XLII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola - CONBEA 2013
Fábrica de Negócios - Fortaleza - CE - Brasil
04 a 08 de agosto de 2013
VARIABILIDADE ESPACIAL DA UMIDADE DO SOLO E DA CONDUTIVIDADE
ELÉTRICA EM UM SOLO ALUVIAL DO SEMIÁRIDO PERNAMBUCANO
CAROLYNE WANESSA LINS DE ANDRADE¹, JUCICLÉIA SOARES DA SILVA²,
ABELARDO ANTÔNIO DE ASSUNÇÃO MONTENEGRO³, SUZANA MARIA GICO LIMA
MONTENEGRO4, ÊNIO FARIAS DE FRANÇA E SILVA5
1
Mestranda em Engenharia Agrícola, UFRPE/Recife - PE, [email protected]
Doutoranda em Engenharia Agrícola, URFPE/Recife - PE.
³ Professor Associado, URFPE/Recife - PE.
4
Professora Associada, UFPE/Recife - PE.
5
Professor Adjunto, URFPE/Recife - PE.
2
Apresentado no
XLII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola - CONBEA 2013
04 a 08 de Agosto de 2013 - Fortaleza - CE, Brasil
RESUMO: Os estudos sobre a variabilidade espacial de propriedades hídricas e químicas de solos
têm grande importância, pois constituem uma base para a adoção de práticas agrícolas sustentáveis.
O objetivo do trabalho foi avaliar a variabilidade espacial da umidade e da condutividade elétrica de
um solo aluvial do semiárido pernambucano sob o cultivo de cenoura, desenvolvido durante o
período seco de 2012. Adotando uma malha regular 4 x 4 m com 49 pontos, foram medidas
umidade do solo pelo equipamento TDR-portátil e a condutividade elétrica através do aparelho de
indução eletromagnética EM38. As variáveis foram submetidas à análise estatística clássica,
seguida de análise geoestatística. A variabilidade dos dados de umidade e CE na posição horizontal
foi classificada como baixa com coeficientes de variação respectivamente de 11,33 e 13,68% e para
a CE na posição vertical foi considerada alta, com coeficiente de variação de 113,03%. Os valores
de CE vertical e horizontal apresentaram forte dependência espacial, com graus de dependência
espacial de 20 e 10%, respectivamente; enquanto a umidade do solo apresentou moderada
dependência com 58,59%. Os resultados ressaltam que a geoestatística é uma ferramenta viável
para a análise de propriedades do solo, promovendo o melhoramento da produção agrícola na região
semiárida.
PALAVRAS-CHAVE: geoestatística, condutividade elétrica, umidade
SPATIAL VARIABILITY OF SOIL MOISTURE AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY
IN A SEMIARID ALLUVIAL SOIL OF PERNAMBUCO
ABSTRACT: Studies about the spatial variability of water and chemical properties of soils are of
great importance, since they constitute a basis for the adoption of sustainable agricultural practices.
The objective of this study was to evaluate the spatial variability of moisture and electrical
conductivity of an alluvial soil in the semi-arid Pernambuco growing carrots, developed during the
dry season of 2012. Adopting a regular grid 4 x 4 m with 49 points, it was measured soil moisture
by TDR-portable equipment and electrical conductivity through the device of electromagnetic
induction EM38. The variables were subjected to statistical analysis classic, followed by
geostatistical analysis. The data variability of moisture and EC in horizontal position was classified
as low, with coefficients of variation respectively of 11.33 and 13.68% for the EC and upright was
considered high, with a coefficient of variation of 113.03%. The EC values showed strong vertical
and horizontal spatial dependence, with degrees of spatial dependence of 20 and 10%, respectively,
while soil moisture showed a moderate dependence with 58,59%. The results indicated that
geostatistics is a viable tool for the analysis of soil properties, promoting the improvement of
agricultural production in the semiarid region.
KEYWORDS: geoestatistics, electric condutivity, moisture
INTRODUÇÃO
Em muitas áreas irrigadas de regiões áridas ou semiáridas do Nordeste brasileiro há um
grande risco de perda de produção e de aproveitamento dos recursos naturais devido ao manejo
inadequado de água e solo.
Os estudos sobre variabilidade espacial de propriedades hídricas e químicas de solos
possuem grande importância na literatura, pois constituem uma base para a adoção de práticas
agrícolas sustentáveis, que permitam um melhor aproveitamento do uso de água e solo (SOUZA et
al., 2008).
No que diz respeito às diferentes condições de teores de água no solo, Souza et al. (2006)
observaram distintos comportamentos da variabilidade espacial de propriedades do solo nessas
condições.
Segundo Coelho (1983), propriedades químicas do solo, com exceção do pH, podem possuir
grande variação, confirmando a importância dos estudos voltados à variabilidade. Trabalhos com o
enfoque na variabilidade de propriedades químicas do solo foram realizados por Souza et al. (2000),
que analisaram a variabilidade espacial da salinidade de um solo aluvial no semiárido paraibano e
por Souza et al. (2008), que avaliaram a variabilidade espacial das frações granulométricas e da
salinidade em um neossolo flúvico do semiárido pernambucano.
Dentre os diferentes tipos de solo existentes nas regiões semiáridas, os aluviais são muito
utilizados nas atividades agrícolas. A concentração de sais nesses solos é influenciada por três
processos relevantes: infiltração, ascensão capilar e escoamentos laterais. A atuação conjunta e
sucessiva desses processos tende a gerar gradientes verticais e horizontais de salinidade,
dificultando sua estimativa e mapeamento (MONTENEGRO et al., 2010).
O uso de tecnologias para obtenção de dados de diferentes propriedades do solo vem
propiciando o desenvolvimento da agricultura de precisão. O dispositivo de indução
eletromagnética EM38 é um equipamento importante para a medição da condutividade elétrica
aparente do solo, pois segundo Montenegro et al. (2010) é uma técnica não invasiva e fornece a
leitura imediata da CE em cada ponto, facilitando o monitoramento. Conforme McNeill (1980), o
EM38 apresenta na posição vertical uma altura de influência de 1,5 m, enquanto na posição
horizontal de 0,75 m. O alcance do equipamento na posição vertical fornece a representação do
sistema radicular para a maioria dos cultivos agrícolas. Outra ferramenta é a sonda TDR portátil,
que fornece medições rápidas e confiáveis de umidade do solo.
Esses equipamentos constituem um subsídio para o estudo da variabilidade espacial dos
solos através da geoestatística. Para isto, é necessário realizar uma amostragem representativa da
área, com o intuito da obtenção de dados com valores que representem, com precisão, a realidade.
Através da geoestatística, é possível realizar uma descrição quantitativa da variabilidade espacial
das propriedades do solo e a estimativa de valores dessas propriedades em locais não amostrados
(VIEIRA, 2000). As alterações para corrigir variações indesejáveis da demanda de nutrientes, água
ou até mesmo manejo, passam a ser delimitadas por mapas de isovalores das variáveis de interesse.
O objetivo deste trabalho foi estudar a variabilidade espacial da umidade e da condutividade
elétrica aparente de um solo aluvial do semiárido pernambucano sob o cultivo de cenoura (Daucus
carota L.) durante o período seco de 2012, a fim de investigar a dependência espacial da umidade e
da condutividade elétrica do solo de modo a orientar técnicas de manejo mais eficientes, propondo o
melhoramento da produção agrícola na região.
MATERIAL E MÉTODOS
O estudo foi realizado na Fazenda Nossa Senhora do Rosário, localizada no município de
Pesqueira-PE, Região do Agreste de Pernambuco, com coordenadas de 08° 10' S e 35° 11' W e
altitude de 650m (Figura 1).
FIGURA 1. Mapa do Brasil com destaque no estado de Pernambuco e no município de Pesqueira
(Fonte: Modificado de http://pt.wikipedia.org/wiki/Pesqueira - acessado em 8 de
março de 2013)
A área em estudo possui assentamento rural instalado pelo Governo do Estado, onde se
pratica a agricultura familiar. O solo predominante na região é o Neossolo Flúvico (BASTOS,
2004). O clima é do tipo BSsh (extremamente quente, semiárido) de acordo com a classificação de
Köppen, com pluviometria média anual de 607 mm (SANTOS et al., 2012).
Os dados climatológicos medidos através da estação pluviométrica próxima a área do estudo
no dia em que foram realizadas as amostragens mostraram que não houve precipitação, a
temperatura média foi de 24,52°C e a umidade relativa máxima e mínima foram respectivamente de
89,5 e 26,46%.
Na região são cultivadas cenoura, pimenta, beterraba, repolho, pimentão e tomate, entre
outras. Todas possuem sistema radicular raso e duas a três colheitas por ano. Os lotes irrigados
podem chegar a 1 ha, nos quais o sistema de irrigação com maior adesão é por aspersão, observando
um crescimento dos sistemas de microaspersão e de gotejamento (FONTES JUNIOR et al., 2012).
Para a análise espacial, foi adotado um lote irrigado de 576 m² sob o cultivo de cenoura
(Daucus carota L.), com produtividade aproximadamadamente de 30 mil Kg/ha, irrigado 1,5h/dia
com águas subterrâneas por um sistema de microaspersão com vazão 105 l/h. A medição da
umidade e condutividade elétrica do solo ocorreu em 12 de novembro de 2012.
A técnica de determinação da umidade do solo foi pelo equipamento TDR portátil na
profundidade de 0,20 m. A condutividade elétrica aparente do solo (CE) foi estimada a partir de
leituras com o aparelho de indução eletromagnética EM38. O equipamento foi posicionado em uma
altura de 1,5 m em relação ao nível do solo (Figura 2). A zona radicular da cenoura (Daucus carota
L.) pode ser considerada rasa, por isso foi realizada a medição nessa condição de altura, que
abrangeu a área radicular. Esse procedimento também foi realizado por Montenegro et al. (2010)
quando avaliaram a salinidade de um neossolo.
FIGURA 2. Dispositivo de indução eletromagnética EM38: (a) posição vertical e (b) posição
horizontal, medidos a 1,5 m da superfície do solo
As análises das amostras de solo coletadas na área de estudo foram realizadas segundo
metodologia da EMBRAPA (1997).
Visando caracterizar a dependência espacial, foi estabelecida uma malha regular de 4 x 4 m,
inserida em um grid 7 x 7, totalizando 49 pontos amostrados (Figura 3).
FIGURA 3. Esquema de localização dos pontos na malha regular 4x4 m
Com o objetivo de verificar o comportamento dos dados, foi realizada uma análise estatística
descritiva, através da avaliação de medidas de tendência central (média, mediana e moda) e
dispersão (desvio padrão, variância, coeficiente de variação); foram analisados também os valores
de curtose e assimetria e a aderência à distribuição normal, segundo o teste de KOLMOGOROVSMIRNOV, SAS (SOUZA et al., 2008).
Os dados discrepantes foram eliminados de acordo com o critério de Hoaglin et al. (1983),
onde os valores discrepantes estão abaixo do limite inferior (Li) ou acima do limite superior (Ls)
respectivamente, estimados pelas (Eqs.1 e 2):
Li = Qi – 1,5Ai
(1)
Ls = Qs – 1,5Ai
(2)
em que Qi é o quartil inferior, Qs é o quartil superior e Ai é a amplitude interquartílica.
A dependência espacial foi analisada por meio de ajustes de semivariogramas (VIEIRA,
2000), com base na pressuposição de estacionariedade da hipótese intrínseca, o qual é estimado por:
(3)
em que N (h) é o número de pares experimentais de observações Z(x i) e Z (xi + h) separados por
uma distância h. O semivariograma é representado pelo gráfico y(h) versus h.
Coeficientes de variação (CV) são adimensionais e permitem a comparação entre diversos
parâmetros do solo. Indicadores de heterogeneidade dos dados podem ser considerados quando os
valores de CV são elevados (FROGBROOK et. al., 2002). Foram analisados os valores de
coeficiente de variação, conforme sugerido por Warrick e Nielsen (1998), o qual considera baixa
variabilidade quando CV < 15%; média para o intervalo 15 - 50%, e alta variabilidade quando CV >
50%.
Para análise geoestatística, utilizou-se a ferramenta GEO-EAS (ENGLUND e SPARKS,
1991), adotando-se o estimador clássico da semivariância (JOURNEL e HUIJBREGTS, 1978). Os
semivariogramas experimentais construídos no GEO-EAS foram confeccionados também no
software Microsoft Office Excel 2010.
Após a obtenção dos semivariogramas experimentais por meio do software GEO-EAS,
foram testados os modelos gaussiano, esférico, exponencial e linear. Do ajuste de um modelo
matemático aos valores calculados, são estimados os coeficientes do modelo teórico para o
semivariograma (o efeito pepita, C0; patamar, C0+C1 e o alcance, a).
Foi escolhido o modelo que apresentou um ajuste adequado aos valores experimentais e
erros padronizados com média próxima a zero e desvio padrão próximo a um, segundo a técnica de
validação cruzada de Jack-Knifing (VAUCLIN et al.,1983).
Para determinar o grau de dependência espacial das variáveis em estudo, utilizou-se a
classificação de Cambardella et al. (1994), que se baseia na análise da relação entre o efeito pepita e
o patamar de seu semivariograma ajustado. Valores inferiores a 25% caracterizam forte
dependência espacial, entre 25% e 75% moderada, enquanto que acima de 75% fraca dependência.
No que diz respeito à construção dos mapas de isolinhas, utilizando o algoritmo da
krigagem, foi adotado o programa computacional Surfer Versão 9.0 (SURFER 9.0, 2009).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados da análise estatística descritiva para a umidade do solo e para a condutividade
elétrica aparente e real se encontram na Tabela 1. O teste de Kolgomorov Smirnov indicou que os
dados de umidade, condutividade elétrica nas posições vertical e horizontal apresentaram
normalidade. Após a análise de existência de dados discrepantes foi verificado que não houve
outliers.
Na Tabela 1 pode-se observar que para a umidade e para a condutividade elétrica na posição
horizontal o grau de variabilidade foi considerado baixo, segundo critério de Warrick e Nielsen
(1998), com valores de 11,33 e 13,68%, respectivamente; para a condutividade elétrica na posição
vertical, o CV apresentou alto grau de variabilidade, com um valor de 113,03%, mostrando maior
descontinuidade entre as amostras (CAVALCANTE et al., 2011). Souza et al.(2000) estudando um
solo aluvial no Estado da Paraíba, conferiram a alta variabilidade resultante dos processos de
formação dos solos, além do manejo a que são submetidos, entre outros fatores.
Após a realização da estatística descritiva dos dados, os semivariogramas experimentais
foram construídos, como também foram ajustados aos diferentes modelos. As variáveis, os modelos
ajustados e os parâmetros dos modelos são apresentados na Tabela 1. Para a umidade do solo e para
a condutividade elétrica nas posições vertical e horizontal, o modelo que melhor se ajustou foi do
tipo esférico, sendo destacado por outros autores como o de melhor ajuste para os parâmetros do
solo e da planta (SIQUEIRA, 2009; CAMBARDELLA et al., 1994; VIEIRA, 2000; CARVALHO
et al, 2002; ULLOA GUITIÁN, 2002)
Os resultados da análise geoestatística mostraram que os valores de condutividade elétrica do solo
nas posições vertical e horizontal apresentaram forte dependência espacial, conforme descrito por
Cambardella et al. (1994), uma vez que a relações entre o efeito pepita e o patamar apresentaram
valores respectivamente de 20 e 10%; já a umidade do solo apresentou moderada dependência
espacial, com valor de 58,59% (Tabela 1), indicando segundo Cavalcante et al. (2011) que a
distribuição das variáveis no espaço não é aleatória, uma vez que todas apresentaram valores
moderados ou fortes grau de dependência espacial. Estudos realizados por Grego e Vieira (2005),
mostraram que a existência de dependência espacial na camada superficial do solo pode estar
relacionada ao preparo convencional, caracterizado por alta movimentação de máquinas agrícolas
no solo, que afetam a sua estrutura original.
Os alcances encontrados neste trabalho foram 18, 6 e 4 para a umidade, condutividade
elétrica do solo na posição vertical e horizontal, respectivamente, como mostrado na Tabela 1. O
alcance da condutividade elétrica na posição horizontal foi menor do que na posição vertical.
Resultados semelhantes foram encontrados por Siqueira (2009), que refere essa ocorrência ao fato
de que a medida da condutividade elétrica na condição horizontal tem uma espessura menor, com
existência de uma maior variabilidade na medição com o dipolo vertical.
Os semivariogramas ajustados para a umidade do solo, condutividade elétrica vertical e
horizontal, produziram respectivamente resíduos com médias -0,008; -0,048 e -0,014; e desvios
padrão 1,075; 1,106 e 1,019, com o modelo esférico. Pela técnica de validação cruzada, quanto mais
próxima a média estiver de zero e o desvio padrão próximo à unidade, melhor o ajuste do modelo.
TABELA 1. Estatística descritiva para a umidade e condutividade elétrica (CE), parâmetros dos
modelos de semivariogramas ajustados aos dados experimentais e parâmetros obtidos pela
validação.
Estatística descritiva
Umidade
CEv (mSm-1) CEh (mSm-1)
do solo (%)
Média
20,47
1,12
0,45
Mediana
20
1
0
Moda
19
0
0
Desvio Padrão
2,32
1,27
0,61
CV (Dp/M) x 100
11,33
113,03
13,68
Assimetria
0,61
0,29
2,19
Curtose
0,25
0,65
0,12
1º Quartil
19
0
0
3º Quartil
22
2
1
Variância
5,38
1,61
0,38
----------Parâmetros do ajuste do semivariograma---------Efeito pepita (C0)
3,5
0,05
0,01
Patamar (C0+C1)
5,974
0,25
0,1
Alcance
18
6
4
GD (C0/ C0+C1) x 100
58,59
20
10
Modelo
Esférico
Esférico
Esférico
----------Parâmetros de validação---------Média
-0,008
-0,048
-0,014
Desvio Padrão
1,075
1,106
1,019
Na figura 4 são apresentados os semivariogramas com o a ajuste do modelo esférico aos
dados. Os mapas de isolinhas dos respectivos semivariogramas são apresentados na Figura 5.
FIGURA 4. Semivariogramas dos dados de umidade do solo em % (a), condutividade elétrica
nas posições vertical (b) e horizontal (c) em mSm-1, respectivamente, com o
ajuste do modelo esférico.
FIGURA 5. Mapas de isolinhas dos dados de umidade do solo (a), condutividade elétrica nas
posições vertical (b) e horizontal (c), respectivamente.
A variância da condutividade elétrica medida na posição vertical foi maior do que a medida
na posição horizontal. Siqueira (2009) estudando a condutividade elétrica em um cambissolo
também encontrou tais resultados, explicando que isto é devido principalmente ao fato de que a
exploração na condição vertical abrange maior volume de solo do que na horizontal.
Por meio dos mapas de isolinhas, percebe-se que as áreas de maiores e menores
condutividades elétricas medidas com o EM38 na posição horizontal foram semelhantes às medidas
na posição vertical. Os valores máximos de condutividade elétrica foram encontrados na posição
vertical. Montenegro et. al. (2010) e Siqueira (2009) também encontraram maiores leituras de
condutividade elétrica na posição vertical, que abrange uma área que sofre maior contribuição da
camada em torno de 40 cm de profundidade.
As áreas mais escuras apresentam maiores valores de umidade do solo, com um valor máximo
de aproximadamente 23%, o mapa de umidade indica que o movimento da água no solo se dá a
partir de duas extremidades mais úmidas para as regiões mais centrais, que apresentaram menor
conteúdo de água.
As áreas inferiores dos mapas apresentam maiores teores de umidade do solo e de
condutividade elétrica. De acordo com Rhoades et al. (1976) e Nadler e Frenkel (1980) solos com
elevados teores de umidade possuem maiores condutividades elétricas.
CONCLUSÕES
1.
Para a umidade e a CE na posição horizontal o grau de variabilidade foi considerado baixo.
No entanto, a CE na posição vertical apresentou alto grau de variabilidade.
2.
Os valores de condutividade elétrica horizontal e vertical apresentaram forte dependência
espacial. Entretanto, a umidade do solo apresentou moderada dependência.
3.
Áreas com maior umidade possuem maior condutividade elétrica, que ocorre na camada
superficial do solo.
4.
O fluxo de água se dá a partir de duas extremidades para a região central do lote.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Universidade Federal Rural de Pernambuco pelo apoio, ao CNPq por
concessões de bolsas PQ e à FINEP por auxílio à projeto de pesquisa.
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