Refletância espectral na cultura do trigo em períodos do dia com distinta radiação
fotossinteticamente ativa
Claudio Kapp Junior1, Eduardo Fávero Caires1
1
Departamento de Agronomia, Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa,
Paraná, Brasil, [email protected], [email protected]
RESUMO
Leituras de refletância espectral por sensores ópticos podem ser utilizadas para prescrição de
doses ótimas de nitrogênio (N). Este trabalho teve os objetivos de (i) avaliar os efeitos da
adubação nitrogenada na produção de matéria seca da parte aérea e nas leituras de refletância
espectral na cultura do trigo e (ii) e avaliar a influência de períodos do dia com distinta
radiação fotossinteticamente ativa (RFA) nestas leituras. Para isso, instalou-se um
experimento de campo em blocos ao acaso, no esquema de parcelas subdivididas, com três
repetições. Nas parcelas, foram aplicadas quatro doses de N na semeadura (0, 20, 40 e 60 kg
ha-1) e, nas subparcelas, foram empregadas quatro doses de N em cobertura (0, 30, 60 e 90 kg
ha-1). Em cada subparcela mensurou-se a RFA com o aparelho AccuPar modelo LP-80 e, em
seguida, mensurou-se a refletância espectral com o sensor ativo GreenSeeker para construção
do índice NDVI, em três momentos do dia (manhã, tarde e noite). Observou-se correlação das
doses de N em cobertura com a produção de matéria seca da parte aérea do trigo e,
consequentemente, com o NDVI. A RFA apresentou valores distintos durante o dia e o NDVI
obtido nos mesmos locais durante o dia obteve valores significativamente diferentes.
Concluiu-se que o NDVI é sensível às variações na produção de matéria seca da parte aérea
do trigo de acordo com a dose de N aplicada, e que a RFA interfere na leitura de refletância
espectral obtida pelo sensor GreenSeeker na cultura do trigo.
PALAVRAS-CHAVE: Nitrogênio, GreenSeeker, NDVI, Matéria seca.
Spectral reflectance of wheat crop in times of day with different photosynthetically
active radiation
ABSTRACT
Spectral reflectance readings by optical sensors can be related to crop attributes for
prescribing optimal rates of nitrogen (N). This study was carried out to evaluate (i) the effects
of N fertilization on dry matter yield and the readings of spectral reflectance in wheat, and (ii)
the influence of photosynthetically active radiation (PAR) on this readings. A field
experiment was conducted in a randomized block design, with three replications, in a splitplot arrangement. In the plots, four N rates were applied at sowing (0, 20, 40, and 60 kg ha-1)
and in the subplots were used four N rates in top dressing (0, 30, 60, and 90 kg ha-1). In each
subplot was measured the PAR with an AccuPar device model LP-80 and, soon after, spectral
reflectance reading were taken with an active sensor GreenSeeker to build the NDVI index, at
three different times of day (morning, afternoon, and evening). The results showed correlation
of N rates in top dressing with the dry matter yield and, consequently with the NDVI. The
PAR showed different values during the day and the NDVI index measured in the same
locations throughout the day had significantly different values. In conclusion, the NDVI is
sensitive to variation of dry matter yield and the PAR interferes on the spectral reflectance
read obtained by GreenSeeker sensor in the wheat crop.
KEYWORDS: Nitrogen, GreenSeeker, NDVI, Dry matter.
INTRODUÇÃO
A tecnologia embarcada em equipamentos agrícolas com sistemas de posicionamento
geográfico (GPS), sensores e softwares avançados de aplicação vem crescendo na gestão
sustentável de recursos para a produção de alimentos. Dentre as possibilidades de utilização
de ferramental tecnológico abordado na literatura encontra-se o monitoramento da nutrição
nitrogenada por meio de sensores de refletância espectral.
A luz possui características de onda eletromagnética transversal, sendo que os campos
elétrico e magnético oscilam perpendicularmente a um ângulo de 90o em direção uma à outra
(TAIZ; ZAIGER, 2006). Quando esta radiação incide em alguma superfície e é refletida,
existem sensores que podem efetuar a medição quantitativa das respostas das interações da
radiação eletromagnética com os materiais terrestres, sem que haja contato físico de qualquer
espécie entre o sensor e o objeto (MENEZES; ALMEIDA, 2012).
Uma série de sensores ópticos está disponível para os agricultores. Estes aparelhos
sensores montados em veículos estão ligados ao GPS de modo que a posição das leituras é
gravada e pode ser mapeada com precisão para informar atributos de plantas. As estimativas
de biomassa da cultura, por exemplo, podem ser feitas com resultados de leituras de
comprimentos de onda na região visível e no infravermelho próximo (HEDLEY, 2014).
As condições nas quais os sensores trabalham podem influenciar o resultado de sua
leitura. As medições dos sensores são normalizadas para diminuir os efeitos resultantes de
condições diferenciadas, como cultivares diferentes, estrutura do dossel (que pode mudar por
diferentes aspectos como a fase de crescimento da planta e a arquitetura da folha) e distância
entre o sensor e a planta, melhorando as condições para que um modelo possa ser aplicado em
muitos campos e diferentes culturas (HOLLAND; SCHEPERS, 2010).
Outros fatores que podem influenciar os resultados de leitura dos sensores são a
radiação fotossinteticamente ativa (RFA) e a temperatura do ar. Entretanto, informações sobre
os efeitos da temperatura ou da intensidade de luz raramente são relatados pelos fornecedores
dos sensores e, atualmente, existem poucos estudos relevantes associados a esse assunto
(KIPP; MISTELE; SCMIDHALTER, 2013).
A RFA é a faixa visível do espectro eletromagnético que fica entre os comprimentos
de onda de 0,4 e 0,7 nm (MONTEITH, 1972). Os objetivos deste trabalho foram (i) avaliar os
efeitos da adubação nitrogenada na produção de matéria seca da parte aérea e nas leituras de
NDVI em plantas de trigo e (ii) verificar a influência da RFA incidente em momentos
distintos do dia na leitura de refletância espectral realizada com o sensor ativo GreenSeeker
na cultura do trigo.
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi realizado em um Latossolo Vermelho, na cidade de Palmeira da região dos
Campos Gerais do Paraná. O clima da região, segundo classificação de Köppen, é do tipo
Cfb, com verões amenos e geadas frequentes durante o inverno. A altitude média é de 920 m.
A precipitação pluvial média anual é de cerca de 1.550 mm.
O delineamento experimental utilizado foi o de blocos ao acaso, em esquema de
parcelas subdivididas, com três repetições. Nas parcelas (24 m × 6 m), foram aplicadas quatro
doses de N-ureia na semeadura (0, 20, 40 e 60 kg ha-1) e, nas subparcelas (6 m × 6 m), foram
empregadas quatro doses de N-ureia em cobertura (0, 30, 60 e 90 kg ha-1).
O trigo (Triticum aestivum L.), cv. Quartzo, foi semeado no dia 26 de junho de 2014,
após cultivo de soja, utilizando-se 170 kg ha-1 de sementes e espaçamento de 0,17 m entre as
linhas. A adubação nitrogenada de cobertura foi realizada por ocasião do perfilhamento da
cultura do trigo, entre a emissão da 4ª e da 7ª folha. O controle de pragas, doenças e plantas
daninhas foi realizado de acordo com as necessidades da cultura, de modo a permitir o
adequado desenvolvimento das plantas para alcançar o máximo potencial produtivo.
Para medir a RFA foi utilizado o sensor AccuPar modelo LP-80 que possui uma sonda
de aproximadamente 86 cm, com 80 sensores que fazem a leitura com uma resolução de 1
μmol m-2 s-1.
As leituras de refletância espectral foram realizadas com o sensor GreenSeeker ACS470 (ativo), o qual foi desenvolvido pela Universidade de Oklahoma (EUA), na década de
1990. A quantidade de luz visível e NIR refletida pelo dossel de plantas é medida pelo
aparelho e transmitida para um computador portátil adaptado ao sensor. Os arquivos são
gerados em formato “.CSV” e transformados no formato desejado para posterior cálculo dos
índices necessários (KAPP JUNIOR, 2013). Realizaram-se as leituras na região espectral do
vermelho visível (VIS-650 ± 10 nm) e do infravermelho (NIR-770 ±15 nm), à distância de
aproximadamente 90 cm do dossel das plantas. A conversão das leituras obtidas para o índice
NDVI (Normallized Difference Vegetation Index) foi realizada pela equação 1 (ROUSE et
al., 1974).
NDVI =
NIR  PAR
NIR  PAR
(Equação 1)
onde, NIR mensuração de refletância espectral na região infravermelho e PAR é a
mensuração de refletância espectral na região visível (geralmente nas bandas do vermelho ou
verde).
As leituras de refletância espectral foram realizadas aos 50 dias após a aplicação de N
em cobertura, em um dia praticamente sem nuvens para não interferir na transmissão da
radiação solar. Em cada subparcela delimitou-se uma área de 1,0 m2 (2 m × 0,5 m) para a
realização das leituras de RFA e de refletância espectral, em três diferentes momentos do dia,
compreendendo os horários de: (i) 7:30–8:30 h (manhã), (ii) 13:30–14:30 h (tarde) e (iii)
19:30–20:30 h (noite). Por ocasião da maturidade fisiológica da cultura do trigo coletou-se um
metro de plantas, somente a parte aérea, para avaliação da produção de matéria seca.
Os resultados obtidos foram submetidos às análises de variância e de regressão. Os
efeitos das doses de N, na semeadura e em cobertura, foram comparados por meio de análises
de regressão. Adotou-se como critério para escolha do modelo da regressão a magnitude dos
coeficientes de determinação significativos a 5%. Os horários das leituras de RFA e de
refletância espectral foram comparados pelo teste de Tukey a 5%. As análises estatísticas
foram realizadas por meio do software R.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As doses de N aplicadas na semeadura do trigo não influenciaram significativamente a
produção de matéria seca da parte aérea. Considerando que a área foi cultivada com soja antes
do trigo, certamente houve adequado suprimento de N no início do desenvolvimento das
plantas de trigo por meio da mineralização dos resíduos culturais da soja. Como o
GeenSeeker tem sensibilidade para acusar variação na produção de matéria seca da parte
aérea das plantas (KAPP JUNIOR, CAIRES e GUIMARÃES, 2014), também não houve
efeito significativo das doses de N empregadas na semeadura na leitura de refletância
espectral.
As doses de N aplicadas em cobertura aumentaram significativamente (P<0,05) a
produção de matéria seca da parte aérea do trigo, conforme o modelo linear (Figura 1).
Figura 1. Produção de matéria seca da parte aérea de plantas de trigo em função de doses de nitrogênio aplicadas
em cobertura. *: P < 0,05.
Os índices de leitura de refletância (NDVI) correlacionaram-se linearmente com a
produção de matéria seca da parte aérea do trigo (Figura 2). Os coeficientes de determinação
(R2) foram de 0,99 (P<0,01) para as leituras realizadas no período da noite, 0,98 (P<0,01)
para as leituras realizadas no período da manhã e 0,97 (P<0,05) para as leitura realizadas no
período da tarde. Como as leituras foram realizadas no mesmo local e na mesma altura do
dossel, as diferenças nos valores foram, certamente, ocasionadas pela interferência da RFA.
Figura 2. Leituras de NDVI em função da produção de matéria seca da parte aérea do trigo. *P<0,05; **P<0,01.
Influência da RFA na leitura da refletância espectral
As leituras de RFA no período da manhã aumentaram em cerca de 6 μmol m-2 s-1 a
cada minuto, saindo de 540 μmol m-2 s-1 no horário de 7:30 h e chegando a 900 μmol m-2 s-1
no horário próximo de 8:30 h (Figura 3).
Figura 3. Valores de radiação fotossinteticamente ativa (RFA) observados no período da manhã.
No período da tarde, as leituras foram realizadas em um momento em que a RFA já
estava diminuindo aproximadamente 2,15 μmol m-2 s-1 a cada minuto, saindo de 1750 μmol
m-2 s-1 no horário de 13:30 h e chegando a 1620 μmol m-2 s-1 no horário próximo de 14:00 h
(Figura 4).
Figura 4. Valores de radiação fotossinteticamente ativa (RFA) observados no período da tarde.
Como durante a noite não foi encontrada incidência de RFA, a radiação não causou
interferência nas leituras de NDVI no período noturno.
Os índices de leitura de refletância (NDVI) correlacionaram-se significativamente com
as doses de N em cobertura (Figura 5). Os coeficientes de determinação (R2) foram de 0,90
(P<0,05) para as leituras realizadas no período da noite, 0,84 (P<0,01) para as leituras
realizadas no período da manhã e 0,80 (P<0,01) para as leitura realizadas no período da tarde.
Figura 5. Leitura de NDVI em função das doses de nitrogênio aplicadas em cobertura na cultura do trigo.
*P<0,05; **P<0,01.
As médias de leituras de refletância espectral (NDVI) para cada dose de N aplicada em
cobertura apresentaram diferenças significativas nos diferentes horários de leitura (Tabela 1).
Nas parcelas sem N em cobertura, as leituras de NDVI realizadas no período da noite, sem
incidência de RFA, foram maiores do que as leituras realizadas no período da tarde, com
maior incidência de RFA. Quando a adubação nitrogenada foi realizada nas doses de 30 e 90
kg N ha-1, as leituras de NDVI realizadas nos períodos da manhã e da noite foram maiores do
que as leituras feitas à tarde, com maior incidência de RFA. Com a dose de 60 kg N ha-1 em
cobertura, as leituras de NDVI seguiram a seguinte ordem: noite > manhã > tarde. De modo
geral, as leituras de NDVI foram mais altas na medida em que a RFA foi mais baixa. Esses
resultados indicam a incidência da RFA interferiu na refletância da radiação mensurada pelo
sensor ativo GreenSeeker. Destaca-se que os maiores valores de NIR e PAR foram obtidos
nos momentos do dia em que houve maior incidência de RFA. Quando os valores de NIR e
PAR aumentam juntos, ocorre redução no valor de NDVI (Equação 1). Em um estudo
realizado em condições controladas com medidas de refletância realizadas em um tecido
verde, e não em plantas, observou-se correlação linear negativa entre aumento da temperatura
e a mensuração do NDVI (KIPP, MISTELE e SCMIDHALTER, 2013). Desta maneira,
observa-se a necessidade de controlar o período do dia no qual está se trabalhando com
sensores ativos, pois uma distorção na leitura pode causar grande diferença em situações
práticas da utilização de tecnologias embarcadas. Por exemplo, se estes aparelhos forem
utilizados para a prescrição de doses de N, como no trabalho de Holland e Schepers (2010), o
descuido com itens que podem distorcer a leitura de NDVI pode acarretar em superestimação
ou subestimação da dose ótima de N a ser aplicada nas culturas.
Tabela 1. Leituras de refletância espectral (NDVI) em períodos diferentes do dia em função das doses de
nitrogênio em cobertura na cultura do trigo
Período
30 kg N ha-1
60 kg N ha-1
90 kg N ha-1
Horário (h)
Sem N
Tarde
13:30 - 14:30
0,762b
0,793b
0,790c
0,805b
Manhã
07:30 - 08:30
0,791ab
0,816a
0,820b
0,826a
Noite
19:30 - 20:30
0,812 a
0,831a
0,836a
Letras iguais nas colunas não diferem significativamente pelo teste de Tukey (P=0,05).
0,842a
CONCLUSÕES
As doses de nitrogênio aplicadas em cobertura na cultura do trigo apresentam estreita
correlação com a produção de matéria seca da parte aérea e, consequentemente, com as
leituras de NDVI realizadas com sensor ativo GreenSeeker.
A radiação fotossinteticamente ativa interfere nas leituras de NDVI realizadas com o
sensor ativo GreenSeeker, obtendo-se maiores valores de NDVI em momentos do dia em que
a radiação incidente é mais baixa. Apesar de ser possível realizar as leituras de NDVI em
qualquer período (manhã, tarde ou noite), é importante considerar a interferência da radiação
fotossinteticamente ativa no ajuste de modelos de prescrição de doses ótimas de nitrogênio a
partir de leituras de refletância espectral com sensores ópticos.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos os Programas de Pós Graduação em Agronomia e em Computação
Aplicada da Universidade Estadual de Ponta Grossa pela parceria que possibilitou a
realização deste trabalho.
REFERÊNCIAS
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Journal of Science Food Agriculture, v.95, p.12-19, 2014.
HOLLAND, K. H.; SCHEPERS, J. S. Derivation of a variable rate nitrogen application model
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resposta à adubação nitrogenada em plantio direto. 2001. 72 f. Dissertação (Mestrado em
Computação Aplicada) – Setor de Ciências Agrárias e de Tecnologia, Universidade Estadual
de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2013.
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