UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
Produção e qualidade proteica da fava (Vicia faba), ervilha (Pisum sativum) e triticale (x Triticosecale)
-Versão Definitiva-
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA AGRONÓMICA
Sara Silva Laranjeira
Orientador: Professor Doutor Henrique Manuel da Fonseca Trindade
UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
Produção e qualidade proteica da fava (Vicia faba), ervilha (Pisum sativum) e triticale (x Triticosecale)
-Versão Definitiva-
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA AGRONÓMICA
Sara Silva Laranjeira
Orientador: Professor Doutor Henrique Manuel da Fonseca Trindade
Composição do Júri
__________________________________________
__________________________________________
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I Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do
II “As doutrinas apresentadas neste trabalho são da exclusiva responsabilidade do autor.”.
III
Agradecimentos
A realização deste trabalho só foi possível graças à colaboração de um vasto número de pessoas, a quem, antes de tudo, quero aqui deixar expresso o meu sincero reconhecimento.
Ao Professor Doutor Henrique Manuel da Fonseca Trindade por me ter aceite como orientanda, todo o apoio, conselhos e disponibilidade ao longo de toda a sua realização, o meu mais sincero agradecimento.
Ao Professor Carlos Augusto Barbosa de Barros e Castro pela disponibilidade e ajuda prestada na recolha de dados de campo, por vezes em condições de grande sacrifício, o meu sincero e reconhecido agradecimento.
Ao Doutor José Manuel Moutinho Pereira e Doutor Carlos Manuel Correia por todo o apoio e ajuda prestada na recolha de dados, assim como por toda a prontidão na disponibilização de material de suporte.
Ao Mestre Miguel Oliveira, pela inestimável orientação, oportunas sugestões transmitidas ao longo da nossa atividade e incalculáveis facilidades materiais e humanas concebidas para que este trabalho fosse concretizado.
À Dona Áurea Queirós por toda a disponibilidade, paciência e ajuda prestada na realização da parte experimental, simpatia e bom ambiente o meu obrigada.
Ao laboratório de Solos da UTAD e a todos os seus funcionários por toda a ajuda prestada.
A todos os colegas e amigos do Departamento de Agronomia, uma palavra especial é devida pelos muitos e bons momentos proporcionados durante o curso.
Aos amigos e ao agrupamento de escuteiros 853 de Travassô o meu sentido e reconhecido agradecimento pelos momentos juntos e inestimável amizade.
Aos meus pais e irmão, que não se pouparam a esforços pela minha formação profissional, e, sobretudo, como pessoa.
IV
Resumo
As restrições económicas e ambientais de fertilizantes azotados minerais utilizados na produção de gramíneas conferem um papel de relevo ao cultivo de leguminosas com incorporação dos seus resíduos no solo como fonte de azoto para as culturas principais da rotação. A reduzida investigação em Portugal sobre a utilização de espécies leguminosas em condições mediterrânicas como fonte de azoto, conduziu-nos ao presente estudo realizado no campus da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real, Portugal.
Foram estudados seis tratamentos: duas leguminosas, Pisum sativum (ervilha) e Vicia faba (fava) e uma gramínea, x Triticosecale (triticale), fertilizada com quatro doses distintas de adubação azotada (0, 40, 80 e 120 kg N ha-1), com os seguintes objetivos específicos: avaliar a produção das culturas de fava e ervilha e a sua capacidade de acumular azoto na biomassa aérea total e por órgão morfológico (palha, valvas e grão) como fonte de nutriente para a cultura seguinte; avaliar a resposta quantitativa e qualitativa (teor de N) da cultura de triticale a doses crescentes de adubação azotada; avaliar a acumulação de macro e micronutrientes na biomassa aérea total e por órgão morfológico da planta; monitorizar a dinâmica temporal do N mineral do solo nas diferentes culturas e tratamentos.
As leguminosas, relativamente à gramínea, revelaram menor produção de matéria seca mas maior concentração de macro e micronutrientes na biomassa aérea total (exceto no micronutriente manganês). No caso do triticale constatou-se que a produção de matéria seca aumentou significativamente com a fertilização azotada e que a exportação de azoto foi superior comparativamente com as espécies leguminosas. Relativamente ao teor de azoto do solo no fim do ensaio não se registaram diferenças significativas no N mineral em função dos tratamentos.
Se os resíduos das leguminosas forem incorporados ao solo antes da cultura de triticale, e se considerarmos equivalentes os valores de eficiência do N nos resíduos das leguminosas e os valores de eficiência do N nos adubos, podemos esperar uma produção potencial de forragem de triticale de 10 211 ou de 9 519 kg MS ha-1, respetivamente no caso da cultura precedente ser a ervilha ou a fava. O valor de fertilização azotada estimado para os resíduos das leguminosas foi correspondente à aplicação de uma quantidade de adubo azotado inferior a 40 kg N ha-1. As leguminosas ensaiadas mostraram um fraco potencial de acumulação de azoto, tendo revelado sintomas de fraca nodulação. Sugere-se que a inoculação com estirpes de rizóbio eficientes pode melhorar acentuadamente a capacidade produtiva destas culturas e a utilização dos seus resíduos como fonte de azoto para as culturas seguintes da rotação.
Palavras-chave: azoto; leguminosas, gramíneas, rotações, incorporação de resíduos,
V
Abstract
Economic and environmental constraints of mineral nitrogen fertilizers used in the production of grasses give a prominent role to legume cultivation with incorporation of the residues in the soil as a nitrogen source for the main crop of the rotation. The limited research in Portugal on the use of legume species in Mediterranean conditions as a source of nitrogen, led us to this study carried out at the UTAD campus, in Vila Real, Portugal.
Six treatments were studied: two legumes species Pisum sativum (peas) and Vicia faba (broad beans) and a grass specie, x Triticosecale (triticale), receiving four rates of nitrogen fertilizer (0, 40, 80 and 120 kg N ha -1). The specific objectives were as follows: to evaluate the production of broad beans and peas and their ability to accumulate nitrogen in the total biomass and plant morphological organ (straw, valves and grain) as a source of nutrients for the next crop; to evaluate the quantitative and qualitative response (N content) from the triticale culture to increasing doses of nitrogen fertilizer; to assess the accumulation of macro and micronutrients in the total biomass and plant morphological organ; monitor the temporal dynamics of soil mineral N in the different crops and treatments.
Compared to grass, legumes showed lower dry matter production but higher concentration of macro and micronutrients in the total aboveground biomass (except for micronutrient manganese). In the case of triticale it was found that the dry matter yield increased with nitrogen fertilization rate and that the export of nitrogen was higher compared with legumes species. In relation to soil nitrogen content at the end of the experiment among there were no significant differences in the mineral N among treatments.
If residues of legumes are incorporated into the soil before triticale cropping, and if we consider the efficiency of the N in legumes residues equivalent to the efficiency of the N in fertilizers, we may expect a potential production of forage triticale of 10 211 or 9519 kg DM ha-1, respectively when the previous crop is peas or beans. The estimated nitrogen fertilization value of the legume residues was equivalent to the application of a fertilizer amount of less than 40 kg ha-1. The legumes tested showed a low nitrogen accumulation potential and has shown symptoms of poor nodulation. It is suggested that inoculation with efficient rhizobia strains can markedly improve the productive capacity of these crops and the use of their residues as a source of nitrogen for the following crop of the rotation.
VI Índice geral Agradecimentos ... III Resumo ... IV Abstract ... V Índice geral ... VI Índice de figuras ... XIV Índice de quadros ... XVI Lista de abreviaturas, siglas, símbolos e acrónimos ... XVII
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO GERAL E OBJECTIVOS ... 1
CAPÍTULO II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4
2.1 Caracterização das espécies vegetais fava, ervilha e triticale ... 4
2.1.1 Enquadramento taxonómico ... 4
2.1.2 Origem e história das espécies ... 4
2.1.3 Situação mundial e nacional ... 6
2.1.4 Desenvolvimento e descrição morfológica ... 7
2.2 Utilização de leguminosas em rotações de culturas ... 9
2.3 Ciclo de azoto ... 12
2.3.1 Aspetos gerais ... 12
2.3.2 Acão antropogénica no ciclo de azoto ... 16
2.3.3 Fixação de azoto pelas leguminosas ... 18
2.3.3.1 Fava ... 18
2.3.3.2 Ervilha ... 20
CAPÍTULO III - MATERIAL E MÉTODOS ... 22
3.1 Localização do ensaio ... 22
3.2 Solo ... 22
3.3 Clima ... 24
VII
3.5 Implementação do ensaio e práticas culturais ... 27
3.5.1 Correção do solo e fertilização com fósforo e potássio ... 27
3.5.2 Preparação do terreno ... 27
3.5.3 Sementeira e material vegetal ... 28
3.5.4 Controlo de infestantes ... 29
3.6 Técnica de amostragem e análise ... 29
3.6.1 Amostragem de solos para análise do N mineral ... 29
3.6.2 Amostragem de plantas e variáveis analisadas ... 29
3.6.3 Avaliação do desenvolvimento das plantas e outras determinações fenotípicas ... 30
3.7 Determinação da taxa fotossintética e de outras variáveis fisiológicas nos tratamentos com triticale ... 31
3.7.1 Trocas gasosas foliares ... 31
3.7.2 Medição da fluorescência da clorofila A in vivo ... 32
3.8 Análise estatística dos resultados ... 33
CAPÍTULO IV – RESULTADOS ... 35
4.1 Estados fenológicos das plantas e outras determinações morfológicas ... 35
4.1.1 Estado fenológico das culturas ... 35
4.1.2 Evolução da altura das plantas de triticale ... 36
4.1.4 Dimensões médias da vagem e grão das leguminosas ... 38
4.2 Produção de matéria seca ... 39
4.2.1 Produção total de MS pelas culturas... 39
4.2.2 Contribuição para a produção de MS dos componentes morfológicos das leguminosas ... 40
4.2.3 Produção total de MS das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 41
4.3 Concentração de macronutrientes principais ... 42
4.3.1 Azoto, fósforo e potássio no total de matéria seca ... 42
4.3.2 Azoto, fósforo e potássio na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 44
4.3.3 Azoto, fósforo e potássio na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 46
VIII
4.4.1 Cálcio, magnésio e enxofre no total de matéria seca ... 48
4.4.2 Cálcio, magnésio e enxofre na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 50
4.4.3 Cálcio, magnésio e enxofre na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 52
4.5 Concentração de micronutrientes ... 54
4.5.1 Ferro, zinco, manganês, cobre e zinco no total de matéria seca ... 54
4.5.2 Ferro, zinco, manganês, cobre e boro na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 56
4.5.3 Ferro, zinco, manganês, cobre e boro na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 58
4.6 Azoto exportado ... 60
4.6.1 Azoto exportado pelas culturas ... 60
4.6.2 Azoto exportado nos componentes morfológicos das leguminosas ... 61
4.6.3 Azoto exportado pelas infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 62
4.7 Evolução dos teores de azoto no solo durante o ensaio ... 63
4.8 Teores de azoto no solo no fim do ensaio ... 65
4.9 Taxa fotossintética e outras variáveis fisiológicas nos tratamentos com triticale ... 67
9.1 Trocas gasosas ... 67 4.9.2 Fluorescência da clorofila ... 69 CAPÍTULO V – DISCUSSÃO ... 71 CAPÍTULO VI – CONCLUSÕES ... 75 BIBLIOGRAFIA ... 77 ANEXOS ... 87
ANEXO I – Representação esquemática do delineamento do campo experimental ... 87
ANEXO II – Quadros da análise de variância ... 88
ANEXO II.1 Quadro da análise de variância da evolução da altura das plantas de triticale ... 88
ANEXO II.2 Quadro da análise de variância relativa ao número de plantas m-2 ... 88
IX ANEXO II.4 Quadro da análise de variância relativa ao número de grãos m-2 ... 88 ANEXO II.5 Quadro da análise de variância relativa ao comprimento da vagem das leguminosas ... 89 ANEXO II.6 Quadro da análise de variância relativa à espessura da vagem das leguminosas ... 89 ANEXO II.7 Quadro da análise de variância relativa à largura da vagem das leguminosas ... 89 ANEXO II.8 Quadro da análise de variância da produção total de matéria seca pelas culturas ... 89 ANEXO II.9 Quadro da análise de variância da contribuição para a produção de matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 89 ANEXO II.10 Quadro da análise de variância da produção total de matéria seca pelas infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 90 ANEXO II.11 Quadro da análise de variância da concentração de azoto no total de matéria seca das culturas ... 90 ANEXO II.12 Quadro da análise de variância da concentração de azoto na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 90 ANEXO II.13 Quadro da análise de variância da concentração de azoto na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 90 ANEXO II.14 Quadro da análise de variância da concentração de fósforo no total de matéria seca das culturas ... 91 ANEXO II.15 Quadro da análise de variância da concentração de fósforo na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 91 ANEXO II.16 Quadro da análise de variância da concentração de fósforo na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 91 ANEXO II.17 Quadro da análise de variância da concentração de potássio no total de matéria seca das culturas ... 91 ANEXO II.18 Quadro da análise de variância da concentração de potássio na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 92
X ANEXO II.19 Quadro da análise de variância da concentração de potássio na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 92 ANEXO II.20 Quadro da análise de variância da concentração de cálcio no total de matéria seca das culturas ... 92 ANEXO II.21 Quadro da análise de variância da concentração de cálcio na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 92 ANEXO II.22 Quadro da análise de variância da concentração de cálcio na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 93 ANEXO II.23 Quadro da análise de variância da concentração de magnésio no total de matéria seca das culturas ... 93 ANEXO II.24 Quadro da análise de variância da concentração de magnésio na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 93 ANEXO II.25 Quadro da análise de variância da concentração de magnésio na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 93 ANEXO II.26 Quadro da análise de variância da concentração de enxofre no total de matéria seca das culturas ... 94 ANEXO II.27 Quadro da análise de variância da concentração de enxofre na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 94 ANEXO II.28 Quadro da análise de variância da concentração de enxofre na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 94 ANEXO II.29 Quadro da análise de variância da concentração de ferro no total de matéria seca das culturas ... 94 ANEXO II.30 Quadro da análise de variância da concentração de ferro na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 95 ANEXO II.31 Quadro da análise de variância da concentração de ferro na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 95 ANEXO II.32 Quadro da análise de variância da concentração de zinco no total de matéria seca das culturas ... 95 ANEXO II.33 Quadro da análise de variância da concentração de zinco na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 95
XI ANEXO II.34 Quadro da análise de variância da concentração de zinco na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 96 ANEXO II.35 Quadro da análise de variância da concentração de manganês no total de matéria seca das culturas ... 96 ANEXO II.36 Quadro da análise de variância da concentração de manganês na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 96 ANEXO II.37 Quadro da análise de variância da concentração de manganês na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 96 ANEXO II.38 Quadro da análise de variância da concentração de cobre no total de matéria seca das culturas ... 97 ANEXO II.39 Quadro da análise de variância da concentração de cobre na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 97 ANEXO II.40 Quadro da análise de variância da concentração de cobre na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 97 ANEXO II.41 Quadro da análise de variância da concentração de boro no total de matéria seca das culturas ... 97 ANEXO II.42 Quadro da análise de variância da concentração de boro na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas ... 98 ANEXO II.43 Quadro da análise de variância da concentração de boro na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 98 ANEXO II.44 Quadro da análise de variância da exportação de azoto pelas culturas ... 98 ANEXO II.45 Quadro da análise de variância da exportação de azoto nos componentes morfológicos das leguminosas ... 98 ANEXO II.46 Quadro da análise de variância da exportação de azoto pelas infestantes nos tratamentos das leguminosas ... 99 ANEXO II.47 Quadro da análise de variância da evolução dos teores de N mineral durante o ensaio ... 99 ANEXO II.48 Quadro da análise de variância da evolução dos teores de N-NH4+ durante o ensaio ... 99
XII ANEXO II.49 Quadro da análise de variância da evolução dos teores de N-NO3- durante o ensaio ... 99 ANEXO II.50 Quadro da análise de variância dos teores de N mineral no fim do ensaio ... 100 ANEXO II.51 Quadro da análise de variância dos teores de N-NH4+ no fim do ensaio 100 ANEXO II.52 Quadro da análise de variância dos teores de N-NO3- no fim do ensaio . 100 ANEXO II.53 Quadro da análise de variância da intensidade luminosa (PPFD) em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 100 ANEXO II.54 Quadro da análise de variância da taxa de transpiração (E) em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 101 ANEXO II.55 Quadro da análise de variância da condutância estomática (gs), em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 101 ANEXO II.56 Quadro da análise de variância da taxa fotossintética líquida (A) em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 101 ANEXO II.57 Quadro da análise de variância da eficiência intrínseca do uso da água água (A/gs) em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 102 ANEXO II.58 Quadro da análise de variância da razão da concentração de CO2 intercelular/concentração de CO2 atmosférico (Ci/Ca) em folhas de triticale em dois períodos do dia (manhã e tarde) ... 102 ANEXO II.59 Quadro da análise de variâcia da eficiência fotoquímica máxima do PSII (Fv/Fm) ... 102 ANEXO II.60 Quadro da análise de variância da eficiência fotoquímica efectiva (ΦPSII) ... 102 ANEXO II.61 Quadro da análise de variância da eficiência fotoquímica do PSII à luz (F´v/F´m) ... 102 ANEXO II.62 Quadro da análise de variância da da taxa de transporte de electrões (ETR) ... 103 ANEXO II.63 Quadro da análise de variância do coeficiente de extinção fotoquímico (qP) ... 103
XIII ANEXO II.64 Quadro da análise de variância do coeficiente de extinção não fotoquímico (NPQ) ... 103
XIV
Índice de figuras
Figura 1. Ciclo do azoto (adaptado de Johnson, Albrecht et al, 2005) ... 12
Figura 2. Temperatura média mensal nos anos 2014 e 2015 e temperatura do ano médio (1981-2010). ... 25
Figura 3. Precipitação mensal nos anos 2014 e 2015 e precipitação do ano médio (1981-2010). ... 25
Figura 4. Evolução da altura das plantas de triticale nos diferentes tratamentos com diferentes doses de adubação azotada com as curvas de tendência polinomiais de grau 3 com as respetivas equações e coeficientes de determinação. ... 36
Figura 5. Densidade de plantas, vagens e grãos das leguminosas (n.º m-2) ... 37
Figura 6. Produção total de MS pelas culturas. ... 39
Figura 7. Contribuição para a produção de MS dos componentes morfológicos das leguminosas.. ... 40
Figura 8. Produção total de MS das infestantes nos tratamentos das leguminosas. ... 41
Figura 9. Concentração de azoto, fósforo e potássio no total de matéria seca.. ... 43
Figura 10. Concentração de azoto, fósforo e potássio na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas. ... 45
Figura 11. Concentração de azoto, fósforo e potássio na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas.. ... 47
Figura 12. Concentração de cálcio, magnésio e enxofre no total de matéria seca.. ... 49
Figura 13. Concentração de cálcio, magnésio e enxofre na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas.. ... 51
Figura 14. Concentração de cálcio, magnésio e enxofre na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas.. ... 53
Figura 15. Concentração de ferro, zinco, manganês, cobre e boro no total de matéria seca.... 55
Figura 16. Concentração de ferro, zinco, manganês, cobre e boro na matéria seca dos componentes morfológicos das leguminosas.. ... 57
Figura 17. Concentração de ferro, zinco, manganês, cobre e boro na matéria seca das infestantes nos tratamentos das leguminosas.. ... 59
Figura 18. Azoto exportado pelas culturas. ... 60
Figura 19. Azoto exportado nos componentes morfológicos das leguminosas.. ... 61
XV Figura 21. Evolução dos teores de amónio, nitrato e N mineral total no solo durante o ensaio. ... 64 Figura 22. Teores de amónio, nitrato e N mineral total no solo no fim do ensaio... ... 66 Figura 23. Intensidade luminosa (PPFD), taxa de transpiração (E), condutância estomática (gs), taxa fotossintética líquida (A), eficiência intrínseca do uso da água (A/gs) e razão da concentração de CO2 intercelular/concentração de CO2 atmosférico (Ci/Ca) em folhas de triticale (valores médios dos dois períodos do dia). ... 68 Figura 24. Eficiência fotoquímica máxima do PSII (Fv/Fm) e efetiva do PSII (ΦPSII), eficiência fotoquímica do PSII à luz (F’v/F’m), coeficiente de extinção fotoquímico (qP) e não fotoquímico (NPQ) e taxa de transportes de eletrões (ETR) em folhas de triticale (valores médios dos dois períodos do dia).. ... 70
XVI
Índice de quadros
Quadro 1. Classificação botânica das culturas ... 4
Quadro 2. Características físico-químicas, em três camadas distintas de profundidade, do solo da parcela onde foi instalado o ensaio ... 23
Quadro 3. Teor de N mineral da camada de solo de 0 a 10 cm de profundidade ... 23
Quadro 4. Descrição sucinta dos tratamentos estudados na época 2014-2015 ... 27
Quadro 5. Correção do solo e fertilização de fundo da parcela do ensaio experimental ... 27
Quadro 6. Caracterização das sementes das culturas ... 28
Quadro 7. Registo dos principais estados fenológicos ... 35
XVII
Lista de abreviaturas, siglas, símbolos e acrónimos
< – menor > – maior = – igual
% – percentagem ºC – graus celsius a.C – antes de Cristo EqN – equivalente de azoto S – Sul N – Norte µ – micro mol – mole mM – milimolar M – Molar s – segundo
ppm – partes por milhão mm – milímetro cm – centímetro m – metro m2 – metro quadrado ha – hectare mg – miligrama g – grama kg – kilograma
XVIII t – tonelada
mL – mililitro
N - NH4+ – azoto amoniacal N - NO3- – azoto nítrico MS – matéria seca
1
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO GERAL E OBJECTIVOS
Durante o século XX, agricultores de todo o mundo substituíram, em sistemas de rotação agrícolas, as leguminosas e outras fontes de azoto (N) por fertilizantes de síntese contendo este nutriente. A mudança de uma fonte biológica para industrial constitui uma das transformações mais marcantes e profundas na agricultura (Crews e Peoples, 2004).
A alimentação de uma considerável percentagem da população humana depende agora de fertilizantes de origem sintética (Crews e Peoples, 2004). As consequências negativas mais imediatas dessa dependência e de uso excessivo desses fertilizantes é a contaminação das águas subterrâneas (NRC, 1989), eutrofização das águas (Howarth, 1988) e o aumento da emissão de óxidos de azoto como gases de efeito de estufa (McKenny, Shuttleworth et al., 1980).
Num contexto agrícola, a crescente necessidade de produtos vegetais para satisfazer o aumento populacional tornou indispensável incrementar as produções (Trindade 1998), incentivar o cultivo sustentável e avaliar a sua influência nas propriedades do recurso solo, de forma a assegurar aos cidadãos uma alimentação equilibrada, segura e sustentável e a qualidade ambiental.
Em ecossistemas naturais, a quantidade de biomassa produzida por organismos vivos é frequentemente limitada pelo azoto que está disponível. Antes do desenvolvimento de fertilizantes azotados, o rendimento agrícola de produtos vegetais e animais era limitado pelo fornecimento de azoto para as plantas.
Contudo, apesar da deficiência generalizada de N em formas disponíveis para as plantas, os solos na maioria dos ecossistemas naturais e agrícolas, contêm quantidades apreciáveis de N na matéria orgânica existente, a qual só disponibiliza N após a sua mineralização. Uma pequena porção desse azoto não disponível é convertido continuamente para amónio e/ou nitrato, podendo ser absorvido pelas plantas.
A quantidade de azoto mineralizado a partir da matéria orgânica é, normalmente, apenas suficiente para obter baixas produções, pelo que os sistemas intensivos não dispensam a prestação adicional de azoto. Esta adição pode ser fornecida através do uso de fertilizantes ou através do cultivo de leguminosas que têm uma relação simbiótica com bactérias fixadoras de azoto.
2 Na gestão das práticas agrícolas, a adoção generalizada de fertilizantes sintéticos impulsionou a aplicação de azoto, tendo sido, frequentemente, decidida apenas com base em considerações económicas.
O azoto é um elemento essencial, requerido pelas plantas em grandes quantidades, e frequentemente o que maior influência exerce nas produções, na medida em que mais limita a produção vegetal (Haynes, Cameron et al., 1986). É um nutriente que exerce efeitos positivos e muito evidentes nos resultados finais das culturas, o que potencia a tendência dos agricultores a exagerar na sua aplicação (Trindade, 1998). Quando aplicado em quantidades adequadas, esta prática permite atingir, eficientemente, produtividades elevadas durante a estação de crescimento (Sylvester-Bradley, 1993) e eliminar a necessidade de integrar leguminosas nas rotações (Crews e Peoples, 2004).
A aplicação exagerada e assincrónica de azoto relativamente às necessidades das culturas é a fonte de muitos perigos ambientais associados ao excesso de N na biosfera (Crews e Peoples, 2005). Essa prática conduz a uma excessiva absorção de azoto pela planta podendo trazer inconvenientes, como uma menor resistência à acama nas gramíneas para grão (Quelha dos Santos, 2012) e perdas de azoto que originam uma grande preocupação nos sistemas agrícolas, uma vez que representam uma perda económica e um risco ambiental (Trindade, 1998). A perda económica é agora consideravelmente superior devido ao aumento do preço de fertilizantes sintéticos (Isely, 1982).
A fixação biológica, outra das principais fontes de N para a produção agrícola, evita o uso de combustíveis fósseis, no entanto, está dependente da energia proveniente da fotossíntese e nem sempre é eficaz. Em termos agrícolas, as bactérias mais importantes na fixação de N são as do género Rhizobium, que estabelecem uma relação simbiótica nas raízes das leguminosas (Whitehead, 1995).
Como consequência dos inúmeros benefícios e potencialidades das leguminosas (conhecimento empírico) nos últimos anos ocorreu um aumento significativo de novas perspetivas a nível científico, prático e económico sobre o cultivo de plantas deste grupo.
A inclusão em rotações cerealíferas de culturas leguminosas para sideração ou para grão com incorporação no solo da palha, pode representar um contributo importante para a manutenção de sistemas produtivos sustentáveis pela melhoria da fertilidade do solo e, em particular, pelo fornecimento de N às culturas subsequentes da rotação (Frame, Charlton et al., 1997).
3 As leguminosas desempenham um papel irrefutável em sistemas agrários, sendo muito vasta, a documentação referindo as vantagens da sua contribuição na economia de azoto, promoção da sustentabilidade e eficiência energética em sistemas de rotação de culturas.
A utilização destas culturas mostra um potencial considerável, atendendo não só às exigências de azoto das culturas subsequentes, mas também no aumento da fertilidade dos solos a longo prazo (Kumar e Goh, 1999).
Idealmente, as práticas de gestão de resíduos de culturas devem ser selecionadas para aumentar o rendimento das culturas com um mínimo de efeitos adversos sobre o meio ambiente. Sugere-se que, em cada sistema de cultivo, as restrições à produtividade e sustentabilidade sejam identificadas.
Muitos trabalhos científicos, pretendem também explorar a complexidade de agrossistemas que obtêm azoto através de rotações com inclusão de leguminosas ou sistemas em que a única fonte de azoto é a aplicação de fertilizantes sintéticos. Estudos, que comparam simultaneamente o destino de ambas as fontes de fertilizante, sugerem que, em culturas de sequeiro, as culturas tendem a recuperar mais azoto do fertilizante sintético, mas uma proporção mais elevada do azoto proveniente da cultura da leguminosa é retido no solo; no entanto, as perdas tendem a não ser diferentes independentemente da fonte. Tais conclusões geralmente precisam de ser quantificadas e qualificadas, dado que nem todos utilizam as melhores práticas de gestão ao aplicar os fertilizantes ou na gestão dos resíduos das leguminosas (Crews e Peoples, 2005).
O objetivo principal deste estudo é avaliar a potencialidade e capacidade de culturas de fava e ervilha em fixar e, posteriormente, disponibilizar N ao solo, em rotações com triticale para forragem, comparando este efeito com a resposta da cultura de cereal quando fertilizada com azoto mineral. Os objetivos específicos do trabalho foram os seguintes: avaliar a produção das culturas de fava e ervilha e a sua capacidade de acumular azoto na biomassa aérea total e por órgão morfológico (palha, valvas e grão); avaliar a resposta quantitativa e qualitativa (teor de N) da cultura de triticale a doses crescentes de adubação azotada; averiguar o efeito que a nutrição azotada da cultura de triticale pode exercer sobre o comportamento fisiológico das plantas; avaliar a acumulação de macro e micronutrientes na biomassa aérea total e por órgão morfológico da planta; e monitorizar a dinâmica temporal do N mineral do solo nas diferentes culturas e tratamentos.
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CAPÍTULO II – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Caracterização das espécies vegetais fava, ervilha e triticale
2.1.1 Enquadramento taxonómico
A espécie forrageira (triticale) e as espécies proteaginosas (fava e ervilha) utilizadas no presente estudo pertencem a duas famílias distintas designadas gramíneas e leguminosas, respetivamente. As gramíneas pertencem à classe das monocotiledóneas e apresentam características distintas do ponto de vista biológico e morfológico da classe das dicotiledóneas a que pertece a família das leguminosas.
Botanicamente as culturas utilizadas neste estudo pertencem à família Fabaceae (fava e ervilha) e Poacea (triticale), e o seu nome científico é Vicia faba L, Pisum sativum L. e x Triticosecale Wittm (USDA, 2014). A sua classificação científica encontra-se apresentada no Quadro 1.
Quadro 1. Classificação botânica das culturas
Reino Plantae Plantae Plantae
Sub-reino Tracheobionta Tracheobionta Tracheobionta
Super-divisão Spermatophyta Spermatophyta Spermatophyta
Divisão Magnoliophyta Magnoliophyta Magnoliophyta
Classe Liliopsida Magnoliopsida Magnoliopsida
Subclasse Commelinidae Rosidae Rosidae
Ordem Cyperales Fabales Fabales
Família Poaceae Fabaceae Fabaceae
Género Triticosecale Vicia L. Pisum L.
Espécie x Triticosecale Wittm. Vicia faba L. Pisum sativum L. (Fonte: Adaptado de USDA – Plants database, 2014)
2.1.2 Origem e história das espécies
O triticale é o primeiro cereal criado pelo homem concebido para combinar os atributos positivos de duas espécies. É o resultado da hibridação de espécies do género Triticum (trigo) e Secale (centeio) e o seu nome científico é amplamente aceite pela combinação dos nomes das duas espécies envolvidas (Arendt e Zannini, 2013).
Os primeiros híbridos foram relatados por A. S. Wilson na Escócia em 1875. No entanto, os primeiros triticales férteis só foram obtidos por W. Rimpau na Alemanha em
5 1888, resultado da duplicação espontânea do número de cromossomas de uma planta híbrida semelhante à produzida por Wilson (Stace, 1987).
A partir do ano de 1930, o estudo científico detalhado da espécie foi retomado por vários grupos de investigadores em diferentes países em programas intensivos de criação e desenvolvimento de variedades, na esperança de desenvolver uma combinação entre a qualidade dos grãos do trigo e a rusticidade do centeio.
A primeira cultivar comercial do triticale foi lançada em 1969 (Zillinsky, 1974), e nos últimos anos, a área de produção em todo o mundo apresenta uma evolução expressiva.
A fava (Vicia faba) é originária do Próximo Oriente e foi uma das primeiras leguminosas domesticadas. É uma espécie cultivada desde o início do período Neolítico (Cubero, 1974). Do centro de origem, a cultura difundiu-se por todo o mundo, conduzindo a fatores de adaptação e seleção específicos para as diferentes características agronómicas da espécie (Lawes, Bond et al., 1983).
Até aos dias de hoje desconhecem-se os progenitores selvagens (Duc, 1997) e não foi relatado qualquer cruzamento entre a fava e outra Vicia (Lawes, Bond et al., 1983). Contudo, podemos encontrar uma ampla gama de variação genética na espécie (Torres, Román et al., 2006).
A ervilha (Pisum sativum) integra também o grupo de leguminosas anuais cultivadas. À família a que pertence é atribuído diversos nomes como Leguminosae, Fabaceae e Papilionaceae (Hagedorn, 1985).
Zohary e Hopf afirmam que esta espécie é proveniente de uma aérea que abrange as regiões da Etiópia, do Mediterrâneo e Ásia Central (Zohary e Hopf, 1998), com um centro de origem secundário de diversidade no Próximo Oriente (Vavilov, 1951).
Antes do desenvolvimento da agricultura, a ervilha e o grão de bico juntamente com outras leguminosas faziam parte da dieta diária de caçadores-coletores no final da última Idade do Gelo no Oriente Médio e Europa. Restos destas culturas datam entre 10 000 a 9 000 a.C., sugerindo que a domesticação de leguminosas para grão, poderia até mesmo preceder a de cereais (Zohary, Hopf et al., 2012). A domesticação desta espécie ocorreu no início do período Neolítico (7 000 – 6 000 a.C.) e foi gradualmente disseminada para a agricultura da Europa e Ásia Central e Oriental (Almeida, 2006).
A cultura da ervilha, como material biológico, apresenta uma posição de destaque na história porque foi objeto de uma das primeiras iniciativas de melhoramento vegetal do botânico Thomas Andrew Knight (Myers, Baggett et al., 2001) e a cultura selecionada por
6 Gregor Johann Mendel para o desenvolvimento dos seus trabalhos publicados em 1866, que permitiram estabelecer as leis fundamentais da hereditariedade e que originaram a genética mendeliana (Ellis, Hofer et al., 2011).
2.1.3 Situação mundial e nacional
A situação mundial da cultura do triticale sofreu um aumento aproximado de 10 milhões de toneladas desde a década de 90 situando-se hoje em cerca de 15 milhões de toneladas. Quase toda a produção mundial está localizada na Europa (93,2%). Entre os maiores produtores mundiais encontra-se a Polónia, a Alemanha e a França (FAO, 2013).
A situação da cultura do triticale em Portugal apresenta um movimento contrário à evolução mundial, traduzindo-se num decréscimo acentuado na sua produção. Nos últimos dez anos registou-se uma quebra na produção de aproximadamente 31 000 toneladas, atingido a produção, no ano de 2013, o valor aproximado de 47 000 toneladas (FAO, 2013).
A produção mundial de fava, no ano de 2013, foi de aproximadamente 3 503 300 toneladas. Os maiores produtores mundiais são a China (1 586 000 t), a Austrália (297 500 t), a França (245 546 t) e o Egipto (158 000 t) (FAO, 2013).
Em Portugal, no ano de 2013, a produção de fava foi aproximadamente 3 405 toneladas numa área de 435 hectares (INE, 2013).
Apesar de se cultivar fava em grande parte do território nacional, as áreas de comercialização mais importantes situam-se no Algarve e na região do Ribatejo e Oeste (Almeida, 2006).
A produção mundial de ervilha verde, no ano de 2013, foi de cerca de 17 430 607 toneladas, tendo sofrido uma tendência crescente desde 1990. Os principais produtores de ervilha verde são a China, a Índia, os USA, a França e o Reino Unido (FAO, 2013).
No mesmo ano, a produção mundial de ervilha seca cifrou-se em 11 450 199 toneladas, cerca de 1,52% inferior à produção de ervilha verde (FAO, 2013).
Em Portugal, a produção no ano de 2013 foi de 3 981 toneladas numa área de 622 hectares (INE, 2013). Uma ligeira tendência crescente da produção horto-industrial de ervilha teve início na década de 70 devido ao desenvolvimento da indústria de produtos hortícolas congelados. Atualmente, a ervilha para indústria predomina na região do Ribatejo e Oeste, enquanto que, a ervilha para comercialização em fresco (vagem) produz-se principalmente na região do Ribatejo e Oeste e no Algarve (Almeida, 2006).
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2.1.4 Desenvolvimento e descrição morfológica
A diversidade morfológica e fisiológica das espécies em estudo é tão grande que uma descrição das plantas em pormenor é difícil. As seguintes descrições sucintas meramente refletem o mais típico das formas cultivadas nas nossas condições edafo-climáticas. Na sua elaboração baseamo-nos fundamentalmente nas descrições apresentadas por Villaz, 1963; Trindade, 1992; Almeida, 2006).
O triticale (X Triticosecale Witt.) é um híbrido resultante do cruzamento genético entre duas espécies: o centeio e o trigo. As suas características morfológicas intermédias entre as plantas anteriormente referidas podem, dependendo das variedades, aproximar-se mais às do centeio ou mais às do trigo (Trindade, 1992). O centeio (Secale cereale L.) é uma espécie anual com porte ereto e forte afilhamento. As bainhas das folhas são pubescentes e o limbo é relativamente estreito. Possui uma lígula muito curta e aurículas de pequena dimensão ou inexistentes. Quando a planta passa da fase vegetativa à fase reprodutiva ocorre o encanamento e a inflorescência emerge da bainha da última folha. A unidade da inflorescência das gramíneas é a espigueta, que no seu conjunto formam a inflorescência que nesta cultura adota a forma de espiga muito aristada que possui espiguetas sésseis, com glumas estreitas e reduzidas e três flores. Lema aristada e ciliada na quilha. O fruto das gramíneas é uma cariopse que nesta espécie se revela completamente livre das glumelas, designando-se cariopse nua. O trigo (Triticum aestivum L.) é uma espécie anual que apresenta um porte ereto. Exibe um caule cilíndrico dividido em nós e entrenós, o colmo, onde se inserem as folhas paralelinérveas com lígula reduzida e com aurículas largas amplexicaules e vilosas. Apresenta inflorescências na forma de espiga, com espiguetas sésseis alternantes no ráquis. As glumelas podem ou não ser aristadas. Tal como a cultura o centeio apresenta cariopse nua.
A fava (Vicia faba) é uma planta herbácea anual. Apresenta um sistema radicular aprumado (Duc, 1997). O crescimento do caule é indeterminado, de secção quadrangular, parcialmente oco e apresenta um porte ereto e pouco ramificado (Lawes, Bond et al., 1983; Heath, Pilbeam et al., 1994; Almeida, 2006). O caule mantém-se pouco desenvolvido até que evoluam rebentos florais, pelo que as folhas desenvolvem-se sucessivamente umas junto às outras formando uma roseta (Trindade, 1992). As folhas, de inserção alterna, são compostas paripinuladas, com 2 a 6 pares de folíolos (Kay, 1979). Na base do pecíolo existem estípulas com manchas escuras (Almeida, 2006). As flores surgem normalmente entre o 5º e 10º nós
8 (Lawes, Bond et al., 1983). A corola é papilionácea de cor branca e com pontuações negras, e constituída por cinco pétalas, nomeadamente o estandarte, maior que os restantes, externa e geralmente superior, que cobre quase completamente duas laterais, as asas, e duas internas geralmente inferiores e unidas por um dos lados, que constituem a quilha. Quanto à sua posição na planta, as inflorescências podem ser de dois tipos: terminais ou axilares. A polinização é autogâmica. O fruto é uma vagem carnuda que contém até 8 a 10 sementes por vagem (Almeida, 2006). A semente é revestida pelo tegumento e normalmente não possui albúmen, onde se pode encontrar as reservas em dois cotilédones. Está ligada à placenta do fruto por um cordão curto, denominado funículo, e o ponto de união com a semente designa-se hilo (Trindade, 1992).
A ervilha (Pisum sativum L.) é uma espécie herbácea anual, de estação fria com um hábito monopodial. Dois cotilédones carnosos, grandes compõem a maior parte das sementes maduras que contêm reservas armazenadas que sustentam o crescimento inicial da planta (Hagedorn, 1984). A germinação é hipógea, isto é, os cotilédones permanecem abaixo da superfície do solo e uma haste penetra a superfície do solo na fase da emergência (Hagedorn, 1984). Apresenta uma raiz principal aprumada bem desenvolvida com ramos secundários capaz de ser o suporte de nódulos de fixação de azoto (Almeida, 2006). Os dois primeiros nós do caule acima do cotilédone normalmente suportam folhas rudimentares, designadas brácteas trífidas. Estas são seguidas pela primeira folha verdadeira e, por sua vez, por uma sucessão de folhas decorrentes de nós bem definidos ao longo do eixo da haste. Os entrenós intermediários são ocos (Hagedorn, 1984). As folhas típicas da espécie são compostas, normalmente pinuladas com dois ou três pares de folíolos que se inserem num pecíolo comum. Na base deste pecíolo pode encontrar-se um par de brácteas designadas estípulas (Almeida, 2006). O folíolo terminal e por vezes outros encontram-se transformados em gavinhas (Trindade, 1992). A inserção é alterna e a página superior das folhas é coberta por ceras epicuticulares espessas (Almeida, 2006). A extensão da ramificação varia com o genótipo e com as condições ambientais prevalecentes (Hagedorn, 1984). As inflorescências aparecem nas axilas das folhas após um período de desenvolvimento vegetativo. Uma vez que a floração tenha começado, cada nó sucessivo normalmente tem uma inflorescência. A maioria das cultivares tem uma ou duas flores por pedúnculo, mas algumas têm três ou mais. As flores têm cinco pétalas e são bilateralmente simétricas. Cinco sépalas lobadas são organizadas no topo de um recetáculo alargado. Cinco pétalas compõem a corola de forma papilionácea: o estandarte, que é flanqueado por duas asas e uma quilha composta por duas
9 pétalas fundidas (Hagedorn, 1984). A quilha da flor da ervilha não abre (cleistogamia), protegendo o carpelo da deposição de pólen exterior (Almeida, 2006), como tal a espécie é estritamente autogâmica (Gill e Vear, 1958). A planta é diplóide (2n=14) (Hancock, 2012). Dependendo principalmente da temperatura de crescimento, 7 – 10 dias são necessários para o jovem fruto (vagem) tornar-se totalmente alongado, e durante esse tempo a vagem continua não dilatada. Os óvulos então aumentam rapidamente em peso e volume, principalmente através do alongamento das células. A maturidade fisiológica é alcançada dentro de 24 – 30 dias, seguindo-se a transição para a fase de semente seca (Hagedorn, 1984).
2.2 Utilização de leguminosas em rotações de culturas
Em Portugal, uma grande parte da superfície agrícola cultivada com espécies de Outono-Inverno permance em pousio durante o Verão. No Outono-Inverno, ocorrem elevadas e intensas precipitações que resultam em expressivas perdas do solo e de nutrientes por erosão. O azoto é um dos nutrientes afetados neste processo, provocando limitações na produtividade das culturas. É importante destacar a importância da utilização de culturas de cobertura de solo para enfrentar problemas na conservação do solo durante esse período.
As leguminosas têm recebido uma especial atenção porque fazem parte de um conjunto de espécies pertencentes à família Leguminosae, também conhecida por Fabaceae e Papilonaceae (Hagedorn, 1985), que propiciam a cobertura do solo e apresentam um potencial de fixação de N2.
A sua distribuição cosmopolita, tem desempenhado um papel essencial para os humanos e as suas civilizações devido a uma característica típica desta família – presença de frutos em forma de vagem (Isely, 1982). Esta família é constituída por mais de 750 géneros e aproximadamente 18 000 espécies (Wink e Mohamed, 2003), sendo a subfamília Faboideae considerada uma das mais importantes do ponto de vista económico devido a incluir espécies como o grão de bico, ervilha, fava, lentilha, feijão e o feijão frade essenciais na alimentação humana (Barroso, Magalhães et al., 2007) e com enormes repercussões sociais e económicas.
As leguminosas possuem a capacidade de estabelecer relações endossimbióticas com bactérias Rhizobium leguminosarum ao nível das raízes devido à formação de nódulos onde ocorre a fixação de azoto atmosférico (Young, Crossman et al., 2006). Este fenómeno consiste na cedência por parte da planta às bactérias de sais minerais e substrato orgânico enquanto as bactérias fornecem azoto atmosférico à planta (Quelha dos Santos, 2012). A simbiose abrange ainda uma interação complexa entre o hospedeiro, o microasssimbionte e o
10 ambiente (Lidon, Gomes et al., 2001). A descoberta deste processo e a sua relação com o azoto molecular (N2) só ocorreu em meados do século XIX, sendo só completamente compreendida a meio do século XX (Taylor, 1985). No entanto historiadores gregos e romanos registaram os benefícios das leguminosas para as culturas subsequentes (Frame, Charlton et al., 1997).
As culturas de leguminosas desenvolvem-se bem em solos onde o azoto é fator limitante para suportar o crescimento adequado de outras espécies, carecendo apenas de quantidades reduzidas deste nutriente, especialmente se são cultivadas pela primeira vez num determinado local (Barroso, Magalhães et al., 2007).
A implementação de leguminosas em sistemas de rotação à base de cereais contribuiu para uma redução na utilização de fertilizantes azotados, devido ao aumento da disponibilidade de azoto para as culturas seguintes (Jacobsen, Jensen et al,, 2012). Além disso, as leguminosas contribuem para melhorar o teor de matéria orgânica, estrutura e disponibilidade de fósforo no solo (Preissel, Reckling et al., 2015). Vantagens máximas são alcançadas quando há incorporação da palha residual no solo destas culturas após a colheita (Snyder, Bruulsema et al., 2009). Quando as leguminosas são utilizadas como uma cultura de alqueive em rotações dominadas por gramíneas, estas desempenham um papel fundamental na supressão de pragas e doenças através da interrupção dos ciclos de vida dos inimigos (Fan, Zhang et al., 2006).
De um ponto de vista ambiental, o recurso a estas culturas em oposição a adubos sintéticos permite um ambiente de melhor qualidade, na medida em que reduz a utilização de grandes quantidades de combustíveis fósseis no fabrico de fertilizantes e restringe o teor de nitratos nas bacias hidrográficas.
As leguminosas constituem uma parte da dieta de quase todos os povos, apresentando um papel vital no fornecimento da maior parte da proteína, sendo algumas também muito ricas em gorduras e hidratos de carbono. Destacam-se em regiões de alta densidade populacional para equilibrar as deficiências de proteína de origem cerealífera (Isely, 1982). A implementação de uma dieta baseada em cereais e leguminosas é potencialmente uma das melhores alternativas para fazer face à má nutrição proteico-calórica, em particular nos países em desenvolvimento. De igual modo, nos países desenvolvidos, a produção de proteína de origem vegetal assume uma crescente relevância, na medida em que a produção de carne e leite é realizada com base num componente essencial – proteína vegetal (Barroso, Magalhães et al., 2007).
11 A recente proibição na Europa de uso de farinhas de carne, sangue e peixe nas rações para animais, incrementou a procura de grãos de leguminosas ricas em proteína, tornando mesmo indispensável a importação por parte de países europeus de grandes quantidades a países americanos e asiáticos (Barroso, Magalhães et al., 2007). Atualmente as potencialidades das leguminosas não têm sido aproveitadas ao máximo de forma a satisfazer os requisitos do solo em azoto e as necessidades alimentares da população mundial (Delwiche, 1978).
Após um longo período de retração do seu cultivo, a contínua e crescente necessidade de maiores produtividades nos sistemas agrícolas de sequeiro, surge como oportunidade para o aumento da área destinada às leguminosas. Para tal, torna-se fundamental o desenvolvimento de técnicas culturais e variedades produtivas capazes de ultrapassar as limitações impostas por fatores abióticos (clima e solo) e fatores bióticos (doenças, pragas, infestantes, etc.), por forma a criar um valor acrescido no seu papel relevante na manutenção da estrutura e fertilidade dos solos e potenciar um aumento do rendimento dos agricultores e a prática de uma agricultura sustentável.
Portugal, assim como a Europa em geral, é fortemente dependente de fontes de proteína em grão (principalmente soja) importada de países como o Brasil e a Argentina (INE, 2014). A auto-suficiência europeia em fontes de proteína é uma grande preocupação que determinou a tomada de ações e estabelecimento de metas através de medidas postas em prática para atingir esse objetivo, como é o exemplo do programa Horizon2020 sob o tema “Sistemas de produção sustentável de alimentos” (CE Comissão Europeia, 2015).
A produção de grãos de leguminosas como o tremoço e grão de bico eram comuns na agricultura portuguesa; no entanto, a sua importância foi reduzida nas últimas décadas. Recentes mudanças das diretrizes e prioridades da Política Agrícola Comum (PAC) renovaram o interesse de cultivar espécies leguminosas que, para além de serem uma fonte de proteína para humanos e animais têm enormes implicações para a sustentabilidade dos sistemas agrícolas (Lupwayi e Kennedy, 2007).
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2.3 Ciclo de azoto
2.3.1 Aspetos gerais
O ciclo de azoto (Figura 1) exemplifica como este nutriente, a partir de estrume, fertilizantes e plantas, se move através do solo para as culturas, água e ar. Compreender os processos essenciais que ocorrem no ciclo de azoto e o tornam disponível para atender as necessidades da produção agrícola é essencial para salvaguardar o ambiente. Em geral, os processos de fixação, mineralização e nitrificação aumentam a disponibilidade de azoto para a planta. Desnitrificação, volatilização, imobilização e lixiviação resultam numa permanente ou temporária perda no decurso do ciclo de azoto (Johnson, Albrecht et al., 2005).
13 O ciclo de azoto engloba uma grande variedade de processos biológicos e abióticos. Este elemento constitui cerca de 80% da atmosfera sob a forma diatómica molecular (N2) gasosa, representando mais de 99% de todo o azoto existente na Terra (Tamm, 1991). Na matéria orgânica está incorporado em aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos (DNA e RNA), clorofilas e coenzimas, sendo imprescindível para o crescimento e funcionamento de todos os seres vivos (Henry e Jefferies, 2002).
Em algumas regiões da Europa Ocidental a deposição atmosférica pode ser uma fonte de azoto não negligenciável, podendo contribuir com mais de 22 kg de N por hectare e ano (Millard, 1993).
No entanto, apesar da grande disponibilidade de azoto molecular na atmosfera terrestre muitos dos organismos vivos não conseguem usar esta forma inorgânica como fonte direta. A fixação de azoto refere-se à conversão de azoto atmosférico em formas disponíveis para as plantas. Este processo pode ocorrer através de um processo industrial ou biológico. Nos ecossistemas pode ser realizado por ação de espécies bacterianas de vida livre (género Azobacter, Azomonas) e/ou espécies simbiontes com plantas (género Rhizobium) (Raven, Evert et al., 2005).
A fixação de azoto é um processo complexo, intensamente energético (Duc, Noll et al., 2009) que requer minerais e depende de um sistema enzimático que possui como enzima principal a nitrogenase, que pode catalizar (equação 1) a redução de azoto molecular para amoníaco (Lea e Morot-Gaudry, 2001). O centro activo desta enzima, onde ocorre a redução do azoto, está normalmente associado a molibdénio e ferro (funcionando como cofactores).
Outro reservatório importante deste nutriente é o solo. A disponibilidade natural de azoto no solo está diretamente relacionada com o seu teor em matéria orgânica e com a sua atividade microbiana. A constante degradação da matéria orgânica constitui-se como uma fonte de azoto mineral; no entanto, esta disponibilização por parte do solo não é regular ao longo do ano uma vez que depende das condições ambientais. Solos com níveis elevados de matéria orgânica apresentam populações microbianas mais elevadas e, por conseguinte, maior atividade biótica, com efeitos diretos e indiretos na disponibilização de nutrientes para as plantas.
14 Cerca de 99% do azoto total no solo está em formas orgânicas. Apenas uma pequena porção do azoto está disponível para as plantas, o que inclui formas inorgânicas de azoto como amoníaco (NH3), amónio (NH4+), óxido nítrico (NO), ácido nítrico (HNO3), óxido nitroso (N2O), nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-); e compostos orgânicos como ureia ((NH2)2CO). Apesar das plantas conseguirem absorver o azoto sob a forma amoniacal (NH4+) e dióxido de azoto (NO2), através de estomas e microporos das folhas (Varennes, 2003), a maior fração é absorvida através das raízes sob a forma de nitrato (NO3-) ou na forma amoniacal (NH4+). Estas duas formas de azoto, que as plantas absorvem com maior facilidade, resultam essencialmente da degradação de compostos azotados mais complexos que existem na matéria orgânica quer na população microbiana do solo, processo que se designa mineralização (equação 2).
Em termos médios a taxa de mineralização anual da matéria orgânica (admitindo uma relação carbono/azoto próxima de 12) varia entre 2% a 3% conforme as características do solo e as condições climáticas médias prevalecentes em Portugal, o que equivale à libertação de 30 a 45 kg N mineral por hectare, ano e unidade percentual de matéria orgânica no solo (MADRP, 1997).
A nitrificação é o processo pelo qual os microrganismos convertem amónio a nitrato para obter energia (equação 3).
Devido à conversão da forma amoniacal em forma nítrica por ação de microrganismos, a concentração do ião nitrato (1 – 5 mM) na solução do solo é geralmente superior à do ião amónio (20 -200 µM) e altamente suscetível a perdas por lixiviação (Owen e Jones, 2001). A diferença entre a concentração destas formas também é quantificada por (Varennes, 2003) que afirma que pode ser na razão de 10 a 1000 vezes.
A disponibilidade das formas nítrica ou amoniacal condiciona a sua absorção por parte da planta. Quando absorvido na forma de ião amónio, devido ao seu carácter tóxico para a planta, é rapidamente incorporado em moléculas orgânicas nas células da raiz. Quando é absorvido na forma de ião nitrato, pode ser translocado para outros órgãos devido à sua
R-NH2 NH3 NH4+ (Equação 2)
NH4+
15 elevada mobilidade, onde sofrerá o processo de redução por forma a ser utilizado pela planta e incorporado em moléculas orgânicas (Marschener, 1995).
A desnitrificação é um processo que decorre da atividade microbiana e consiste na conversão de nitrato a formas gasosas de azoto através de reduções sucessivas a partir do nitrato via nitrito, óxido nítrico, óxido nitroso até obtenção de azoto molecular (equação 4) que pode ser libertado para a atmosfera (Boswell, Meisinger et al., 1985; Firestone, 1982). Este processo envolve bactérias desnitrificantes presentes nos solos (Bothe, Jost et al., 2000), nomeadamente espécies Pseudomonas, Moraxella, Spirillum, Thibacillus e Bacillus (Sharma, 2005).
A volatilização (equação 5) é a perda de azoto através da conversão de amónio a amoníaco, que é libertado para a atmosfera. As perdas por volatilização aumentam a valores de pH dos solos mais elevados (> 7) e condições que favorecem a evaporação (Johnson, Albrecht et al., 2005). Parte do amoníaco volatilizado vai reagir com a água presente na atmosfera, dando origem ao ião NH4+, que posteriormente se deposita nos solos.
É aconselhável destacar os óxidos de azoto, nomeadamente o óxido nitroso (N2O) como um gás com uma potência de absorção e redireccionamento da radiação térmica (raios infravermelhos), na atmosfera, cerca de 300 vezes superior ao CO2, e que causa preocupações pela sua emissão, face ao seu potencial no efeito de estufa.
A imobilização é o processo reverso à mineralização. Todos os seres vivos requerem azoto, portanto os microrganismos no solo competem com as culturas por este nutriente. A imobilização refere-se ao processo no qual o nitrato e amónio são absorvidos por organismos do solo e o tornam indisponível para as culturas (equação 6). A imobilização apenas bloqueia o azoto temporariamente para as plantas; quando os microrganismos morrem, o azoto orgânico contido nas suas células é convertido por mineralização e nitrificação tornando-se disponível para as plantas (Johnson, Albrecht et al., 2005).
NO3 -NO2 -NO N2O N2 (Equação 4) O H2N-C-NH2 NH4 + NH3 (Equação 5)
16 Se a disponibilidade do nitrato no solo for superior à capacidade de utilização por parte da planta pode ocorrer lixiviação, ou seja, o movimento descendente ao longo do perfil do solo pela ação da percolação de água. As partículas do solo não retêm muito bem o nitrato porque ambos apresentam carga negativa. Como resultado, o nitrato move-se facilmente com a água no solo, o que frequentemente representa a maior perda de azoto por parte do solo (Neeteson e Carton, 1999), podendo causar teores excessivos de azoto em águas subterrâneas.
2.3.2 Acão antropogénica no ciclo de azoto
Desde a revolução industrial os seres humanos alteraram drasticamente o balanço de azoto; fizeram-no através da prática corrente de adição de grandes quantidades de fertilizantes sintéticos azotados para proporcionar elevados níveis de produção às explorações, de modo a sustentar a produção agrícola desejada e pelo uso de combustíveis fósseis. A consequência mais drástica e imediata é o aumento da disponibilidade de azoto para as plantas, melhorando o seu crescimento e conduzindo a maiores produtividades em situações em que este nutriente era o fator limitante.
O ciclo de azoto opera a uma escala mundial e as questões relativas à manutenção da sua homeostase têm impactos globais. As atividades humanas quebraram o equilíbrio a nível temporal e espacial ao modificarem a relação entre azoto disponível e os organismos que o utilizam (Sheppard e Wallander, 2004).
A quantidade de azoto fixado na natureza é de cerca de 230 x 106 toneladas anualmente. Desse total, aproximadamente 13% é fixado por tempestades elétricas, enquanto que 87% é o resultado da fixação biológica de azoto (Ramos e Bisseling, 2004). Desta última fração, 80% é fixado através de associações simbióticas e 20% por organismos de vida livre (Gutschick, 1980; Vance, Heichel et al., 1998).
O azoto é considerado, depois da deficiência hídrica, o principal fator de controlo do crescimento da planta. De modo a obter o máximo rendimento permitido pelas condições climáticas, e para ter certeza que a deficiência de azoto na cultura é evitada, os agricultores aplicam grandes quantidades de adubo azotado. Globalmente, aproximadamente 100 milhões de toneladas de azoto sintético foi aplicado em 2009 (FAO, 2009). Uma grande proporção, aproximadamente 60% do total foi aplicado em cereais (FAO, 2006) mas, de um modo geral,
17 apenas 40-50% do azoto aplicado é utilizado pelas culturas (Sylvester-Bradley e Kindred, 2009).
Embora a adição de azoto geralmente resulte num reforço do rendimento, altera a composição química do solo e a eficiência de absorção de nitrato diminui com o aumento do nível de fertilização. O resultado é a acumulação de nitrato no tecido das plantas e grandes quantidades de fertilizante não utilizado, promovendo perigos ambientais como por exemplo a contaminação de águas subterrâneas ou interferência com os ecossistemas aquáticos pelo processo de eutrofização. O nitrato pode comprometer seriamente a qualidade da água potável ou ser perdido para a atmosfera pelo processo de desnitrificação. Certas bactérias, que sob condições aeróbias normais usam oxigénio como o seu aceitador de eletrões na respiração, passam a utilizar nitrato quando o oxigénio é escasso (por exemplo quando o solo fica encharcado). O nitrato é reduzido a azoto gasoso (N2), ou a óxidos gasosos de azoto, óxido nitroso (N2O), óxido nítrico (NO) ou dióxido de azoto (NO2), que são volatilizados e perdidos a partir do solo, aumentando o potencial efeito de estufa.
Adicionalmente, plantas cultivadas com elevada fertilização de nitrato podem conter elevadas concentrações de nitratos e nitrito nos tecidos, o que pode ser nutricionalmente indesejável. Dados epidemiológicos fornecem evidências conflituosas sobre o potencial risco a longo prazo para a saúde humana dos níveis de nitratos encontrados na dieta, pelo que é amplamente aceite que uma redução de efeitos ambientais indesejáveis e redução de nitratos na dieta é uma medida preventiva desejável (Santamaria, 2006).
Hoje em dia, os produtores devem ter cada vez mais em consideração as consequências ambientais da aplicação de fertilizantes e ajustar as entradas de azoto de acordo com as exigências das culturas e do rendimento esperado. Sob novos constrangimentos económicos e ambientais o rendimento alvo não corresponde exatamente ao rendimento potencial máximo permitido pelas condições climáticas, mas a um rendimento mais baixo. Os agricultores têm de mudar para uma nova estratégia de fertilização azotada, o que implica a determinação do rendimento potencial de qualquer cultura em uma determinada condição climática e a correspondente exigência mínima de azoto da cultura necessária para alcançá-lo. Apesar das recentes melhorias na modelação do crescimento das culturas, a previsão do rendimento e as exigências da fertilização mínimas de azoto para o máximo crescimento não é tarefa fácil. Isto é devido aos parâmetros climáticos imprevisíveis que determinam o crescimento da planta e a disponibilidade de azoto no solo, mas também é causado devido à falta de conhecimento sobre os mecanismos básicos que regem o ciclo de azoto e o seu metabolismo.
18 A rotação de culturas é sugerida como um dos principais instrumentos na manutenção da fertilidade dos solos, e reconhecida como a prática agrícola mais económica na manutenção/aumento do teor de matéria orgânica no solo e dos níveis de azoto (Hanly e Gregg, 2004). A utilização de culturas intercalares é uma ferramenta importante na gestão de azoto (Möller, Stinner et al., 2008) porque através das suas capacidades de fixação biológica de azoto ou retenção de azoto, é considerada a principal fonte deste nutriente. Nem todas as espécies de leguminosas têm o mesmo potencial de produção de biomassa e fornecimento de azoto, sendo assim necessário identificar as espécies com maior potencial (Snapp, Swinton et al., 2005) para implementar nas explorações agrícolas.
2.3.3 Fixação de azoto pelas leguminosas
2.3.3.1 Fava
Atualmente há uma preocupação crescente dos consumidores relativamente à segurança alimentar e ao impacto no ambiente da produção agrícola. Isto provocou um generalizado acordo sobre a importância de (re)-introduzir leguminosas em sistemas agrícolas modernos que estão fortemente dependentes de produtos químicos.
A fava é cultivada em todo o mundo como fonte de proteína para alimentação humana e animal e, ao mesmo tempo oferece serviços ao ecossistema, tais como entradas renováveis de azoto para as plantas e para o solo através da fixação biológica de N2 e uma diversificação nos sistemas de cultivo. É considerada uma excelente cultura para sistemas de rotação devido à sua capacidade de fixar simbioticamente N2 atmosférico, que depende fortemente da população de rizóbios eficazes no solo (Jensen, Peoples et al., 2010).
Há uma diferença acentuada entre a fava e outras espécies leguminosas na capacidade de fixação de azoto segundo a ordem fava > lentilha = soja > ervilha > grão de bico > feijão (Jensen, Peoples et al., 2010). Do ponto de vista quantitativo, outros autores defendem que a fava e a soja fixam aproximadamente a mesma quantidade de azoto (120 kg N ha-1) seguido da ervilha e lentilha (85 kg N ha-1) e do grão de bico e feijão (50 kg kg N ha-1). Estes valores derivam da incorporação de toda a planta (assumindo que o único componente removido foi o grão) e de uma estimativa das contribuições de azoto da raíz (Peoples, Bowman et al., 2001).
A incorporação de resíduos no solo em combinação com as condições climáticas e a época de exigências de azoto para a cultura seguinte determinam a eficiência do azoto presente nos resíduos como fonte para a cultura seguinte.
