquisição
de 1 Hz. Os dados coletados referem-se à camada
de 0 0,3 m e foram georreferenciados com auxílio
de um receptor de sistema de navegação global por
satélites (GNSS), o que produziu cerca de 200
pontos ha-1.
Os índices de vegetação foram obtidos por
coletas de dados realizadas com o sensor ativo de
dossel CropCircle modelo ACS 430. O sensor utiliza
um conjunto de LED’s policromáticos como fonte
luminosa e possuí receptores para quantificar a
radiação refletida pelo dossel cultural em três
comprimentos de onda: vermelho (670 nm), “red
edge(730 nm) e infravermelho próximo (780 nm).
Os sensores foram montados sobre um
distribuidor de fertilizantes autopropelido, usando-se
quatro sensores, distantes 2,7 e 3,4 m para a
esquerda e para a direita do centro da máquina.
Manteve-se uma altura média de 1,2 m entre o
sensor e o topo do dossel cultural. A velocidade
média de deslocamento da máquina foi de 5 m s-1 e
a largura das faixas adotada foi de 24,48 m.
Cada sensor foi configurado para coletar dados a
5 Hz, sendo a posição da coleta georreferenciada
com auxílio de um receptor GNSS com tecnologia
Real Time Kinematic (RTK). Esse procedimento de
coleta produziu cerca de 1.600 pontos ha-1. Os
valores de reflectância coletados pelos sensores
foram então utilizados para calcular os índices de
vegetação descritos na Tabela 1.
Tabela 1. Descrição dos índices de vegetação
utilizados.
Índice
(1)
Bandas
Fórmula
NDRE 780, 730 (R780 - R730) / (R780 + R730)
NDVI
780, 670
(R
780
– R
670
) / (R
780
+ R
670
)
CCCI
780, 730, 670
NDVI / NDRE
MTCI
780, 730, 670
(R
780
- R
730
) / (R
730
- R
670
)
(1) NDRE: Índice de vegetação por diferença normalizada pelo “red-
edge” (Horler et al., 1983). NDVI: Índice de vegetação por
diferença normalizada (Jordan, 1969); CCCI: Índice do conteúdo
de clorofila no dossel (Barnes et al., 2000); MTCI: Índice de
clorofila terrestre MERIS (Dash & Curran, 2004);
Todos os dados foram interpolados em uma
superfície regular, com pixels medindo 5 m no
sentido de deslocamento da máquina e 12,24 m de
largura, usando-se o pacote gstat no software
estatístico R, versão 3.1.3 (R Core Team, 2015). As
análises foram então executadas com os valores de
todas as variáveis em cada pixel.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A análise de correlação linear entre a CEa e os
índices de vegetação (Tabela 2), revelou que o
índice de vegetação por diferença normalizada
(NDVI) foi o índice que mais se correlacionou com a
CEa, em todas as avaliações realizadas. A textura
arenosa da área e os baixos valores de CEa
contribuem para que pequenos incrementos nos
valores de CEa representem às plantas um ambiente
mais adequado ao seu desenvolvimento, produzindo
plantas mais vigorosas e com maior acúmulo de
biomassa, o que está diretamente relacionado ao
NDVI. O índice de vegetação por diferença
normalizada do “red-edge” (NDRE) apresentou
comportamento semelhante, porém com coeficientes
de correlação inferiores.
Tabela 2. Coeficiente de correlação linear entre a
condutividade elétrica aparente do solo e índices de
vegetação obtidos por sensor ativo de dossel.
IV
(1)
26 DAE
42 DAE
60 DAE
88 DAE
NDRE
0,30
0,41
0,46
0,51
NDVI
0,43
0,49
0,49
0,52
CCCI -0,36 -0,47 0,22 0,39
MTCI -0,34 -0,29 0,38 0,46
(1) IV: Índice de vegetação; DAE: Dias após a emergência;
3
O índice do conteúdo de clorofila no dossel
(CCCI) e o índice de clorofila terrestre MERIS
(MTCI), exibiram comportamento inverso aos demais
nas duas primeiras avaliações. Esses índices
buscam relacionarem-se com o teor de clorofila do
dossel, indiferentes ao volume de biomassa. Assim,
inicialmente os teores de clorofila nas regiões de alta
CEa podem ser menores, pois o N disponível está
diluído num volume maior de biomassa, entretanto
com o passar do tempo a maior disponibilidade de N
nos locais com maior CEa leva ao incremento da
concentração foliar, e as correlações passam a ser
positivas.
Na análise de correlação linear entre a dose de N
aplicada e os índices de vegetação (Tabela 3),
observa-se que na primeira avaliação nenhum índice
apresentou coeficientes de correlação significativos,
o que indica que a alocação das doses de N foi
adequada, não sendo relacionada à variabilidade
pré-existente. Na segunda avaliação o índice que
apresentou melhor desempenho em diferenciar as
doses de N foi o NDRE.
Tabela 3. Coeficiente de correlação linear entre as
doses de nitrogênio aplicado em cobertura e índices
de vegetação obtidos por sensor ativo de dossel.
IV
(1)
26 DAE
42 DAE
60 DAE
88 DAE
NDRE
0,02
0,45
0,68
0,61
NDVI
0,01
0,35
0,57
0,49
CCCI 0,03 0,02 0,72 0,69
MTCI
0,03
0,27
0,76
0,68
(1) IV: Índice de vegetação; DAE: Dias após a emergência;
Nas duas últimas avaliações o MTCI e o CCCI
apresentaram desempenho superior aos demais,
chegando ao valor de correlação máximo de 0,76
entre a dose de N aplicada e o MTCI aos 60 DAE. De
modo geral, o NDVI apresentou as menores
correlações com as doses de N aplicadas, o que está
de acordo com o que foi discutido quanto a relação
entre NDVI e CEa, por se tratar de um índice com alta
correlação com biomassa e vigor vegetativo.
Embora as aplicações de N em cobertura no
algodoeiro sejam normalmente realizadas até os 60
DAE, está avaliação aos 88 DAE é importante para
avaliar o resultado da última aplicação de N que foi
realizada e permite estudar melhor o comportamento
dos índices em condições de elevadas quantidades
de biomassa da cultura, principalmente no que diz
respeito aos efeitos de saturação do sinal dos
sensores.
Observa-se que aos 60 DAE (Figura 1.a) o NDVI
foi capaz de diferenciar as doses de N até
aproximadamente 100 kg ha-1, enquanto entre 100 e
300 kg ha-1 os valores estão concentrados próximo a
0,9 e não se observa incremento do NDVI com o
aumento da dose de N aplicada. Esse
comportamento é conhecido como saturação do sinal
e ocorre devido à presença de quantidades elevadas
de biomassa na cultura.
AMARAL & MOLIN (2014), observaram efeito
semelhante na cultura da cana-de-açúcar,
principalmente após as plantas superarem os 60 cm
de altura de palmito.
Figura 1. Relação das doses de nitrogênio aplicadas
em cobertura no algodoeiro com (a) o índice de
vegetação por diferença normalizada (NDVI) e (b) o
índice de clorofila terrestre MERIS (MTCI) aos 60
dias após a emergência da cultura.
Por outro lado, o MTCI (Figura 1.b), apresenta
uma relação com a dose de N aplicada semelhante
ao que é descrito na lei dos incrementos
decrescentes (Mitscherlich, 1909, apud Brorsen &
Richter, 2012), segundo a qual ao se adicionar doses
crescentes de um nutriente, o maior incremento em
produção é obtido com a primeira dose. Com
aplicações sucessivas do nutriente, os incrementos
de produção são cada vez menores.
a)
b)
4
Dessa forma, o MTCI foi capaz de diferenciar as
doses de N mesmo quando esta foi maior que os
valores normalmente empregados no algodoeiro,
não exibindo as limitações descritas para o NDVI
quanto a saturação. Resultados semelhantes foram
observados por Shiratsuchi, et al. (2011),
trabalhando com milho nos Estados Unidos.
Segundo eles o MTCI apresentou boa capacidade de
diferenciar doses de N e foi menos afetado pelo
estresse hídrico que os outros índices avaliados.
A correlação entre o MTCI e as doses de N
aplicadas é evidenciada na análise visual da
distribuição espacial dessas variáveis (Figura 2).
Também é possível observar a correlação entre o
MTCI e a CEa, notando-se que nos dois blocos
superiores os valores da CEa são inferiores, e que
nesses locais os valores de MTCI estão abaixo do
valor médio, mesmo onde doses altas de N foram
aplicadas, o que não ocorre nos dois blocos
inferiores, onde a CEa é maior.
Figura 2. Mapas da distribuição espacial da
condutividade elétrica aparente do solo (CEa), das
doses de nitrogênio aplicado em cobertura e do MTCI
aos 60 dias após a emergência do algodoeiro.
CONCLUSÕES
O índice de vegetação que apresentou maior
capacidade em predizer a resposta do algodoeiro à
adubação nitrogenada foi o índice de clorofila
terrestre MERIS (MTCI), com coeficiente de
correlação máximo de 0,76 aos 60 dias após a
emergência. O índice de vegetação por diferença
normalizada (NDVI) apresentou as maiores
correlações com a condutividade elétrica do solo e as
menores correlações com a dose de nitrogênio
dentre os índices avaliados.
AGRADECIMENTOS
Ao Grupo Bom Futuro pela disponibilização das
áreas e apoio na realização dos experimentos.
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STAUT, L. A. et al. Adubação nitrogenada em cobertura na
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Embrapa Agropecuária Oeste, 2002. 4p. (Comunicado
Técnico, 67)
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Article
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MITSCHERLICH E. A. Des Gesetz des Minimums und das Gesetz des abnehmended Bodenertrages. Landwirsch Jahrb, 3, 537-552. 1909. Citado por: BRORSEN, B. W.;
Coincident detection of crop water stress, nitrogen status, and canopy density using groundbased multispectral data
  • E M Barnes
BARNES, E. M.; et al. Coincident detection of crop water stress, nitrogen status, and canopy density using groundbased multispectral data. In Proc. 5th Intl. Conference on Precision Agriculture. Madison, Wisc.: ASA-CSSA-SSSA.