SimulArroz: um modelo de simulação do crescimento, desenvolvimento e produtividade de arroz irrigado.
Nereu Augusto Streck, Lidiane Cristine Walter, Hamilton Telles Rosa, Rômulo Pulcinelli Benedetti, Andrea Schwertner Charão, Everson de Freitas Feltrin, Michel Rocha da Silva, Enio Marchesan, Mariana Moreira Macedo (In Memorian), Cristiano de Carli e Bruna San Martin Rolim Ribeiro.
Departamento de Fitotecnia/Centro de Ciências Rurais.
Departamento de Linguagens e Sistemas de Computação/Centro de Tecnologia.
© 2013 por Universidade Federal de Santa Maria. Todos os direitos reservados (All rights reserved).
Conteúdo
1. INTRODUÇÃO
2. O SOFTWARE E SEUS DESENVOLVEDORES 3. INSTALAÇÃO
4. UTILIZAÇÃO
5. ENTRADA DE DADOS
6. FUNCIONAMENTO DO SimulArroz
6.1 DESENVOLVIMENTO (FENOLOGIA) DA CULTURA 6.2 EMISSÃO DE FOLHAS DA CULTURA
6.3 CRESCIMENTO DA CULTURA
6.3.1 Produção e partição de matéria seca; 6.3.2 Resposta ao aumento de CO2 atmosférico
6.4 PRODUTIVIDADE DE GRÃOS E SEUS COMPONENTES 6.5 DANOS POR GEADA
7. RESULTADOS
8. EXPORTAÇÃO DE DADOS PARA EXCEL 9. VALIDAÇÃO DO MODELO
9.2 CRESCIMENTO DA CULTURA 9.3 PRODUTIVIDADE DE GRÃOS 10. COMO OBTER O SOFTWARE SimulArroz
11. DIREITOS, PERMISSÃO E CONDIÇÕES DE USO 12. DÚVIDAS E INFORMAÇÕES
13. AGRADECIMENTOS REFERÊNCIAS
1. INTRODUÇÃO
O SimulArroz é um modelo ecofisiológico dinâmico baseado em processos (process-based model), desenvolvido pelo Grupo de Agrometeorologia de Universidade Federal de Santa Maria, para simular a produtividade de arroz irrigado no sistema por inundação (flooded rice) no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. O SimulArroz é resultado de dois modelos anteriores de arroz, o ORYZA2000 (Bouman et al., 2004), que é o modelo de simulação da cultura do arroz do Instituto Internacional de Pesquisa em Arroz (IRRI - The International Rice Research Institute), nas Filipinas, e o InfoCrop (Aggarwal et al., 2006), ambos simuladores de arroz desenvolvidos e testados em ecossistemas de arroz na Ásia. Parte do código fonte do ORYZA2000 e do InfoCrop foi utilizado no software do SimulArroz, e o restante do código fonte foi desenvolvido para adaptar o modelo para as cultivares de arroz do Rio Grande do Sul (Walter et al., 2012), o que diferencia o SimulArroz dos outros simuladores. É, portanto, um produto para atender as demandas de simulação numérica regional para os ecossistemas gaúchos de arroz, ou seja, arroz em sistema de inundação (alagamento) do solo e com cultivares de arroz adaptadas para condições de cultivo no estado do Rio Grande do Sul.
O SimulArroz calcula os principais processos ecofisiológicos de um ecossistema de arroz, como a acumulação de biomassa de raízes, folhas, caule e panículas, o desenvolvimento da cultura (fenologia pela escala de Counce et al., 2000) e a emissão de folhas (escala de Haun, 1973) no passo de tempo de um dia. Na versão 1.0, o SimulArroz simula a produtividade potencial da cultura, e a produtividade em três níveis tecnológicos da lavoura (alto, médio e baixo), descritos no item 4. O fluxograma do SimulArroz é o mesmo fluxograma do modelo InfoCrop, e é apresentado no ANEXO A (Aggarwal et al., 2006). Os potenciais usuários do SimulArroz são tomadores de decisão, estudantes de graduação e pós-graduação, extensionistas, pesquisadores e professores.
2. O SOFTWARE E SEUS DESENVOLVEDORES
O software SimulArroz foi desenvolvido na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), Santa Maria, RS, e tem duas partes: (a) o código em Fortran do modelo matemático que contém as equações e sub-rotinas que descrevem os processos de crescimento, desenvolvimento e produtividade da cultura do arroz e (b) a interface em Java que permite ao usuário rodar o modelo de crescimento, desenvolvimento e
produtividade da cultura do arroz a partir de uma tela de fácil entendimento e interatividade.
A parte (a) do SimulArroz foi desenvolvida por Lidiane Cristine Walter e Hamilton Telles Rosa, alunos de doutorado do Programa de Pós-graduação em Engenharia Agrícola e do Programa de Pós-graduação em Agronomia da UFSM, respectivamente, sob a supervisão do Prof. Nereu Augusto Streck, do Departamento de Fitotecnia/Centro de Ciências Rurais da UFSM.
A parte (b) do SimulArroz foi desenvolvida por Rômulo Pulcinelli Benedetti, aluno de graduação do Curso de Ciência da Computação da UFSM, sob supervisão da Profa. Andrea Schwertner Charão, do Departamento de Linguagens e Sistemas de
Computação/Centro de Tecnologia da UFSM.
3. INSTALAÇÃO
Verifique a compatibilidade do programa com as configurações do computador e do sistema operacional;
No sitio oficial do SimulArroz (www.ufsm.br/simularroz), fazer download do arquivo "SimulArroz_instal.exe";
Clique no ícone “SimulArroz_instal.exe” para instalar o SimulArroz no seu computador;
Selecione o idioma para instalação do programa (Inglês, Português); Aceite o contrato de licença para a utilização do software;
Escolha a opção criar atalho para adicioná-lo ao desktop.
4. UTILIZAÇÃO
Para abrir o SimulArroz, clique no atalho do programa na área de trabalho, ou acesse o menu Iniciar/Programas/SimulArroz. A tela inicial vai aparecer (Figura 1).
Figura 1. Tela inicial do SimulArroz onde o usuário deve informar os dados de entrada referentes à cultura do arroz (cultivares ou grupo de maturação), nível tecnológico da lavoura,
data de semeadura, número de safras a serem simuladas, concentração de CO2 atmosférico e
densidade de plantas (pl m-2).
O simulador é composto de duas abas principais (Figura 1): a primeira denominada “Simulação”, onde são inseridos os dados necessários para uma simulação, e a aba “Resultados”, onde são apresentados os resultados em forma textual e gráfica (descritos no Item 8).
A aba “Simulação” apresenta-se em cinco passos (Figura 1):
1º) Clique em “Inserir dados meteorológicos”, e abra o arquivo .txt com os dados meteorológicos organizados na seguinte ordem:
Ano, Dia do Ano (de 1 a 365 ou 366 em anos bissextos), temperatura mínima, temperatura máxima e radiação solar.
Observação: É muito importante que os dados de entrada estejam organizados desta forma, pois, caso contrário, os resultados gerados serão incorretos. O separador decimal das variáveis temperatura mínima, temperatura máxima e radiação solar deve ser o ponto com uma casa decimal (ex: 23.6ºC, 25.4 MJ m-2 dia-1). Em caso de dúvidas, leia
atentamente o item 5 (Entrada de dados).
2º) Digite a data de semeadura e o número de safras a simular;
3º) Ative a opção “cultivar” ou “maturação”. Na primeira opção é possível eleger entre um grupo de cultivares disponíveis no programa. Caso a cultivar desejada não esteja disponível, selecione a opção “maturação”, em que a divisão das cultivares é por grupo de maturação (muito precoce, precoce, médio e tardio). Escolha o nível
tecnológico da lavoura (potencial, alto, médio e baixo) (Figura 1). O nível tecnológico potencial permite simular a produtividade potencial (teto produtivo), situação que geralmente só se consegue em nível experimental, com pequenas parcelas, onde as plantas não sofrem nenhum estresse biótico (pragas, doenças e plantas daninhas) ou abiótico (falta de água e nutrientes), não acamam e estão na densidade populacional recomendada (Cassman et al., 2003). O nível tecnológico alto representa lavouras bem manejadas e que se enquadram na proposta do Projeto 10 do IRGA. O nível baixo representa lavouras com pouca tecnologia de insumos, as plantas sofrem com estresse por fatores bióticos (pragas, doenças e alta competição com plantas daninhas) e abióticos (adubação de NPK não é feita ou é feita com baixa quantidade, falta água durante as fases críticas) a ponto da lavoura comercial não ser viável economicamente no Rio Grande do Sul. O nível tecnológico médio representa lavouras com uma tecnologia intermediária entre os níveis alto e baixo, sendo sub-dividido em nível intermediário superior e inferior (Figura 2).
4º) Caso desejado ajuste a concentração de CO2 e a densidade de plantas;
5º) Clique em “Simular”.
Figura 2. Níveis de tecnologia potencial, alto, médio e baixo, considerados no SimulArroz para a cultura do arroz irrigado por inundação no estado do Rio Grande do Sul.
Prod u ti vid ad e
5. ENTRADA DE DADOS
O SimulArroz necessita de dois grupos de dados de entrada (inputs) para ser rodado: dados da cultura e dados meteorológicos. Os dados da cultura devem ser informados pelo usuário na tela principal do programa (Figura 1) e incluem: escolha da cultivar ou do grupo de maturação (o usuário pode optar, estando a cultivar na lista do programa ou se a cultivar de seu interesse não consta na lista, o usuário deve saber o grupo de maturação à que a cultivar pertence), data de semeadura, densidade de plantas (pl m-2), número de safras a serem simuladas, nível tecnológico da lavoura e
concentração de CO2 atmosférico. Os dados meteorológicos são temperatura mínima e
máxima diária (ºC) e radiação solar (MJ m-2 dia-1), os quais devem ser fornecidos em
um arquivo de entrada no formato *.txt (Figura 3). Independente do volume de dados armazenados no arquivo de entrada *.txt, o programa, ao ser executado pelo usuário, utilizará apenas dados necessários para completar o ciclo da cultura.
Figura 3. Arquivo de entrada com os dados meteorológicos diários para serem lidos no SimulArroz. O arquivo deve ser no formato de texto (*.txt) contendo as variáveis ano, dia do ano (1 a 365 ou 366 em ano bissexto), temperatura mínima (ºC), temperatura máxima (ºC) e
densidade de fluxo de radiação solar global (MJ m-2 dia-1), separados por um espaço em branco.
O separador decimal das variáveis temperatura mínima, temperatura máxima e radiação solar
deve ser o ponto com uma casa decimal (ex: 23.6ºC, 25.4 MJ m-2 dia-1).
A sequência (passos) da entrada de dados no SimulArroz está na primeira tela do programa (Figura 1). Primeiro (Passo 1) o usuário deve inserir os dados meteorológicos no formato ilustrado na Figura 3, escolher a cultivar ou grupo de maturação e o nível tecnológico da lavoura (Passo 2), inserir a data de semeadura e o número de safras a
serem simuladas (Passo 3), e por fim escolher a concentração de CO2 atmosférico e a
densidade de plantas (Passo 4). Com esses dados de entrada o usuário pode proceder com a simulação, clicando na barra “Simular” (Passo 5). Para gerar os resultados, não poderá haver falhas no arquivo de entrada de dados meteorológicos. Em havendo falhas neste arquivo, o programa para a simulação, mostrando uma mensagem de alerta.
6. FUNCIONAMENTO DO SimulArroz
6.1 DESENVOLVIMENTO (FENOLOGIA) DA CULTURA
O modelo utiliza o conceito de soma térmica (ºC dia) para a simulação do desenvolvimento da cultura do arroz, de modo que a duração de cada uma das fases é definida pelo tempo térmico necessário para completar cada fase. No modelo InfoCrop o ciclo da cultura é dividido em três fases: fase de emergência (semeadura-emergência), fase vegetativa (emergência-antese) e fase reprodutiva (antese-maturidade fisiológica). No entanto, Lago (2008) propôs uma divisão a mais no ciclo de desenvolvimento da cultura com a inclusão do estágio de diferenciação do primórdio floral, o qual é importante no manejo da cultura, já que é neste momento que se recomenda a aplicação da segunda parcela da adubação nitrogenada, em função do componente do rendimento número de grãos por panícula ser definido neste momento do ciclo (SOSBAI, 2012). Assim, o modelo SimulArroz divide o ciclo de desenvolvimento em quatro fases: fase de emergência (semeadura-emergência), fase vegetativa (emergência-diferenciação do primórdio floral), fase reprodutiva (diferenciação do primórdio floral-antese) e fase de enchimento de grãos (antese-maturidade fisiológica) (Figura 4).
Figura 4. Diagrama esquemático do ciclo de desenvolvimento da cultura do arroz irrigado no modelo SimulArroz, indicando os principais estágios de desenvolvimento em cada fase (Walter et al., 2012).
O cálculo da soma térmica no SimulArroz é realizado segundo metodologia utilizada por Lago (2008) e Streck et al. (2011) e acumulada diariamente (Soma Térmica acumulada, STa), com bases nas temperaturas mínima e máxima diárias do ar e considerando as três temperaturas cardinais do desenvolvimento da cultura, temperatura base inferior (Tb – abaixo da qual a planta não se desenvolve), temperatura ótima (Tot – em que o desenvolvimento é máximo) e temperatura base superior (TB – acima da qual a planta não se desenvolve). As temperaturas cardinais variam de acordo com a fase de desenvolvimento, sendo Tb=11°C, Tot=30°C e TB=40°C para a fase de emergência e para a fase vegetativa, Tb=15°C, Tot=25°C e TB=35°C para a fase reprodutiva e Tb=15°C, Tot=23°C e TB=35°C para a fase de enchimento de grãos (Lago, 2008; Streck et al., 2011).
A fase vegetativa (emergência – antese) é considerada como o período em que a cultura do arroz irrigado tem sensibilidade ao fotoperíodo. No modelo InfoCrop, dependendo do fotoperíodo e da sensibilidade da cultivar utilizada ao fotoperíodo, calcula-se um fator de correção para a soma térmica desta fase (Aggarwal et al., 2006a). No SimulArroz, não é considerado o efeito do fotoperíodo sobre o desenvolvimento, pois a maioria das cultivares de arroz usadas no Rio Grande do Sul tem pouca ou desprezível sensibilidade ao fotoperíodo (Lago, 2008).
A seguir está a lista de variáveis usadas na sub-rotina do SimulArroz que calcula a soma térmica.
Lista de variáveis utilizadas na sub-rotina do SimulArroz em que é calculada a soma térmica da cultura do arroz.
IDIA Dia do ano;
TMAX Temperatura máxima diária do ar (ºC); TMIN Temperatura mínima diária do ar (ºC); TMED Temperatura média diária do ar (ºC);
TBDV Temperatura base do desenvolvimento vegetativo (ºC); TODV Temperatura ótima do desenvolvimento vegetativo (ºC); TMDV Temperatura máxima do desenvolvimento vegetativo (ºC); TBDR Temperatura base do desenvolvimento reprodutivo (ºC);
TODR Temperatura ótima do desenvolvimento reprodutivo (ºC); TMDR Temperatura máxima do desenvolvimento reprodutivo (ºC); TBDG Temperatura base do enchimento de grãos (ºC);
TODG Temperatura ótima do enchimento de grãos (ºC); TMDG Temperatura máxima do enchimento de grãos (ºC); STTMINV Soma Térmica da TMIN da fase vegetativa (ºC dia); STTMAXV Soma Térmica da TMAX da fase vegetativa (ºC dia); STTMINR Soma Térmica da TMIN da fase reprodutiva (ºC dia); STTMAXR Soma Térmica da TMAX da fase reprodutiva (ºC dia);
STTMING Soma Térmica da TMIN da fase de enchimento de grãos (ºC dia); STTMAXG Soma Térmica da TMAX da fase de enchimento de grãos (ºC dia); STVG Soma Térmica Média da fase vegetativa (ºC dia);
STRP Soma Térmica Média da fase reprodutiva (ºC dia);
STEG Soma Térmica Média da fase de enchimento de grãos (ºC dia); STAVG Soma Térmica Acumulada da fase vegetativa (ºC dia);
STARP Soma Térmica Acumulada da fase reprodutiva (ºC dia);
STAEG Soma Térmica Acumulada da fase de enchimento de grãos (ºC dia);
O estágio de desenvolvimento (DVS) da cultura é calculado diariamente no SimulArroz de modo que a fase de emergência inicia no estágio de -1 (semeadura) e vai até 0 (emergência), a fase vegetativa inicia no estágio 0 e termina no estágio 0,65 (diferenciação do primórdio floral), a fase reprodutiva inicia no estágio 0,65 e termina no estágio 1 (antese), e a fase de enchimento de grãos corresponde ao período entre os estágios 1 e 2 (maturidade fisiológica), como pode ser visualizado na Figura 3. Os estágios 0.65, 1 e 2 correspondem, respectivamente, aos estágios R1, R4 e R9 da Escala de Counce et al. (2000). A seguir a lista de variáveis usadas na sub-rotina que calcula o avanço do desenvolvimento do arroz.
Lista de variáveis utilizadas na sub-rotina do SimulArroz em que é calculado o desenvolvimento da cultura do arroz.
DREM = taxa de desenvolvimento da fase de emergência: Semeadura - Emergência (dia-1);
DRVG = taxa de desenvolvimento da fase vegetativa: Emergência - Diferenciação Primórdio Floral (dia-1);
DRRP = taxa de desenvolvimento da fase reprodutiva: Diferenciação do Primórdio Floral - Antese (dia-1);
DREG = taxa de desenvolvimento da fase de enchimento de grãos: Antese - Maturação Fisiológica (dia-1);
STVG = soma térmica diária da fase vegetativa: Emergência - Diferenciação Primórdio Floral (ºC dia);
STRP = soma térmica diária da fase reprodutiva: Diferenciação do Primórdio Floral - Antese (ºC dia);
STEG = soma térmica diária da fase de enchimento de grãos: Antese - Maturação Fisiológica (ºC dia);
TTEM = tempo térmico necessário para completar a fase de emergência: Semeadura - Emergência (ºC dia);
TTVG = tempo térmico necessário para completar a fase vegetativa: Emergência - Diferenciação Primórdio Floral (ºC dia);
TTRP = tempo térmico necessário para completar a fase reprodutiva: Diferenciação do Primórdio Floral - Antese (ºC dia);
TTEG = tempo térmico necessário para completar a fase de enchimento de grãos: Antese - Maturação Fisiológica (ºC dia);
DVS = Estágio de desenvolvimento;
6.2 EMISSÃO DE FOLHAS DA CULTURA
Esta sub-rotina simula o aparecimento de folhas da cultura do arroz, representada pela Escala de Haun (Haun, 1973) no colmo principal da planta. O número de folhas acumuladas no colmo principal ou Estágio de Haun (HS), é calculado pelo modelo de Wang & Engel (1998), modificado por Streck et al. (2008) para arroz. As variáveis da sub-rotina que calcula a emissão de folhas são apresentadas na lista a seguir.
Lista de variáveis utilizadas na sub-rotina do SimulArroz em que é calculado o Estágio de Haun no colmo principal.
TCMIN = Temperatura cardinal mínima para emissão de folhas (ºC); TCOPT = Temperatura cardinal ótima para emissão de folhas (ºC); TCMAX = Temperatura cardinal máxima para emissão de folhas (ºC);
HS = Número de folhas no colmo principal (Escala de Haun); NFF = Número final de folhas no colmo principal;
LAR = Taxa de emissão de folhas no colmo principal (folhas dia-1);
LARMAX = Taxa máxima de emissão de folhas da cultivar ou grupo de maturação (folhas dia-1);
O número final de folhas no colmo principal (NFF), ou seja, o HS da folha bandeira, é calculado de forma dinâmica no SimulArroz. Segundo Streck et al. (2009), após a diferenciação da panícula (R1) são emitidas, em média, duas folhas no cartucho da planta de arroz. Assim, no SimulArroz o NFF é calculado somando-se duas folhas ao HS no dia em que ocorre o R1 (DVS= 0.65). Desta maneira, o NFF é resolvido implicitamente no modelo e, portanto, variável em função do ciclo da cultivar ou grupo de maturação e da época de semeadura (Streck et al., 2009).
6.3 CRESCIMENTO DA CULTURA
6.3.1 Produção e partição de matéria seca
A produção de matéria seca (MS) na planta de arroz é calculada no SimulArroz a partir da Eficiência do Uso da Radiação (RUE) e do Índice de Área Foliar (LAI), uma relação clássica e robusta em estudos ecofisiológicos. O valor de RUE utilizado no modelo é de 2,39 g MJ-1 de radiação fotossinteticamente ativa interceptada pelo dossel
(KINIRY et al., 2001). O efeito da temperatura sobre a RUE é descrito por uma função de resposta com quatro temperaturas cardinais descrita por Soltani et al. (2001) e representada na Figura 5. Com esta função, a RUE é máxima quando a temperatura média diária do ar se situa na faixa ótima (entre 22 e 32°C) e é multiplicada por um fator de correção menor que 1 em temperaturas sub e supra ótimas, o que reduz a RUE (Figura 5).
Figura 5. Função de resposta da Eficiência do Uso da Radiação (EUR) à temperatura média diária do ar usada no SimulArroz.
No cálculo da produção diária de matéria seca na planta no modelo SimulArroz utiliza-se a radiação fotossinteticamente ativa (PAR) como sendo 50% da densidade de fluxo de radiação solar global incidente, em MJ m-2 dia-1. O modelo considera que o
coeficiente de extinção das folhas à radiação solar é de 0,4 até a antese, e 0,6 após a antese (Bouman et al., 2004).
Uma vez simulada a produção de matéria seca total diária na planta, o modelo calcula a partição da matéria seca total entre raízes e parte aérea. A fração destinada à parte aérea é então distribuída entre os diferentes órgãos da planta (folhas, colmos e panículas) de acordo com o estágio em que a cultura se encontra. A partir da antese inicia o processo de senescência das folhas e do colmo, que é calculado pela perda de uma fração do peso acumulado em cada órgão da planta até o momento. A fração da matéria seca destinada a cada parte da planta e a fração de senescência é dependente do estágio de desenvolvimento da cultura (Tabela 1).
Tabela 1 – Fração da matéria seca alocada nas diferentes partes da planta de arroz e senescência em função do estágio de desenvolvimento da cultura usado no modelo InfoCrop e no SimulArroz. Adaptado de Bouman et al. (2004).
Estágio
Partição da Matéria Seca Parte
Aérea Folhas Colmos Panículas Senescência
0,0 0,5 0,6 0,4 0,0 0,0
0,43 0,75 0,6 0,4 0,0 0,0
A matéria seca alocada para as folhas, em g m-2 dia-1, multiplicada pela área foliar específica, em m2 g-1 (calculada em função do estágio de desenvolvimento),
permite que o peso das folhas seja transformado em área, a partir da qual calcula-se o índice de área foliar (LAI), que é atualizado diariamente no cálculo da produção de matéria seca. No primeiro dia de simulação da produção de matéria seca, a área foliar inicial de uma planta é considerada 0,0001 m2 (Bouman et al., 2004), em uma densidade
de 200 plantas m-2, resulta em um LAI inicial de 0,02. Considera-se que uma parte dos
colmos também tem atividade fotossintética, assim foi utilizada a área específica de colmos verdes de 0,003 m2 g-1, multiplicada pela matéria seca alocada nos colmos,
sendo este valor acrescentado ao valor do LAI, resultando na área total de interceptação da radiação solar para o cálculo da produção de matéria seca.
Em uma análise de sensibilidade feita previamente com o modelo, percebeu-se que algumas vezes o valor do LAI máximo simulado pelo modelo era bastante elevado e não representava a realidade. Então, buscou-se na bibliografia trabalhos que indicassem o LAI máximo de cultivares usadas no RS em experimentos em que as plantas cresceram na condição potencial. Nesta busca foi encontrado o valor de 7,5 como LAI máximo, em condições de alta adubação nitrogenada, com a cultivar IRGA 417 em Santa Maria (Camargo et al., 2008). Este valor de 7,5 foi estabelecido como o LAI máximo no SimulArroz (Walter et al., 2012). As variáveis usadas na sub-rotina que calcula o crescimento da cultura do arroz no SimulArroz está na lista a seguir.
Lista de variáveis utilizadas na sub-rotina do SimulArroz em que é calculado o crescimento da cultura do arroz.
... Produção de matéria seca... TBRUE = Temperatura base para a fotossíntese (ºC);
TO1RUE = Temperatura ótima 1 para a fotossíntese (ºC);
0,75 0,75 0,3 0,7 0,0 0,0 1,0 1,0 0,0 0,4 0,6 0,015 1,2 1,0 0,0 0,0 1,0 0,015 1,6 1,0 0,0 0,0 1,0 0,025 2,1 1,0 0,0 0,0 1,0 0,05 2,5 1,0 0,0 0,0 1,0 0,05
TO2RUE = Temperatura ótima 2 para a fotossíntese (ºC); TMRUE = Temperatura máxima para a fotossíntese (ºC);
F = Fator de correção da RUE em função da Temperatura média do ar; RADSOL = Radiação Solar (MJ m-2 dia-1);
GCROP = Taxa de crescimento da cultura (g m-2 dia-1);
RUE = Eficiência do uso de Radiação (g MJ-1);
PAR = Radiação Fotossinteticamente Ativa (MJ m-2 dia-1); LAI = Índice de Área Foliar;
POP = Densidade de plantas (pl m-2);
KDF = Coeficiente de extinção da radiação solar no interior do dossel; DVS = Estágio de desenvolvimento;
fNT = Fator de correção do nível tecnológico utilizado na lavoura;
...Partição da matéria seca... FSH = Fração da MS alocada na parte área;
FLV = Fração da FSH particionada para as folhas; FST = Fração da FSH particionada para o colmo; FSO = Fração da FSH particionada para a panícula;
DRLV = Coeficiente de perda devido à senescência das folhas;
...Área foliar... RWLVG = Taxa de crescimento das folhas (g m-2 dia-1);
WLVG = Peso das folhas (g m-2);
DLV = Perda de peso devido à senescência das folhas (g m-2 dia-1); RWSTG = Taxa de crescimento dos colmos (g m-2 dia-1);
WSTG = Peso dos colmos (g m-2);
DST = Perda de peso devido à senescência dos colmos (g m-2 dia-1); SLA = área foliar específica (cm2 g-1);
ASLA, BSLA, CSLA, DSLA = Coeficientes para cálculo da SLA; SSGA = área específica de colmos verdes (cm2 g-1);
RWSOG = Taxa de crescimento dos grãos (g m-2 dia-1); WSOG = Peso dos grãos (g m-2);
RWRTG = Taxa de crescimento das raízes (g m-2 dia-1);
Os níveis tecnológicos da lavoura, descritos no item 4, são definidos por uma penalização sobre o RUE. Esta maneira de incluir no modelo os níveis tecnológicos da lavoura usa o pressuposto ecofisiológico de que qualquer estresse (biótico ou abiótico) reduz a capacidade fotossintética do dossel e, portanto, a eficiência de transformar a radiação solar interceptada em biomassa pelo dossel vegetal.
6.3.2 Resposta ao aumento de CO2 atmosférico
O efeito da concentração de CO2 atmosférico sobre o crescimento da planta de
arroz é descrito no modelo SimulArroz através de uma função de resposta da Eficiência do Uso de Radiação à concentração de CO2 atmosférico definido por Streck et al.
(2012) como:
em que Y é a função resposta que multiplica a RUE. A representação gráfica da função de resposta de RUE ao aumento de CO2 está na Figura 6. Recomenda-se evitar fazer
simulações com concentrações de CO2 fora da faixa de 330 a 1000 ppm, já que níveis
de CO2 fora desta faixa não foram testados com dados experimentais em Streck et al.
Figura 6. Função de resposta da eficiência de uso da radiação ao aumento de CO2 atmosférico
usado no SimulArroz, segundo Streck et al. (2012).
6.4 PRODUTIVIDADE DE GRÃOS E SEUS COMPONENTES
As sub-rotinas que calculam a produtividade de grãos e seus componentes utilizam as equações do modelo InfoCrop (Aggarwal et al., 2006) e do ORYZA2000 (Bouman et al., 2004).
NÚMERO DE GRÃOS
O número de espiguetas formadas em um dia é calculado por um fator de formação de espiguetas (número de espiguetas por g de matéria seca) em função da matéria seca produzida naquele dia (g m-2 dia-1), resultando em espiguetas m-2 dia-1. Este valor é acumulado desde a diferenciação do primórdio floral até a antese, resultando no número total de espiguetas formadas por m-2. O número final de espiguetas formado sofre uma correção em função da esterilidade das espiguetas causada por temperaturas extremas, tanto muito baixas, quanto muito altas, no período crítico que fica entre os estágios 0,75 e 1,2 para as temperaturas baixas (temperatura mínima menor que 15oC) e entre os estágios de 0,96 e 1,22 para as temperaturas elevadas (temperatura máxima acima de 35oC), como no ORYZA2000. A seguir está a
lista de variáveis usadas na sub-rotina do SimulArroz para calcular o número de grãos e as perdas devido a esterilidade por frio e por calor.
Lista de variáveis utilizadas na sub-rotina do SimulArroz em que é calculado o número de grãos e a esterilidade de espiguetas.
...Número de grãos formados... DVSPI = Estágio de Iniciação do primórdio floral (R1 da escala de Counce);
DVSF = Estágio de 50% de floração = Antese (R4 da escala de Counce); SOCF = Fator de formação das espiguetas (espiguetas por g de MS);
SODAY = Número de espiguetas formadas em um dia (espiguetas m-2 dia-1);
TOTALSO = Soma do número de espiguetas (espiguetas m-2); TOTALG = Soma do número de grãos (grãos m-2);
PESODIA = Incremento de peso dos grãos em um dia; PESO1 = Peso de um grão;
PESOG = Peso dos grãos após correção de esterilidade e controle de peso (g m-2); DAS = Dias após a semeadura;
...Perdas... STRILE = Esterilidade das espiguetas com temperaturas extremas;
SFCOLD = Efeito da esterilidade de espiguetas causada pelo frio (1=sem efeito e 0=esterilidade máxima);
SFHEAT = Efeito da esterilidade de espiguetas causada pelo calor (1=sem efeito e 0=esterilidade máxima);
CTT = Efeito diário da temperatura mínima na esterilidade de espiguetas (ºC dia); COLDTT = Soma dos CTT durante o período de sensibilidade (ºC dia);
TFERT = Efeito diário da temperatura máxima na esterilidade de espiguetas;
NTFERT = Número de dias com efeito da temperatura máxima na esterilidade de espiguetas;
TMM = Temperatura máxima média no período de sensibilidade;
NCOLD = Número de dias com temperaturas limitantes (TMED < 12ºC); GEADA = Indicação de ocorrência de geada;
ENCHIMENTO DE GRÃOS (PRODUTIVIDADE)
A partir da antese, parte da matéria seca produzida começa a ser translocada para a panícula, dando início ao enchimento das espiguetas, formando os grãos. A fração da matéria seca destinada à panícula é dividida entre o total de espiguetas que foram produzidas na planta e após o período crítico de sensibilidade às temperaturas extremas
(DVS 1.2), o número total de grãos é corrigido em função da esterilidade de espiguetas, e a matéria seca que havia sido alocada nos grãos que sofreram a esterilidade é perdida. Em adição à matéria seca produzida diariamente, após a antese 10% das reservas previamente acumuladas no colmo é translocada para os grãos, todos os dias.
Quando um quarto do período de enchimento de grãos é completado, a massa seca dos grãos é avaliada. Se o peso de cada grão for menor que um quarto do peso potencial de um grão (0,0249 g grão-1), o número total de grãos é ajustado para ocorrer uma redistribuição da matéria seca, com o objetivo de que cada grão tenha um quarto do peso potencial. Este procedimento, apesar de reduzir o número de grãos produzidos pela cultura, não altera o rendimento final, pois é apenas uma redistribuição da matéria seca nos grãos. Esta é a maneira de controlar, no modelo, o peso individual dos grãos, um componente do rendimento da cultura do arroz que apresenta pouca variabilidade.
A produtividade de grãos de arroz é calculada pelo SimulArroz em três bases: em massa seca de grãos (kg ha-1), a 13% de umidade (kg ha-1) e em sacas de arroz a 13% de umidade (sc ha-1). As variáveis de saída do modelo que representam estas três produtividades de grãos são:
kg/ha-MS = Produtividade de grãos em kg de massa seca por hectare.
kg/ha-13% = Produtividade de grãos em kg por hectare, com 13% de umidade. sc/ha-13% = Produtividade de grãos em sacas por hectare, com 13% de umidade.
6.5 DANOS POR GEADA
Em regiões extratropicais, como é o caso do estado do Rio Grande do Sul, as temperaturas invernais são limitantes para a planta de arroz. No SimulArroz, a cultura do arroz morre por geada quando a temperatura média diária do ar (média entre a temperatura mínima e a máxima diária) é menor do que 12oC durante quatro dias consecutivos. Esta condição para morte da cultura por geada é a mesma do ORYZA2000.
7. RESULTADOS
Os resultados são gerados na pasta C:\Users\cliente\SimulArroz\dist\results e são mostrados na aba resultados em forma de tabela e texto (Figura 7) e em gráficos (Figuras 8 e 9). A cada simulação efetuada, o programa cria uma nova pasta
denominada automaticamente com as características da simulação (por exemplo, uma nova pasta com o nome “15_10_2011_2011_390ppm_IRGA421_200plm2” refere-se a uma simulação realizada com a data de semeadura em 15 de outubro, do ano 2011, com concentração de CO2 de 390 ppm, com a cultivar IRGA 421 e densidade de 200 pl m2).
As três produtividades de grãos [em massa seca de grãos (kg ha-1), a 13% de
umidade (kg ha-1) e em sacas de arroz a 13% de umidade (sc ha-1)] são mostradas em forma de texto na aba “Resultados” sub-aba “Dados de produtividade” (Figura 7B). A visualização gráfica dos componentes da produtividade de grãos está disponível na aba “Resultados” sub-aba “Produtividade de grãos” (Figura 8B).
O software também permite a visualização do histórico dos resultados de simulações (Figura 9A), permitindo ao usuário recuperar facilmente os dados gerados em simulações anteriores. Em simulações realizadas para mais de uma safra o usuário pode visualizar os resultados dos diferentes anos simulados selecionando a opção em “Ano” da aba “Resultados” (Figura 8B).
(B)
Figura 7. Telas do SimulArroz com os resultados da simulação em forma de tabela (A) ou texto (B).
(B)
Figura 8. Telas do SimulArroz com os resultados da simulação em forma de gráfico, mostrando a evolução do crescimento e desenvolvimento (A) e os componentes da produtividade (B).
(B)
Figura 9. Telas do SimulArroz mostrando o histórico de simulações e a seleção do ano para visualização os dados (A) e os dados meteorológicos do ano de 1992-1993 utilizados na simulação(B).
8. EXPORTAÇÃO DE DADOS PARA EXCEL
O SimulArroz possui uma ferramenta para exportação dos resultados em forma de texto para uma planilha no Microsoft Excel. Para exportação dos dados deve-se pressionar o botão “exportar” da aba resultados, gerando o arquivo na pasta C:\Users\cliente\SimulArroz\dist\results.
9. VALIDAÇÃO DO MODELO
O SimulArroz foi testado utilizando dados experimentais e de lavoura em Santa Maria e em vários outros locais do Rio Grande do Sul. Apesar de já ter sido testado, os testes contra dados independentes continuarão sendo realizados pelo Grupo de Agrometeorologia da UFSM à medida que novas cultivares de arroz serão lançadas no Rio Grande do Sul. Nenhuma validação foi realizada fora do Rio Grande do Sul, o que inclui a comparação com cultivares de arroz não indicadas para cultivo neste Estado da Federação e com uso de dados meteorológicos de outros Estados do Brasil ou fora do Brasil.
9.1 FENOLOGIA DA CULTURA DO ARROZ
Na Figura 10A é apresentado o desempenho do SimulArroz em simular o desenvolvimento de três cultivares de arroz (IRGA 421, IRGA 424 e BRS QUERÊNCIA) em duas datas de semeadura em um experimento realizado no Campus da Universidade Federal de Santa Maria, no ano agrícola 2011/2012. Nota-se que o modelo descreve de forma apropriada a fenologia das três cultivares nas duas datas de semeadura. Na Figura 10B é apresentada a evolução do desenvolvimento de quatro cultivares de arroz (IRGA 421, IRGA 424, BRS QUERÊNCIA e BRS TIO TAKA) em três datas de semeadura pelo SimulArroz no mesmo experimento. O modelo captura a diferença de duração de ciclo das cultivares (muito precoce, precoce, média e tardia, respectivamente) nas três datas de semeadura.
(B)
Figura 10. Desenvolvimento observado e simulado para três cultivares de arroz em duas datas de semeadura (A) e simulado para quatro cultivares em três datas de semeadura pelo modelo SimulArroz (B) em Santa Maria, RS, durante o ano agrícola 2011/2012. DVS=-1 é a semeadura, DVS=0 é a emergência, DVS=0,65 é a diferenciação da panícula (R1), DVS=1 é a antese (R4) e DVS=2 é a maturidade fisiológica (R9). Fonte: Tese de doutorado ainda não defendida de H.T. ROSA.
9.2 CRESCIMENTO DA CULTURA
O desempenho do SimulArroz em simular o crescimento de três cultivares de arroz (IRGA 421, IRGA 424 e BRS QUERÊNCIA) em um experimento realizado no Campus da Universidade Federal de Santa Maria, no ano agrícola 2011/2012, está nas Figuras 11, 12 e 13. Nota-se que o modelo descreve de forma apropriada crescimento em massa seca de diferentes compartimentos (parte aérea, folhas, colmos e panículas) das três cultivares. O índice de área foliar não foi medido neste experimento e o modelo simula a evolução do LAI da cultura da forma esperada, ou seja, um crescimento inicial lento, uma fase exponencial de crescimento até o LAI máximo e depois um declínio.
( A)
Figura 11. Evolução das variáveis do crescimento da cultura do arroz, cultivar IRGA 421, observada (pontos) e simulada (linha) pelo SimulArroz em Santa Maria, RS, durante o ano agrícola 2011/2012. A semeadura foi em 17/10/2011. MS=massa seca, IAF=índice de área foliar, DAE=dias após a emergência.
Figura 12. Evolução das variáveis do crescimento da cultura do arroz, cultivar IRGA 424, observada (pontos) e simulada (linha) pelo SimulArroz em Santa Maria, RS, durante o ano agrícola 2011/2012. A semeadura foi em 17/10/2011. MS=massa seca, IAF=índice de área foliar, DAE=dias após a emergência.
Figura 13. Evolução das variáveis do crescimento da cultura do arroz, cultivar BRS Querência, observada (pontos) e simulada (linha) pelo SimulArroz em Santa Maria, RS, durante o ano agrícola 2011/2012. A semeadura foi em 22/11/2011. MS=massa seca, IAF=índice de área foliar, DAE=dias após a emergência.
9.3 PRODUTIVIDADE DE GRÃOS
Na Figura 14 está o desempenho do modelo SimulArroz em simular a produtividade de arroz no município de Santa Maria durante o período 1996 a 2008. O modelo conseguiu capturar a variação interanual do rendimento de grãos de arroz observado no município de Santa Maria. Na Figura 14 estão indicados por setas os anos em que ocorreram eventos de El Niño e La Niña. Na região Sul do Brasil, os anos de El Niño são caracterizados por precipitação e umidade relativa do ar acima da normal, enquanto nos anos de La Niña a precipitação e a umidade relativa do ar geralmente são abaixo da normal e são marcadas por grandes secas na região. Estas anomalias levam a menores rendimentos de arroz irrigado em anos de El Niño e maiores rendimentos em
anos de La Niña, no RS, comparados aos anos Neutros, em função principalmente da disponibilidade de radiação solar maior em anos de La Niña, que permite maior crescimento e melhor utilização da adubação nitrogenada. Nos anos de El Niño, os valores simulados ficam bem próximos do observado (Figura 14), com exceção do ano de 2004 (safra de 2004/2005), que foi um ano em que o evento de El Niño foi de intensidade fraca e que se descaracterizou a partir de dezembro de 2004, quando teve início um período de estiagem e alta disponibilidade de radiação solar no Rio Grande do Sul que se prolongou até o mês de março de 2005, o que é benéfico para a cultura do arroz no RS, por ser irrigada. Já nos anos de La Niña, os valores simulados afastam-se mais dos valores observados, com exceção do ano 2000 (safra de 2000/2001) quando o evento foi classificado como La Niña de intensidade fraca.
Figura 14. Produtividade de grãos da cultura do arroz irrigado simulado com o modelo SimulArroz e observado no município de Santa Maria-RS (IRGA, 2010). A barra representa o Erro-Padrão da média. REQM é raiz do erro quadrático médio. Fonte: Walter et al. (2012).
O desempenho do modelo SimulArroz em simular a produtividade de arroz em experimentos conduzidos em diferentes regiões orizícolas do Rio Grande do Sul (média dos anos 2000 a 2009) está na Figura 15. O modelo foi rodado na condição de nível tecnológico potencial e capturou a maior produtividade na fronteira oeste, comparado com as outras regiões orizícolas.
Figura 15. Produtividade da cultura de arroz observada e simulada pelo modelo SimulArroz em diferentes regiões orizicolas do Rio Grande do Sul. As barras são a média de experimentos durante vários anos agrícolas (de 2000 a 2009) compilados da literatura por H.T. ROSA em sua tese de doutorado ainda não defendida.
Na Figura 16 está o resultado do uso do SimulArroz no acompanhamento de safra para as regiões orizicolas do Rio Grande do Sul durante o ano agrícola 2012/2013. O modelo foi rodado para os municípios com estação meteorológica do INMET e os dados observados nas lavouras de 14 municípios do RS foram obtidos do site do Instituto Rio Grandense do Arroz (IRGA, 2013). O SimulArroz foi rodado com os níveis de tecnologia alto, médio e baixo. Foi considerado como data de semeadura para inicializar o SimulArroz o dia em que pelo menos 50% da área do município cultivada com arroz estivesse semeada. Foi utilizado o grupo de maturação precoce de cultivares de arroz, a qual representou mais da metade da área do RS utilizada para a produção de arroz irrigado no ano agrícola 2012/2013 (IRGA, 2013). A média de produtividade observada nos 14 municípios foi de 7481,7 kg/ha, enquanto que a média de produtividade simulada com o SimulArroz nos níveis de tecnologia alto, média e baixo
foi de 8732,0 kg/ha, 7041,7 kg/ha e 5597,9 kg/ha respectivamente, indicando que, na média do Estado, o nível tecnológico da lavoura arrozeira durante a safra 2012/2013 foi média. Entre as regiões orizicolas do RS, no entanto, a Zona Sul e as Planícies Costeira Interna e Externa tiveram produtividades observadas próximas da produtividade simulada pelo SimulArroz no nível tecnológico alto (Figura 16). Nestas três regiões, as lavouras tiveram semeadura no início do período recomendado e, por isso, houve condições propicias para alta produtividade. Nas outras regiões orizicolas, houve atraso na semeadura devido ao elevado número de dias com chuva durante a época de semeadura recomendada e que também dificultou a realização de práticas culturais no momento mais adequado, o que penalizou a produtividade das lavouras. O modelo demonstrou boa sensibilidade às variações meteorológicas entre as regiões do RS, demonstrando maior potencial produtivo de arroz para as regiões da Fronteira Oeste e da Campanha. Nessas regiões, principalmente no mês de dezembro, há maior disponibilidade de radiação solar, coincidindo com o estádio R1, período mais responsivo da cultura à radiação solar incidente. Nos municípios em que foi possível realizar a semeadura durante o período mais favorável (mês de outubro), como Jaguarão, Rio Grande e Torres, foi possível alcançar produtividades mais altas, principalmente no município de Rio Grande, que alcançou a maior produtividade em 2012/13. Além disso, semeaduras no mês de outubro viabilizam a semeadura de cultivares de arroz dos grupos de maturação médio/tardio, que possuem maior potencial produtivo do que as cultivares precoces.
Figura 16. Produtividade de arroz observada e simulada com o modelo SimulArroz em três níveis de tecnologia (Alto, Médio e Baixo), em seis regiões produtoras de arroz do Rio Grande do Sul, na safra 2012/2013.
10. COMO OBTER O SOFTWARE SimulArroz
O SimulArroz é um software gratuito. Para obter uma cópia do programa é só fazer download no sítio oficial do software em www.ufsm.br/simularroz.
11. DIREITOS, PERMISSÃO E CONDIÇÕES DE USO
Os direitos autorais do SimulArroz são da Universidade Federal de Santa Maria e de seus autores. As partes do código fonte do SimulArroz que são originalmente dos modelos ORYZA2000 (Bouman et al., 2004) e do InfoCrop (Aggarwal et al., 2006) tem a permissão de uso no aplicativo SimulArroz pelos detentores daqueles dois modelos por documentos oficiais que encontram-se com o Prof. Nereu Augusto Streck. Não é permitida a comercialização do Software SimulArroz, em nenhuma forma. O uso do modelo SimulArroz é permitido em trabalhos científicos e técnicos, desde que seja citado como “Modelo SimulArroz” usando a referência:
STRECK, N. A.; CHARÃO, A. S.; WALTER, L. C.; ROSA, H. T.; BENEDETTI, R. P.; MARCHESAN, E.; SILVA, M. R. SimulArroz: um aplicativo para estimar produtividade de arroz no Rio Grande do Sul. In: Congresso Brasileiro de Arroz Irrigado, VIII, 2013. Anais... Santa Maria: SOSBAI, 2013.
De acordo com a permissão de uso de parte do código ORYZA2000 no SimulArroz, o usuários do SimulArroz devem colocar nos trabalhos o agradecimento ao IRRI (The Internacional Rice Research Institute) pela permissão de uso de parte do código do ORYZA2000 no SimulArroz.
São de inteira responsabilidade do usuário os resultados da simulação. Os autores do SimulArroz não se responsabilizam pelo uso indevido do software e não recomendam o uso das simulações realizadas com dados meteorológicos fora do Estado do Rio Grande do Sul, bem como em condições de cultivo que não sejam de alagamento do solo. Também não é recomendado que os resultados da simulação com o SimulArroz sejam comparados com dados experimentais com cultivares de arroz não adaptadas ou indicadas para cultivo no estado do Rio Grande do Sul.
12. DÚVIDAS E INFORMAÇÕES
Para outras informações, instruções, dúvidas, críticas e sugestões sobre o funcionamento do SimulArroz, entrar em contato com a equipe do SimulArroz:
Equipe SimulArroz
Universidade Federal de Santa Maria
Departamento de Fitotecnia, Centro de Ciências Rurais Av. Roraima, 1000 – Campus, Camobi
97105-900, Santa Maria - RS. Sítio: www.ufsm.br/simularroz
E-mail: nstreck1@smail.ufsm.br, nstreck2@yahoo.com.br.
13. AGRADECIMENTOS
Os autores do SimulArroz agradecem ao Instituto Internacional de Pesquisa em Arroz (IRRI – The International Rice Research Institute, Los Baños, Laguna, Philippines) e à P. K. Aggarwal pela permissão de uso de parte do código do ORYZA2000 e do InfoCrop, respectivamente. Os autores agradem ao CNPq, à CAPES, à FAPERGS e à UFSM (Programas FIT e FIT Jr.) pelas bolsas de doutorado, mestrado, iniciação científica e iniciação tecnológica durante os vários anos (de 2003 a 2012) em que foram realizados experimentos de campo e experimentos numéricos para adaptar e testar o modelo nas condições de cultivo de arroz no Rio Grande do Sul. Especiais agradecimentos ao Departamento de Fitotecnia da Universidade Federal de Santa Maria, pelo apoio durante o desenvolvimento do software; aos Programas de Pós-graduação em Engenharia Agrícola (PPGEA) e em Agronomia (PPGAgro) da UFSM, pelas dissertações e teses que deram suporte científico para o software; ao Departamento de Linguagens e Sistemas de Computação e ao Curso de Ciência da Computação da UFSM, por oferecerem condições propícias ao desenvolvimento do trabalho; e ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Farroupilha – Campus Santo Augusto, pelo apoio aos autores Lidiane Cristine Walter e Hamilton Telles Rosa durante o desenvolvimento do software.
REFERÊNCIAS
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STRECK, N. A. et al. CO2 – Response function of radiation use efficiency in rice for climate change scenarios. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v.47, n.7, p.879-885, jul. 2012.
WALTER, L. C. et al. Adaptação e avaliação do modelo InfoCrop para simulação do rendimento de grãos da cultura do arroz irrigado. Engenharia Agrícola, v. 32, p. 510-521, 2012.
ANEXO A – Fluxograma mostrando variáveis e retornos entre diferentes processos do modelo InfoCrop (Adaptado de Aggarwal et al., 2006) e que é usado no modelo SimulArroz.
