Calibração e validação de um medidor de capacitância num projecto de
agriculturade precisão em pastagens
INTRODUÇÃO
Com o apoio financeiro do programa AGRO do Ministério da Agricultura, foi
estabelecido um projecto de três anos para demonstrar as técnicas e as
tecnologias de Agricultura de Precisão na gestão de pastagens - AGRO 390:
Demonstração de tecnologias para aplicação diferenciada de fertilizantes em
pastagens (Serrano et al., 2007). Foram utilizados equipamentos para aplicação
diferenciada de fertilizantes (tecnologia VRT, Variable Rate Technology),
comandados por cartão de memória pré-programado em computador com coordenadas
georeferenciadas pelo Sistema de Posicionamento Global diferencial (GPSd). Uma
das perspectivas do projecto passava por avaliar o desempenho do distribuidor
de adubo, a sua capacidade para dosear as quantidades desejadas de fertilizante
no local adequado. Uma forma indirecta de o fazer consistia em monitorizar o
desenvolvimento da pastagem.
A vantagem de transferir tecnologias tradicionalmente utilizadas nas culturas
de cereais para as pastagens é um incentivo para as explorações agro-pecuárias
extensivas e para a manutenção do montado, com grande importância na região
Alentejo.
Os agricultores têm consciência da variabilidade da capacidade produtiva
presente nas suas parcelas e baseiam as suas decisões na sua experiência e
conhecimento técnico, tendo em vista a aplicação diferenciada de fertilizantes,
correctivos e de sementes. O que não está normalmente disponível são os meios
para actuarem em função da variabilidade, pelo que a solução passa por aplicar
os factores de produção de forma uniforme, sem utilizar as técnicas de gestão
de precisão. A tecnologia de Agricultura de Precisão produziu dois avanços: a
possibilidade de identificar com precisão e representar em mapa a variação
intra-parcelar e o desenvolvimento de tecnologia de aplicação variável de
fertilizantes.
Quantificar o grau de variabilidade inerente ao ambiente natural é essencial
para tomar decisões de gestão diferenciada. Existem na literatura vários
métodos para a avaliação de forragem numa pastagem, sendo que são agrupados
basicamente em método directo, ou corte, de toda a forragem contida numa área
da pastagem amostrada, e métodos indirectos, que não causam danos à pastagem e
são rápidos, com menor exigência de mão de obra. O que se espera de qualquer um
desses métodos é que se tenha uma representação de forma precisa das condições
ou estado das pastagens, com baixo custo de operação e que tenha boa precisão
(Zanine et al., 2006).
O maneio da pastagem e o planeamento dos sistemas de produção animal para
pastagens são essencialmente baseados na estimativa da produção e acumulação de
massa de erva. Para o maneio correcto e eficiente dessas pastagens, o controlo
da oferta de forragem é um ponto decisivo (Cauduro et al., 2006).
O método standard para estimativa da massa de pastagem e de forragem baseado no
corte da erva contida numa dada área é um método trabalhoso e demorado,
especialmente na recolha de amostras que representem a pastagem, e os
agricultores não têm disponibilidade para o usar na gestão do dia-a-dia das
suas pastagens (Sanderson et al., 2001).
Durante os passados anos 70, muitos métodos foram avaliados, dos mais simples
até métodos electrónicos sofisticados. Alguns métodos, como o da sonda
electrónica de capacitância, foram adaptados para uso comercial. O método da
sonda relaciona as diferenças entre as constantes dieléctricas da erva e do ar.
A sonda mede a capacitância da mistura ar-erva e permite o registo e
armazenamento da capacitância e a realização de cálculos. A teoria e operação
da sonda é explicada em detalhe por Currie et al. (1987). O funcionamento do
medidor de capacitância é baseado num sinal produzido por um oscilador de
circuito eléctrico, sendo os sinais captados pelo sensor de capacitância. Este
mede a quantidade de carga eléctrica armazenada por dois condutores separados
por um isolador (Zanine et al., 2006). A sonda é composta por uma haste que
possui uma camada externa de material isolante, uma segunda, interna, formada
por um tubo de alumínio e uma terceira, mais interna, que corresponde ao
condutor terra, feito de aço inoxidável, cuja ponta se projecta para fora da
haste e serve para ser colocada em contacto com o solo ou com o ar para
realizar as medições (Zanine et al., 2006). Ao aparelho corresponde uma equação
de calibração. Quando o aparelho é calibrado determinam-se os parâmetros des-sa
equação, o que permite a leitura automática da quantidade de matéria seca (MS)
por unidade de área (kg MS ha-1).
A previsibilidade a partir de equações line-ares simples apresenta variações
consoante a época do ano, verificando-se, por exemplo, na Flórida quebra da
fiabilidade das previsões no Verão, quando vários factores meteorológicos e
micro-climatológicos podem perturbar as leituras da sonda de capacitância.
Quando a vegetação é mais homogénea e com menores variações do teor de humidade
as previsões da massa de pastagem baseadas nas leituras da sonda de
capacitância são mais fiáveis (Terry et al., 1981).
Currie et al. (1987) estabeleceram equações de regressão lineares entre as
leituras da sonda de capacitância e a massa de forragem em verde e em seco,
cortada em amostras circulares com 78,5 cm2de área. Foi obtido o coeficiente de
determinação global (r2) de 0,50 para equações do tipo linear, estatisticamente
significativas, para todas as regressões.
Dado que a relação entre a massa de forragem e as leituras da sonda electrónica
de capacitância variam com factores como o estado de desenvolvimento das
plantas, o seu teor de humidade, a relação entre matéria verde e matéria seca e
com o tipo de pastoreio, as equações de calibração deverão ser desenvolvidas
separadamente, para diferentes circunstâncias (Hirata, 2000).
Os resultados apresentados por Currie et al. (1987) mostraram diferenças entre
estados fenológicos das plantas e recomendam o desenvolvimento de novas curvas
de calibração para cada data de amostragem e localização. Esta recomendação é,
contudo, contrária à de Currie et al. (1987) que sugerem o desenvolvimento e
utilização de uma curva padrão.
Hirata (2000) verificou a existência de uma relação linear entre a massa de
erva cortada e a capacitância para determinado período do ano e quadrática
noutro.
Cauduro et al. (2006) avaliaram e compararam a eficiência de três métodos
indirectos: do disco medidor de forragem, do bastão graduado e do medidor de
capacitância na predição da massa de pastagem de azevém anual. O medidor de
capacitância apresentou o coeficiente de determinação mais baixo (r2= 0,149) e
o mais elevado coeficiente de variação (CV=31,54%). As medições basearam-se
apenas nos valores médios da massa de maté-ria seca de pastagem, em kg ha-1, de
5 pontos de amostragem realizada de forma aleatória.
Zanine et al. (2006) verificaram que a precisão do medidor de capacitância é
muito afectada pelo tipo de pastagem e pelo seu conteúdo em humidade.
Os medidores comerciais são fornecidos com equações de calibração; contudo, a
precisão destas equações não foi avaliada nas condições das pastagens
mediterrânicas.
O interesse deste processo de avaliação e calibração permanence actual visto
que cada pastagem é um ecosistema diferente, com características específicas,
que variam nos diferentes estados vegetativos das plantas e em função do tipo
de pastoreio. Trabalhos como os de Hirata (2000), Silva & Cunha (2003),
Zanine et al. (2006), Cauduro et al. (2006) demonstram este interesse, não
havendo registo em Portugal de qualquer trabalho sistemático com este
equipamento.
No contexto referido, o objectivo deste trabalho consistiu em calibrar uma
sonda electrónica de capacitância para simplificar o processo de avaliação das
pastagens típicas do Alentejo, num projecto de Agricultura de Precisão no
contexto edafo-climático mediterrânico.
MATERIAL E MÉTODOS
Descrição das pastagens
Foram seleccionadas três tipos de pasta-gens diferentes, representativas das
pasta-gens semeadas do Alentejo:
— na Herdade da Mitra- pastagem exclusiva de leguminosas (trevos, Trifolium
subterraneum L.), sujeita a pastoreio de bovinos de carne;
— na Herdade dos Currais- pastagem exclusiva de gramíneas (azevém anual, Lolium
multiflorum Lam.); este tipo de pastagem não é sujeita a pastoreio, sendo
cortada para fenar ou ensilar;
— na Herdade do Barrocal-pastagem biodiversa de gramíneas e de leguminosas
(Trifolium glanduliferum Boiss., Ornithopus sativus Brot., Trifolium incarnatum
L., Trifolium vesiculosum Savi, Trifolium subterraneum L., Lolium multiflorum
Lam e Dactilis glomerata L.), submetida a pastoreio por ovinos.
O Quadro 1 apresenta as coordenadas geográficas dos locais de ensaio, assim
como a composição florística média da pastagem respectiva.
Quadro 1 ' Coordenadas geográficas e composição florística da pastagem nos 3
locais de ensaio.
Descrição do equipamento
O equipamento electrónico ' sonda Grass-Master II, da marca Speedrite (Figura
1) é leve e facilmente portável, sendo semelhante ao utilizado por Cauduro et
al. (2006), cujo princípio de funcionamento se baseia na diferença entre
constantes dieléctricas: a do ar, que é alta e a da pastagem, que é baixa.
Antes de qualquer recolha de informação com a sonda, para cada amostra deve ser
realizada uma prova para correcção do teor de humidade do ar. Em seguida, o
aparelho deve ser posicionado verticalmente sobre a vegetação, afastado 20 a 30
cm do corpo do operador. O sensor efectua medições numa área circular em torno
do bastão, com um diâmetro de 100 mm e até uma altura do solo de cerca de 400
mm. Na consola do aparelho é desejável proceder à programação de uma equação
que transforme as medições de capacitância realizadas pelo sensor em massa de
matéria seca da pasta-gem. A sonda utiliza um circuito electrónico de registo
de dados que permite a organização das leituras por parcelas e a transferência
para um computador de bancada para posterior tratamento dos dados.
Figura 1 ' Consola da sonda de capacitância GrassMaster II (à esquerda);
medições numa caixa de exclusão de pastoreio durante o ensaio (à direita).
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E ESTATÍSTICOS
Procedimento de calibração
Tradicionalmente, a quantificação da matéria seca de pastagem é realizada com
base no seguinte protocolo:
— instalação de caixas de exclusão de pastoreio com 1m2de área no início do
ciclo vegetativo da cultura (Setembro), em diferentes locais georeferenciados
da parcela (Figura 1);
corte manual da pastagem sempre que o seu desenvolvimento o justifica,
correspondente a 2 a 4 cortes (entre Janeiro e Maio), consoante o ano agrícola
em termos de temperatura e precipitação (Figura 2);
em laboratório: pesagem, desidratação em estufa durante 72 horas a 65ºC e
nova pesagem para obtenção da quantidade de matéria verde total, da percentagem
de matéria seca e da quantidade de matéria seca total.
Figura 2 ' Georeferenciação dos locais para instalação das caixas de exclusão
de pastoreio (à esquerda); recolha de amostras de pastagem pelo método
tradicional de corte (à direita).
Este procedimento é pouco expedito e muito exigente em meios humanos,
incompatível com um projecto de gestão assente na nova filosofia de Agricultura
de Precisão.
A utilização de uma sonda de capacitância para obtenção de informação que
caracterize o teores de matéria seca de uma pastagem de forma não destrutiva e
com redução da logística envolvida exige, segundo todos os estudos, a
calibração da mesma para cada tipo de pastagem. A Figura 3 comprova esta
necessidade de calibração: à esquerda é apresentado o mapa de produção de
matéria seca (MS, em kg ha-1) prevista pela sonda GrassMaster II na pastagem
da Herdade da Revilheira em Março de 2007 (campo experimental do projecto Agro
390), com base nas medições de capacitância (C) e na equação de calibração
fornecida pelo fabricante (MS=0,72C-2200). Para obtenção desta informação
georeferenciada foi utilizada a sonda GrassMaster II associada a um receptor
GPS (Sistema de Posicionamento Global, por satélite). À direita é apresentado o
mapa da matéria seca (em kg ha-1) efectivamente produzida pela pastagem, obtido
pelo método tradicional de recolha de amostras georeferenciadas por corte e
tratamento em laboratório.
Figura_3
' Mapa de produção de matéria seca (kg ha-1) da pastagem da Herdade da
Revilheira: à esquerda -previsão obtida com a equação de calibração do
fabricante da sonda GrassMaster; à direita- medição efectiva pelo método
tradicional.
A calibração decorreu em duas fases diferentes do desenvolvimento da cultura: a
primeira no início da Primavera (final de Março), numa fase de desenvolvimento
de pré-floração, tendo-se recolhido 6 amostras em pontos aleatórios de cada
local. A segunda no final da Primavera (meados de Maio), após a floração, no
final do ciclo vegetativo, tendo-se também recolhido 6 amostras em pontos
aleatórios de apenas dois dos três locais, uma vez que na Herdade dos Currais o
agricultor já tinha procedido ao corte total da forragem.
A validação da calibração decorreu na Primavera do ano seguinte (2008), tendo-
se recolhido 3 amostras em pontos aleatórios dos dois locais referidos. Na
Herdade dos Currais não foi possível proceder à validação uma vez que o
agricultor procedeu à instalação de uma cultura diferente.
Em cada ponto de amostragem foi fixado um quadro de metal de área 1m2e, na área
delimitada pelo quadro, foram realizadas, antes do corte da vegetação, as
observações com a sonda.
Na primeira fase de recolha de dados foi 30 o número de leituras realizadas
pela sonda para cada amostra de 1m2de pastagem, cumprindo o que o fabricante do
equipamento sugere para obter uma média estatisticamente significativa. Em face
da análise dos resultados, foi possível reduzir o número de leituras com a
sonda para 10 por cada amostra de 1m2de pastagem. Antes de qualquer recolha de
informação com a sonda, para cada amostra foi realizada uma prova para
correcção do teor de humidade do ar. Depois do aparelho ser posicionado na
vegetação procedeu-se ao registo das leituras e ao registo da média do valor de
massa de matéria seca.
Em laboratório as amostras foram sujeitas a avaliação quantitativa (pesagem,
desidratação durante 72 horas a 65ºC e nova pesagem) da massa verde de pastagem
e respectivo teor de humidade e ainda a avaliação qualitativa, procedendo-se à
separação manual das diferentes espécies botânicas para estabelecimento da
composição florística.
A calibração da sonda foi efectuada a partir do estabelecimento de equações de
regressão entre a medição indirecta, fornecida pela sonda electrónica de
capacitância e a medição directa da matéria seca da pastagem obtida por corte,
na área de 1m2delimitada pelo quadro de metal.
O Quadro 2 resume as datas, o intervalo de teores de matéria seca, o número de
repetições e o número de leituras realizadas em cada local de ensaio.
Quadro 2 ' Datas, matéria seca, número de repetições e de leituras realizadas
em cada local de ensaio.
Na primeira fase, para além de se procurarem obter dados para estabelecimento
de equações de calibração do equipamento, com a realização de 30 medições em
apenas 1m2 procurou-se determinar o número mínimo de medições a realizar com a
sonda GrassMaster II para obtenção de uma média represen tativa da amostra.
Tratamento estatístico
O tratamento estatístico dos resultados consistiu em análises de regressão até
terceira ordem, com nível de 5% de probabilidade, tendo sido utilizado o
programa de estatística MSTAT-C.
APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
O Quadro 3 mostra a média e o coeficiente de variação da capacitância medida
pela sonda em cada um dos locais de ensaio, em 29/03/2007, em função do número
de leituras.É apresentado também o desvio percentual da média obtida com 20, 10
e 5 leituras, relativamente à média obtida com 30 leituras.
Quadro 3 ' Média e coeficiente de variação da capacitância medida pela sonda em
cada um dos locais de ensaio, em 29/03/2007, em função do número de leituras.
A média da capacitância obtida com 20 e com 10 leituras apresenta uma variação
menor do que 6 e 8%, respectivamente, relativamente à média obtida com 30
leituras. A redução de 30 para 5 leituras pode causar variações na média
superiores a 20% relativamente à média obtida com 30 leituras. Por esta razão,
na calibração (primeira e segunda época de recolha de dados de 2007) foram
consideradas apenas 10 leituras em cada repetição de 1m2e na validação (recolha
de dados de 2008) foi efectuado o mesmo número de leituras (10), o que reduziu
substancialmente o tempo envolvido neste processo.
O Quadro 4 apresenta os coeficientes das equações de regressão (a ou valor da
ordenada na origem e b ou declive da recta) e os coeficientes de determinação
das equações lineares ajustadas entre a capacitância (C), obtida com 10
observações e a massa de matéria seca da pastagem (MS), em kg ha-1(equação 1):
MS=a+b*C (1)
Quadro 4 ' Coeficientes das equações lineares ajustadas entre a matéria seca da
pastagem (kg ha -1) e a capacitância resultante de 10 leituras da sonda
(equação 1).
A estimativa foi relativamente boa em dois dos locais, com coeficientes de
determinação entre 0,67 e 0,90, respectivamente na mistura biodiversa e nas
gramíneas. O que confirma os resultados de Hirata (2000), o qual registou
coeficientes de determinação entre 0,88 e 0,98.
Nas leguminosas, a sonda apresentou valores inferiores de coeficientes de
determinação, 0,59 e 0,27, respectivamente na primeira e na segunda datas de
avaliação. Os resultados da segunda data de avaliação neste local são ainda
mais surpreendentes pelo facto de, ao contrário dos restantes, se verificar uma
relação inversamente proporcional entre a quantidade de matéria seca da
pastagem e a capacitância medida pela sonda (declive da recta negativo). Este
comportamento é, apesar de tudo validado pelos ensaios de 2008 (Quadro 5), já
que a equação de regressão de 2007 permitiu prever a quantidade de matéria seca
presente na pastagem em 2008, com um desvio inferior a 20%. Podem ser
apresentadas diferentes justificações para este comportamento da sonda, entre
os quais surge na bibliografia a questão da variabilidade da hu-rem ainda o
efeito resultante dos diferentes midade do ar e da forragem e a irregularidade
estados de maturidade das plantas, os quais, do solo, especialmente resultante
do pisoteio se não forem homogéneos apresentam uma pelo gado bovino. Zanine et
al. (2006) refe-influência decisiva no teor de humidade.
Quadro 5 ' Validação da previsão em dois locais: desvio entre a estimativa das
equações de regressão (MSest) e a matéria seca efectiva (MSefe) da pastagem em
2008.
As Figuras 4 a 6 ilustram a regressão entre a capacitância e a massa de matéria
seca da pastagem, em kg ha-1, nos três locais.
Figura 4 ' Regressão entre a capacitância (C) e a matéria seca (MS), na Herdade
do Barrocal, em duas datas.
Figura 5 ' Regressão entre a capacitância (C) e a matéria seca (MS), na Herdade
dos Currais (29/03/2007).
Figura 6 ' Regressão entre a capacitância (C) e a matéria seca (MS), na Herdade
da Mitra em duas datas.
Estes resultados demonstram o potencial deste equipamento na simplificação do
processo de amostragem de pastagens e forragens no Alentejo, o que poderá
representar um importante contributo para os agricultores, no maneio dos seus
efetivos pecuários e uma ferramenta interessante na perspectiva de
monitorização da variabilidade espacial e temporal destas culturas, primeiro
passo no âmbito de projectos de agricultura de precisão. Estes resultados,
apesar de porem em causa as conclusões de Cauduro et al. (2006), que obtiveram
coeficientes de determinação muito baixos (0,149) para pastagem de azevém com
um reduzido número de amostragens realizadas pela sonda (5) e com facto-res
susceptíveis de erro, como a existência de elevada quantidade de material
vegetal morto na forma de palha à superfície do solo, validam os resultados
citados por outros autores: por exemplo, Murphy et al. (1995) obtiveram
coeficientes de determinação de 0,42, enquanto Coleman & Forbes (1998, cit.
por Hirata, 2000) obtiveram coeficientes de determinação entre 0,27 e 0,77,
para diferentes espécies de pastagem. Também Hirata (2000) confirmou o
interesse da sonda electrónica de capacitância como método indirecto de
estimativa da produção de maté-ria seca de uma pastagem de Bahia grass
(Paspalum notatum Flueggé), pastoreada por bovinos, tendo obtido coeficientes
de determinação elevados (0,88 a 0,98).
Naturalmente que se justifica a contínua aferição do sistema, não só pela
comprovada variabilidade de produção de matéria seca da pastagem no ecosistema
mediterrânico (Figura_3), mas também por forma a dar resposta a um leque tão
diversificado quanto possível de espécies botânicas existentes na flora
mediterrânica. A associação de uma sonda de capacitância a uma antena GPS e o
posterior tratamento num Sistema de Informação Geográfico (SIG) permite
produzir em tempo real, mapas da capacidade produtiva da pastagem (Figura 3), o
que faculta ao agricultor uma ferramenta muito interessante no apoio à tomada
de decisão.
CONCLUSÕES
Foram utilizadas equações de regressão para relacionar a massa de matéria seca
obtida na medição directa com as estimativas indirectas obtidas nas leituras de
capacitância. Em dois dos três locais de ensaio com pastagens típicas do
Alentejo, os coeficientes de determinação foram elevados, 0,90 nas gramíneas e
entre 0,67 e 0,75 na mistura biodiversa. Nas leguminosas o coeficiente de
determinação variou entre 0,27 e 0,59.
Em 2008 as equações de previsão foram validadas em dois dos locais, tendo-se
obtido um desvio entre a massa efectivamente cortada e a massa estimada igual
ou inferior a 20%.
Estes resultados demonstram o potencial deste equipamento na simplificação do
processo de amostragem de pastagens e forragens no Alentejo, o que poderá
representar um importante contributo para os agricultores, no maneio dos seus
efectivos pecuários e uma ferramenta interessante na perspectiva de
monitorização da variabilidade espacial e temporal destas culturas, primeiro
passo no âmbito de projectos de agricultura de precisão.
O grau de incerteza associado à calibração e validação desta sonda de
capacitância justifica a realização de mais ensaios, que permitam, não só uma
maior robustez da predição nas condições típicas de desenvolvimento de
pastagens no Alentejo, mas também o alargamento a pastagens de outras zonas do
país.
