166 Eficiência do Uso da Radiação por Híbridos de Milho (Zea

Eficiência do Uso da Radiação por Híbridos de Milho (Zea mays L.) Cultivados sob
Condições de Crescimento Ótimas
MARCELO AGUIAR ABRITTA; ROGÉRIO LORENÇONI; LEONARDO CIRILO DA
SILVA SOARES; CARLOS RODRIGUES PEREIRA; CARLOS ALBERTO PINTO DA
ROSA; DURVAL DOURADO NETO
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Departamento de Produção Vegetal, Av.
Pádua Dias, 11, CEP:13418-900, Caixa Postal 9, Piracicaba, SP
Palavras-chave: eficiência; uso; radiação; milho
Revisão bibliográfica
O crescimento da população mundial coloca grande pressão sobre os ecossistemas
agrícolas, por meio da demanda associada de alimento e energia. Os ecossistemas, em termos
termodinâmicos, são máquinas supridas por energia externa, sendo sua fonte principal o sol,
produzindo energia em forma utilizável pelo homem. Praticamente toda a matriz energética
do mundo é proveniente do processo fotossintético, desde os combustíveis fósseis até os
biocombustíveis, além do próprio alimento.
Quando a entrada de energia de um ecossistema é exatamente igual à saída, o estado
de equilíbrio existente é um caso especial da primeira lei da termodinâmica. A segunda lei
também é relevante, e implica que todo processo espontâneo, físico ou químico, que produza
energia utilizável em trabalho mecânico, deve ser acompanhado pela perda de calor. Nenhum
sistema biológico pode quebrar ou fugir desta lei, o calor produzido pela respiração celular é
um componente inevitável do metabolismo, sendo o custo pago pela natureza para se criar
ordem biológica a partir do caos físico no ambiente de plantas e animais (MONTEITH, 1972).
Dividindo a energia útil de um processo termodinâmico pelo total de energia
envolvido podemos ter uma idéia de sua eficiência, este processo está bem difundido na
análise do fluxo de energia em ecossistemas. A eficiência com que um estande de plantas
produz matéria seca pode ser definida como a razão em que energia química é armazenada em
fotoassimilados e a energia radiante é absorvida pelo dossel (MONTEITH, 1972).
A interceptação da luz, temperatura e a respiração são parâmetros que influenciam
diretamente o rendimento das culturas. O conhecimento dos seus efeitos é requerido em
processos de simulação de crescimento de plantas (BERNINGER, 1994). Segundo Stewart et
al., (2003), a maneira como a radiação fotossinteticamente ativa é interceptada pelo dossel das
plantas é fundamental para a fotossíntese e consequentemente para a produção da cultura. A
interceptação da radiação fotossinteticamente ativa é primeiramente determinada pelo índice
de área foliar (IAF) (BONHOMME, 2000; LINDQUIST; MORTENSEN, 1999; MUCHOW,
1988) e pelo índice de eficiência de interceptação da radiação ou coeficiente de extinção de
luz (k) (LIZASO et al., 2003), sendo esses os principais fatores que determinam a
interceptação e o nível de atenuação da radiação no dossel (SHIBLES; WEBER, 1965).
Além da qualidade e quantidade de radiação absorvida, deve-se considerar que a
conversão da radiação absorvida em matéria seca depende da fotossíntese, que varia conforme
a espécie, temperatura do ar e a fração de carbono fixado consumido na respiração
(GALLAGHER; BISCOE, 1978). A quantidade de carbono fixado gasto na respiração pode
alterar-se em função da composição química do órgão vegetal produzido. A biossíntese de
compostos ricos em proteínas, lipídios, ou lignina exigem muito mais energia por unidade de
peso seco produzido do que os componentes com baixas concentrações desses produtos
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(PENNING DE VRIES; BUNTING; VAN LAAR, 1974; MCDERMITT; LOOMIS, 1981). A
produtividade potencial da cultura de milho depende da genética, do fotoperíodo, da
temperatura e da radiação solar. Outras interações como as características físico-hídricas do
solo definem a produtividade atingível (ORESKES; SHRADER-FRECHETTE; BELITZ,
1994).
Experimentos realizados para determinar o crescimento das plantas também podem ser
usados para determinar o valor estimado da eficiência de uso da radiação (EUR). O
crescimento pode ser determinado usando a absorção liquida de CO2, o total de matéria seca
da parte aérea e/ou o total de matéria seca (incluindo as raízes). No entanto, o crescimento é
mais comumente determinado pelo acúmulo de matéria seca da parte aérea, pois a
amostragem destrutiva da parte aérea para determinar a absorção de CO2 ao longo do tempo é
mais fácil (SINCLAIR; MUCHOW, 1999). As determinações do crescimento de plantas
considerando a massa de matéria seca total, incluindo as raízes, são muito mais precisas, pois
levam em conta todas as estruturas formadas durante o desenvolvimento da planta. De acordo
com Assunção et al., 2008, estudos que levam em conta a variação da eficiência de uso da
radiação solar, durante o desenvolvimento de uma cultura, considerando-se a massa seca total
(incluindo as raízes) são raros. Modelos baseados na EUR têm sido amplamente utilizados
para prever a produtividade dos cultivos, mas poucos estudos têm considerado a variação da
EUR durante o desenvolvimento da cultura, considerando a matéria seca total, incluindo as
raízes (CONFALONE; NAVARRO, 1999).
Valores de EUR para os híbridos estudados foram determinados também por Romano
(2005), com populações de 64000 plantas por hectare e considerando-se apenas a matéria seca
da parte aérea. Os valores obtidos para os híbridos BRS 1001, BRS 1010 e BRS 3003 foram
respectivamente 3,87, 3,83 e 3,73 g MS.MJ-1 de RFA absorvida. Lövenstein et al (1995) cita
um valor médio de eficiência de assimilação (Ea), para plantas de metabolismo C4, de 9 g
CO2.MJ-1 de RFA absorvida.
O objetivo deste trabalho é comparar as determinações de EUR a uma nova
abordagem para determinar a eficiência de assimilação de dióxido de carbono, buscando
comparar os valores obtidos para a fitomassa seca de toda a planta, como também apenas da
parte aérea.
Material e Métodos
O experimento foi conduzido na área experimental do Departamento de Produção
Vegetal da Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz", da Universidade de São Paulo
em Piracicaba-SP (22o42' S; 47o38' O; 546 m), na safra 2003/2004. A semeadura foi realizada
no dia 20 de setembro de 2003, a emergência ocorreu em 27 de setembro. Adotou-se o
espaçamento de 0,8 m entre fileiras de plantas, com população de 70000 plantas por hectare.
Foram utilizados três genótipos de milho: (i) BRS 1001, (ii) BRS 1010 e (iii) BRS
3003 sob condições ótimas de cultivo. O delineamento experimental foi em blocos
inteiramente casualizados, com três tratamentos e quatro repetições. As parcelas
experimentais possuíam 10 m de comprimento e 4 m de largura.
A adubação de base foi realizada no sulco de semeadura, onde foram utilizadas as
seguintes doses de 30 kg.ha-1 de N, 40 kg.ha-1 de K2O e 80 kg.ha-1 de P2O5. Na adubação de
cobertura, realizada quando as plantas apresentavam quatro folhas expandidas, foram
aplicados 90 kg.ha-1 de N. O espaçamento utilizado foi de 0,8 m entre linhas de plantas e 0,18
m entre plantas, perfazendo uma população de 70.000 plantas por hectare. O controle de
pragas e doenças foi efetuado durante todo o ciclo, evitando a pressão sobre a produção que
seria alcançada sob as condições ambientais presentes.
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As variáveis analisadas foram: massa de matéria seca de raiz, colmo, folha, semente,
folha bandeira, pendão, estilo-estigma, palha, espiga e grão. Foram realizadas 24 coletas
durante todo o ciclo de desenvolvimento da planta. As coletas foram realizadas
respectivamente nos dias: 1, 3, 6, 9, 12, 13, 14, 17, 20, 24, 28, 33, 39, 47, 54, 61, 68, 76, 81,
87, 104, 116, 129 e 143 após a emergência. O material coletado foi secado até peso constante,
utilizando o método padrão de estufa, sendo pesado em balança com precisão de 0,1 g..
Durante a condução do experimento foram coletados dados diários de: (i) radiação global
(MJ.m2.dia-1); insolação (I, h.dia-1); precipitação pluvial (P, mm. dia-1), umidade relativa (UR,
%), velocidade do vento máxima (Vmax, m.s-1), velocidade do vento mínima (Vmin, m.s-1),
temperatura máxima (Tmax, oC), temperatura mínima (Tmin, oC), temperatura média (Tmed,
o
C) e evaporação (E, mm).
A relação entre a radiação interceptada e a assimilação de dióxido de carbono pela
cultura foi determinada por duas metodologias distintas. Utilizando-se a variação de matéria
seca e radiação interceptada entre os períodos de coleta, chegando-se à eficiência de
assimilação (Ea), através da adaptação da metodologia proposta por Lövenstein et al (1995).
Assim como, através da metodologia proposta por Muchow & Sinclair (1994), utilizando-se a
fitomassa seca acumulada e a radiação fotossinteticamente interceptada acumulada até o
período. A relação entre a radiação interceptada e a assimilação foi feita levando-se em conta
a matéria seca da planta toda, como também apenas a parte aérea.
A variação da massa de matéria seca das plantas nos intervalos amostrados foi
calculada utilizando-se a seguinte equação (Eq. 1):
Equação 1, variação de MS total:
Onde
é a variação da matéria seca total da cultura, no intervalo considerado, em
kg.ha-1.
Para o cálculo da respiração da cultura e radiação interceptada pelo dossel, a variação
de massa e índice de área foliar foi considerada linear entre os intervalos de amostragem.
O carboidrato consumido na respiração dos diferentes órgãos vegetais foi calculado
pelas equações subsequentes (Equações 2, 3, 4, 5, 6 e 7), adaptadas de Lövenstein et al
(1995):
Equação 2, respiração de manutenção foliar:
Equação 3, respiração de manutenção do caule:
Equação 4, respiração de manutenção radicular:
Equação 5, respiração de manutenção dos órgãos reprodutivos:
Equação 6, temperatura de correção para a respiração de manutenção:
Equação 7, respiração de manutenção do intervalo considerado:
Os valores de matéria seca são representados em kg.ha-1, os coeficientes de
manutenção para cada órgão em kg CH2O.kg-1 MS.d-1, os valores de respiração independentes
em kg.ha-1.d-1 e a Respiração de manutenção em kg.ha-1, para o período analisado.
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O fator de conversão de carboidratos para quilogramas de matéria seca foi calculado
de acordo com o custo de conversão para cada órgão da planta, levando-se em conta sua
composição bromatológica, de acordo com os fatores propostos para cultura do milho e a
metodologia proposta por Lövenstein et al (1995), podendo ser observada na Equação 8.
Equação 8, fator de conversão de carboidratos para quilogramas de matéria seca:
O fator de conversão é representado em g MS.g-1 CH2O, assim como os fatores
utilizados para cada órgão.
A respiração de crescimento da cultura foi calculada por meio da variação da massa de
matéria seca e do fator de conversão de matéria seca obtido para o intervalo entre as amostras,
como pode ser observado na Equação 9 (Lövenstein et al 1995).
Equação 8, respiração de crescimento:
Os valores de respiração de crescimento são representados em kg.ha-1.
A assimilação bruta de dióxido de carbono pela cultura foi obtida através da Equação
10, adaptada de Lövenstein et al (1995), para o cálculo da assimilação através dos valores de
respiração obtidos.
Equação 10, assimilação bruta de dióxido de carbono:
Onde 1,466 está representado em kg CO2.kg-1 CH2O,
em g.planta-1, 70 em
plantas.kg.ha-1.1000 g-1, 0,699 em kg MS.kg-1 CH2O e
em kg CO2.ha-1, o cálculo da
assimilação líquida é realizado da mesma maneira, levando-se em conta apenas a respiração
de crescimento.
Para calcular a radiação interceptada pelo dossel foi utilizado o somatório da radiação
global no período entre às análises (Equação 11), convertido para radiação
fotossinteticamente ativa (Equação 12). Foram considerados também os dados da cultura
como o IAFm (Equação 13), coeficiente de extinção (k) e albedo (ρc) encontrados na Equação
14 (Lövenstein et al 1995).
Equação 11, radiação global em J.dia.ha-1:
Equação 12, radiação fotossinteticamente ativa em J.dia.ha-1:
Equação 13, índice de área foliar médio em m2 folha.m-2 solo:
Equação 14, radiação interceptada pela cultura
Os valores de coeficiente de extinção utilizados foram obtidos para os três híbridos
estudados por Romano (2005). Foram utilizados valores médios para a fase vegetativa e
reprodutiva, estes valores podem ser observados na Tabela 1.
Tabela 1 – Coeficientes de extinção de luz para os três híbridos estudados.
Fase
BRS1001
BRS1010
BRS3003
Vegetativa
0,315
0,354
0,352
Reprodutiva
0,367
0,387
0,365
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A eficiência de assimilação de dióxido de carbono pela cultura é então obtida pela
relação entre a assimilação e a radiação interceptada no período, conforme podemos observar
na Equação 15 (Lövenstein et al 1995).
Equação 15, eficiência de assimilação de dióxido de carbono:
Para o cálculo da eficiência do uso da radiação, como proposto por Muchow &
Sinclair (1994) utilizou-se o mesmo modelo de interceptação de radiação (Eq. 14), porém
foram considerados os valores acumulados de radiação e matéria seca até o período analisado,
como pode ser observado na Equação 16.
Equação 16, eficiência do uso da radiação:
Resultados e Discussão
Tabela 2 – Ea e EUR médios para o híbrido BRS 1001, para o período vegetativo e
reprodutivo.
Planta Toda
Parte aérea
Ea
Ea
Ea
EUR
EUR
Ea
EUR
EUR
líquida
líquida
Período g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ
Veg.
10,08
9,10
8,17
3,73
8,42
7,46
6,77
3,09
Rep.
8,18
6,19
6,81
3,11
8,16
6,19
6,20
2,83
Tabela 3 - Ea e EUR médios para o híbrido BRS 1010, para o período vegetativo e
reprodutivo.
Veg.
Rep.
Planta Toda
Parte aérea
Ealíquida
Ealíquida
Ea
EUR
EUR
Ea
EUR
EUR
g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ
11,30
10,17
9,52
4,35
9,55
8,45
7,82
3,57
13,52
9,53
9,00
4,11
12,74
8,80
8,28
3,78
Tabela 4 - Ea e EUR médios para o híbrido BRS 3003, para o período vegetativo e
reprodutivo
Planta Toda
Ea
Ealíquida
EUR
Parte aérea
EUR
Ea
Ealíquida
EUR
EUR
g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g CO2/MJ g ms/MJ
Veg.
11,70
10,60
9,08
4,15
10,00
8,92
7,67
3,50
Rep.
11,23
8,56
6,86
3,13
10,19
7,56
6,30
3,45
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Os valores médios de Ea e EUR calculados para a planta toda e para a parte aérea
diferem pouco entre si durante a fase reprodutiva, fato que reflete a menor alocação de
carboidratos para a raiz neste período, podemos observar este fato nas figuras 1, 2 e 3, que
mostram as curvas de eficiência de assimilação utilizando-se a parte aérea e a planta toda para
todo o ciclo.
a
b
c
Na Figura 1 podemos observar as eficiências de assimilação para todo o desenvolvimento da
cultura para os híbridos BRS 1001 (a), BRS 1010 (b) e BRS 3003 (c), no eixo x temos os
DAE e no eixo y a eficiência de assimilação, em g CO2.MJ-1.
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Conclusões
As eficiências de uso da radiação encontradas nesta análise se apresentam próximas às
obtidas na literatura, assim como as eficiências de assimilação se aproximam das citadas para
plantas C4. Podemos observar diferenças significativas entre as eficiências, o que é advindo
do fato da EUR considerar a fitomassa seca acumulada, não levando em conta a variação no
período e a respiração de manutenção da cultura. Esta diferente abordagem pode oferecer uma
idéia mais próxima da real eficiência do dossel em fixar dióxido de carbono.
Pode-se concluir também que o uso apenas da fitomassa seca de parte aérea pode ser
considerado mais problemático durante as primeiras fases de desenvolvimento da cultura,
sendo este efeito minimizado durante a fase reprodutiva.
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