X. CLIMATOLOGIA AGRÍCOLA

 

TESTE E ANÁLISE DE MODELOS AGROMETEOROLÓGICOS DE ESTIMATIVA DE PRODUTIVIDADE PARA A CULTURA DA SOJA NA REGIÃO DE RIBEIRÃO PRETO⁽¹⁾

 

ADRIANA VIEIRA DE CAMARGO MORAES^(2,5), MARCELO BENTO PAES DE CAMARGO^(2,6), HIPÓLITO ASSUNÇÃO ANTONIO MASCARENHAS^(3,6), MANOEL ALBINO COELHO DE MIRANDA⁽³⁾ e JOSÉ CARLOS VILLA NOVA ALVES PEREIRA⁽⁴⁾

 

 

RESUMO

A modelagem agrometeorológica permite, antecipadamente, o conhecimento quantitativo da influência das condições climáticas sobre o desenvolvimento e a produção de culturas agrícolas. A maior abrangência e confiabilidade de utilização dos modelos de estimativa de produtividade pode ser conseguida mediante teste dos modelos para determinada região. Os dados fenológicos e de produtividade para a análise foram oriundos de experimentos realizados no Núcleo de Agronomia da Alta Mogiana, do Instituto Agronômico, com sede em Ribeirão Preto (SP), durante os anos agrícolas de 1983/84, 1984/85, 1989/90 e 1990/91. Foram analisados os cultivares de soja IAC-13 (precoce), IAC-12 (semiprecoce) e IAC-11 (médio). Os modelos considerados baseiam-se na penalização da produtividade potencial da cultura em função das relações evapotranspiração real/evapotranspiração potencial (ER/EP) e dos excedentes hídricos derivados de balanços hídricos decendiais seqüenciais ocorridos durante os diferentes estádios fenológicos. Foram testados modelos aditivo e multiplicativo. O modelo que considera penalização incluindo excedente hídrico apresentou o melhor desempenho, para os três grupos de maturação da soja estudados, com coeficientes de determinação (R²) de 0,69 e índice de concordância (d) de 0,85 para o cultivar de ciclo precoce IAC-13; para o semiprecoce, 'IAC-12', R² de 0,79 e d de 0,86 e, para o 'IAC-11', de ciclo médio, R² de 0,87 e índice d de 0,84.

Termos de indexação: soja, estádios fenológicos, balanço hídrico, modelos agrometeorológicos, estimativa de produtividade.

 

ABSTRACT

TEST AND ANALYSIS OF AGROMETEOROLOGICAL MODELS FOR PREDICTING SOYBEAN CROP PRODUCTION IN RIBEIRÃO PRETO REGION (STATE OF SÃO PAULO, BRAZIL)

The agrometeorological models allow better knowledge of the quantitative influence of the climatic conditions, such as drought effects on the soybean development and grain production. A good model requires the evaluation of the sensitivity indices and test for a specific variety and region. Phenological and yield data were taken from planting date experiments conducted at Ribeirão Preto, Instituto Agronômico Experimental Station during four growing seasons. Three cultivars were considered according the maturation group: IAC-13 (early), IAC-12 (semi-early) and IAC-11 (median). Additive and multiplicative type models were tested based upon the penalization of the crop yield potential according the ER/EP relation (actual/potential evapotranspiration) and water excess, derived by a 10-day soil water balance, occurred during four growth stages. Based on the model's statistics, additive and multiplicative type models presented similar performance. The model which considers penalization including water excess presented the best performance for the three maturation groups, with R² of 0.69 and d-index of agreement of 0.85 for the IAC-13 (early) cultivar; R² of 0.72 and d-index of 0.73 for the IAC-12 (semi early) cultivar; and for the IAC-11 (median) cultivar, R² of 0.79 and d-index of 0.73.

Index terms: soybean, growth stage, soil water balance, agrometeorological models, crop production.

 

 

1. INTRODUÇÃO

A agricultura, entre todas as atividades econômicas, é a que apresenta maior dependência das condições meteorológicas: estas são as principais responsáveis pelas oscilações e frustrações das safras agrícolas em todo o Brasil. As relações entre os parâmetros climáticos e a produção agrícola são bastante complexas, pois os fatores ambientais podem afetar o crescimento e o desenvolvimento das plantas sob diferentes formas nas diversas fases do ciclo da cultura. Os modelos agrometeorológicos relacionados com crescimento, desenvolvimento e produtividade das culturas fornecem dados que permitem ao setor agrícola tomar importantes decisões, tais como: melhor planejamento do uso do solo, adaptação de culturas, monitoramento e previsão de safras, controle de pragas e doenças, estratégia de pesquisa e planejamento.

Para melhor entendimento dessas interações, modelos agrometeorológicos têm sido utilizados para caracterizar os efeitos das variações termopluviais sobre a produtividade de grãos. São exemplos os modelos de Pedro Júnior et al. (1984), Camargo et al. (1986), Meyer (1990), Berlato & Molion (1993), Camargo (1993) e Matzenauer (1994).

A variação interanual de produtividade da soja é uma função mais hídrica do que térmica (Camargo et al., 1986). Os efeitos de estresses hídricos durante os estádios fenológicos da cultura da soja, estudados por Doorenbos & Kassam (1979), indicaram que os estádios mais sensíveis são germinação-emergência e florescimento-enchimento de grãos (desenvolvimento das vagens), quando o déficit hídrico pode ocasionar forte queda de flores e vagens.

Os processos da evapotranspiração e da produção fotossintética são relacionados (Hanks & Rasmussen, 1982). A fotossíntese torna-se limitada quando ocorre déficit hídrico, devido ao fechamento dos estômatos e à redução em outras atividades da planta, como os processos de transporte, que permitem a disponibilidade de CO₂ para a fotossíntese e fornecem água para a evapotranspiração. Assim, a produção pode ser estimada como função da taxa de evapotranspiração.

Considerando-se essa premissa, este trabalho teve o objetivo de testar modelos agrometeorológicos de estimativa de produtividade para a cultura da soja na região de Ribeirão Preto (SP). Buscou-se relacionar a produtividade relativa com a evapotranspiração relativa nos diversos estádios fenológicos da cultura, visando à obtenção de modelos mais consistentes como suporte para os prognósticos de produtividade.

 

2. MATERIAL E MÉTODOS

2.1. Material

Dados fenológicos e de produtividade da cultura da soja foram obtidos de experimentos do programa de ensaios de épocas de semeadura, durante os anos agrícolas de 1983/84, 1984/85, 1989/90 e 1990/91, realizados pela Seção de Leguminosas do Instituto Agronômico (IAC) na Estação Experimental de Ribeirão Preto (lat.: 21^o12'S; long.: 47^o57'W e alt.: 621m). As épocas de semeadura variaram de setembro a janeiro e os cultivares utilizados, segundo o grupo de maturação (Miranda et al., 1985), foram: IAC-13 (precoce), IAC-12 (semiprecoce) e IAC-11 (médio) - Quadros 1 a 3.

 

 

 

 

 

 

O ensaio foi realizado em latossolo roxo eutrófico e, o delineamento experimental, de blocos casualizados com parcelas subdivididas, sendo as parcelas as épocas de semeadura e, as subparcelas, os cultivares. Cada parcela experimental continha seis linhas de 5 m de comprimento, espaçadas de 0,60 m, com densidade de vinte plantas por metro linear, e quatro repetições. Para efeito de amostragem, colheram-se apenas as duas linhas centrais de cada parcela. Os tratos culturais foram semelhantes em todos os anos agrícolas, efetuando-se os controles fitossanitários requeridos. Durante o ciclo de cada cultura, assinalaram-se as datas de semeadura; de início de florescimento (quando 50% das plantas tinham pelo menos uma flor); de colheita e a produtividade de grãos.

Os dados meteorológicos diários, relativos aos períodos considerados, foram obtidos no posto meteorológico do Centro de Ecofisiologia e Biofísica do Instituto Agronômico, situado aproximadamente a 500 m do local dos experimentos.

Consideraram-se quatro fases fenológicas para a cultura da soja, a saber: I: desenvolvimento vegetativo; II: florescimento; III: formação de vagem e enchimento de grãos e IV: maturação.

2.2. Métodos

Para a estimativa da disponibilidade hídrica durante o ciclo da cultura, utilizou-se o método do balanço hídrico de Thornthwaite & Mather (1955), tradicional na caracterização do fator hídrico: baseia-se no cotejo de duas curvas, uma referente à marcha da precipitação pluvial e, a outra, à evapotranspiração potencial (EP), que corresponde à precipitação ideal no período, de forma a não sobrar nem faltar água no solo para uso das plantas (Camargo, 1962). Foi utilizado um programa desenvolvido para microcomputador (Barbieri et al., 1991) para o cálculo do balanço hídrico seqüencial em escala decendial, com base nos dados das coordenadas geográficas e de precipitação pluvial e temperatura média do ar. O método estima a disponibilidade hídrica no período da cultura, como evapotranspiração potencial (EP) e real (ER), deficiência (DEF) e excedente (EXC) hídricos. A ER representa o suprimento de água e a EP, a necessidade da planta. Assim, a razão ER/EP é uma indicação do suprimento hídrico para a planta em relação à necessidade (Yao, 1969). A relação ER/EP inferior à unidade indica que a cultura foi submetida a estresse hídrico.

Considerou-se o valor de 100 mm como limite de água disponível no solo, em função das suas características (latossolo roxo eutrófico), conforme Alfonsi et al. (1990): capacidade de campo (31%), ponto de murcha permanente (21%) e densidade global do solo (1,1 g.cm^-3). A profundidade de exploração de 80% das raízes foi considerada como 90 cm, de acordo com Gandolfi et al. (1983).

2.3. Modelos agrometeorológicos de estimativa de produtividade

a) Modelo proposto por Doorenbos & Kassam (1979)

Esse modelo quantifica o efeito da falta de água disponível no solo sobre o decréscimo da produtividade potencial, e baseia-se na penalização da produtividade potencial da cultura em função da relação ER/EP, ocorrida durante o ciclo da cultura, de modo que:

onde: Yr é a produtividade estimada (kg.ha^-1); Yp, a produtividade potencial (kg.ha^-1); ER, a evapotranspiração real (mm); EP, a evapotranspiração potencial (mm) e ky, o coeficiente de penalização da produtividade por déficit hídrico, com valor de 0,85 para todo o ciclo.

b) Modelo aditivo desenvolvido por Stewart et al. (1976) e proposto por Doorenbos & Kassam (1979)

Esse modelo tem suas bases no anterior, porém leva em conta o somatório das relações ER/EP em nível decendial, reduzindo a produtividade à medida que as necessidades hídricas da cultura da soja deixam de ser satisfeitas durante os quatro estádios fenológicos considerados. Os coeficientes de penalização da produtividade por déficit hídrico (ky), para cada estádio fenológico, de acordo com Doorenbos & Kassam (1979) e Camargo et al. (1986), foram: desenvolvimento vegetativo (0,2); florescimento (0,8); enchimento de grãos (1,0) e maturação (0,2), de forma que:

onde S significa somatório e ky_i, o coeficiente de penalização da produtividade por déficit hídrico para cada estádio fenológico.

c) Modelo multiplicativo com base em Doorenbos & Kassam (1979) e proposto por Rao et al. (1988)

Este modelo fundamenta-se no anterior, porém considera o produtório das relações ER/EP em nível decendial, reduzindo a produção à medida que as necessidades hídricas da cultura da soja deixam de ser satisfeitas durante os estádios fenológicos considerados. Os valores de ky utilizados durante esses estádios da cultura da soja foram os mesmos do modelo aditivo.

onde P significa produtório.

d) Modelo multiplicativo baseado em Doorenbos & Kassam (1979) e modificado por Camargo et al. (1986)

Um fator relacionado à penalização para excedentes hídricos, denominado fator excedente (fe) foi proposto por Brunini et al. (1982) e adotado por Camargo et al. (1986) para a cultura da soja. Sua inclusão tende a melhorar o desempenho do modelo multiplicativo de Doorenbos & Kassam (1979), visto que períodos com excesso de chuva, especialmente durante o florescimento até a maturação, resultam em considerável redução na produtividade de grãos (Fukui & Ojima, 1957). O modelo é:

onde os valores de ky foram os mesmos do 2 e do 3 e ke, o coeficiente de penalização da produtividade por excedente hídrico, proposto por Camargo et al. (1986), com valor de 0,0 para o estádio do desenvolvimento vegetativo e de 0,1 para o de florescimento, formação de vagem e enchimento de grãos e maturação. O fator excedente (fe) é a relação entre o excedente do balanço hídrico (EXC) e a EP em períodos decendiais, da seguinte forma:

A única condição é que o EXC seja superior ou igual à EP. Quando a EP for maior que o EXC, o fe será igual à unidade, independentemente do resultado (Brunini et al., 1982).

2.4. Produtividade potencial

A produtividade potencial dos cultivares de soja foi estimada por meio de modelo matemático proposto por Camargo et al. (1988). É uma função matemática que ajusta dados de produtividade potencial dos cultivares estudados em função de diferentes épocas de semeadura, específico para a região de Ribeirão Preto - Figura 1.

 

Figura 1. Produtividade potencial estimada em função de épocas de semeadura, para os três cultivares de soja, IAC-13, IAC-12 e IAC-11, na região de Ribeirão Preto (SP). (Fonte: Camargo et al., 1988).

 

2.5. Avaliação do desempenho

Para a avaliação do desempenho dos modelos, utilizaram-se análises de regressão, envolvendo coeficientes de determinação (R²) e o índice d (de concordância), proposto por Willmott et al. (1985). Quando se relacionam, pela regressão, valores estimados com valores observados, podem-se obter informações da precisão e da exatidão, que, conjuntamente, indicam a consistência dos dados estimados com os medidos. A precisão, ou seja, o grau de dispersão dos valores em torno da média, dada pelo coeficiente de determinação, indica apenas o grau de dispersão dos dados obtidos, o erro aleatório, não considerando o sistemático. O índice d quantifica numericamente a exatidão, sendo um coeficiente de concordância (Willmott et al., 1985). Também mostra como o modelo simula os valores observados, refletindo, numa escala de 0 a 1, o grau do desvio da linha 1:1 em uma figura, o quanto a inclinação da linha de regressão difere de 1 e a linha de interceptação de zero.

O modelo de avaliação de Willmott et al. (1985) fornece também outras importantes informações, como o erro sistemático (Es) e o não sistemático (aleatório) (Ea) dos componentes do erro absoluto médio (EAM), que é a medida de magnitude média das diferenças entre os valores estimados e observados.

 

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Duração dos estádios fenológicos

O ciclo total do cultivar IAC-13 foi de 90 a 125 dias; o do 'IAC-12', de 100 a 135 dias e o do 'IAC-11', de 110 a 155 dias. De modo geral, o estádio fenológico do florescimento variou, para os três cultivares, de 20 a 30 dias, e o estádio da formação da vagem e enchimento de grãos, de 30 a 45 dias. Essas informações foram consideradas na elaboração dos balanços hídricos e dos modelos agrometeorológicos de estimativa de produtividade.

3.2. Balanços hídricos e produtividade observada

Pelos extratos dos balanços hídricos climatológicos decendiais, referentes aos anos agrícolas 1983/84, 1984/85, 1989/90 e 1990/91 - Figura 2 - é possível observar períodos com deficiências e excedentes hídricos e suas intensidades durante todo o ciclo da cultura e, assim, relacioná-los com eventuais quebras de produtividade.

 

Figura 2. Extratos dos balanços hídricos referentes aos anos agrícolas 1983/84 (A), 1984/85 (B), 1989/90 (C) e 1990/91 (D).

 

O ano agrícola de 1983/84 apresentou períodos com altos excedentes hídricos durante outubro, novembro e dezembro, porém ocorreram períodos com deficiências hídricas em janeiro e fevereiro de 1984. Essas condições coincidiram com os períodos fenológicos críticos da cultura, as quais provocaram reduções na produtividade observada, especialmente nas semeaduras, a partir de meados de outubro, com valores médios de 2.100 kg.ha^-1 para os três cultivares.

No ano agrícola de 1984/85, houve ocorrência de decêndios com deficiência hídrica acentuada, sobretudo em outubro e início de novembro e ausência de períodos com deficiência hídrica em dezembro e janeiro. Essas condições propiciaram produtividade média em torno de 2.400 kg.ha^-1.

O ano agrícola de 1989/90 apresentou similaridade com o de 1984/85, porém com menores deficiências e excedentes hídricos, resultando em produtividade maior, em torno de 3.600 kg.ha^-1 para os três cultivares.

Acentuadas deficiências hídricas de outubro a início de dezembro caracterizaram o ano agrícola de 1990/91, que ainda apresentou elevados valores de excedentes hídricos de janeiro a abril, o que induziu a produtividade média de 2.800 kg.ha^-1.

Os valores médios das relações de ER/EP e fe ocorridos nos quatro estádios fenológicos considerados em função das diferentes épocas de semeadura, encontram-se nos Quadros 1 a 3. Os valores de ER/EP apresentaram variabilidade de 0,71 a 1,00 para o estádio do desenvolvimento vegetativo (I); de 0,80 a 1,00 para o estádio de florescimento (II); de 0,81 a 1,00 para o de formação de vagem e enchimento de grãos (III) e 0,72 a 1,00 para o da maturação (IV). Já os valores de fe apresentaram amplitudes mais elevadas, variando de 0,32 a 1,00 para o estádio II; de 0,39 a 1,00 para o III e de 0,49 a 1,00 para o IV. As amplitudes para os valores de ER/EP e fe foram semelhantes quando comparadas entre os três cultivares, sendo a do 'IAC-13' ligeiramente superior.

3.3. Teste dos modelos

De maneira geral, o desempenho dos modelos apresentou tendência de superestimativa da produtividade, sobretudo para os cultivares de ciclo mais longo (IAC-12 e IAC-11). Para o 'IAC-13', de ciclo precoce, esta tendência foi mais discreta - Figuras 3 a 5.

 

Figura 3. Produtividade observada e estimada pelos modelos 1, 2, 3 e 4 para o cultivar IAC-13

 

 

Figura 4. Produtividade observada e estimada pelos modelos 1, 2, 3 e 4 para o cultivar IAC-12

 

 

Figura 5. Produtividade observada e estimada pelos modelos 1, 2, 3 e 4 para o cultivar IAC-11

 

Os coeficientes de determinação (R²) e índice (d) de concordância (Willmott et al., 1985), bem como outras informações relevantes, como erro absoluto médio (EAM), erro sistemático (Es) e aleatório (Ea) encontram-se no Quadro 4: os desempenhos dos quatro modelos testados apresentaram valores relativamente altos de R² e índice d, especialmente o modelo 4, com dados de R² superiores a 0,69 e índices d superiores a 0,84. Analisando-se os erros EAM, Es e Ea, notaram-se valores menores nos modelos que consideram coeficientes de penalização da produtividade por déficit hídrico (ky) distintos para cada estádio fenológico, quando da comparação com o modelo 1, que considera um único coeficiente para todo o ciclo da cultura. No teste do modelo 1, os erros estiveram, de maneira geral, muito elevados, com valores de EAM superiores a 640 kg.ha^-1 e de Ea muito superiores aos de Es. Os modelos 2 e 3 apresentaram desempenhos semelhantes entre si, tanto em valores de R² e índice d quanto em relação aos valores dos erros. O modelo 4 apresentou erros sensivelmente menores, especialmente para o sistemático (Es) e o não sistemático (Ea).

 

 

Entre os cultivares, notou-se uma redução nos valores dos erros absolutos médios do 'IAC-13', de ciclo precoce, quando comparados com os demais, principalmente com o 'IAC-11', de ciclo médio. O modelo 4, que considera o fator de penalização para excedentes hídricos, apresentou as melhores estimativas, com os menores valores dos erros para os três cultivares, especialmente para o 'IAC-13'. Esses resultados sugerem que os modelos se ajustam melhor aos grupos de maturação precoce e semiprecoce.

 

4. CONCLUSÕES

1. Os modelos agrometeorológicos testados apresentaram desempenhos satisfatórios na estimativa da produtividade para os três cultivares de soja testados.

2. As estimativas de produtividade baseadas nos modelos aditivo (2) e multiplicativo (3), de Doorenbos & Kassam (1979), apresentaram desempenhos semelhantes.

3. O modelo agrometeorológico 4, que também considera penalização da produtividade por excedente hídrico, apresentou desempenho superior, com as melhores estimativas de produtividade e menores valores dos erros, quando comparado aos demais.

4. Os modelos testados revelaram os menores erros na estimativa da produtividade para o cultivar do grupo de maturação precoce (IAC-13).

 

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⁽¹⁾ Parte da dissertação do primeiro autor, apresentada como requisito para a obtenção do grau de Mestre em Agrometeorologia (ESALQ/USP). Recebido para publicação em 13 de fevereiro e aceito em 14 de setembro de 1998.

⁽²⁾ Centro de Ecofisiologia e Biofísica, Instituto Agronômico (IAC), Caixa Postal 28, 13001-970 Campinas (SP).

⁽³⁾ Centro de Plantas Graníferas, IAC.

⁽⁴⁾ Núcleo de Agronomia da Alta Mogiana, IAC.

⁽⁵⁾ Bolsista CAPES.

⁽⁶⁾ Com bolsa de produtividade em pesquisa do CNPq.