Revista Brasileira de Geografia Física

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1888 Schuh, M. S.; Favarin, J. A. S.;, Dessbesell, L.; Silva, E. A.; Goergen, L. C. G.; Pereira, R. S., Galvíncio, J. D.

ISSN:1984-2295

Revista Brasileira de

Geografia Física

Homepage: www.ufpe.br/rbgfe

Análise temporal do vigor vegetativo por meio de espectrorradiometria

Mateus Sabadi Schuh¹, José Augusto Spiazzi Favarin¹, Luana Dessbesell², Emanuel Araújo Silva³, Laura Camila de Godoy Goergen4_{, Rudiney Soares Pereira}5_{, Josiclêda Domiciano Galvíncio}6

1_{Engenheiro Florestal, (55) 99038567. Autor correspondente: mateuschuh@gmail.com (autor correspondente).}1_{Engenheiro Florestal. (87) 3866-3600.}

jasflorestal@yahoo.com.br. 2_{Doutoranda pela Forest Sciences Faculty of Natural Resources Managment Lakehead University, Braum Building -}

BB1007D 955 Oliver Rd, Thunder Bay, ON, Canada Postal code: P7B 5E1 +1 (807) 766 7127. ldessbes@lakeheadu.ca. 3_{Professor Dr. Adjunto I,}

Unidade Acadêmica de Recife, Universidade Federal Rural de Pernambuco, Dois Irmãos, s/n, CEP 52171-900, Recife, Pernambuco. (81) 3320-6286. emanuel.ufrpe@gmail.com. 4_{Doutoranda pela Universidade do Estado de Santa Catarina, Avenida Luiz de Camões, no 2.090, CEP 88520-000 Lages,}

Santa Catarina. (49) 98255666. lauragoergen@yahoo.com.br. 5_{Professor Titular, Universidade Federal de Santa Maria, Avenida Roraima, no 1.000,}

Campus Universitário, CEP 97105-900 Santa Maria, Rio grande do Sul. (55) 9118-4142. rudiney.s.pereira@gmail.com. 6_{Professora Associada I,}

Unidade Acadêmica de Recife, Universidade Federal de Pernambuco, avenida Professor Moraes Rego, no 1235, CEP: 50670-901, Cidade Universitária, Recife, Pernambuco. josicleda@pq.cnpq.br.

Artigo recebido em 05/09/2016 e aceito em 24/11/2016 R E S U M O

Estudos da interação da energia eletromagnética com a vegetação tem grande importância, uma vez que fornecem informações sobre a tipologia, a estrutura do dossel, o estado fenológico, as condições de estresse, a falta de nutrientes, entre outros. Visando detectar alterações fisiológicas, através de técnicas de espectrorradiometria, coletou-se ramos de folhas representativos de um indivíduo da espécie Eucalyptus saligna Smith, situados na porção periférica da copa distribuídas ao longo dos quatro quadrantes, em relação à exposição solar. Com o uso do espectrorradiômetro FieldSpec®3 fez-se leituras das folhas a cada 15 minutos durante 10 horas, fornecendo dados para o cálculo do NDVI. Observou-se um declínio acentuado nos valores de NDVI com o passar do tempo, sendo esses dados perfeitamente ajustáveis a uma função quadrática. As análises estatísticas apontaram diferenças significativas nos valores de NDVI a partir de cinco horas de medição, demonstrando a eficácia do método na detecção da perda do vigor e degradação foliar. Palavras-chave: sensoriamento remoto, energia eletromagnética, NDVI.

Temporal analysis of vegetative vigor through spectroradiometry

A B S T R A C T

Studies of the interaction of electromagnetic energy with the vegetation is of great importance, because they provide information about the type, canopy structure, the growth stage, hydric stress, lack of nutrients, among others. Aiming to detect physiological changes through spectroradiometry techniques, was collected leafy branches of an individual representative species of Eucalyptus saligna Smith, located in the peripheral portion of the distributed over the four quadrants in relation to sun exposure Cup. Using the spectroradiometer FieldSpec ® 3 became readings leaves every 15 minutes for 10 hours, providing data for the calculation of the NDVI. Was observed a sharp decline in NDVI values with the passage of time, these data being perfectly adjustable to a quadratic function. The statistical analysis showed significant differences in NDVI values after five hours of measurement, demonstrating the efficacy of the method in detecting loss the vigor and leaf degradation.

Keywords: remote sensing, electromagnetic energy, NDVI. Introdução

Diversas técnicas ligadas ao sensoriamento remoto têm sido utilizadas para análise do comportamento da vegetação em diferentes paisagens e níveis de abordagem. Segundo Silva (2003), o sensoriamento remoto é um conjunto de

técnicas que tem como objetivo específico medir características físicas de um objeto sem tocá-lo.

Os objetos da superfície terrestre como a vegetação, a água e o solo refletem, absorvem e transmitem radiação eletromagnética em porções que variam com o comprimento de onda, de acordo

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com as suas características bio-físico-químicas (Florenzano, 2002).

O estudo de alvos a partir de sua resposta espectral com o uso de espectrorradiômetros torna-se viável e até oportuno, uma vez que estes sensores possuem a capacidade de ampla leitura do espectro eletromagnético com altíssima resolução. Os dados utilizados na espectrorradiometria de acordo com Tsai e Philpot (1998) são normalmente coletados em condições controladas de laboratório com total controle da intensidade e distribuição espectral da iluminação, bem como visualização da geometria, sendo a amostra geralmente preparada para melhorar a detecção da substância-alvo.

Estudos da interação da energia eletromagnética com alvos terrestres como a vegetação, tem grande importância uma vez que fornecem informações sobre a tipologia, a estrutura do dossel, o estado fenológico, as condições de estresse, a falta de nutrientes, entre outros. Os índices de vegetação são ferramentas muito úteis na obtenção dessas informações, segundo Jensen (2009) estes índices são medidas radiométricas adimensionais, as quais indicam a abundância relativa e a atividade da vegetação verde, incluindo índice de área foliar, porcentagem de cobertura verde, teor de clorofila, biomassa verde e radiação fotossinteticamente ativa absorvida.

Em termos de vegetação, segundo Moreira (2005) o principal órgão absorvedor da radiação eletromagnética é a folha, e a energia absorvida, transmitida e/ou refletida pode ser quantificada através de sensores em laboratório, campo, aéreo transportados ou orbitais.

No processo de interação entre a radiação eletromagnética e uma folha existe dependência

entre fatores químicos (pigmentos

fotossintetizantes e água) e estruturais (organização dos tecidos da folha). Esse processo pode ser analisado sob os pontos de vista da absorção, da transmissão e da reflexão da radiação. A análise conjunta desses três fenômenos compõe aquilo que denominamos como o estudo do comportamento espectral da vegetação, que envolve principalmente o estudo dos fatores influentes na reflexão da radiação por folhas isoladas e por dosséis vegetais (Ponzoni et al. 2012).

De acordo com Sanches et al. (2003), uma folha após ser extraída da planta mãe, inicia o processo de senescência, caracterizado pela degradação dos constituintes celulares, perda de água e modificações da estrutura do mesófilo foliar. Estes fenômenos são visualizados

principalmente através da mudança da cor e desidratação das folhas.

Nesse contexto, o objetivo do presente estudo consiste em detectar durante o processo de degradação foliar, a perda do vigor vegetativo em folhas extraídas de Eucallyptus Saligna Smith, através do uso do índice de vegetação NDVI, obtido por meio de sucessivas medições espectrorradiométricas em laboratório.

Material e métodos

Coleta do material

O material vegetativo utilizado nesse experimento foi obtido no Campus da Universidade Federal de Santa Maria - UFSM (RS), localizado entre as coordenadas 53°43’05”W, 29°43’05”S e 53°43’00”W, 29°43’10”S. A coleta foi realizada aproximadamente as 07:00h da manhã, período em que as folhas apresentavam-se túrgidas.

Foram selecionados ramos de folhas representativos de um indivíduo da espécie

Eucalyptus saligna, situados na porção periférica

da copa distribuídas ao longo dos quatro quadrantes, em relação à exposição solar. De imediato, após a coleta, os ramos foram acondicionados em sacos plásticos e levados ao laboratório, onde realizou-se uma amostragem de 30 folhas que apresentavam-se sadias e no mesmo estágio de desenvolvimento.

Medições radiométricas

Cerca de 10 minutos após a retirada da planta-mãe, tiveram início as observações radiométricas das folhas no laboratório de Sensoriamento Remoto da UFSM. Foram realizadas 3 observações em pontos diferentes da face ventral de cada uma das amostras. Esse conjunto de observações foi repetido a cada 15 minutos durante um período de tempo de 10 horas, totalizando 40 intervalos de medição, no qual as folhas ficaram expostas as condições ambientais do laboratório.

As informações coletadas foram registradas por um microcomputador conectado ao espectrorradiômetro FieldSpec®3, acoplado a unidade RTS-3ZC3 (esfera integradora), revestida internamente pelo material Spectralon que se assemelha com uma superfície lambertiana, perfeitamente difusa e que reflete aproximadamente 100% em todo o espectro solar. Essa característica, da esfera integradora, permite que se obtenha o fator de reflectância, pela razão

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entre a radiância refletida pelo objeto lido e a radiância refletida pela placa Spectralon.

As informações provenientes do espectrorradiômetro constituem um arquivo em formato binário contendo o fator de reflectância correspondente a cada comprimento de onda no intervalo de 350nm a 2500nm. Esses dados foram convertidos no software ASD WiewSpec Pro v, 4,05 para o formato de texto, requisito necessário para as análises posteriormente realizadas na planilha Excel e no software “R”.

Cálculo do NDVI Normalized Difference Vegetation Index

Rouse et al, (1974) propôs a seguinte equação para o cálculo do NDVI:

NDVI = (ρivp – ρv) / (ρivp + ρv)

em que: NDVI = Normalized Difference Vegetation Index; ρivp = reflectância na banda do infravermelho próximo (841 – 876 nm); ρv = reflectância na banda do vermelho (620 – 670 nm). Como o espectrorradiômetro FieldSpec®3 fornece dados de reflectância a cada nanômetro, na construção do NDVI optou-se pelo uso da metodologia proposta por Junior et al, (2002), onde ao invés de fazer a média para toda a banda, o autor usou o pico de reflectância do infravermelho próximo e o pico de absortância na região do vermelho, o que caracteriza mais acentuadamente as características de vigor ou o estresse da vegetação.

Delineamento estatístico

A aplicação das técnicas de análise estatística foi realizada através do software “R: A Programming Environment for Data Analysis and Graphics", versão 3.1.0, 2014, conforme a sequência:

1. Teste de Normalidade das observações: Para testar se os valores calculados de NDVI provém de uma amostra com distribuição normal, aplicou-se o teste de Shapiro-Wilk. Nesse teste, aceita-se a normalidade das observações se a estatística calculada W for maior que o valor de p tabelado, W>p-value (W>p valor tab);

2. Análise de variância (ANOVA): Detecção de diferenças significativas nos valores médios de NDVI observados;

3. Teste de médias: Detecção de quais os pares de médias de NDVI diferem estatisticamente. Utilizou-se o teste de Tukey HSD, variante do teste de Tukey, que sequencia as médias por ordem de importância ou influência sobre o resultado da variância, onde as diferenças significativas serão aquelas cujo valor de “p adj” for menor que 0,05 (nível de significância do teste).

Resultados e discussão

A análise do comportamento geral da curva do NDVI demonstra que os valores do índice vão decrescendo ao longo do experimento, sendo esse decréscimo perfeitamente ajustável a uma equação de segundo grau, com coeficiente de determinação R² de 0,97 (Figura 1).

Figura 1. Declínio do NDVI com o passar do tempo.

Os valores vão decrescendo ao longo do tempo, uma vez que, segundo Moreira (2012) o NDVI está relacionado ao vigor vegetativo. Sendo

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o vigor, intrinsecamente associado ao poder fotossintético e ao teor hídrico das folhas. Entretanto, o decaimento nos valores de NDVI ocorreu somente após a primeira hora de observação.

Segundo Taiz e Zeiger (2004), com o fechamento dos estômatos nos estágios iniciais do estresse hídrico, a eficiência do uso da água pode aumentar, havendo uma maior quantidade de CO2 absorvido por unidade de água transpirada, pois o fechamento estomático inibe a transpiração mais do que diminui as concentrações intercelulares de CO2. Porém, quando o estresse hídrico torna-se severo, a desidratação das células do mesófilo inibe a fotossíntese, o metabolismo do mesófilo é prejudicado e a eficiência do uso da água decresce. Isso pode explicar o fato de o NDVI aumentar durante a primeira hora e diminuir gradativamente ao decorrer das observações.

O comportamento do NDVI se mostrou coerente com o apresentado na literatura (PONZONI et al. 2012); (GURGEL et al., 2003).

De acordo com esses autores, os fatores de reflectância no infravermelho-próximo aumentam quando ocorrem estresses hídricos ou mudanças na disponibilidade hídrica em determinado ambiente, como consequência da degradação das proteínas e dos elementos fotossintetizantes das plantas. Análise estatística

Teste de normalidade de Shapiro-Wilk

Para os valores de NDVI avaliados, o valor calculado de W foi de 0,8338, superior ao valor tabelado p-value de 2,2e-16, portanto, aceita-se a normalidade das observações, sendo possível a aplicação dos testes paramétricos de análise de variância (ANOVA) e comparação de médias (Tukey HSD).

Análise de variância (ANOVA)

Para validação estatística dos resultados, os dados foram submetidos a análise de variância ANOVA ao nível de significância de 5%, os resultados estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1. Análise de Variância (ANOVA) para o fator tempo sobre o NDVI das folhas de Eucallyptus Saligna.

GL SQ QM Valor de F Pr(>F) (1)

Tempo 39 4,045 0,10371 28,96 < 2e-16 ***

Resíduo 1160 4,154 0,00358

(1) Códigos: 0 ‘***’ 0,001 ‘**’ 0,01 ‘*’ 0,05 ‘,’ 0,1 ‘ ’ 1

A Tabela 1 mostra que as médias de NDVI apresentam diferenças significativas em pelo menos um de seus pares comparativos, uma vez que o p-value (Pr(>F)), 2e-16, é menor que o nível de significância do teste, α =5%.

Teste de Tukey

De forma a sintetizar a análise e apresentação dos resultados, no teste de Tukey de comparação de médias, os dados foram agrupados

de forma a avaliar o comportamento das médias a cada meia-hora de medição, de forma que foram pareadas vinte observações.

Os resultados apontam que houve diferença significativa entre os valores de NDVI ao longo do tempo, como é possível verificar na Tabela 2. Entretanto destaca-se que somente na metade do experimento, a partir de 5 horas de observação é que houve diferença em relação ao início das análises (Tempo 0).

Tabela 2. Resultados do teste de comparação de médias de NDVI das folhas de Eucallyptus Saligna, ao longo do tempo (Teste Tukey HSD).

Tempo (horas) Média NDVI Diferença (1)

0,0 0,7409330 a

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Tempo (horas) Média NDVI Diferença (1)

1,0 0,7314638 abc 1,5 0,7296717 abcd 2,0 0,7296506 abcde 2,5 0,7247334 abcdef 3,0 0,7188940 abcdefg 3,5 0,7178340 abcdefgh 4,0 0,7140424 abcdefghi 4,5 0,7025790 abcdefghij 5,0 0,6758973 ghijk 5,5 0,6659279 jkl 6,0 0,6555965 klm 6,5 0,6321337 klmn 7,0 0,6276497 lmno 7,5 0,6208828 lmnop 8,0 0,6022946 nopq 8,5 0,5917986 nopqr 9,0 0,5790515 pqrs 9,5 0,5672190 rs 10 0,5584792 s

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Em experimentos semelhantes, dados de espectrorradiometria também foram utilizados com sucesso na detecção da degradação foliar após coleta da planta-mãe por Pinto et. al (2011) que obtiveram diferenças significativas tanto na reflecância do visível, quanto no infravermelho próximo durante processo de senescência do Capim-elefante (Pennisetum purpureum, Schum.) cultivares Cameroon e Roxo. Sanches et. al (2003) encontraram significativas alterações nos valores de reflectância, transmitância e absortância em diferentes bandas espectrais ao longo do tempo em ligustro (Ligustrum sp.) e fedegoso (Cassia sp.).

Sousa et al. (1996), avaliaram a influência do tempo e o tipo de armazenamento de folhas de

Eucalyptus grandis extraídas das plantas-mãe

sobre sua reflectância espectral. Em temperatura ambiente o estresse na região do visível só começou a ser sentida 23 horas depois da coleta e no infravermelho próximo diferenças significativas foram notadas 3 horas depois.

Conclusões

Os resultados obtidos através desta metodologia mostram-se de acordo com o pressuposto da utilização das técnicas de espectrorradiometria nas análises de degradação foliar.

A partir das leituras radiométricas e da obtenção do NDVI, é possível detectar as alterações fisiológicas que ocorrem na folha com o passar do tempo, como perda de vigor e estresse hídrico após a coleta da planta-mãe. Os valores médios de NDVI apresentam diferenças significativas após cinco horas de observação em laboratório. Recomenda-se, em experimentos de metodologia semelhante que avaliem esse índice de vegetação em Eucalyptus saligna, as leituras sejam feitas até cinco horas após a coleta das folhas.

Referências

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