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MÉTODOS GEOESTATÍSTICOS PARA AVALIAÇÃO DA COMPACTAÇÃO DE UM NEOSSOLO PELO TRÁFEGO DE MÁQUINAS DE COLHEITA FLORESTAL

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MÉTODOS GEOESTATÍSTICOS PARA AVALIAÇÃO DA

COMPACTAÇÃO DE UM NEOSSOLO PELO TRÁFEGO DE MÁQUINAS

DE COLHEITA FLORESTAL

Jean Alberto Sampietro1, Eduardo da Silva Lopes2, Cedinara Arruda Santana Morales1, José Miguel Reichert3

Resumo

Este trabalho objetivou avaliar o impacto e extensão em que resistência à penetração (RP) de um Neossolo Litólico (RLh) é afetada pelo tráfego de máquinas de colheita em povoamentos Pinus taeda, utilizando métodos geoestatísticos para determinação da dependência e variabilidade espacial. O estudo foi conduzido em áreas de uma empresa florestal localizada no Estado de Santa Catarina. Os tratamentos avaliados advieram da simulação de diferentes intensidades de tráfego. Leituras de RP foram realizadas nas trilhas de passagem dos rodados das máquinas e transversalmente em intervalos de 25 cm até 100 cm, e nos entre rodados, perfazendo um malha de 5 x 20 m, totalizando 55 pontos por tratamento, obtendo-se dados a cada 1 cm até 50 cm de profundidade. Os dados foram avaliados por estatística descritiva e ajustaram-se modelos de semivariogramas para análise da dependência espacial. Grande amplitude e variação dos dados foram detectadas. Houve predominância de ajuste de semivariogramas do tipo exponencial, com forte grau de dependência espacial (GDE) e alcance (m) variando de 55,08 a 159,10 m. Maior parte da compactação foi resultante das primeiras passadas das máquinas, mostrando que, apesar da grande variação verificada, a geoestatística se mostrou importante ferramenta para análise espacial da compactação do solo.

Palavras-Chave: Operações florestais; resistência do solo à penetração, variabilidade espacial.

GEOSTATISTICS METHODS TO ASSESSMENT COMPACTION OF NEOSOL

BY TRAFFIC OF LOGGING MACHINES

Abstract

The objective of this study was was to evaluate the impact and the extent which penetration resistance (PR) of a Litholic Neosol (LN) is affected by traffic of logging machines in stands of Pinus taeda, using geostatistics methods to determine the spatial dependence and variability. The study was conducted in logging areas of the forestry company located in the Santa Catarina State, Brazil. The treatments thereby made of the simulation of different traffic intensities. PR measures were taken in wheel tracks trails and in horizontal intervals of 25 cm up to 100 cm, and in between the tracks, making a grid of 5 x 20 m, totaling 55 points per treatment, and obtained data every 1 cm up to 50 cm of depth. Data were analyzed by descriptive statistics and were adjusted semivariogram models for the spatial dependence analysis. Data showed great range and variation. Linear and Gaussian models predominated in adjusted variogram models, with strong spatial dependence degree (SPD) and range (m) ranged from 55.08 to 159.10 m. Most part of compaction was result of machines first passes, showing that, besides the great variation observed, the geostatistics proved to be an important tool for spatial analysis of soil compaction.

Key-words: Forestry operations; soil penetration resistance; spatial variability.

INTRODUÇÃO

O processo de mecanização possibilitou uma evolução significativa na produtividade e qualidade das atividades realizadas para o cultivo das florestas; entretanto, tem sido grande responsável por impactos ambientais nas áreas florestais. Dentre os principais impactos observados sobre o ecossistema florestal, destaca-se a compactação do solo, a qual é resultado do tráfego intenso de máquinas, principalmente, em operações de colheita da madeira.

1

. Engenheiro(a) Florestal, Doutorando(a) do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal da Universidade Federal de Santa Maria, Av. Roraima, 1000, CEP 97105-900, Santa Maria (RS). Bolsista CAPES. engsampietro@yahoo.com; cedinarasm@gmail.com

2

Engenheiro Florestal, Dr., Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Estadual do Centro-Oeste, PR 153, Km 7, CEP 84500, Irati, PR. eslopes@pq.cnpq.br

3

. Engenheiro Agrônomo, PhD., Professor Titular do Departamento de Solos, Universidade Federal de Santa Maria. Av. Roraima, 1000, CEP 97105-900, Santa Maria (RS). reichert@smail.ufsm.br

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A compactação decorre de tensões aplicadas sobre o solo, aproximando as partículas, com redução no volume por elas ocupado, trazendo incremento na densidade e redução do espaço poroso, na infiltração e no movimento interno de água, maior resistência mecânica do solo (REICHERT et al., 2010), resultando em impedimento ao crescimento das raízes, redução da sobrevivência de mudas e menor desenvolvimento do povoamento.

O nível de compactação sofrido pelo solo depende de vários fatores, no entanto, um dos fatores de maior influência é o número de passadas das máquinas. De acordo com Bettinguer et al. (1994), as passadas repetidas das máquinas de colheita, principalmente na etapa de extração florestal, comprimem a massa do solo, resultando num aumento significativo da compactação do mesmo.

Para Seixas (2000), o efeito do tráfego dos tratores florestais sobre o solo é maior nas primeiras passadas, sendo que o aumento da densidade nas trilhas de tráfego está relacionado com o número de passadas, o teor de matéria orgânica e o tipo de máquinas e rodados utilizados. Seixas e Souza (2007) relatam que aproximadamente 80 % da variação da compactação do solo, avaliada pela densidade do solo, ocorreu depois de cinco passadas do trator agrícola mais carreta carregada sobre o mesmo local. Camargo (1999), estudando um sistema de colheita da madeira composto por Feller-buncher e Skidder, verificou que o nível de compactação atingida foi similar para distintas passadas das máquinas em um Cambissolo Álico de textura franco-argilosa.

Burger et al. (1989) compararam os efeitos de tamanho dos pneus e da intensidade de tráfego nas propriedades físicas do solo, concluindo que a intensidade de tráfego teve maior influência que o tamanho dos pneus. De modo semelhante Aust et al. (1993), avaliando o impacto causado ao solo por sete tipos de pneus em quatro níveis de tráfego, constataram que houve um aumento proporcional dos distúrbios ao solo com o aumento do nível de tráfego, sendo a primeira passada aquela que provocou a maior variação de densidade do solo, concluindo-se então, que o fator de maior influência foi o nível de tráfego e não os tipos de pneus utilizados.

Lima et al. (2008) avaliaram condições antes do tráfego e depois em trilhas após a passagem do Feller

Buncher e após a passagem do Skidder, relatando que a RP apresentou variabilidade espacial em relação aos

diferentes condições impostas e profundidades do solo, sendo a compactação maior nas camadas superficiais do solo, e após a maior condição de tráfego.

Diante do exposto, percebe-se a importância de melhor entender os efeitos do tráfego sobre as propriedades do solo, possibilitando auxílio na tomada de decisão e no planejamento da colheita de madeira para a diminuição da compactação do solo, minimizando os danos ao meio ambiente, possibilitando a sustentabilidade e melhoria na produção de madeira.

Este trabalho teve como objetivo avaliar o impacto e a extensão em que resistência à penetração (RP) de um Neossolo Litólico (RLh) é afetada pelo tráfego de máquinas de colheita da madeira em povoamentos de

Pinus taeda L., utilizando métodos geoestatísticos para determinação da dependência e variabilidade espacial.

MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho foi conduzido em áreas operacionais de colheita de Pinus taeda L., pertencentes à empresa Battistella Florestal, localizadas no município de Rio Negrinho, região Norte do Estado de Santa Catarina. O clima da região foi classificado como Cfb, segundo Köppen, com temperatura média anual de 18,3 ºC e precipitação média anual entre 1.360 a 1.670 mm, altitude média de 790 m, latitude de 26º 15’ 16’’ S e longitude de 49º 31’ 06’ W (EPAGRI/CIRAM, 2006; KOBIYAMA et. al., 2004).

A área de estudo tem o histórico de ter sido utilizada no passado para fins de produção agropecuária, havendo campos de pastagem antes de ser incorporada ao sistema de produção florestal. Os povoamentos de

Pinus taeda L., apresentavam aproximadamente 24 anos de idade na ocasião da colheita, com 340 árvores por

hectare, área basal de 34,65 m2 ha-1, volume médio de 453,43 m3 ha-1, sendo o peso médio individual de cada árvore de 0,80 t.

O relevo plano a suave ondulado era característico da área, sendo o solo classificado como Neossolo Litólico Húmico típico (RLh) de textura areno-argilosa. A granulometria foi determinada pelo método da pipeta (EMBRAPA, 1997), o teor de carbono orgânico (C-org) pelo método Walkey-Black (ALISSON, 1965), o limite de liquidez (LL) pelo método de Casagrande (SOWERS, 1965), a capacidade de campo (CC) por equilíbrio ao potencial matricial de -10 kPa em coluna de areia (REINERT; REICHERT, 2006) e o ponto de murcha permanente (PMP) por equilíbrio ao potencial de -1500 kPa por meio de um psicrômetro de ponto de orvalho (DECAGON, 2000) (Tabela 1).

O sistema de colheita de madeira utilizado pela empresa é o de Árvores Inteiras (Full-Tree), composto por um trator florestal Feller Buncher (CAT 522), com peso operacional de 30,4 toneladas e rodados de esteiras de 0,6 m X 4,8 m de dimensão, e por um trator florestal Skidder (CAT 545) com peso operacional de 18,2 toneladas, tração 4 X 4, rodados de pneus de 0,8 m de largura, inflados com pressão de 290 kPa, sendo os pneus dianteiros recobertos com semi-esteiras.

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Tabela 1: Granulometria, teor de carbono orgânico (C-org), limite de liquidez (LL), capacidade de campo (CC),

ponto de murcha permanente (PMP) e umidade gravimétrica (Ug) durante as simulações de tráfego por profundidade.

Table 1: Granulometry, organic carbon content (C-org), liquid limit (LL), field capacity (FC), permanent wilting

point (PWP) and gravimetric moisture (Ug) during simulations of traffic by depth.

Profundidade Areia grossa Areia fina Silte Argila C-org LL* CC PMP Ug

(cm) (g kg-1) (g dm-3) (kg kg-1)

0 – 15 249,6 205,8 112,6 432,0 25,69 0,308 0,317 0,068 0,258

15 – 30 235,5 242,7 91,8 430,0 21,01 0,304 0,313 0,069 0,239

30 – 50 156,7 329,3 34,0 480,0 22,32 0,308 0,309 0,129 0,235

*O limite e índice de plasticidade não foram determinados devido ao solo apresentar comportamento não plástico.

Para avaliar os efeitos de diferentes intensidades de tráfego das máquinas nas áreas selecionadas, inicialmente foi realizada a remoção de toda a madeira das áreas sem haver a interferência de tráfego, prosseguindo com a distribuição de dois blocos nos quais foram instaladas parcelas amostrais de 5 X 40 m para cada tratamento analisado. Nos blocos, cada parcela correspondeu a uma simulação de intensidade de tráfego (tratamento), sendo que nas simulações as máquinas trafegaram com a mesma carga sobre a trilha de passagem dentro da parcela. A descrição e a abreviatura utilizada para cada tratamento encontram-se Tabela 2. Durante as simulações o Skidder trafegou com uma carga média de arraste de 3,2 t, sendo umidade gravimétrica média do solo (Ug) apresentada na Tabela 1.

Tabela 2: Descrição dos tratamentos avaliados. Table 2: Description of evaluated treatments.

Tratamentos Descrição

FB 1 passada do Feller Buncher

FB + 1SD 1 passada do Feller Buncher + 1 passada do Skidder

FB + 3SD 1 passada do Feller Buncher + 3 passadas do Skidder

FB + 5SD 1 passada do Feller Buncher + 5 passadas do Skidder

FB + 10SD 1 passada do Feller Buncher + 10 passadas do Skidder

FB + 15SD 1 passada do Feller Buncher + 15 passadas do Skidder

Em cada parcela, leituras de resistência do solo à penetração (RP) foram realizadas nas trilhas de passagem dos rodados das máquinas e transversalmente em intervalos de 25 cm até 100 cm, e nos entre rodados, perfazendo um malha de 5 x 20 m, totalizando 55 pontos por tratamento, sendo obtidos dados a cada 1 cm até 50 cm de profundidade (Figura 1). A RP foi medida com o uso de um penetrógrafo eletrônico digital, marca

Eijkelkamp, modelo 06.15.SA, equipado com uma ponta em forma de cone com ângulo de vértice de 60º e base

de 1 cm2 (11,28 mm de diâmetro nominal), com a velocidade de penetração controlada automaticamente em 2 cm s-1.

Utilizou-se a estatística descritiva para estudar a tendência e dispersão dos dados, e também a forma distribuição em cada tratamento. A dependência espacial foi avaliada por técnicas de geoestatística com base nas pressuposições de estacionaridade da hipótese intrínseca, em que a variância da diferença depende somente da distância entre os pontos amostrais e não da posição em que eles se encontram; e pela análise de semivariogramas, utilizando-se o software GS+ 9,0 (ROBERTSON, 1998).

Para cada tratamento foram testados os ajustes de semivariogramas do tipo esférico, exponencial, linear e gaussiano. A escolha do melhor modelo teórico foi por meio do modelo de maior coeficiente de determinação (R2) e grau de dependência espacial (GDE) utilizando a técnica de validação cruzada, sendo também determinado o alcance (m) que indica o limite da dependência espacial da propriedade avaliada, isto é, determinações feitas a distância maiores que o alcance tem distribuição espacial aleatória e, assim são independentes entre si, podendo ser aplicada a estatística clássica. Ao final prosseguiu-se com krigagem dos dados e elaboração de mapas de isolinhas.

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Figura 1: Croqui dos pontos amostrados de resistência à penetração em cada tratamento. Figure 1: Sketch of measure points of penetration resistance sampled in which treatment.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Houve grande variação e amplitude dos dados, sendo que para todos os tratamentos o CV foi maior do que 30% (Tabela 3). Segundo Gomes e Garcia (2002), a variabilidade de um atributo pode ser classificada por meio dos valores de coeficiente de variação (CV) como baixo (≤ 10 %), médio (10% - 20%), alto (20% - 30%) e muito alto (> 30%). Portanto, como já mencionado, a variação dos dados pode ser considerada alta. Tal fato pode ser devido à alta variabilidade do solo, bem como por outros fatores que interferiram na determinação do atributo em condições de campo, que foram a presença de pedras e resíduos da colheita de madeira (galhos, cascas, acículas e etc.), e raízes das árvores e plantas do sub-bosque que se formou abaixo do povoamento. As operações de colheita da madeira, geralmente, não atingem toda área e, consequentemente, o grau de variabilidade e a heterogeneidade da compactação e perturbação do solo é grande nas florestas (GREACEN; SANDS, 1980). Além disso, as diferentes posições de medidas contribuem para a grande variação, como também relatado por Lima et al. (2008).

Pode se observar também, que os maiores valores de RP ocorreram após uma passada do Feller

Buncher mais cinco passadas do Skidder (FB + 5SD), mostrando que a compactação do solo não foi gradual

conforme mais intenso foi o tráfego imposto.

Valores de RP acima de 2 MPa são observados em todos tratamentos, sendo este o limite considerado potencialmente crítico ao desenvolvimento radicular das plantas (GREACEN; SANDS, 1980), sugerindo que compactação que poderá interferir no desenvolvimento de futuras rotações. No entanto, isto é agravado pela observação de haver valores acima de 3 MPa, o que conforme Zou et al. (2000) é restritivo ao desenvolvimento radicular de espécies florestais.

Tabela 3: Média, mediana, amplitude, coeficiente de variação (%), mínimo e máximo para a resistência à

penetração (MPa) nos diferentes tratamentos avaliados.

Table 3: Mean, median, range, coefficient of variation (%), minimum and maximum to penetration resistance

(MPa) in the different evaluated treatments.

Tratamentos Média Mediana Amplitude CV% Mínimo Máximo

FB* 1,60 1,66 3,68 47,02 0,29 3,97 FB + 1SD 1,45 1,42 3,42 42,97 0,30 3,72 FB + 3SD 1,43 1,49 2,53 43,41 0,19 2,72 FB + 5SD 1,63 1,64 3,99 38,51 0,44 4,43 FB + 10SD 1,58 1,68 3,30 36,70 0,44 3,74 FB + 15SD 1,54 1,57 2,89 36,22 0,38 3,27

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Os parâmetros de ajuste dos semivariogramas (Tabela 4) possibilitam a análise da presença ou não de dependência espacial. Entre os tratamentos não houve diferença entre os modelos teóricos ajustados, sendo ajustados semivariogramas somente do tipo exponencial (Figura 2).

Erros de medição ou variação não detectada pela amostragem são expressos pelo parâmetro do efeito pepita (Co), que indica a variabilidade não explicada dos dados (CAMBARDELLA et al., 1994). A quantificação desse parâmetro pode ser feita pela razão entre o Co e o patamar (Co+C), denominado de grau de dependência espacial (GDE). Em todos os tratamentos o GDE pode ser considerado alto (GDE > 0,75), podendo isso ser explicado pelas variações extrínsecas causadas pela passagem das máquinas sobre o solo, influenciando o atributo avaliado (RP) por meio do tipo, intensidade e frequencia da carga aplicado ao solo (LEBERT; HORN, 1991; HORN et al., 2004).

Além disso, em todos os tratamentos avaliados os ajustes dos semivariogramas mostraram não haver estacionaridade, isto é, o tamanho da área amostrada não foi suficiente para expressar toda a variabilidade dos valores de RP, sendo que os valores de alcance (m) variaram de 55,08 a 159,10 m, o que pode ser considerado alto. Por outro lado, podem-se notar altos valores de R2, demonstrando, apesar de altos GDE, houve bons ajustes.

Tabela 4: Estimativa dos parâmetros dos modelos teóricos ajustados para a resistência à penetração dos

diferentes tratamentos.

Table 4: Estimated parameters of adjusted models for penetration resistance of different treatments.

Tratamentos Modelo Co Co+C Alcance (m) R2 GDE

FB* Exponencial 0,470 4,025 85,52 0,552 0,883 FB + 1SD Exponencial 0,231 2,579 78,12 0,672 0,910 FB + 3SD Exponencial 0,338 2,390 55,08 0,695 0,859 FB + 5SD Exponencial 0,224 3,845 159,10 0,601 0,942 FB + 10SD Exponencial 0,274 3,341 78,46 0,698 0,918 FB + 15SD Exponencial 0,047 0,416 67,55 0,608 0,887

Co: efeito pepita; Co+C: patamar; R2: coeficiente de determinação; GDE: grau de dependência espacial [C/(Co+C)]; *para abreviações dos tratamentos ver Tabela 2.

Após os ajustes dos modelos teóricos, realizou a krigagem dos dados, obtendo-se dessa forma os mapas de isolinhas de RP para cada tratamento (Figura 3).

Por meio dos mapas de isolinhas de RP (Figura 3), ficou ainda mais evidente a ação do tráfego sobre o solo. Embora após uma passada do Feller Buncher mais dez passadas do Skidder (FB + 10SD) tenham ocorridos os maiores valores de RP na posição das trilhas dos rodados, já no tratamento FB + 5SD maior parte do perfil apresenta incremento de valores de RP. Isto evidencia que poucas passadas das máquinas já resultam em grande parte da compactação, o que também é relatado por outros autores (JORAJURIA; DRAGHI, 2000; SEIXAS; SOUZA, 2007).

O comportamento do solo quando submetido às sucessivas passadas das máquinas pode ser explicado em parte, devido à condição de umidade do solo no momento dos ensaios de tráfego. A umidade é o principal fator que governa a quantidade de deformação que poderá ocorrer no solo no momento da realização das operações, e assim a compactação será máxima quando a umidade do solo for crítica para esse processo (REICHERT et al., 2010), sendo que a umidade afeta diretamente a capacidade de suporte do solo ao tráfego (DIAS JÚNIOR et al., 2004).

A condição média de umidade do solo durante as simulações de tráfego era equivalente a 78% da capacidade de campo (CC média de 0,313 kg kg-1), estando também abaixo do LL, sendo a capacidade de suporte, expressa pela pressão de pré-consolidação (σp), estimada conforme Dias Júnior et al. (2004), de 150,21

kPa. Por isso, mesmo com o aumento do tráfego, não houve alterações significativas no solo, justificando este comportamento, uma vez que isto é dinâmico, refletindo as pressões externas aplicadas. Quando são aplicadas pressões externas superiores à capacidade de suporte do solo, ocorre a aproximação das partículas, havendo a redução do tamanho médio dos poros. Como poros de menor dimensão tendem a ser menos propensos às forças compactantes, estes levam a uma maior resistência do solo e, dessa forma, a capacidade de suporte (pressão de pré-consolidação) é aumentada, o que, parcialmente, protege o solo de compactação adicional (WILLIANSON; NEILSEN, 2000). No caso do solo sofrer pressões advindas de tráfego menores que a pressão de pré-consolidação, este reage de forma elástica e não há compactação adicional, ou seja, somente haverá compactação adicional do solo caso as pressões impostas sejam superiores à pressão de pré-consolidação e, então, o solo apresentará comportamento plástico, havendo deformação e os atributos físicos são alterados (HORN et al., 2007).

De um modo geral, analisando a operação de colheita de madeira, pode-se inferir, como citam Oliveira Júnior et al. (2004), que a compactação do solo inicia-se com o impacto das árvores por ocasião de sua queda,

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continuando nas atividades subsequentes, principalmente no arraste das árvores. E com a aplicação da geoestatística, os efeitos negativos do tráfego sobre o solo podem ser analisados de forma mais clara, podendo-se observar a extensão das alterações sofridas em relações às condições impostas e ao manejo aplicado ao solo, bem como na escolha de medidas mitigadoras mais eficazes.

Figura 2: Semivariogramas ajustados para a resistência à penetração de diferentes intensidades de tráfego de

máquinas de colheita florestal em um Neossolo Litólico Húmico típico (RLh). (a) FB; (b) FB + 1SD; (c) FB + 3SD; (d) FB + 5SD; (e) FB + 10SD; (f) FB + 15SD. Para abreviações dos tratamentos ver Tabela 2.

Figure 2: Adjusted semivariograms to penetration resistance of different traffic intensities of logging machines

in a Litholic Neosol (LN). (a) FB; (b) FB + 1SD; (c) FB + 3SD; (d) FB + 5SD; (e) FB + 10SD; (f) FB + 15SD. For treatments abbreviations, see Table 2.

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Figura 3: Efeito dos tratamentos ao longo do perfil do Neossolo Litólico Húmico típico (RLh) em isolinhas de

resistência à penetração. (a) FB; (b) FB + 1SD; (c) FB + 3SD; (d) FB + 5SD; (e) FB + 10SD; (f) FB + 15SD. A legenda indica os valores de resistência à penetração. As setas indicam a posição da linha de passagem dos rodados. Para abreviações dos tratamentos ver Tabela 2.

Figure 3: Effect of treatments along of the profile of Litholic Neosol (LN) in isolines of penetration resistance.

(a) FB; (b) FB + 1SD; (c) FB + 3SD; (d) FB + 5SD; (e) FB + 10SD; (f) FB + 15SD. The legend indicates values of penetration resistance. The arrows indicate the position of the wheel tracks. For treatments abbreviations, see Table 2.

CONCLUSÕES

As sucessivas passadas do Feller Buncher e Skidder provocaram alterações sobre a resistência mecânica do solo à penetração, sendo que grande parte desse incremento é resultante das primeiras passadas das máquinas de colheita.

Grande parte do perfil do solo foi impactado pela ação das passadas das máquinas, podendo-se verificar efeitos do tráfego até as camadas mais profundas e distante das trilhas de passagem.

A geoestatística se mostrou ser uma ferramenta importante para análise espacial da compactação do solo, permitindo avaliar a extensão dos efeitos do tráfego e subsidiando melhoria das práticas de manejo do solo e planejamento das operações.

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Referências

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