UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
Ana Paula Brezolin
MODELAGEM MATEMÁTICA PARA OTIMIZAÇÃO E
PREVISIBILIDADE DE PRODUTIVIDADE DO TRIGO PELAS
FORMAS DE FORNECIMENTO DO NITROGÊNIO
Ijuí
ANA PAULA BREZOLIN
MODELAGEM MATEMÁTICA PARA OTIMIZAÇÃO E
PREVISIBILIDADE DE PRODUTIVIDADE DO TRIGO PELAS
FORMAS DE FORNECIMENTO DO NITROGÊNIO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Unijuí, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Modelagem Matemática.
Ijuí
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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL
DCEEng – DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
A Comissão Examinadora, abaixo assinada, homologa a Dissertação:
MODELAGEM MATEMÁTICA PARA OTIMIZAÇÃO E
PREVISIBILIDADE DE PRODUTIVIDADE DO TRIGO PELAS
FORMAS DE FORNECIMENTO DO NITROGÊNIO
Elaborada por
ANA PAULA BREZOLIN
Como requisito para obtenção do grau de Mestre em Modelagem Matemática
Dedico este título de Mestre aos meus exemplos de vida e superação, meus pais, Paulo e Cecília Brezolin, a minha irmã Patricia Brezolin e ao meu noivo Cristiano Trautmann. Muito obrigada pelo apoio e incentivo em todas as minhas decisões!
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AGRADECIMENTOS
Se você está lendo esta dissertação é porque Eu consegui, e não foi fácil chegar até aqui. Do nivelamento ao processo seletivo, passando pela aprovação até o título de Mestre, foi um longo caminho percorrido. Nada foi fácil, nem tampouco tranquilo. “A sola do pé conhece toda a sujeira da estrada” (provérbio africano).
Quero primeiramente agradecer a Deus, que me iluminou nesta caminhada, dando-me saúde, força e coragem para chegar até aqui com a cabeça erguida.
Aos meus pais Paulo e Cecília pelo amor incondicional, pela confiança em mim depositada, até mesmo quando eu não achava que iria conseguir, eles estavam ali segurando a minha mão e dizendo - “Filha você consegue, acredite em seu potencial” – obrigada por tudo, amo muito Vocês!
A minha irmã Patricia, que Deus colocou no meu caminho. Amor incondicional, sempre.
Ao meu noivo Cristiano, que me incentivou nos momentos mais difíceis, assim como a compreensão nas horas de ausência. Amor, você me ajudou a superar os meus próprios medos. Obrigada!
Agradeço ao professor orientador Dr. José Antônio Gonzalez da Silva, a quem teve muita paciência е mе ajudou a concluir esta dissertação.
Agradeço também аоs demais professores do curso de mestrado, pelo conhecimento transmitido, contribuindo na minha formação.
A Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, ao DCEEng, ao DEAg e ao IRDeR, que me proporcionaram a estrutura necessária para que o estudo fosse desenvolvido.
A FAPERGS (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul), pela bolsa de estudos concedida para realização de todo meu estudo.
Aos colegas de mestrado da turma 2013, em especial a Marnei Zorzella, a Scheila Willers e a Marcia Brondani.
Ao grupo de pesquisa do Curso de Agronomia, pela ajuda no incansável trabalho realizado no campo e em laboratório.
Aos demais familiares e amigos que de uma forma ou de outra contribuíram para que este sonho se tornasse realidade...
“Renda - se como eu me rendi. Mergulhe no que
você não conhece, como eu mergulhei. Pergunte,
sem querer, a resposta, como estou
perguntando. Não se preocupe em ‘entender’.
Viver ultrapassa todo o entendimento”.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 19
1.1. Generalidades ... 19
1.2. Estrutura da Dissertação ... 21
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 23
2.1. Importância econômica do trigo ... 23
2.2. Aspectos históricos e panorama do cultivo de trigo no Brasil ... 24
2.3. Características morfofisiológicas da planta e dos grãos ... 26
2.3.1. Classificação botânica ... 26
2.3.2. Estrutura, crescimento e desenvolvimento do trigo... 26
2.3.3. Ciclo de desenvolvimento da planta...31
2.3.4. O grão de trigo ... 34
2.3.5. Qualidade industrial e de panificação dos grãos de trigo... ... 35
2.3.6. Teor de proteína no grão de trigo ... 37
2.4. Nitrogênio ... 38
2.4.1. Adubação nitrogenada na cultura do trigo ... 38
2.4.2. Ciclo do nitrogênio no solo ... 39
2.4.2.1. Mineralização ... 40
2.4.3. Perdas de nitrogênio: volatilização e lixiviação ... 41
2.4.4. Desenvolvimento da cultura de trigo utilizando adubação nitrogenada ... 42
2.4.5. Relação carbono/nitrogênio (C/N)... 43
2.4.6. Nitrificação e desnitrificação biológica ... 45
2.5. Modelagem matemática ... 46 3. MATERIAL E MÉTODOS ... 48 3.1. Caracterização do local ... 48 3.2. Delineamento experimental ... 48 3.3. Procedimento experimental ... 51 3.4. Variáveis mensuradas ... 52 3.4.1. Rendimento de grãos ... 52
3.4.2. Parâmetros fisiológicos de produção ... 52
9
4. MODELOS MATEMÁTICOS... 55
4.1. Anova e teste de médias ... 55
4.2. Modelo de teste de Scott-Knott ... 58
4.3. Teste t para comparação de duas médias ... 59
4.4. Modelos de regressão ... 60
4.4.1. Regressão linear Simples ... 60
4.4.2. Regressão polinomial ... 62
4.4.3 Regressão linear múltipla ... 65
4.4.4. Análise de otimização por regressão via superfície de resposta ... 67
4.5. Lógica Fuzzy ... 68
4.5.1. Passos Lógica Fuzzy em MATLAB ... 70
4.5.2 Sistema de inferência de MAMDANI ... 72
4.5.3. Variáveis de entrada e saída ... 75
4.5.4. Funções de pertinência ... 78
4.5.5. Base de regras ... 79
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 83
5.1. Equações polinomiais na estimativa da produtividade de biomassa e grãos de trigo pela dose e fracionamento do nitrogênio...83
5.2. Análise de superfície de resposta na previsibilidade de produtividade do trigo pelo uso do nitrogênio em anos favoráveis e desfavoráveis de cultivo...90
5.3. Equação linear múltipla na simulação de biomassa no desenvolvimento do trigo pela interatividade nitrogênio e clima...108
5.4. Uma proposta de simulação da produtividade do trigo na interface dose e fracionamento de nitrogênio com elementos agroclimáticos...114
5.5. Aplicação da Lógica Fuzzy na previsibilidade da produtividade de grãos de trigo nas formas de fornecimento do nitrogênio...120
CONCLUSÕES... 130
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 132
ANEXOS ... 149
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Morfologia de germinação e emergência de gramíneas, baseada em trigo. .. ...27
Figura 2 – Esquema geral de uma espigueta ...29
Figura 3 – Principais partes da planta de trigo ... 30
Figura 4 – Corte longitudinal de um grãos de trigo ... 34
Figura 5 – Ciclo do nitrogênio na atmosfera . ... 39
Figura 6 – Perda por lixiviação... 41
Figura 7 – O ciclo do elemento químico do nitrogênio. ... 45
Figura 8 – Unidade experimental. ... 50
Figura 9 – Sistema de alta liberação de N-residual...50
Figura 10 – Sistema de lenta liberação de N-residual...51
Figura 11 – Rendimento de grãos. ... 52
Figura 12 – Mensuração da matéria seca (MST). ... 53
Figura 13 - Janela de comando do MATLAB. ... 71
Figura 14 – Tela inicial do toolbox fuzzy. ... 71
Figura 15 – Controlador fuzzy... 72
Figura 16 – Configuração básica da lógica fuzzy... 75
Figura 17 – Passos para adicionar variáveis de entrada e/ou saída. ... 75
Figura 18 – Remoção das variáveis de entrada e/ou saída. ... 76
Figura 19 – Nomeando as variáveis. ... 76
Figura 20 – Definição o domínio das variáveis de entrada. ... 77
Figura 21 – Definição o domínio das variáveis de saída. ... 77
Figura 22 – Alteração do número e do formato das funções de pertinência. ... 78
Figura 23 – Números e formato das funções de pertinência. ... 79
Figura 24 – Base de Regras. ... 80
Figura 25 – Resultado dos valores de entrada associados com os valores de saída. ... 81
Figura 26 – Superfície 3D. ... 82 Figura 27 – Precipitação pluviométrica e temperatura máxima no ciclo do trigo com os dias de aplicação do nitrogênio. Data da Emergência = DE: 2012 (27/06); 2013 (17/06); 2014 (02/07). Data Após a Emergência = DAE. V3 = colar formado na 3ª folha do colmo principal, V3/V6=
Colar formado na 6ª folha do colmo principal e V3/R4=
Antese...93
Figura 28 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2012 no sistema soja/trigo ... 102
Figura 29 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2013 no sistema soja/trigo ... 103
Figura 30 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2014 no sistema soja/trigo ... 104
Figura 31 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2012 no sistema milho/trigo ... 105
Figura 32 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2013 no sistema milho/trigo ... 106
Figura 33 – Superfícies de resposta na determinação do rendimento de grãos de trigo (RG) em 2014 no sistema milho/trigo ... 107
Figura 34 – Base de regras do sistema Fuzzy. St = Soma térmica (graus dias-1); Prec = Precipitação (mm); RG = Rendimento de Grãos (kg ha-1)...121
Figura 35 – Esquema do sistema de base de regras Fuzzy. St = Soma térmica (graus dias-1); Prec = Precipitação (mm); RG = Rendimento de Grãos (kg ha-1)...122
Figura 36 – Função de Pertinência da Dose...122
Figura 37 – Função de Pertinência da Soma térmica (St)...123
Figura 38 – Função de Pertinência da Precipitação (Prec)...123
Figura 39 – Função de Pertinência do Rendimento de Grãos (RG), V3 soja/trigo...123
Figura 40 – Função de Pertinência do Rendimento de Grãos (RG), V3/V6 soja/trigo...124
Figura 41 – Função de Pertinência do Rendimento de Grãos (RG), V3/R4 soja/trigo...124
Figura 42 – Função de Pertinência do Rendimento de Grãos (RG), V3 milho/trigo...124
Figura 43 – Função de Pertinência do Rendimento de Grãos (RG), V3/V6 milho/trigo...125
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classificação de trigo segundo a Instrução Normativa nº 38, de 30 de novembro de
2010, do MAPA ... 36
Tabela 2 –Recomentadação de adubação nitrogenada para a cultura do trigo e/ou triticale, RS/SC ... 45
Tabela 3 – Análise de variância para experimento bifatorial no delineamento em blocos ao acaso. ... 57
Tabela 4 – Análise de variância da regressão ... 61
Tabela 5 – Análise de variância da regressão de dados sem repetição ... 64
Tabela 6 – Análise de variância da regressão com repetição ... 64
Tabela 7 – Análise de variância da regressão ... 66
Tabela 8 – Equação de regressão e seus parâmetros para a massa seca total (MST) em trigo e valores médios da massa seca total (MST) e rendimento de grãos (RG) no sistema soja/trigo. UNIJUÍ, 2015...84
Tabela 9 – Equação de regressão e seus parâmetros para a massa seca total (MST) em trigo e valores médios da massa seca total (MST) e rendimento de grãos (RG) no sistema milho/trigo. UNIJUÍ, 2015...86
Tabela 10 – Resumo da análise de variância de equação de regressão e seus parâmetros para as doses de nitrogênio em cada condição de fracionamento do nutriente junto a estimativa de rendimento de grãos (RGE) em trigo no sistema soja/trigo. UNIJUÍ, 2015...88
Tabela 11 – Resumo da análise de variância de equação de regressão e seus parâmetros para as doses de nitrogênio em cada condição de fracionamento do nutriente junto a estimativa de rendimento de grãos (RGE) em trigo no sistema milho/trigo. UNIJUÍ, 2015...90
Tabela 12 – Resumo da análise de variância do fracionamento e dose do nitrogênio e comparação de médias dos anos de cultivo do trigo nos sistemas de sucessão. UNIJUÍ, 2015...91
Tabela 14 – Equação de regressão e seus parâmetros para a estimativa do rendimento de grãos e médias de produtividade nos estádios (dias) do fornecimento de nitrogênio nos sistemas de cultivos. UNIJUÍ, 2015...96 Tabela 15 – Equação de regressão e seus parâmetros para o rendimento de grãos (RG) e médias nos pontos observados de nitrogênio e definição da dose ideial com simulação (RGE).
UNIJUÍ, 2015. ... 98 Tabela 16 – Modelos obtidos pela regressão via análise de superfície de resposta nos distintos anos e sistemas de cultivo voltada a previsibilidade da produtividade de grãos. UNIJUÍ, 2015... ... 99 Tabela 17 – Resultado para identificação de variáveis com alto potencial para incrementar o modelo de regressão múltipla StepWise. UNIJUÍ, 2015.. ... 109 Tabela 18 – Valores das variáveis climáticas em distintos dias de observação durante o ciclo da cultura. UNIJUÍ, 2015...110 Tabela 19 – Comparação de valores observados em cada corte e fornecimento de nitrogênio, no sistema de rápida e lenta liberação de C/N. UNIJUÍ, 2015...111 Tabela 20 – Equação de regressão múltipla do efeito médio cumulativo de anos para estimativa de rendimento biológico em cada condição e sistema de cultivo. UNIJUÍ, 2015. 112 Tabela 21 – Valores obtidos através da equação de regressão múltipla para a estimativa da biomassa observando o estádio e as doses de nitrogênio em distintos sistemas de cultivo. UNIJUÍ, 2015.. ... 113 Tabela 22 – Equação de regressão polinomial para a estimativa do índice de colheita (IC) em diferentes épocas de fornecimento do nitrogênio. UNIJUÍ, 2015.. ... 115 Tabela 23 – Modelo proposto através de equações de regressão múltipla e polinomial para a estimativa do rendimento de grãos (RG) em cada condição de fornecimento de nitrogênio. UNIJUÍ, 2015... ... 116 Tabela 24 – Comparação de valores observados com os estimados pelo modelo proposto para a previsibilidade do rendimento de grãos. UNIJUÍ, 2015... ... 117 Tabela 25 – Valores estimados pelo modelo proposto para estimativa de rendimento de grãos junto a resultados reais nos distintos estádios de fornecimento de nitrogênio. UNIJUÍ, 2015...119 Tabela 26 – Comparação de valores estimados pelo Sistema Baseado em Regras Fuzzy proposto para estimativa de rendimento de grãos com os resultados reais obtidos em distintos estádios de fornecimento de nitrogênio. UNIJUÍ, 2015... ... 126
14 Tabela 27 – Comparação de valores estimados pelo Sistema Baseado em Regras Fuzzy proposto para estimativa de rendimento de grãos com os resultados reais obtidos em distintos estádios de fornecimento de nitrogênio. UNIJUÍ, 2015.. ... 127
RESUMO
O trigo (Triticum aestivum L.) é uma espécie mundialmente cultivada pelo valor importantíssimo no mercado dos produtos agrícolas. Portanto, inúmeros derivados são obtidos através de sua industrialização que vão desde a farinha para fabricação de pães, massas, biscoitos, o farelo na alimentação animal e até o gérmen utilizado na indústria farmacêutica, na produção de óleos e dietéticos. Por ser da família das gramíneas, o trigo não tem como característica a fixação biológica de nitrogênio, necessitando assim, que esse nutriente seja suprido através de fertilizantes para completar seus processos biológicos de crescimento e reprodução. Aliado a este fator, a cultura antecessora e as variáveis meteorológicas também interferem diretamente na dinâmica de uso e aproveitamento do nitrogênio na produção e qualidade de grãos. Portanto, a adubação nitrogenada se insere como um fator importante seja ela de liberação sintética ou pela decomposição orgânica da palhada. A decomposição dos resíduos das culturas antecessoras depende das suas características, seja pela relação carbono/nitrogênio (C/N) que envolve teores de carbono solúvel, celulose e lignina, bem como, a umidade, temperatura e outros fatores. O presente trabalho tem como objetivo determinar modelos que permitam elucidar a dinâmica de aproveitamento do nitrogênio e sua otimização de uso sobre a expressão dos caracteres de produção do trigo classe industrial tipo pão (BRS Guamirim) sobre o efeito das doses e fracionamento do nutriente em distintos sistemas de cultivo. Assim, buscar nesta cultura um ajuste mais aprimorado da adubação nitrogenada atrelada às condições de fracionamento do nutriente na expressão de biomassa e grãos e da eficiência desta relação, ligando o precedente cultural de alta e reduzida liberação de N-residual junto à interatividade constante das variáveis meteorológicas. Uma condição-chave em qualificar o manejo desta espécie em inferências às condições regionais do noroeste do estado do Rio Grande do Sul, principal região produtora do Brasil. O experimento tratou da avaliação dos fatores nos anos de 2012, 2013 e 2014, no Instituto Regional de Desenvolvimento Rural (IRDeR) do Departamento de Estudos Agrários da UNIJUÍ, localizado no município de Augusto Pestana (RS). Na condição de cultivo com cobertura residual de elevada e reduzida relação C/N (sistema soja/trigo e milho/trigo, respectivamente), dois experimentos foram conduzidos em cada sistema, um para quantificar a taxa de produção de biomassa e, o outro, para a colheita no final do ciclo, visando exclusivamente à estimativa da produtividade de grãos. Portanto, nos quatro experimentos, o delineamento experimental foi o de blocos casualizados com quatro repetições, seguindo um esquema fatorial 4 x 3 nas fontes de variação doses de N-fertilizante (0, 30, 60, 120 kg de N ha-1) na fonte uréia e fracionamento do N-fertilizante, nos estádios fenológicos (V3, V3/V6 e V3/R4). A condição V3
representa a dose cheia utilizada do nitrogênio e V3/V6 e V3/R4, o fracionamento com 70% da
dose em V3, e o restante 30% adicionado em V6 ou R4. O estádio V3 é caracterizado como o
início do afilhamento, com a emissão da terceira folha com colar (ao redor de 30 dias após emergência); V6 define a finalização do afilhamento no surgimento da sexta folha com colar e
início da visualização do primeiro nó do colmo principal sobre o solo (ao redor de 60 dias após emergência) e; R4 é caracterizado como início da antese (ao redor de 90 dias após a
emergência) na cultivar de trigo BRS Guamirim. A alta taxa de produção de biomassa não mostrou-se determinante na definição da dose e fracionamento de nitrogênio mais ajustado na previsão do rendimento de grãos, em ambos os sistemas de cultivo. Em anos favoráveis de cultivo frente à precipitação pluviométrica e sistema de alta liberação de N-residual (sistema soja/trigo), a dose sem fracionamento do N-fertilizante se mostra indicado, evidenciando maior rendimento de grãos. Em condições de baixa liberação de N-residual (sistema milho/trigo) o fracionamento é o mais indicado, no entanto, na condição V3/R4, a eficiência
a estimativa da biomassa, principalmente, quando incluído as variáveis doses de nitrogênio, dias ao corte, soma térmica e precipitação para incrementar o modelo múltiplo, juntamente com o fracionamento da adubação nitrogenada, para ambos os sistemas de cultivo (soja/trigo e milho/trigo). Também qualificam a produtividade de grãos as variáveis meteorológicas como soma térmica e precipitação junto à dose e fracionamento do nitrogênio frente às condições de alta e reduzida liberação de N-residual, qualificando em alta eficiência na previsão da produtividade. O modelo proposto via superfície de resposta também mostrou-se altamente significativo na previsibilidade da produtividade de grãos de trigo, através das doses e épocas de fornecimento da adubação nitrogenada. O modelo múltiplo na interatividade nitrogênio com as variáveis meteorológicas na proposição de estimativas da produtividade biológica junto às estimativas do índice de colheita permitiram uma nova proposta de simulação da produtividade de grãos em trigo. O modelo baseado em sistemas de regras fuzzy (SBRF) utilizando parâmetros climáticos e de manejo do nitrogênio se mostrou altamente eficiente na modelagem matemática voltada a simulação da produtividade de grãos de trigo.
Palavras-Chave: Triticum aestivum, N-fertilizante e residual, fracionamento, variáveis meteorológicas, regressão polinomial e múltipla, superfície de resposta, lógica fuzzy.
ABSTRACT
The wheat (Triticum aestivum L.) is a species cultivated worldwide by important market value of agricultural products. Therefore, many derivatives are obtained through its industrialization ranging from flour to make bread, pasta, cookies, bran in animal feed and to the germ used in the pharmaceutical industry, in the production of oils and dietary. Being of the grass family, wheat does not have the characteristic of biological nitrogen fixation, thus requiring that this nutrient is supplied through fertilizer to complete their biological processes of growth and reproduction. Allied to this factor, the preceding crop and weather variables also directly interfere in the dynamics of use and advantage of nitrogen in the production and grain quality. Therefore, nitrogen fertilization is inserted as an important factor whether synthetic or release by organic decomposition of straw. The decomposition of waste from previous crops depends on its characteristics, is the carbon/nitrogen ratio (C/N) involving carbon content soluble, cellulose and lignin, as well as moisture, temperature and other factors. The present study aims to determine models to elucidate the dynamics of nitrogen advantage optimization and its use on the expression of the characteristics of production of wheat industrial bread-class (BRS Guamirim) on the effect of doses and nutrient division into distinct cropping systems. Thus, get this culture a more enhanced fit of nitrogen fertilization linked to nutrient fractionation conditions in the expression of biomass and grain and efficiency of this relationship, linking the cultural high precedent and reduced N-residual release by the constant interaction of the variables weather. A key condition to qualify the management of this species in inferences to regional conditions the northwest of Rio Grande do Sul, the main producing region of Brazil. The experiment dealt with the evaluation of the factors in the years 2012, 2013 and 2014, the Regional Institute of Rural Development (IRDeR) of the Department of Agrarian Studies of UNIJUÍ, located in the municipality of Augusto Pestana (RS). In the culture condition with high residual coverage and reduced C/N ratio (system soybean/wheat, maize /wheat, respectively), two experiments were conducted on each system, to quantify the biomass production rate, and the other, for harvest at the end of the cycle, aimed exclusively to estimate grain yield. Therefore, in all experiments, the experimental design was a randomized block with four replications, following a factorial 4 x 3 in the sources of variation N fertilizer doses (0, 30, 60, 120 kg N ha-1) in source urea and Fractionation of N-fertilizer in growth stages (V3, V3/V6 and V3/R4) . The V3 condition is the
full dose of nitrogen and V3/V6 and V3/R4, fractionation with 70% of the dose in V3, and the
remaining 30% added to V6 or R4. The V3 stage is characterized as the beginning of tillering,
with the issuance of the third leaf with necklace (about 30 days after emergence); V6 defines
the completion of tillering in the emergence of the sixth leaf with necklace and early preview of the first node of the main stem on the ground (about 60 days after emergence) and; R4 is
characterized as the beginning of anthesis (around 90 days after emergence) in wheat cultivar BRS Guamirim. The high biomass production rate not proved conclusive for establishing the dose and more adjusted nitrogen fractionation in grain yield forecast in both cropping systems. In good years ahead of cultivation the rainfall and high release of N-residual system (system soybean/wheat), a no-N-fertilizer fractionation shown indicated, showing higher grain yield. In conditions of low residual N-release (system maize/wheat) fractionation is most suitable, however, V3/R4 condition, the efficiency on grain yield is reduced. The multiple
linear regression models qualify biomass estimation, especially when the variables included nitrogen dose, cutting days, thermal time and precipitation to increase the multiple model, along with the splitting N, for both cropping systems (soybean/wheat and corn/wheat). Also qualify grain yield the variables weather such as thermal time and precipitation by the dose
and fractionation of N in the face of high and reduced release of N-residual conditions, qualifying for high ability to predict productivity. The multiple model in nitrogen interaction with variables weather in proposing estimates of biological productivity with the estimates of the harvest index allowed a new proposal for simulation of wheat grain yield. The model based on fuzzy rules systems (SBRF) using climatic parameters and management of nitrogen was highly efficient in mathematics oriented modeling simulation productivity of wheat. Keywords: Triticum aestivum, N-fertilizer and residual, fractionation, variables weather, polynomial and multiple regression, response surface, fuzzy logic.
1. INTRODUÇÃO
1.1. Generalidades
O trigo (Triticum aestivum L.) é um cereal cultivado em larga escala, em diversas regiões do mundo, sendo utilizado de diferentes formas que vai desde a farinha para a fabricação de pães, massas, biscoitos ao farelo usado na alimentação animal como complemento vitamínico e na indústria farmacêutica na produção de óleos e dietéticos. Contudo, o trigo se constitui em uma importante cultura na rotação e/ou sucessão cultural nas unidades de produção agropecuárias, garantindo o fluxo econômico e a sustentabilidade da propriedade (SANTOS, et al., 2006; PENCKOWSKI, et al., 2010; SILVA, et al. 2014; RODRIGUES, et al. 2014).
A qualidade do grão de trigo é o resultado da interação das condições de cultivo (interferência do solo, clima, pragas, manejo da cultura e da cultivar), em soma à interferência das operações de colheita, secagem e armazenamento, fatores estes que influenciam diretamente no uso industrial dado ao produto final, que é a farinha (COSTA et. al., 2008; QUEIROZ, et al. 2015). A gama de utilização do trigo na fabricação dos produtos alimentícios está relacionada às propriedades agroclimáticas, tecnológicas e nutricionais como: carboidratos, proteínas, lipídios, fibras, vitaminas e minerais (ORTOLAN 2006; CAZETTA et al., 2008; STEFEN et al., 2014).
No Brasil, em meados da década de 90, o mercado consumidor estava dividido, principalmente, entre os segmentos da indústria de panificação (51%), de massas alimentícias (15%) e do consumo doméstico (20%), que juntos consumiam mais de 85% de todo o trigo processado (SCHEEREN & MIRANDA, 1999). Entretanto, hoje percebe-se um ajuste desses dados segundo a Abitrigo (2014), sendo a panificação com 55%; a fabricação de macarrão de 17%, elaboração de biscoitos em 13% e do uso doméstico com 11%; os demais segmentos se dão ao redor de 4%. Destaca-se que os componentes da qualidade do trigo, o glúten (formado pelas proteínas de reserva do grão) é o que expressa maior contribuição na determinação do uso industrial, sendo à força de glúten o caráter empregado para a classificação da qualidade do trigo no Brasil (SCHMIDT, 2009). Para a classificação das cultivares quanto à qualidade industrial emprega-se o critério da alveografia (força de glúten representada pela letra W)
(BRASIL, 1999). No entanto, para que um genótipo possa ser classificado como trigo melhorador, é necessário que a força de glúten tenha um valor mínimo de 300 10-4 J. Portanto, para as demais classificações, o mínimo requerido é assim descrito: tipo pão 220 10-4J; tipo doméstico 160 10-4J e tipo básico 100 10-4J (MAPA, 2010).
O trigo, por ser da família das Gramíneas, é essencial a adubação nitrogenada para a obtenção de alta produtividade (TEIXEIRA FILHO et. al., 2010). Além disto, o nitrogênio (N) é o nutriente mais absorvido e o mais exportado pelas plantas de trigo. Inclusive, exerce forte influência na definição da produtividade e qualidade de grãos (PRANDO, 2013). Para tanto, faz-se necessária à aplicação do mesmo, em forma N-fertilizantes e ou N-residual, para que a planta possa completar os processos biológicos de crescimento e reprodução. Todavia, a adubação nitrogenada requer cuidados quanto à época e doses de aplicação frente aos distintos sistemas de cultivo de alta e reduzida liberação de N-residual (SILVA, et al., 2015). Pequenas doses limitam a produtividade, mas altas doses podem levar ao acamamento, dificultar a colheita e elevar os custos de produção (TEIXEIRA FILHO et. al., 2010). Afora isto, é um elemento de alta mobilidade do solo, sendo associada aos múltiplos processos que interferem na complexa dinâmica de seu aproveitamento (lixiviação, volatilização, imobilização, mobilização, nitrificação, desnitrificação e mineralização), gerando maiores perdas com poluição ambiental (ESPINDULA, et. al., 2010). Destaca-se que o uso de altas doses junto aos efeitos climáticos pode reduzir a eficiência de uso pela planta, o que poderia ser contornado, se fornecido em diferentes momentos na planta (STEFEN et al., 2014). Uma condição que gera discussão sobre a necessidade de fracionamento do nutriente em momentos específicos da cultura (OKUMURA et al., 2011). Desta forma a complexidade das interações do elemento químico junto com a eficiência fisiológica da planta e fatores de solo e clima merecem maior atenção na otimização de uso e geração de novas tecnologias de manejo (PRANDO et al., 2013; PINNOW et al., 2013).
O manejo da adubação nitrogenada nas lavouras de trigo é uma prática baseada em poucos indicadores, sendo um deles o teor de matéria orgânica do solo e o tipo de resteva da cultura antecessora (soja ou milho). Apesar de existirem diversas variáveis de planta e de solo, a utilização da quantidade de matéria orgânica do solo como parâmetro à adubação nitrogenada é o indicador predominante (LANGE, et al., 2009). Ressalta-se, que os genótipos de trigo hoje fornecidos no mercado apresentam desempenhos distintos na produção e qualidade de grão, portanto, estas diferenças podem refletir no maior ou menor aproveitamento do nitrogênio na expressão da produção e qualidade de grãos a indústria (BENIN, et al., 2009; SILVA et al., 2015).
A grande dinâmica do nitrogênio no solo atrelada aos fatores ambientais e melhor eficiência genética pela planta no aproveitamento dos estímulos a produção e qualidade de grãos, requer novos parâmetros na melhor indicação de técnicas de manejo do nitrogênio frente à dose e seu fracionamento. Portanto, são condições que reportam da necessidade de uso da modelagem matemática em elucidar a complexidade destas inter-relações.
A presente dissertação tem por objetivo a modelagem matemática do comportamento do trigo classe industrial tipo pão sob o efeito das doses e fracionamento do N-fertilizante em distintos sistemas de cultivo de alta e reduzida liberação de N-residual, trazendo consigo as múltiplas interações com as variáveis meteorológicas na previsibilidade de produção e otimização de processos voltado ao manejo da espécie.
1.2. Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está organizada em 5 capítulos. Cada um dos quais apresenta os aspectos fundamentais do desenvolvimento deste estudo.
O capítulo 1, traz informações que permitam conhecer a dinâmica da adubação nitrogenada atrelada as formas de fracionamento, na obtenção de valores para a produção de biomassa e rendimento de grãos. Além disso, a partir de equações polinomiais foi possível obter inferências sobre a dose ideal do nitrogênio na busca de rendimento mais expressivo. Destarte, trazendo o dinamismo dos sistemas de cultivo de alta e reduzida liberação de N-residual da cultura de trigo.
O capitulo 2, traz uma detalhada abordagem sobre a influência de anos favoráveis e desfavoráveis de cultivo em distintos sistemas de sucessão pela alteração de precipitação pluviométrica e temperatura do ar, reportando em alteração nos coeficientes dos parâmetros definidores de equações polinomiais, na estimativa da produtividade de grãos. Além disso, na busca de otimização de uso do nitrogênio na interface dose e fracionamento do nutriente pelo emprego de regressão via superfície de resposta.
No capítulo 3, está apresentada equações de regressão linear múltipla para simulação da produção de biomassa em cada condição de fracionamento do nitrogênio. Desta forma, uma previsibilidade que parte de inclusão de coeficientes nos parâmetros dose do nitrogênio, soma térmica e precipitação, para possibilidade de estimativa da biomassa em qualquer momento do ciclo (em dias) de desenvolvimento da planta de trigo.
O capítulo 4, se propõe a simulação do rendimento de grãos em trigo partindo do produto entre os modelos de regressão linear múltipla que envolve os efeitos do nitrogênio e
as variáveis meteorológicas para previsibilidade da biomassa total com os modelos polinomiais que exprimem a eficiência de aproveitamento do nitrogênio pela simulação do índice de colheita do trigo. Portanto, uma proposta inovadora em definir a expectativa de produtividade de grãos numa ação combinada de modelos de regressão que une a interatividade das formas de uso do nitrogênio com as variáveis meteorológicas.
No capítulo 5, está apresentada a proposta do modelo de sistema baseado em regras fuzzy (SBRF) para a simulação do rendimento de grãos sobre os efeitos da dose e fracionamento de N-fertilizante, atrelado as variáveis meteorológicas em distintos sistemas de liberação de N-residual (soja/trigo e milho/trigo). Dessa forma, é possível obter a previsibilidade da cultura a partir dos parâmetros ambientais com as condições de manejo do elemento químico.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Importância econômica do trigo
A utilização do subproduto do trigo na alimentação humana é um fenômeno antigo, pois o mesmo é considerado um produto de fundamental importância para a alimentação humana, no que tange a fabricação de pães, massas alimentícias, biscoitos e uso doméstico. Atualmente, o trigo é um dos cereais mais consumidos no mundo, de acordo com a ABIPC-Associação Brasileira das Indústrias de Panificação e Confeitaria. Aliado a isso, a popularidade do pão é devido ao excelente sabor, preço, qualidade nutricional e disponibilidade (SPOLTI et al., 2013). Mittelmann et al., (2000) acrescentam que a fabricação de pães em escala comercial é uma das maiores utilizações da farinha de trigo. O grão de trigo é fonte de carboidratos, proteínas e fibras. Possui uma proteína, o glúten, que não é encontrada em outros grãos. O glúten é uma importante característica da panificação, pois confere elasticidade e extensibilidade ao processo de panificação (SILVA et al., 2015).
O trigo é o segundo cereal mais produzido no mundo, dentre os maiores produtores do grão, encontra-se a União Europeia (27 países), China, Índia, Rússia, EUA e Canadá, sendo que EUA e Canadá também são os maiores exportadores e China, Índia, Rússia, Japão e o Brasil os maiores importadores do produto (CONAB, 2014). No Brasil, o trigo é cultivado nas regiões Sul (RS, SC e PR) – onde concentra-se a maior área de produção, Sudeste (MG e SP) e Centro-oeste (MS, GO e DF). Segundo Rodrigues et al., (2014) a previsão de cultivo de trigo no Brasil na safra de 2012/13 é foi de aproximadamente 2,1 milhões de hectares e uma produção de aproximadamente 6,0 milhões de toneladas de grãos. Contudo, a produção de 2014 ficou em torno de 1.516,2 mil toneladas, sendo que 52,3% inferior à safra de 2013, reflexo da queda de 56,5% na produtividade (CONAB, 2015).
O Brasil tem área com potencial para produzir 12 milhões de toneladas de trigo, considerando apenas a área que já é cultivada com grãos no país. No quesito tecnológico, o Brasil é referência mundial, com rendimentos nas lavouras que chegam a seis mil kg ha-1, mas a realidade tem sido o baixo investimento na cultura que alcançou a média de 2.500 kg ha-1 na última safra (CONAB, 2014).
O risco de mercado aos produtores também é considerável em função da elevada dependência externa, uma vez que o abastecimento nacional é feito, predominantemente, por importações, no caso do trigo, em face do comércio internacional, existe uma forte interação entre qualidade e preço (WRIGLEY, 1994; SILVA et al., 2015). Além disso, a abertura da economia brasileira a partir do início dos anos 90, as políticas cambiais pró-importações e a produção de enormes excedentes na Argentina desestimularam a atividade de produção de trigo, internamente.
A cultura do trigo no Brasil é de alto risco, sendo sujeita a danos decorrentes de adversidades climáticas próprias do inverno, como estiagens e geadas. Cabe destacar que durante o período de colheita, é comum a ocorrência de altos volumes pluviométricos, onde o mesmo acarreta na germinação dos grãos, que são classificados como de qualidade inferior, para a indústria de panificação. No entanto, utiliza-se este tipo de grão nas dietas para monogástricos e ruminantes (HASTENPFLUG, 2009; NANTES, 2013).
Salienta-se a importância da rotação de culturas com elevada adição de fitomassa ao solo, e tem demonstrado ser uma prática eficaz na melhoria da qualidade do solo (AMADO & ELTZ, 2003, FLORES et al., 2012). Ao destacar que a planta de trigo pode ser utilizada para cobertura do solo deve produzir uma boa quantidade de massa seca de qualidade, ter sistema radicular agressivo e rápido desenvolvimento inicial, além de boa sanidade e não ser hospedeira de pragas e ainda facilidade de produção de sementes de qualidade e de baixo custo.
2.2. Aspectos históricos e panorama do cultivo do trigo no Brasil
O trigo, originou-se do cruzamento de espécies silvestres de gramíneas que existiam próximos aos rios Tigre e Eufrates, na Ásia, por volta de 15.000 a 10.000 a.C, sendo esta umas das primeiras plantas a serem cultivadas (CASTRO & KLUGE, 1999). Segundo Iapar (1999), os primeiros trigos tinham espigas muito frágeis e quebravam com facilidade quando maduras e apresentavam sementes aderidas as pontas florais.
A história do trigo está relacionada com o desenvolvimento da civilização humana. Foi graças à domesticação deste cereal ocorrida a cerca de dez mil anos na região da Mesopotâmia, que o homem conseguiu mudar a sua forma de obter alimento que era baseada na coleta e na caça, com isso começou a se estabelecer em povoados e produzir seu próprio alimento (MAZOYER & ROUDART, 2009).
No Brasil, a história do trigo teve início em 1534, quando nos navios de Martim Afonso de Sousa trouxeram as primeiras sementes de trigo às terras da Capitania de São
Vicente. A partir de então, as sementes de trigo foram difundias para as outras capitanias (ABITRIGO, 2009). Entretanto, a cultura de trigo somente adquiriu importância econômica em meados do século XVIII.
Silva (1996) destaca que a área de cultivo do trigo é dividida em três regiões, conforme características climáticas, cultivares e sistema de produção: Sul, Centro Sul e Brasil Central. Sendo assim, os estados do Paraná e do Rio Grande do Sul são responsáveis por cerca de 90% da produção brasileira de grãos do trigo. Nos outros locais de cultivo deste cereal observa-se um acentuado crescimento da produção.
Segundo Piana & Carvalho (2008) destacam que o homem das comunidades sedentárias adotou o trigo em tal proporção que este cereal é hoje a principal espécie cultivada no mundo. Citam ainda, que o trigo tornou-se base para a sustentação e desenvolvimento agrícola, impulsionando o avanço dos conhecimentos científicos e tecnológicos nesta área. Contudo, na década de 70, cerca de 90% do trigo brasileiro era produzido no Rio Grande do Sul. Porém ao longo da década de 80, a triticultura expandiu-se para outros estados, passando o Paraná a ser o estado maior produtor do cereal na segunda metade da década de 80. No período de 2000 a 2005, o Paraná foi responsável por 53,99% da área plantada e 52,13 % da produção, o Rio Grande do Sul, 36,9% da área e 38,42 % da produção. (MORI & IGNACZAK, 2014).
A produção brasileira respondeu por aproximadamente 27% do consumo brasileiro no período de 1998 a 2002, havendo, no período de 2003 a 2005, aumento expressivo da oferta do cereal, chegando, em 2003, a suprir 55% da demanda. No ano de 2005, a produção brasileira de trigo foi de 4,71 milhões de toneladas. (MORI & IGNACZAK, 2014). Com a intensificação do consumo deste cereal nos dias atuais, observa-se um aumento significativo na área plantada, sendo que na safra de trigo de 2013/2014 apresenta um incremento de 16,6% em relação à safra anterior, atingindo 2.209,8 mil hectares, contra 1.895,4 mil hectares na safra 2012/2013. Além disso, a produção nacional de trigo para o exercício 2013/2014 atingiu 5.527,9 mil toneladas, representando um incremento de 26,2% em relação à safra passada, fruto do aumento de 16,6% da área plantada e 8,3% da produtividade. (CONAB, 2014). Entretanto, nesta safra (2014), 5,9 milhões de toneladas de trigo, o que representa um incremento de 6,8%, comparativamente à safra 2013. Isto é resultado do aumento de área de 23,6%, passando de 2.209,8 para 2.730,4 mil hectares e uma queda de 13,6% na produtividade, passando de 2.502 para 2.162 kg/ha-1 (CONAB, 2015).
2.3.Características morfofisiológicas da planta e do grão de trigo
2.3.1. Classificação botânica
As variedades de trigo cultivadas no Rio Grande do Sul pertencem à espécie aestivum, que é mais cultivada em todo o mundo. Outra espécie cultivada é Triticum durum (trigo duro) cultivado na América do Norte, Europa, Norte da África, Rússia, Índia e alguns países do Oriente Médio (ARENDT, 2006).
As cultivares da espécie Triticum fazem parte do reino plantae e pertence à família Poaceae, anteriormente denominada de Gramineae, cujo nome comum é trigo, possuindo um número muito grande de espécies. O número básico de cromossomos do trigo é 7 (sete). Estes cromossomos formam um genoma, havendo diversos genomas, que são denominados de A, B, D e possivelmente outros. As diferentes espécies de trigo (diplóides ou poliplóides) compõem-se de um ou mais genomas. Com isto, a classificação das espécies de Triticum pode ser feita pelo número de cromossomos (diplóides, 2n = 14; tetraplóides, 2n = 28 e hexaplóides, 2n = 42) ou pela composição de genomas (GILL & FRIEBE, 2002).
No trigo de panificação (T. aestivum), combinam-se os genomas completos de três espécies diplóides distintas (AABBDD), mas relacionadas geneticamente. A complexidade deste último torna-se um problema relevante quando se pretende realizar mapeamento genético, desenvolvimento de marcadores moleculares, sequenciamento de genes funcionais e transferência de genes, o que justifica ainda mais as pesquisas com a cultura. Desse modo, muitos genes apresentam herança polissômica, isto é, parte dos genes presentes no genoma A pode estar repetida nos genomas B e D, tornando mais complexos os padrões de segregação mendeliana e dificultando as análises genéticas (FERNANDES, 1985; SCHMIDT, et al., 2009). Mundstock (1999) destaca que trigos hexaplóides, no caso T. aestivum possuem o genoma D, onde este está associado às boas qualidades da farinha de trigo (as proteínas gliadina e glutenina) que a torna apta à panificação.
2.3.2. Estrutura, crescimento e desenvolvimento do trigo
É importante destacar que a estrutura, crescimento e desenvolvimento do trigo, da presente revisão bibliográfica, são citações de Mundstock (1999), de maneira que serão mencionadas no texto que segue apenas eventuais citações de outros pesquisadores.
Para a cultura de trigo, os ambientes marginais mais importantes apresentam a restrição à disponibilidade de água como principal fator limitante ao rendimento. Portanto, seleção de genótipos tolerantes e manejo adequado para estresse hídrico, podem viabilizar o trigo nesses ambientes marginais (EMBRAPA, 2006).
A cultura do trigo é uma gramínea característica das plantas C3, sendo que a fotossíntese geralmente é mais eficiente em plantas C4, apesar da fixação do CO2 em plantas
C4 possuir um custo energético maior que em plantas C3. (RAVEN et al., 2001).
A morfologia da germinação das gramíneas (Figura 1) denomina-se de germinação hipógea, isto é, o hipocótilo, que é a porção compreendida entre o cotilédone e a primeira folha, é suprimido e, em consequência, a semente permanece no solo (SCHULTZ, 1972). O epicótilo perfura a casca da semente, cresce para cima e, alcançada a superfície do solo, desenvolve um colmo com folhas. O cotilédone permanece no pericarpo, servindo de reserva. Esgotadas as substâncias de reserva, decompõe-se, junto com o restante da semente, sem deixar vestígios.
Após a emergência do coleoptile, há o aparecimento das demais folhas. Quando surge a quarta folha, tornam-se visíveis as estruturas laterais chamadas de afilhos, sendo assim inicia o período de desenvolvimento denominado afilhamento.
Figura 1: Morfologia de germinação e emergência de gramíneas, baseada em trigo.
Trigo Dias após semeadura Caracterização
0 - 1
O pericarpo (A) absorve água (embebe-se), tornando-se macio e elástico.
1 - 2 A coleorriza (B) elonga-se
lentamente, emergindo do
pericarpo.
2 - 4
A radícula (D) rompe através da coleorriza e se toma arqueada. O coleóptilo (C) alonga-se.
4 - 7
O coleóptilo continua
alongando-se. Várias raízes
laterais, chamadas raízes
seminais (E), formam-se do grão. A radícula (D) mais as raízes seminais são chamadas de sistema de raízes primárias, que é o principal sistema de raízes para as três primeiras semanas de crescimento da plântula.
7 - 14
O primeiro entrenó, chamado mesocótilo (F), pode alongar-se como em milho e em aveia, mas geralmente permanece inativo em trigo, em cevada e em
centeio. A alongação do
mesocótilo e/ou do coleóptilo cameça a cessar quando o coleóptilo merge na superfície do solo. As primeiras folhas (G) irrompem através do coleóptilo, tornam-se verdes e iniciam a fotossíntetizar.
14 - 21
As raízes da coroa ou
adventícias (H) desenvolvem-se
imediatamente abaixo da
superfície do solo. Raízes adventícias formam o sistema secundário de raízes de raízes de gramíneas e se tornam o principal sistema de absorção
após três semanas de
crescimento. O ponto de
crescimento (I) é localizado logo abaixo do nó basilar e permanece abaixo da superfície do solo por aproximadamente 30 dias.
Fonte: Mullen (1996).
As raízes apresentam-se de duas formas: primárias, ou temporárias, que se formam imediatamente à germinação da semente e são fibrosas e geralmente não apresentam muitas ramificações; e as permanentes, que são fibrosas, muito mais ramificadas, compridas, que surgem nos primeiros nós dos colmos (CASTRO & KLUNGER, 1999; SILVA et al., 1996).O colmo termina numa inflorescência que é a espiga.
As folhas são compostas de lâmina, bainha, aurícola e lígula. As aurícolas são amplexicaules, com bordas pilosas. A bainha envolve o colmo. A lâmina é linear, com nervuras paralelas. Silva et al. (1996), destacam que a planta de trigo possui de seis a nove folhas, cada uma composta de bainha e lâmina foliar, dispostas de forma alternada. Soares Sobrinho & Souza, (1983), ressaltam que a haste ou colmo é cilíndrico e oco, possuindo de seis a nove entrenós e cada nó abaixo do solo produz raízes adventícias, sendo as folhas produzidas a partir dos nós acima do solo.
A inflorescência tem eixo central, linear ou em zigue-zague, denominado de “ráquis”, sendo que em cada nó do ráquis há uma espigueta. Entre o ráquis e o nó, encontra-se também
o entrenó. O número de espiguetas por espiga varia entre 18 a 22, dependendo do genótipo e condições ambientais.
Como se observa na Figura 2, a espigueta é uma pequena espiga, geralmente com várias flores muito reduzidas. O exemplo mais típico de uma espigueta é cada uma das unidades visíveis na inflorescência do trigo. No entanto, a espigueta pode ser de identificação difícil em inflorescências compactas e/ou pequenas. A espiga do trigo, por exemplo, é uma “espiga de espiguetas”, já menos óbvias, cada uma com várias flores.
Figura 2: Esquema geral de uma espigueta.
Fonte:<http://naturlink.sapo.pt/NaturezaeAmbiente/FaunaFlora/content/ Gramineas/section/2?bl=1>
A altura do trigo é medida do solo até o ápice das espigas, sem incluir as aristas, no momento em que as plantas apresentarem seu maior desenvolvimento (um mês após o espigamento). É uma característica muito influenciada por fatores edafoclimáticos, sendo válidas apenas comparações entre variedades cultivadas em uma mesma condição ambiental.
Figura 3: Principais partes da planta de trigo.
Fonte: <http://harina.4mg.com/MorfologiadelTrigo.html>
1. A altura varia entre 30 cm e 180 cm; 2. O tronco é reto e cilíndrico. Tem nós;
3. O nó é sólido. Maioria dos trigos tem cerca de seis nós.
4. A folha é lanceolada com uma largura de 0, 5 a 1 cm e um comprimento de 15 a 25 cm. Cada planta tem 6 a 9 folhas;
5. A lígula é de comprimento médio;
6. O átrio é cortado e tem pêlos. Átrio e Lígula servem para identificar mudas;
7. As mudas. Nele, as folhas se desdobram no momento do nascimento, virando na direção dos ponteiros do relógio. Esta é também uma característica de identificação das mudas;
8. Perfilhamento. Esta é outra característica em cereais. Plantas produzir perfilhos número variável, geralmente 2 a 7;
9. Raízes de trigo são semelhantes à de cevada e aveia;
10. Raízes permanentes ou secundárias começar em seu primeiro nó;
11. Raízes que nascem a partir da semente. Normalmente cinco raízes seminais são um lado radical ou primária e quatro, que funciona durante toda a vida da planta. 12. A espiga de trigo macarrão é denso e curto. Ele consiste em um número infinito de
espiguetas terminando em uma borda ou barba;
13. Grãos de trigo Macarrão são geralmente alongadas, pontiagudas, muito dura e avermelhada cor âmbar;
15. Grãos de trigo comum pode ser mole ou duro.
A formação do grão inicia-se na fertilização do óvulo a máxima acumulação de matéria seca nos grãos e se caracteriza pela formação do embrião e deposição de reservas nos grãos. O material translocado aos grãos provém da fixação de CO2, sendo estes nutrientes
armazenados no colmo, folhas e raízes. Os fatores que influenciam nesta fase é a alta temperatura do ar, baixa umidade do solo e dias longos e ensolarados. A colheita do grão de trigo é o término do ciclo da cultura.
2.3.3. Ciclo de desenvolvimento da planta
O estádio de desenvolvimento da planta de trigo é de suma importância conhecê-los, pois é em função deles que é decidida a época mais adequada de se realizar os manejos fitossanitário que a cultura necessita, além de ser uma referência universal entre os profissionais que se dedicam tanto ao melhoramento, pesquisa e também de profissionais da assistência técnica.
O desenvolvimento da cultura do trigo está interligado com aspectos de rendimento de grãos. Portanto, são apresentadas as principais etapas do desenvolvimento das plantas de trigo, segundo a Embrapa (2002):
Vegetativa: A fase vegetativa estende-se da semeadura, envolvendo germinação de sementes e emergência de plantas, até o estádio de duplo-anel, e compreende etapa em que, no ponto de crescimento são diferenciadas somente estruturas foliares;
Reprodutiva: A fase reprodutiva, que engloba o período que vai do estádio de duplo anel até a antese (floração), abrange dois subperíodos importantes para a definição do rendimento potencial, que estão delimitados pelos estádios de duplo-anel e de início de formação da espigueta terminal, no primeiro caso, seguindo-se pela etapa compreendida entre o estádio de início de formação da espigueta terminal até a antese propriamente dita. Nessa fase ocorre à diferenciação de estruturas florais e o número de flores férteis (virtualmente número de grãos) é determinado.
Enchimento de grãos: A fase de enchimento de grãos, que vai da antese até a maturação fisiológica, definindo a massa final de cada grão. Ou seja, antes da antese o número de grãos é determinado e após esse estádio os grãos são de fato enchidos e é estabelecida a sua massa seca final no momento da maturação fisiológica. A compreensão desses aspectos relacionados com o desenvolvimento da planta de trigo, embora descritos
superficialmente, é fundamental para o entendimento da formação do rendimento de grãos em trigo e das possíveis limitações causadas pelo ambiente.
Os estádios de desenvolvimento do trigo são importantes, pois possibilitam definir de modo preciso as épocas ideais das aplicações dos elementos químicos na cultura além de permitir sincronismo de entendimento das fases do desenvolvimento das plantas entre técnicos e produtores das plantas.
Dentre as várias escalas existentes que podem ser utilizadas na cultura do trigo, utilizou-se neste trabalho a proposta de (COUNCE et al., 2000).
Estádios de desenvolvimento vegetativo:
V1 – Colar formado na 1ª folha do colmo principal
V2 – Colar formado na 2ª folha do colmo principal
V3 – Colar formado na 3ª folha do colmo principal
V4 – Colar formado na 4ª folha do colmo principal
V5 – Colar formado na 5ª folha do colmo principal
V6 – Colar formado na 6ª folha do colmo principal
V7 – Colar formado na 7ª folha do colmo principal
V8 – Colar formado na 8ª folha do colmo principal
Estádios de desenvolvimento reprodutivo:
R0 – Iniciação da espiga
R1 – Diferenciação da espiga
R2 – Formação do colar na folha bandeira
R3 – Emissão da espiga
R4 – Antese
R5 – Elongação do grão
R6 – Expansão do grão
R7 – Maturidade de um grão da espiga
R8 – Maturidade completa da espiga
Na fase vegetativa, V3, a planta de trigo tem o seu início floral e de afilhamento.
Sendo que neste estádio recomenda-se o uso da adubação nitrogenada, pois é neste momento que as gemas axilares desenvolvem afilhos, além de garantir desde então um bom
desenvolvimento da estrutura reprodutiva, para que o rendimento seja maximizado. Mediante a isso, Sangoi et al (2007) destacaram que a adubação nitrogenada de cobertura é uma das mais importantes, pois afeta no número de afilhos, crescimento e o desenvolvimento das plantas, influenciando o seu potencial produtivo.
Ressalta-se ainda que nesta fase, ou também conhecido como duplo-anel, é onde a planta define o tamanho da espiga, ocorrendo à diferenciação de estruturas florais e o número de flores férteis (virtualmente número de grãos) é determinado. As exigências por nitrogênio nos estádios iniciais de desenvolvimento das culturas de milho e trigo, apesar de serem pequenas, são importantes para promover um rápido desenvolvimento inicial e definir a produção potencial dessas culturas (RITCHIE et al., 1993 e FANCELLI & DOURADO NETO, 1996).
O número de afilhos férteis produzidos pela planta cessa quando o primeiro nó é visível no colmo, isto é, quando a planta de trigo está, em geral, no seu estádio de desenvolvimento V6 ou na fase de alongamento, visto que os afilhos formados após esta fase
serão inférteis.
No estádio R0 começa a fase reprodutiva, sendo que esta inicia antes do fim do estádio
vegetativo, correspondendo a V6, tendo início também a diferenciação da espiga (COUNCE
et. al., 2000).
A fase reprodutiva é considerada a partir da espigueta terminal, a qual ocorre antes da emissão da folha bandeira (STRECK et al., 2003a; ALBERTO, 2008), ou seja, a emissão da espiga (R2), a qual ainda está se desenvolvendo. Em sequência, ocorre a fecundação que
acontece antes da antese (R4), processo pelo qual se observa a exposição dos antécios.
Concluído a fecundação tem início o processo de divisão celular que irá compreender as células do endosperma onde serão armazenados os fotoassimilados, onde no colmo que poderão ser translocados para o enchimento de grãos, (HEINEMANN et al., 2006), em seguida começa o processo de elongação do grão (R5) e a expansão do grão (R6). Encerrado o
enchimento de grão, a maturação fisiológica, que na cultura do trigo inicia-se do centro da espiga para as extremidades. Com a maturação de um grão na espiga corresponde ao estádio R7 e com a maturação fisiológica completa na espiga ao estádio R8, quando cessa a
2.3.4. O grão de trigo
Hoseney (1991) descreve que o grão de trigo é uma cariopse, onde possui uma única semente, sendo esta com 6 a 8 milímetros de comprimento e 3 a 4 milímetros de largura, em que o gérmen e os tricomas se encontram em extremidades opostas (QUAGLIA, 1991).
Os tamanhos e as cores dos grãos de trigo podem se diferenciar, apresentando formato oval com extremidades arredondadas. Segundo Quaglia (1991), o grão de trigo é constituído, basicamente, por pericarpo (7,8 a 8,6%), endosperma (87 a 89%) e gérmen (2,8 a 3,5%), observa-se na Figura 4.
Figura 4: Corte longitudinal de um grão de trigo.
Fonte: Adaptado de Wheat Flour Institute, apud Hoseney (1991).
O pericarpo constitui a casca, ou seja, camada protetora do grão (POPPER et al., 2006), detém de 14% a 18% do grão de trigo, é rico em fibras e comporta em sua estrutura o maior teor de sais minerais encontrado no grão (ATWELL, 2001).
O endosperma é constituído principalmente por amido e proteína, e é desta região que se extrai a farinha de trigo. As proteínas insolúveis contidas no endosperma são as responsáveis pela formação do glúten, sendo que este detém cerca de 80% a 83% do peso do grão (HOSENEY, 1991).
Haddad et al. (2001), verificaram que o endosperma caracteriza a textura do trigo em duas propriedades: vitreosidade e dureza. A vitreosidade é o fator visual determinado pelas
condições de crescimento (como temperatura, água e nitrogênio disponíveis) e que se refere ao grau de compacticidade do endosperma.
O embrião de planta de trigo, chamado gérmen, guardado no seu interior por uma espessa camada externa (casca) e alimentado pelo endosperma. Esses recursos protegem e nutrem o embrião, permitindo que cresça da terra e forme uma nova planta. O gérmen é precioso para a saúde humana porque está lotado de nutrientes que, em princípio, visariam garantir a perpetuação do trigo. A parte embrionária da planta, onde se encontra grande parte dos lipídeos e dos compostos fundamentais à germinação do grão (ATWELL, 2001).
Segundo Mundstock (1999) a cor do grão varia, sendo que a cor do tegumento (antocianinas), podem apresentar-se esbranquiçado, amarelados ou avermelhados. As variedades em cultivo tem predominância nas cores branca e amarelada.
2.3.5. Qualidade industrial e de panificação dos grãos de trigo
A qualidade de trigo pode ter diferentes interpretações, dependendo dos setores envolvidos: produtor, armazenador, moageiro, industrial, consumidores finais, que incluem sanitaristas e consumidores de produtos naturais, além de cientistas de cereais (EMBRAPA, 2008). A qualidade do grão de trigo é o resultado da interação das condições de cultivo (interferência do solo, clima, pragas, manejo da cultura e da cultivar), em soma à interferência das operações de colheita, secagem e armazenamento, fatores estes que influem diretamente sobre o uso industrial a ser dado ao produto final, que é a farinha de trigo (EL-DASHI; MIRANDA, 2002; GUTKOSKI; NETO, 2002).
Aliado a isso, Mittelmann et al., (2000), destaca a fabricação de pães em escala comercial é uma das maiores utilizações da farinha de trigo, para tanto, as cultivares desenvolvidas devem ter o potencial de produzir uma farinha que confira ao produto final as características de crescimento, textura, sabor e coloração desejadas e, ainda, que apresente adequação ao processo mecânico de preparo.
A avaliação do trigo no mercado seja na forma de grão ou na forma processada de farinha são definidos por diferenças de: peso hectolitro, força geral do glúten, tempo de mistura, estabilidade da massa, porcentagem de mistura de grãos danificados, além do teor/quantidade de microtoxinas e presença de resíduos de agrotóxicos (GUTKOSKI; NETO, 2002; ALVIN; AUGUSTO; PAULO, 2005).
Entre os componentes da qualidade do trigo, o glúten (formado pelas proteínas de reserva do grão) é o que expressa maior contribuição na determinação do uso industrial, sendo à força de glúten o caráter empregado para a classificação da qualidade do trigo no Brasil
(BRASIL, 1999). A farinha de trigo, para ser adequada à panificação, deve ter características como alta capacidade de absorção de água, boa tolerância ao amassamento, glúten de força média a forte e alta porcentagem de proteína (CAZETTA et al., 2008; MÓDENES et al., 2009; PINNOW et al., 2013).
O nitrogênio é indispensável na cultura para que haja incrementos significativos, sendo um fator determinante e imprescindível na formação das proteínas no grão, onde confere a qualidade industrial. Atrelado a isso, Souza et al., (2014) destacam que os efeitos do nitrogênio na planta, a disponibilidade de nutriente no solo pode influenciar a qualidade nutricional e segurança dos grãos.
A classificação comercial de trigo em função dos parâmetros de Farinografia, de Alveografia (W), e Índice de Queda está baseada na Instrução Normativa nº 38, de 30 de novembro de 2010, do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA), denominada “Regulamento Técnico de Identidade e Qualidade do Trigo”, classificando o trigo em cinco grupos, conforme Tabela 1. Estes grupos são definidos em função do limite mínimo de peso do hectolitro e dos limites máximos percentuais de umidade, de materiais estranhos e impurezas e de grãos danificados.
Tabela 1 – Classificação de trigo segundo a Instrução Normativa nº 38, de 30 de novembro de 2010, do MAPA.
Classe Alveografia (W) (10-4 Joules) mínimo Número de Queda (segundos) mínimo Trigo Melhorador 300 250 Trigo Pão 220 220 Trigo Doméstico 160 220 Trigo Básico 100 200
Outros Usos Qualquer Qualquer
As características reológicas da farinha dependem da quantidade e da qualidade das proteínas presentes no grão de trigo. O teor de proteínas do grão de trigo varia em função de fatores agronômicos e ambientais enquanto que a qualidade das proteínas é característica primariamente genotípica (BUSHUK, 1985).
2.3.6. Teor de proteína no grão de trigo
A qualidade de grãos e farinhas de cereais é determinada por uma variedade de características que assumem diferentes significados, dentre elas está citado o teor de proteína do grão (MÓDENES et al., 2009). Pinnow et al., (2013) concluíram em suas pesquisas que o nitrogênio é o principal componente formador de proteínas. Dessa forma, em condições de baixa disponibilidade de nitrogênio, as plantas diminuem a síntese de proteínas nos grãos e favorecem a síntese de amido, gerando grãos com baixa concentração proteica.
As proteínas, mais especificamente as formadoras do glúten, são as responsáveis por esta característica própria do trigo. Sendo este formado quando a farinha de trigo é misturada com a água onde a mesma sofre a ação de um trabalho mecânico (BUSHUK, 1985). Quando a água começa interagir com as proteínas insolúveis da farinha de trigo (glutenina e gliadina) a rede de glúten começa a ser formada.
Devido a isso o glúten é formado pela interação entre moléculas de gliadina e glutenina que ao se hidratarem formam uma rede. As gliadinas são proteínas de cadeia simples, extremamente pegajosas, responsáveis pela consistência e viscosidade da massa. Apresenta pouca resistência a extensão. As gluteninas, por sua vez, apresentam cadeias ramificadas, sendo responsáveis pela extensibilidade da massa. As quantidades destas duas proteínas no trigo são fatores determinantes para a qualidade da rede formada no processo de panificação, (NUNES et al, 2006; COSTA et al., 2008), enfatizam que os valores de estabilidade de uma massas dependem, em grande parte, do número de ligações cruzadas entre as moléculas de proteínas presentes no glúten, bem como da força destas ligações.
Caldeira et al., (2000) concluíram que o comportamento da farinha de trigo durante o processo de panificação está relacionado às proteínas de armazenamento, ou seja, as frações gliadínicas e glutenínicas, que sob hidratação formam o complexo chamado glúten. Costa et al., (2008) destacam que às proteínas de armazenamento, também apresentam albuminas e globulinas, as quais exercem funções fisiológicas (e.g. enzimática) durante o processo germinativo.
O conjunto de proteínas de reserva do trigo (glúten) tem sido considerado o principal componente da qualidade, evidenciando forte associação com a qualidade do produto final (ZANETTI et al., 2001).
