Intensidades amostrais para análise geoestatística da acidez de solo em produção orgânica de banana 'Princesa' / Samples intensities for geostatistical analysis of soil acidity in 'Princesa' organic production

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761

Intensidades amostrais para análise geoestatística da acidez de solo em

produção orgânica de banana 'Princesa'

Samples intensities for geostatistical analysis of soil acidity in 'Princesa'

organic production

DOI:10.34117/bjdv6n3-286

Recebimento dos originais: 06/03/2020 Aceitação para publicação: 18/03/2020

Eudocio Rafael Otavio da Silva

Mestrando do Programa de Pós-graduação em Eng° Agrícola e Ambiental (PGEAAmb) da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ)

Rodovia BR 465, Km 07, s/n, Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000 E-mail: eudociootavio@hotmail.com

Marcos Gervasio Pereira

Professor Titular do Departamento de Solos, Instituto de Agronomia/UFRRJ Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ)

Rodovia BR 465, Km 07, s/n, Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000 E-mail: mgervasiopereira01@gmail.com

Murilo Machado de Barros

Professor Adjunto do Departamento de Engenharia, Instituto de Tecnologia/UFRRJ Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ)

Rodovia BR 465, Km 07, s/n, Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000 E-mail: egmurilo@yahoo.com.br

Gabriele Oliveira Silva

Engenheira Agrônoma pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ) Endereço: Rodovia BR 465, Km 07, s/n Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000

E-mail: gabrieleagro.oliveira@outlook.com

André Felipe de Sousa Vaz

Mestrando do Programa de Pós-graduação em Fitotecnia (PPGF) da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ)

Rodovia BR 465, Km 07, s/n, Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000 E-mail: afsagro@hotmail.com

Luiz Carlos da Silva Júnior

Estudante de graduação em Agronomia da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Rodovia BR 465, Km 07, s/n, Zona Rural, Seropédica - RJ, 23890-000

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RESUMO

O objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade espacial da acidez do solo em diferentes intensidades amostrais em produção orgânica de banana ‘Princesa’ (Musa spp.) e a qualidade do mapeamento a partir de métodos geoestatísticos. O trabalho foi realizado em uma área de produção orgânica de Banana ‘Princesa’ de 2.215 m², no setor de Horticultura da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica (RJ). Foi realizada a coleta de 60 pontos em uma malha regular em duas profundidades, 0-0,05 m e 0,05-0,10 m. A partir deste delineamento foram estimadas outras 3 densidades amostrais para a área: 42, 30 e 16 pontos. Após a coleta dos pontos, foi obtida a terra fina seca ao ar das amostras e estas foram submetidas à análise de pH, utilizando-se relação 1:2,5 de solo em água. Os resultados foram submetidos à análise exploratória e geoestatística utilizando-se o software R. Para o estudo geoestatístico, calcularam-se os semivariogramas teóricos e seus modelos foram ajustados segundo o método da Máxima Verossimilhança. Como resultados obtidos, verificou-se que na camada de 0-5 cm, é possível recomendar a amostragem de 42 pontos para as condições em estudo (GDE moderado e alcance de 28,22 m), reduzindo custos nesta atividade e tornando-a financeiramente mais viável para o agricultor, sem perder a qualidade do mapeamento. Na profundidade de 5-10 cm, as intensidades amostrais de 60, 42 e 30 pontos apresentaram mapas relativamente parecidos, havendo redução da qualidade do mapeamento, porém sem que houvesse prejuízo na visualização das regiões mais e menos ácidas. Portanto, a intensidade amostral de 30 pontos pode ser a recomendada desejando-se ter uma estimativa da variabilidade espacial da acidez destes solos (GDE moderado e alcance de 17,20 m).

Palavras-Chave: Agricultura de precisão, dependência espacial, fruticultura, geoestatística ABSTRACT

The objective of this study was to evaluate the spatial variability of soil acidity at different sampling intensities in organic production of 'Princesa' banana (Musa spp.) and evaluate the quality of mapping using geostatistical methods. The study was carried out in a 2.215 m² Banana ‘Princesa 'organic production area in the Horticulture sector of Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Seropédica/RJ. 60 points were collected in a regular mesh at 0.00-0.05 m and 0.00-0.05-0.10 m depths. From this design were estimated 3 other sample densities for the area: 42, 30 and 16 points. After the points were collected, the air dry fine earth of the samples were obtained and submitted to pH analysis, using a 1: 2.5 ratio of soil to water. The results were submitted to exploratory and geostatistical analysis using the R software. For the geostatistical study, the theoretical semivariograms were calculated and their models were adjusted according to the Maximum Likelihood method. As results, it was found that in the 0-5 cm layer, it is possible to recommend the sampling of 42 points for the conditions under study (moderate GDE and range of 28.22 m), reducing costs in this activity and making it financially more viable for the farmer without losing the quality of the mapping. At the depth of 5-10 cm, the sample intensities of 60, 42 and 30 points presented relatively similar maps, reducing the quality of the mapping, but without impairing the visualization of the more and less acidic regions. Therefore, the sample intensity of 30 points may be the recommended one, wishing to have an estimate of the spatial variability of acidity of these soils (moderate GDE and range of 17.20 m).

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1 INTRODUÇÃO

A banana é uma das frutas mais promissoras para o setor de fruticultura, realizando-se o seu cultivo em mais de 135 países. É uma das frutas mais consumidas no Brasil, sendo o país o quarto maior produtor mundial da cultura e há previsão de que a área mundial propícia para sua produção seja aumentada em 50% até o ano de 2070 (FAO, 2017).

Todos estes fatores fazem com que esta cultura seja de grande destaque no comércio a nível mundial, o que gera intensas buscas pelo avanço da tecnologia empregada em seu cultivo e promova estímulo ao seu plantio (EMBRAPA, 2012). Pensando nisto, estudos envolvendo técnicas em agricultura de precisão a partir da avaliação da variabilidade espacial de atributos específicos parecem promissores para os bananicultores, uma vez que propiciam um maior gerenciamento de suas áreas de produção visando alcançar o maior potencial produtivo da cultura.

Dentro do estudo de variabilidade espacial, existe o questionamento quanto ao número ideal de pontos a serem amostrados para a obtenção de informações e mapeamentos mais precisos que condizem à realidade de uma área de cultivo. Yamamoto e Landim (2013) afirmam que para a obtenção de bons parâmetros variográficos e boas estimativas dos pontos não amostrados a partir da geoestatística, deve-se realizar pelo menos a amostragem de 30 pontos. Enquanto Molin, Amaral e Colaço (2015) alegam que em trabalhos voltados à Agricultura de Precisão e na obtenção de melhores predições de locais não amostrados a partir de krigagem, que o número de amostras deve ser de no mínimo 50 pontos.

Entretanto, trazendo esta técnica para o cotidiano e para o agricultor, muitas vezes esse processo pode ser dispendioso e possuir alto custo. Sendo necessário ser avaliado quantos pontos são realmente necessários na caracterização da variabilidade espacial, sem perdas de qualidade e de informações da área de cultivo.

Dessa forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar a variabilidade espacial da acidez do solo em diferentes intensidades amostrais em produção orgânica de banana ‘Princesa’ (Musa spp.) e avaliar a qualidade do mapeamento a partir de métodos geoestatísticos.

2 MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho foi realizado em uma área de produção orgânica de banana ‘Princesa’ (Musa spp.) de 2.215 m², no setor de Horticultura da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, em Seropédica/RJ. O clima da região é Aw segundo a classificação climática de Köppen, com chuvas concentradas entre os meses de Novembro e Março, apresenta temperatura média

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 compensada de 23,9°C e precipitação pluviométrica média de 1213 mm anuais. O solo da área é classificado como Argissolo Vermelho-Amarelo.

Foram coletados 60 pontos em amostragem sistemática segundo Yamamoto e Landim (2013), em uma malha regular em duas profundidades, 0-0,05 m e 0,05-0,10 m. A partir deste delineamento foram estimadas outras 3 densidades amostrais para a área: 42, 30 e 16 pontos (Figura 1).

Figura 1 - Malhas de amostragem da área experimental com diferentes intensidades amostrais: 60, 42, 30 e 16 pontos amostrais (A, B, C e D, respectivamente).

Todos os pontos relacionados aos locais de amostragem foram georreferenciados e coletados com a utilização de Estação Total Leica, Série TPS300 Basic, nas coordenadas cartesianas bidimensionais UTM para a zona 23S, na qual está inserida a região de Seropédica. Após a coleta, as amostras foram secas ao ar, destorroadas e passadas por peneira de 2,00 mm de malha para obtenção da terra fina seca ao ar, material utilizado para realizar as análises. As análises de pH, utilizando-se a relação 1:2,5 de solo em água, foram realizadas segundo Teixeira et al. (2017).

Os resultados foram submetidos à análise exploratória e geoestatística utilizando-se o

software R a partir do pacote geoR (RIBEIRO; DIGGLE, 2001). Para a análise exploratória

foram obtidos os valores mínimos, máximos, média, mediana, assimetria, curtose, desvio-padrão (DP) e coeficiente de variação (CV%).

Os valores de CV foram classificados segundo Pimentel-Gomes e Garcia (2002). Para o estudo geoestatístico, calcularam-se os semivariogramas teóricos segundo Vieira et al. (1983)

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 (Equação 1) e testou-se os modelos esférico, exponencial e gaussiano (Equações 2,3 e 4, respectivamente) (OLEA, 1999; YAMAMOTO; LANDIM, 2013), apresentados no Quadro 1.

Quadro 1 - Semivariograma experimental e modelos de semivariogramas com patamar utilizados neste estudo Semivariograma experimental:

𝛾̂(ℎ) =_2𝑁(ℎ)1 ∑𝑁(ℎ)𝑖=1 [𝑍(𝑥𝑖 ) − 𝑍(𝑥𝑖+ ℎ)]2 (Equação 1)

Em que:

𝛾̂ (h) – semivariância estimada;

N (h) – número de pares experimentais de observações;

Z (xi) e Z (xi + h) – valores dos atributos medidos na posição xi e xi + h, separados por um vetor h (distância entre amostras).

Modelo esférico: 𝛾̂(ℎ) = 𝐶0+ 𝐶 [1,5ℎ_𝑎− 0,5 (ℎ_𝑎) ³] para h < a (Equação 2)

𝛾̂(ℎ) = 𝐶0+ 𝐶 para h ≥ a

Modelo exponencial: 𝛾̂(ℎ) = 𝐶0+ 𝐶 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (−ℎ_𝑎)] (Equação 3)

Modelo gaussiano: : 𝛾̂(ℎ) = 𝐶0+ 𝐶 [1 − 𝑒𝑥𝑝 (− (ℎ_𝑎) ²)] (Equação 4)

Em que:

C0 – efeito pepita, valor teórico de semivariância obtido na distância zero entre as amostras;

C0 + C – patamar, semivariância máxima obtida no semivariograma;

a – alcance.

Os modelos foram ajustados segundo o método da Máxima Verossimilhança, sendo escolhido o melhor modelo de ajuste a partir dos valores do Critério de Informação de Akaike (AIC) e da Validação cruzada dos dados: erro médio (EM) e desvio padrão do erro médio (DPEM). O menor valor de AIC dentre os modelos testados, juntamente com o valor mais próximo de zero (0) do EM e mais próximo de um (1) do DPEM foram determinantes na escolha do melhor modelo ajustado de semivariograma para a variável pH nas diferentes densidades de pontos (YAMAMOTO; LANDIM, 2013).

O grau de dependência espacial dos atributos foi verificado utilizando-se a classificação de Cambardella et al. (1994), segundo a Equação 5:

𝐺𝐷𝐸 = 𝐶0

𝐶0+𝐶 𝑥 100 (Equação 5)

Em que o GDE corresponde ao grau de dependência espacial (%); C0 é o efeito pepita e

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 Segundo Cambardella et al. (1994) as amostras apresentam GDE forte quando o efeito pepita representa menos de 25% do patamar, GDE moderado quando estiver entre 25 e 75% e baixa dependência espacial quando estiver acima de 75% do patamar.

Após a obtenção dos modelos variográficos (efeito pepita, patamar e alcance), realizou-se krigagem ordinária no software ArcGis® (ESRI, 2016) realizou-sendo obtidos os mapas de variabilidade espacial da acidez do solo nas duas profundidades para as diferentes intensidades amostrais.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Tabela 1 é apresentada a análise exploratória dos dados de acidez para os diferentes números de pontos (16, 30, 42 e 60 pontos) nas duas profundidades de solo estudadas.

Tabela 1 - Análise exploratória dos dados de pH para as diferentes densidades de pontos nas duas camadas em estudo em área de produção de banana ‘Princesa’

0,0 - 0,05 m

Variáveis 16 pontos 30 pontos 42 pontos 60 pontos

Mínimo 5,71 5,71 5,71 5,71 Máximo 7,37 7,37 7,37 7,37 Média 6,47 6,48 6,49 6,48 DP(1) _{0,46 6,48 6,49 0,37} Mediana 6,41 6,50 6,46 6,44 Assimetria 0,29 0,22 0,41 0,38 Curtose -0,47 -0,36 -0,02 -0,25 CV (%)(2) _{7,13 6,13 5,78 5,77} 0,05 - 0,10 m Mínimo 5,51 5,49 5,37 5,32 Máximo 6,28 6,38 6,38 6,60 Média 5,88 5,89 5,89 5,92 DP 0,20 5,89 5,89 0,27 Mediana 5,88 5,92 5,90 5,90 Assimetria 0,05 -0,04 -0,09 0,32 Curtose 0,26 -0,25 -0,24 0,57 CV (%) 3,40 3,82 3,97 4,52

1_{DP = Desvio padrão;} 2_{CV (%) = Coeficiente de variação.}

Verifica-se que na camada de 0-5 cm os valores mínimos e máximos de acidez do solo foram detectados por todas as densidades de pontos. Assim como os valores médios, que se apresentam muito próximos. Os valores de acidez para esta camada no solo estão dentro dos considerados adequados para o cultivo da cultura da banana (pH acima de 5,5).

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 Ressalta-se que na profundidade de 5-10 cm os valores mínimos e máximos são mais bem observados na densidade de 60 pontos, possuindo valores de acidez do solo abaixo do recomendado para o cultivo da banana, sendo verificados valores de pH abaixo de 5,5. Entretanto, avaliando os conjuntos de dados de 30 e 42 pontos observa-se que também foram detectadas regiões com acidez abaixo da recomendação a partir dos valores mínimos.

Os dados nas duas profundidades em estudo apresentaram valores de assimetria e curtose próximos de zero (0), assim como valores de média e mediana muito próximos. Estes padrões indicam tendência a normalidade dos dados, sendo uma observação interessante e importante para o estudo geoestatístico, uma vez que a normalidade dos dados pode indicar melhores predições dos valores não amostrados quando realizada a krigagem.

Os valores de pH nas diferentes intensidades amostrais nas duas profundidades de solos apresentaram coeficientes de variação (CV’s) classificados como baixos segundo Pimentel-Gomes e Garcia (2002), indicando baixa variabilidade dos dados.

Este padrão também foi observado por Zucoloto, Lima e Coelho (2011) ao estudarem a variabilidade espacial da acidez em Argissolo Amarelo cultivado com bananeira ‘Prata-Anã’, assim como foi observado por diversos autores em estudo de variabilidade espacial da acidez em diferentes classificações de solo e sob diferentes cultivos (SILVA et al., 2020; FREDDI et al., 2017; MATIAS et al., 2015; AQUINO et al., 2014; ZANÃO JÚNIOR et al., 2010).

Na Tabela 2 são apresentados os parâmetros variográficos obtidos a partir da modelagem e ajuste dos semivariogramas para a acidez do solo na camada de 0-5 cm nas diferentes intensidades amostrais.

Tabela 2 - Parâmetros e modelos de semivariogramas ajustados pelo método da Máxima Verossimilhança para os diferentes números de amostras na camada de 0-5 cm

pH em água 0-0,05 m

Variável Modelo(1)

Efeito

Pepita Contribuição Patamar A (m)(2) _{GDE (%)}(3) _EM(4) _DPEM(5) _AIC(6)

60 pontos Esf 0,0032 0,1312 0,1344 13,19 Forte 0,006 1,083 41,531 42 pontos Esf 0,0526 0,0876 0,1402 28,22 Moderado 0,012 1,099 32,945 30 pontos Exp 0,0136 0,1379 0,1515 6,53 Forte 0,007 1,111 32,372 16 pontos Exp 0,1053 0,0949 0,2002 8,79 Moderado -0,003 1,212 27,273

1_{Modelo = Esf - Esférico, Exp – Exponencial, Gau – Gaussiano;} 2_{A = Alcance;} 3_{GDE = Grau de dependência}

espacial; 4_{EM = Erro médio da validação cruzada;} 5_{DPEM = Desvio padrão do erro médio da validação}

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 A partir dos resultados obtidos é possível inferir que quando são comparadas as intensidades amostrais de 60, 42, 30 e 16 pontos na camada de 0-5 cm, a densidade amostral de 60 pontos mostrou-se a mais adequada. Esse padrão é explicado pela melhor apresentação de seus parâmetros geoestatísticos (grau de dependência espacial classificado como forte e valores de alcance de 13,19 m) (Tabela 2).

Além da melhor visualização da distribuição da acidez do solo ao longo da área a partir do mapeamento, sendo possível visualizar os menores e maiores valores de pH na região em estudo (Figura 2).

Figura 2 - Mapas de variabilidade espacial de pH para as diferentes densidades amostrais na profundidade de 0-5 cm

Entretanto, ao analisar a intensidade amostral de 42 pontos, vê-se que os parâmetros do semivariograma e seus critérios para obtenção do mapa de variabilidade (GDE moderado e alcance de 28,22 m) foram suficientes na identificação dos menores e maiores valores de acidez, assim como o mapeamento das regiões com diferente acidez do solo.

Desta forma, visando o agricultor que queira adotar esta técnica para mapear sua área de produção, é possível recomendar a amostragem de 42 pontos para as condições em estudo, reduzindo custos nesta atividade e tornando-a financeiramente mais viável.

Na profundidade de 5-10 cm, para as intensidades amostrais de 60, 42 e 30 pontos foram confeccionados mapas relativamente parecidos (Figura 3), havendo redução da qualidade do mapeamento, porém sem que houvesse prejuízo na visualização das regiões mais e menos

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 ácidas. Os parâmetros geoestatísticos obtidos a partir dos semivariogramas são apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 - Parâmetros e modelos de semivariogramas ajustados pelo método da Máxima Verossimilhança para os diferentes números de amostras na camada de 5-10 cm

pH em água 0,05 – 0,10 m

Variável Modelo(1) _{Efeito Pepita Contribuição Patamar A (m)}(2) _{GDE (%)}(3) _EM(4) _DPEM(5) _AIC(6)

60 pontos Esf 0,0530 0,0193 0,0723 41,74 Moderado 0,010 1,050 13,866 42 pontos Esf 0,0291 0,0241 0,0532 20,97 Moderado 0,000 1,117 -0,341 30 pontos Gaus 0,038 0,013 0,051 17,20 Moderado 0,004 1,135 1,549 16 pontos Exp 0,0106 0,0326 0,0432 17,16 Forte 0,038 1,216 -0,275

1_{Modelo = Esf - Esférico, Exp – Exponencial, Gau – Gaussiano;} 2_{A = Alcance;} 3_{GDE = Grau de dependência}

espacial; 4_{EM = Erro médio da validação cruzada;} 5_{DPEM = Desvio padrão do erro médio da validação}

cruzada; 6_{AIC = Critério de Informação de Akaike.}

Figura 3 - Mapas de variabilidade espacial de pH para as diferentes densidades amostrais na profundidade de 5-10 cm.

Ao analisar os parâmetros variográficos, verifica-se que os valores de alcance diminuíram paralelo a redução do número de amostras. O alcance é um parâmetro do semivariograma importante na estimativa de valores não amostrados, pois dentro deste limite de alcance são obtidas as correlações espaciais existentes nos dados.

Portanto, nesta condição de estudo, a amostragem ideal na profundidade de 5-10 cm seria a malha de 60 pontos (GDE moderado e alcance de 41,74 m), entretanto a intensidade

Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3, p. 13630-13640 Mar.. 2020. ISSN 2525-8761 amostral de 30 pontos pode ser a recomendada desejando-se ter uma estimativa da variabilidade espacial da acidez do solo (GDE moderado e alcance de 17,20 m).

O solo é um recurso natural que apresenta variabilidade espacial devido à diversos fatores, sobretudo os históricos e de manejo. Observa-se que toda a área em estudo apresenta valores de acidez recomendados para o cultivo da cultura, exceto a região oeste na profundidade de 5-10 cm (Figura 3). Desta forma, é possível ser realizado o manejo localizado nesta região visando tornar os valores de pH mais adequados para o cultivo da banana ‘Princesa’.

A baixa variação de pH no solo desta região a partir dos mapeamentos, demonstrados também pelos seus baixos coeficientes de variação, podem indicar que o estudo da variabilidade da acidez deste solo pode ser realizado a partir de uma densidade amostral abaixo da utilizada inicialmente (60 pontos), podendo ser utilizado menores valores de intensidades amostrais para estimar este atributo no solo.

4 CONCLUSÕES

A análise de pH do solo por intensidades amostrais permitiu verificar que há a possibilidade da redução do número de amostragem no estudo geoestatístico e verificação da variabilidade espacial, sem perda da qualidade do mapeamento.

Verificou-se que a malha de 42 pontos amostrais na camada de 0,0-0,05 m e 30 pontos na camada de 0,05-0,10 m podem ser utilizadas ao invés da malha de 60 pontos, sendo possível reduzir os custos na aplicação desta técnica.

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