Utilização da tomografia computadorizada para determinação da densidade do solo na região da semente (página 2)

A tomografia computadorizada por transmissão de raios-X e raios gama é um processo de obtenção de imagem reconstruída da seção transversal ou fatia de um corpo, em um computador, utilizando-se um equipamento externo ao mesmo, o tomógrafo (Appoloni e Cesareo, 1994).

O método da transmissão de raios gama é uma ferramenta útil, pois permite caracterizar vários aspectos físicos dos materiais, tais como: densidade, perfis espacial e temporal da umidade, porosidade de materiais amorfos e distribuição espacial dos poros (Pottker e Appoloni, 2004).

Vaz et al. (1989), utilizando um tomógrafo computadorizado de resolução milimétrica no estudo da compactação de solos, causada pela ação de máquinas agrícolas, detectaram pequenas variações na densidade em camadas da ordem de milímetros.

Pedrotti (1996) comparou a tomografia computadorizada ao método do anel volumétrico para determinação da densidade do solo, a fim de avaliar a compactação de um solo cultivado em diferentes sistemas de manejo. Esse método apresentou vantagens, possibilitando o detalhamento da variação da densidade ao longo do perfil, enquanto o anel volumétrico expressou um valor médio pouco representativo.

Santos (2000) empregou esta técnica, com resoluções micrométrica e milimétrica, no estudo do ciclo de umedecimento e secagem, em diferentes intervalos, sobre a microestrutura, densidade e dinâmica hídrica dos solos. Observou maiores modificações na reposição de água a cada quatro dias e a tendência de incremento da densidade com a profundidade.

Neste trabalho, objetivou-se estudar a utilização da tomografia computadorizada para determinação das densidades mínima, média e máxima do solo na região da semente, logo após a semeadura da cultura do milho, com diferentes mecanismos rompedores do solo e tipos de rodas compactadoras, em três teores de água do solo.

Este trabalho foi desenvolvido, durante a estação de inverno do ano de 2002, numa área experimental da Universidade Federal de Viçosa, no município de Coimbra, MG, em altitude de 716 m, longitude de 42° 48’ S e latitude de 20° 51’ W(Gr). A área experimental abrange aproximadamente 0,7 ha, coberta com vegetação densa, predominando o capim-sapé (Imperata brasiliensis) e o capimbraquiária (Brachiária decumbens Stapf). Os ensaios foram realizados em um Latossolo Vermelho Amarelo (LVA), classe de solo muito utilizada no Brasil para cultura do milho.

Utilizou-se o experimento no esquema de parcelas subsubdivididas, em que as parcelas constituíram os teores de água do solo (0,22; 0,28; e 0,34 kg kg^-1) as subparcelas os tipos de hastes sulcadoras (facão e discos duplos) e as subsubparcelas o tipo de elementos compactadores (borracha e lisa) (Figura 1), no delineamento em blocos casualizados, com três repetições, tendo-se no total 36 parcelas. As amostras foram retiradas no dia da semeadura e quatro dias após a emergência da primeira plântula. Cada unidade experimental ocupou uma área de 60 m², sendo 30 m de comprimento e 2 m de largura.

Utilizou-se uma semeadora-adubadora marca Seed-Max, modelo PC 2123 (Figura 2), com configuração para semear duas linhas na cultura do milho, com espaçamento de 1 m entre linhas. Para tracionar a semeadora, utilizou-se um trator Massey Fergunson, modelo 265 4 x 2 TDA, com potência máxima de 48 kw (61 cv) no motor a 2000 rpm, com rodado de pneus. Os ensaios foram realizados em uma única velocidade de deslocamento (V = 4,7 km h^-1). A profundidade média de semeadura foi de 3,9 cm.

Antes de iniciar os ensaios, realizou-se a caracterização física do solo, determinando-se a granulometria, densidade do solo, densidade de partículas, porosidade total, teor de água (Embrapa, 1997) e resistência do solo à penetração (Asae, 1990).

Trabalhou-se com teores de água, em condições de campo, que estavam dentro da faixa friável do solo (limite de plasticidade de 0,41 kg kg^-1), que é recomendada para operações de semeadura. No campo, foi aplicada a lâmina de água correspondente ao teor de água desejado e, depois, no laboratório, determinaram-se os valores pelo método gravimétrico (método-padrão de estufa) (Embrapa, 1997).

Após a semeadura, foram realizadas coletas de amostras para determinação do diâmetro, médio ponderado (DMP), relação solo-semente pelo método da tomografia computadorizada e índice de velocidade de emergência de plântulas. A avaliação do diâmetro médio ponderado (DMP) foi realizada, a fim de caracterizar sua relação com o contato do solo com a semente.

As amostras de solo foram coletadas no sulco, onde a semente se encontrava, utilizando-se caixas de 250 × 100 × 100 mm, sendo, posteriormente, secadas ao ar e peneiradas (Reis, 2000). O teor de água residual foi obtido pelo método gravimétrico a partir de subamostras de solo, em todas as repetições. Esses valores foram utilizados na correção dos resultados obtidos no peneiramento, com o solo secado ao ar. As frações obtidas em cada malha foram pesadas em balança digital (Reis, 2000).

Foi utilizada a seqüência de malhas 9,52; 4,76; 4,0; 2,83; e 2,0 mm, dispostas verticalmente em um agitador mecânico. O tempo de peneiramento (30 segundos) foi determinado por um peneiramento prévio, de acordo com a completa separação das frações.

Os valores de DMP foram obtidos, empregando-se a seguinte equação:

O solo que ficou retido na última peneira foi considerado como finos (< 2,0 mm). Com esse valor, foi determinada a porcentagem de finos < 2,0 mm, em relação à massa total de solo.

O índice de velocidade de emergência de plântulas foi determinado, utilizando-se a fórmula proposta por Maguire (1962) e substituindo o termo germinação por emergência.

Para determinar as densidades do solo na região da semente, utilizou-se um tomógrafo de terceira geração (Naime, 2001), constituído de um sistema fonte-detector posicionado em um guia circular, que realiza movimentos de rotação ao redor da amostra. Utilizaram-se uma fonte de raios gama (²⁴¹Am, E = 59,54 keV, 1,11 x 10⁹ Bq) e um arranjo de 256 detectores, composto de material semicondutor. Os movimentos de elevação e rotação foram executados por dois motores de passo, controlados por um sistema eletrônico e um computador dedicado à eletrônica embarcada padrão PC/104 (Figura 3).

Antes de iniciar a análise, secaram-se as amostras em estufa a 60 ⁰C, durante 24 horas. Posteriormente, elas foram colocadas na base do tomógrafo, dando início à obtenção das imagens. Trabalhou-se com 16 planos horizontais, sendo que o feixe em leque atravessou a amostra de 5 em 5 mm até a profundidade de 80 mm.

A expressão geral, que descreve interação de um feixe de fótons e a amostra de solo com a semente, é:

O valor do coeficiente de atenuação em PDVVD__�m), obtido experimentalmente para o solo estudado, foi de 0,3076 cm² g^-1 . Este coeficiente depende da composição química do solo e da energia do feixe incidente.

Um programa de reconstrução visualização de imagens, desenvolvido utilizando-se a linguagem Visual Basic da Microsoft e Borland C++ Buider (Naime, 2001), foi responsável pelo processamento dos dados, ou retroprojeção e apresentação da imagem. As amostras de solo foram coletadas no sulco, onde a semente se encontrava, utilizando-se caixas de 250 × 100 × 100 mm, sendo, posteriormente, secadas ao ar e peneiradas (Reis, 2000). O teor de água residual foi obtido pelo método gravimétrico a partir de subamostras de solo, em todas as repetições. Esses valores foram utilizados na correção dos resultados obtidos no peneiramento, com o solo secado ao ar. As frações obtidas em cada malha foram pesadas em balança digital (Reis, 2000).

Foi utilizada a seqüência de malhas 9,52; 4,76; 4,0; 2,83; e 2,0 mm, dispostas verticalmente em um agitador mecânico. O tempo de peneiramento (30 segundos) foi

a determinado por um peneiramento prévio, de acordo com a completa separação das frações. Os valores de DMP foram obtidos, empregando-se a seguinte equação:

O solo que ficou retido na última peneira foi considerado como finos (< 2,0 mm). Com esse valor, foi determinada a porcentagem de finos < 2,0 mm, em relação à massa total de solo.

O índice de velocidade de emergência de plântulas foi avaliado, em um comprimento de 10 m na linha de semeadura. O número de sementes inicial foi determinado, de acordo com a uniformidade de distribuição das sementes pela semeadora–adubadora. A contagem das plântulas emergidas foi feita, diariamente, até os 14 dias após a semeadura, sendo o resultado do total de plântulas emergidas expresso em porcentagem.

O índice de velocidade de emergência de plântulas foi determinado, utilizando-se a fórmula proposta por Maguire (1962) e substituindo o termo germinação por emergência.

Para determinar as densidades do solo na região da semente, utilizou-se um tomógrafo de terceira geração (Naime, 2001), constituído de um sistema fonte-detector posicionado em um guia circular, que realiza movimentos de rotação ao redor da amostra. Utilizaram-se uma fonte de raios gama (²⁴¹Am, E = 59,54 keV, 1,11 x 10⁹ Bq) e um arranjo de 256 detectores, composto de material semicondutor. Os movimentos de elevação e rotação foram executados por dois motores de passo, controlados por um sistema eletrônico e um computador dedicado à eletrônica embarcada padrão PC/104 (Figura 3).

Antes de iniciar a análise, secaram-se as amostras em estufa a 60 ⁰C, durante 24 horas. Posteriormente, elas foram colocadas na base do tomógrafo, dando início à obtenção das imagens. Trabalhou-se com 16 planos horizontais, sendo que o feixe em leque atravessou a amostra de 5 em 5 mm até a profundidade de 80 mm.

A expressão geral, que descreve a interação de um feixe de fótons e a amostra de solo com a semente, é:

Um programa de reconstrução e visualização de imagens, desenvolvido utilizando-se a linguagem Visual Basic da Microsoft e Borland C++ Buider (Naime, 2001), foi responsável pelo processamento dos dados, ou retroprojeção e apresentação da imagem.

Além da reconstrução, o programa permitiu determinar parâmetros estatísticos como média, desvio-padrão e coeficiente de variação das unidades tomográficas em áreas selecionadas na imagem.

As determinações foram realizadas com um cilindro de solo, que deveria conter as sementes; sendo que esse cilindro tinha 40 mm de diâmetro e 80 mm de altura. Na localização das áreas avaliadas, utilizou-se o pixel (palavra derivada dos termos da língua inglesa "picture element ou picture shell"), elemento de imagem, de forma quadrada, com dimensões definidas (3,446 mm²).

Cada unidade experimental foi dividida em seis subunidades, devido às limitações do tomógrafo ao diâmetro da amostra. Dentro das tomografias, foi demarcado um quadrado de 25 x 25 pixels, inscrito na subunidade, correspondendo a uma área de 625 pixels. Como cada pixel corresponde a uma área de 0,318 mm² (0,564 mm x 0,564 mm), a área total correspondente a cada tomografia foi de 198,75 mm², dentro da qual foram determinados os valores mínimo, médio e máximo de densidade.

A densidade foi determinada, empregandose a equação:

Os resultados foram submetidos às análises de variância e regressão, conforme os teores de água do solo, elementos rompedores e

elementos compactadores, utilizando-se o programa SAEG versão 9.0.

Os resultados das análises de variância, apresentados no Quadro 1, indicam que: o teor de água do solo (UM) afetou, significativamente, o diâmetro médio ponderado; enquanto o sulcador (SUL) afetou, significativamente, as densidades máxima e média medidas pelo tomógrafo. As interações entre o teor de água no solo, os mecanismos sulcadores e os elementos compactadores nas variáveis estudadas não foram significativas.

No Quadro 2, estão apresentados os valores de diâmetro médio ponderado em função do teor de água no solo, dos mecanismos de abertura do sulco e dos elementos compactadores. Embora nãosignificativo, o mecanismo sulcador do tipo facão apresentou maior diâmetro médio ponderado que o disco duplo.

No Quadro 1, observa-se que houve efeito significativo do teor de água do solo no diâmetro médio ponderado. Na Figura 4, está apresentado o efeito do teor de água do solo no diâmetro médio das partículas. Com incremento no teor de água, houve tendência à redução no valor do diâmetro médio ponderado. Como o solo empregado era argiloso, as forças de coesão tornaramse efetivas no solo mais seco, o que possibilitou a ocorrência de atração entre as partículas, formando, assim, blocos maiores. Em solos de natureza caulinítica, como os Latossolos Vermelho-Amarelo da região de Viçosa, há tendência de formação de blocos maiores, pelo arranjo face-a-face dos agregados menores em agregados maiores, em menor teor de água (Resende, 1988).

No Quadro 3, verifica-se que não houve efeito significativo do teor de água do solo, dos mecanismos de abertura do sulco e dos elementos compactadores sobre a porcentagem de finos < 2,0 mm. Embora não-significativo, o maior teor de água apresentou menor valor de finos < 2,0 mm, em razão da maior facilidade de corte. O mecanismo do tipo disco exibiu maior porcentagem de finos < 2,0 mm devido à ação mecânica, fragmentando os agregados.

Embora não-significativo, estatisticamente, o maior teor de água apresentou maior valor de densidade mínima, enquanto o mecanismo do tipo disco apresentou maior valor de densidade mínima, conforme Quadro 4. Essas diferenças foram atribuídas à forma de revolvimento do solo pelo disco duplo, condicionando um menor diâmetro médio de partículas.

No Quadro 5, apresentam-se os valores de densidade média, medida pelo tomógrafo nos diferentes tratamentos. Embora não-significativo, o menor teor de água do solo apresentou maior valor de densidade, o que ocorreu, possivelmente, devido ao maior diâmetro médio ponderado, apresentado neste teor de água do solo. A roda de borracha apresentou o menor valor de densidade, o que ocorreu, possivelmente, devido à aplicação de menor pressão sobre a linha de semeadura. Stefanutti et al. (1980), trabalhando com diferentes níveis de cargas em rodas compactadoras, encontraram alteração significativa na densidade do solo.

Independentemente do teor de água do solo e do elemento de compactação, o mecanismo de abertura do sulco tipo disco liso apresentou maior valor de densidade média (1,11 kg dm^-3) que o facão (1,00 kg dm^-3), conforme Quadro 4. Isso ocorreu, provavelmente, devido ao espelhamento lateral causado pelo disco, ao ser introduzido no solo, o que não acontece com o facão, que rompe o solo. Mesmo apresentando maiores valores de densidade nos mecanismos do tipo disco duplo, o que possivelmente dificultou a passagem de água até à semente, não houve interferência no índice de velocidade de emergência. No entanto, na percentagem de emergência, houve interferência significativa dos sulcadores, apresentando menor emergência no mecanismo do tipo disco duplo, que teve maior valor de densidade do solo; resultados semelhantes foram encontrados por Nars e Selles (1995). Entretanto, Wilkins et al. (1993), testando vários tipos de sulcadores, obtiveram valores de densidade superiores no sulcador do tipo disco duplo. O mecanismo do tipo facão é utilizado para romper camadas compactadas na superfície do solo (Reis, 2003). Os resultados indicaram que o facão reduziu os valores de densidade do solo de 1,14 kg dm^-3 para 1,00 kg dm^-3 .

No Quadro 1, observa-se que não houve interferência significativa do teor de água no solo e dos elementos compactadores nos valores de densidade máxima medida pelo tomógrafo. O menor teor de água do solo apresentou maior valor de densidade, conforme Quadro 6, o que ocorreu, possivelmente, devido ao fato de o solo estar mais seco e, assim, apresentar maior força de coesão entre as partículas, dificultando a formação de macroporos. O elemento compactador do tipo roda lisa apresentou maior valor de densidade devido a seu formato, pois, aplica a carga na lateral do sulco. Hummel et al. (1981), trabalhando com diferentes tipos de mecanismos compactadores, afirmaram que o formato do elemento compactador tem influência no meio ambiente do solo próximo à semente.

O mecanismo de abertura do sulco do tipo disco duplo apresentou valores de densidade (1,41 kg dm^-3) significativamente superiores ao mecanismo do tipo facão (1,30 kg dm^-3). É provável que o primeiro tenha causado espelhamento na lateral do sulco, influenciando, portanto, os valores de densidade do solo.

O valor de densidade do solo medido pelo método do anel volumétrico antes da semeadura, foi de 1,14 kg dm^-3 e pelo método da tomografia com o mecanismo do tipo disco duplo, de 1,41 kg dm^-3 . Possivelmente, esse aumento de densidade tenha sido ocasionado pela ação da ferramenta no solo.

No Quadro 1, verifica-se que não houve efeito significativo do teor de água no solo, dos mecanismos de abertura e dos elementos compactadores sobre o índice de velocidade de emergência. Embora não-significativo, estatisticamente, houve tendência de aumento no índice de velocidade de emergência com a elevação do teor de água no solo, conforme Quadro 7, apresentando maior valor no teor de água (0,34 kg kg^-1). Possivelmente, o maior teor de água do solo no momento da semeadura acelerou a embebição das sementes, proporcionando maior velocidade de germinação e, conseqüentemente, maior velocidade de emergência das plântulas.

Embora não-significativos, os mecanismos de abertura do sulco apresentaram maior valor de índice de velocidade de emergência, no teor de água do solo (0,34 kg kg^-1). Portella et al. (1997), estudando o efeito dos elementos de abertura do sulco e da compactação das sementes em diferentes semeadoras–adubadoras, não encontraram diferenças significativas no índice de velocidade de emergência, o que também foi observado no presente trabalho. Entretanto, Mead et al. (1992) verificaram que a emergência de plantas foi afetada pela evaporação e que alguns dos fatores, que mais influenciaram a perda de água pelo solo, deveram-se à maior mobilização dos solos pelos mecanismos de abertura do sulco. Furlani et al. (2001) não verificaram efeito significativo da compactação do solo no número médio de dias para a emergência de plântulas de milho.

AMERICAN SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERS – ASAE. ASAE Standards 1990, St. Joseph, Michigan, 1990.

APPOLONI, C.R.; CESAREO, R. Microscanning and microtomography with X-ray tubes. Rome: Università degli Studi di Roma La Sapienza-CISB, 1994. 84p.

EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA -EMBRAPA. Centro Nacional de Ciência do Solo. Manual de métodos de análise do solo. Rio de Janeiro: EMBRAPA, 1997, 212p.

FURLANI, C.E.A.; LOPES, A.; REZENDE,L.C.; SOUZA e SILVA, S.S.; LEITE, M.A.S. Influência da compactação do solo na emergência das plântulas de milho a diferentes profundidades de semeadura. Engenharia na Agricultura, Viçosa, v.9, n.3, p.147-153, 2001.

HAUSER, V.L. Water injection in grass seed furrows. Transactions of the ASAE, St. Joseph, v.29, n.5, p.1247-1253, 1986. HUMMEL, J.W.; GRAY, L.E.; NAVE, W.R. Soybean emergence from field seedbed environments, Transactions of the ASAE, St. Joseph, v.24, n.4, p.872-878, 1981.

LANGE, A. Palhada e nitrogênio afetando propriedades do solo e rendimento de milho em sistema de plantio direto no cerrado.

Lavras, MG: UFLA, 2002, 148p. Dissertação (Mestrado em Agronomia) Universidade Federal de Lavras, 2002.

MAGUIRE, J.D. Speed of germination-aid in selection and evaluation for seedling emergence and vigor. Crop Science, Madison, v.2, n.1, p.176-177, 1962.

MEAD, J.A.; BALMER, A.L.; CHAN, K.Y. Effect of ssedbed conditions on sowing point performance. Soil & Tillage Research, v.22, n.1, p.13-25, 1992.

NAIME, J.M. Um novo método para estudos dinâmicos, in situ, da infiltração da água na região não-saturada do solo. São Carlos, 2001, 146p. (Tese de Doutorado) -Universidade de São Paulo.

NARS, H.M.; SELLES, F. Seedlings emergence as influenced by aggregate size, bulk density, and penetration resistance of the seedbed. Soil & Tillage Research, v.34, n.1, p.61-76, 1995.

PEDROTTI, A. Avaliação da compactação de um planossolo submetido a diferentes sistemas de cultivo. Pelotas, 1996, 79p. (Dissertação de Mestrado) -Universidade Federal de Pelotas.

PORTELLA, J.A.; SATLER, A.; FAGANELLO, A. Índice de emergência de plântulas de soja e de milho em semeadura direta no sul do Brasil. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v.17, n.2, p.7178, 1997.

POTTKER, W.E.; APPOLONI, C.R. Medida da porosidade de materiais amorfos por transmissão de raios gama. 20/08/2004.

REIS, E.F. Inter-relação solo-semente com duas semeadoras-adubadoras de plantio direto, em diferentes umidades de um solo argiloso. Viçosa, 2000, 51p. (Dissertação de Mestrado) -Universidade Federal de Viçosa.

REIS, E.F.; CUNHA, J.P.A.N.; FERNANDES, H.C. Influência de mecanismos rompedores de solo no desempenho de uma semeadora-adubadora de plantio direto. Revista Ciências Técnicas Agropecuarias, Havana, v.12, n.4, 2003.

RESENDE, M. Caracterização dos solos tropicais brasileiros. Brasília: Associação Brasileira Educação Agrícola Superior-ABEAS, 1988. 182p.

SANTOS, C.S.V. Formação de camadas superficiais adensadas em solo argiloso em resposta a flutuações de umidade. Viçosa, 2000, 71p. (Tese de Doutorado) -Universidade Federal de Viçosa.

SIDIRAS, N.; PAVAN, M.A. Influência do sistema de manejo na temperatura do solo. Revista Brasileira Ciência Solo, Campinas, v.10, n. 3, p.181-184, 1986.

SILVA, F.M.; COAN, O.; NATALE, W. Influência da profundidade de semeadura com e sem uso de sulcador na cultura do milho (Zea mays L.). In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 22, 1993, Ilhéus. Anais...Ilhéus: Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola, 1993. v.3, p.1438-1452.

STEFANUTTI, R.; ORTOLANI, A.F.; COAN, O. Desenvolvimento de uma pista de ensaio e carrinho com rodas compactadoras para estudos relacionados com emergência de plântulas. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 10, 1980, Campinas. Anais... Campinas: Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola, 1980. p.190-203.

VAZ, C.M.P.; CRESTANA, S.; MASCARENHAS, S.; CRUVINEL, P.E.; RERICHARDT, K.; STOLF, R. Using a computed tomography miniscanner for studying tillage induce soil compaction. Soil Technology, v.2, p.313-321, 1989.

VIEIRA, L.G.E. Desenvolvimento e produtividade das culturas: cultura do trigo. Plantio direto no Estado do Paraná. Londrina, PR: IAPAR, 1981. p.194-198. (Circular, 23).

WILKINS, D.E.; MUILENBURG, G.A.; ALLMARAS, R.R. Grain-drill opener effects ou wheat emergence. Transactions of the ASAE, St. Joseph, v.26, n.3, p.651-656, 1993.