TEOR DE POTÁSSIO NA SOLUÇÃO DO SOLO COM USO DA TÉCNICA DE REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DO TEMPO 1 RESUMO

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1 Irriga, Botucatu, v. 1, n. 4, p , novembro-dezembro, 5 ISSN TEOR DE POTÁSSIO NA SOLUÇÃO DO SOLO COM USO DA TÉCNICA DE REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DO TEMPO Tibério Santos Martins da Silva 1 ; Eugênio Ferreira Coelho 2 ; Vital Pedro da Silva Paz 3 ; Lucas Melo Vellame 1 ; Gessionei da Silva Santana 4 1 Universidade Federal da Bahia, Cruz das Almas, BA tibério_s@hotmail.com 2 Embrapa Mandioca e Fruticultura, Cruz das Almas, BA 3 Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal da Bahia, Cruz das Almas, BA 4 Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG 1 RESUMO A avaliação do teor de íons no solo no manejo da fertirrigação é complexa devido a dificuldade de obtenção em tempo real e com o mínimo de alterações na estrutura do solo. Este trabalho teve como objetivo estimar o teor de potássio na solução do solo, a partir de modelos matemáticos ajustados, em função da condutividade elétrica da solução do solo (CEw) coletada por extrator de solução, da umidade (θ) e da condutividade elétrica aparente do solo (CEa) obtidas por um equipamento de reflectometria no domínio do tempo (TDR). Os modelos estimaram razoavelmente a Cew e a reflectometria no domínio do tempo mostrou-se adequada para o monitoramento da concentração de potássio na solução do volume de solo molhado. UNITERMOS: TDR. SILVA, T. S. M. da.; COELHO, E. F.; PAZ, V. P. da. S.; VELLAME, L. M.; SANTANA, G. da. S.; POTASSIUM CONCENTRATION IN SOIL SOLUTION USING TIME DOMAIN REFLECTOMETRY TECHNIQUE 2 ABSTRACT The evaluation of ion concentration in the soil under fertirrigation is complex due to the difficulty of obtaining it in real time, with a minimum of soil disturbance. This work aimed to estimate potassium concentration in soil solution as a function of soil solution electrical conductivity (CEw) collected by using water sampler, soil water content (θ) and bulk electrical conductivity (CEa) obtained using a time domain reflectometry equipment (TDR). The models estimated reasonably CEw and time domain reflectometry was suitable for potassium concentration monitoring of wet soil volume solution. KEYWORDS: TDR. 3 INTRODUÇÃO A fertirrigação está se estabelecendo, principalmente, devido a sua praticidade, redução de mão de obra e potencialização do uso de fertilizantes. No entanto, são importantes os estudos relacionados ao monitoramento dos íons no solo, para orientar o manejo da fertirrigação, que deverão permitir correções no processo de adubação via água de irrigação e contribuir na avaliação dos impactos ambientais decorrentes do uso indiscriminado de produtos químicos. O monitoramento dos íons a partir de análise do solo tem o inconveniente da necessidade de amostras destrutivas e demora dos resultados. A metodologia de obtenção do extrato de saturação a Recebido em 2/12/4 e aprovado para publicação em 4/8/5

2 394 Teor de potássio na solução do solo com uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo partir de amostras não representa o estado iônico do solo em tempo real. O monitoramento de íons com o extrator de solução permite a repetição de leituras no mesmo local de amostragem, mas contempla apenas as regiões com a água retida a potenciais mais altos. A solução coletada num extrator corresponde àquela que entra na cápsula durante o tempo suficiente para se obter uma quantidade para análise química, cujo resultado representa a solução em um dado período de tempo e não do momento da coleta. A Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) tem se mostrado como uma ferramenta eficiente para realizar a medida simultânea da umidade (θ) e da condutividade elétrica aparente do solo (CEa) em tempo real e com o mínimo de perturbações na estrutura do solo. A condutividade elétrica aparente do solo (CEa) varia com a condutividade elétrica da superfície das partículas do solo (CEs) e com o teor de umidade (θ), que, por sua vez interfere na condutividade elétrica da solução do solo (CEw) e no volume de poros ocupado com ar. É necessário, no entanto, viabilizar o uso desta técnica para possibilitar estudos de monitoramento de íons no solo, o que pode ser obtido relacionando-se CEa com CEw, θ e a concentração do íons na solução. Existem modelos que estimam CEa com boa margem de segurança a partir dos valores de θ e CEw como visto nas equações de Rhoades et al (1976), Nadler et al. (1984), Vogeler et al. (1996), revistas por Muñoz-Carpena et al. (1) e Wraith et al. (1998). A literatura tem apresentado poucos trabalhos com uso da solução coletada em extratores para determinação de níveis de nutrientes no solo (SILVA et al., 3). A complexidade do solo, quanto à dinâmica do estado iônico é o maior limitante no uso dessa metodologia, entretanto, tem sido mostrado que com uma calibração adequada ela pode ser usada, facilitando o monitoramento da fertirrigação. Relação entre a condutividade elétrica da solução do solo e teores de alguns nutrientes foram avaliados por Muñoz-Carpena et al. (1), trabalhando com aplicação de KBr e Mmolawa et al () com o KNO 3. Estes autores obtiveram elevados coeficientes de determinação dos modelos que relacionaram CEw com Br (MUÑOZ-CARPENA et al., 1) e com NO 3 (MMOLAWA et al, ). Este trabalho teve como objetivo a estimativa da concentração de potássio na solução do solo, a partir de modelos matemáticos, em função da condutividade elétrica da solução (CEw) e da umidade do solo (θ) determinadas por reflectometria no domínio do tempo. 4 MATERIAL E MÉTODOS O experimento foi realizado no Laboratório de Irrigação da Embrapa Mandioca e Fruticultura em Cruz das Almas-BA, no período de março de 3 a maio de 4. Esta metodologia considera o estado químico inicial do solo e não assume que o mesmo é inerte. Desta forma, ela deve ser repetida para solos de características diferentes. O trabalho foi desenvolvido utilizando-se amostras de solo deformadas retiradas de um Latossolo Amarelo Distrófico, com as seguintes características físicas: areia total 444 g kg -1, silte 131 g kg -1, argila 425 g kg -1, densidade do solo de 1,34 kg dm -3, densidade de partículas 2,55 kg dm -3 e porosidade total,38 m 3 m -3. A umidade referente ao potencial de -1 kpa foi de,2157 kg kg -1 e a umidade referente a -15 kpa foi de,1276 kg kg -1. O solo destorroado e secado ao ar foi passado em peneira de dois milímetros e colocado em tubos de PVC com,1 m de diâmetro e,19 m de altura, sendo compactado até alcançar a densidade aparente de 1,34 kg dm -3. As colunas de solo depois de preparadas foram regadas com soluções de cloreto de potássio, de forma a se conseguir seis níveis de umidade, correspondentes a 15, 3, 45,, 75 e 9% da água disponível e seis níveis de condutividade elétrica:,2;,8; 1,4; 2,; 2,6; 3,2 ds m -1. Após 24 horas da aplicação das soluções, foram realizadas leituras simultâneas de θ e CEa utilizando-se uma sonda de TDR com três hastes de,1 m de comprimento, construída conforme Vellame et al. (3), conectada a um analisador de umidade TDR (CAMPBELL Co.). Após as leituras, um extrator de solução foi introduzido no mesmo local de inserção da sonda, sendo aplicada uma tensão de -7 kpa ao mesmo com uso de uma bomba de vácuo manual. Esperou-se o tempo

3 Silva et al 395 necessário para se extrair uma quantidade de solução de 15 ml para a determinação da CEw e concentração de potássio no laboratório de química do solo. Durante o procedimento de leitura, a temperatura do solo foi medida com um termopar de cobre-constantan ligado a um datalogger. Os dados de CEa e θ lidos pela TDR e os dados de CEw medidos no laboratório foram agrupados para os ajustes dos modelos por otimização com uso de planilha eletrônica. Os valores de CEa foram corrigidos para a temperatura de 25 o C, conforme metodologia do U. S. Salinity Laboratory Staff (1954). A estimativa de CEa seguiu os modelos de Rhoades et al. (1976), Vogeler e Clothier (1996) e Nadler et al. (1984), recomendados por Silva et al. (3), para as condições do solo em estudo, de acordo com o Quadro 1. Quadro 1. Equações que relacionam CEw, CEa e θ. Modelo Equação 2 CEa = aθ + b CEw + CEa= cθ d CEw + aθ b Rhoades et al. (1976) ( ) CEs Vogeler e Clothier (1996) ( ) ( ) Nadler et al. (1984) CEw = FT ( CEa CEs) F( θ ) Em que: CEa = Condutividade elétrica aparente do solo (ds m -1 ); CEs = Condutividade elétrica das partículas do solo (ds m -1 ); Cew = Condutividade elétrica da solução do solo (ds m -1 ); θ = Conteúdo volumétrico de água no solo (m -3 m -3 ); Ft = Correção da temperatura para 25 o C; F(θ) = Tortuosidade do fluxo de corrente elétrica; a, b, c,. d = Parâmetros empíricos. Para relacionar a condutividade elétrica da solução (CEw) com a concentração de potássio (K), foram ajustados os modelos matemáticos na forma direta e inversa apresentados a seguir, tomados a partir de trabalhos de Muñoz-Carpena et al. (1) e Mmolawa et al () para posterior análise daquele com melhor adequação no estudo: Modelo 1: CEw = ak + b Modelo 2: K = 1/a(CEw-b) Modelo 3: CEw = ak b Modelo 4: K = (CEw/a) 1/b Os modelos propostos neste trabalho para estimativa do teor de K a partir de dados de CEa e θ fornecidos pela TDR, são resultantes das equações apresentadas no Quadro 1 e do modelo que melhor estima CEw em função de K, acima representados. No Quadro 2 têm-se os modelos para estimativa de K, obtidos pela substituição dos modelos linear e potencial que estimam CEw (Modelo 1, Modelo 3) nos modelos de Rhoades et al (1976), Vogeler et al. (1996) e Nadler et al. (1984). Quadro 2. Estimativa de K a partir da substituição dos modelos linear e potencial de estimativa de CEw, nos modelos de Rhoades et al. (1976), Vogeler et al. (1996) e Nadler et al. (1984). Modelo Substituição Rhoades et al. (1976) + (CEw = ak + b) K = [ c( CEa CEs) aθ bθ ] 2 d K = e CEa aθ b cθ d Vogeler et al. (1996) + (CEw = ak + b) { [ ( )] ( )} f Vogeler et al. (1996) + (CEw = ak b ) K = { e[ CEa ( aθ b) ] ( cθ d) } f Nadler et al. (1984) + (CEw = ak + b) K = c[ Ft( CEa Ft CEs) θ ( aθ + b) ] d Nadler et al. (1984) + (CEw = ak b ) K = { c[ Ft( CEa Ft CEs) θ ( aθ + b) ]}

4 396 Teor de potássio na solução do solo com uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo Os dados de teor de K das soluções retiradas das colunas de solo e os valores de CEa e θ obtidos pela TDR, foram agrupados para ajuste de modelos, com uso da planilha eletrônica Excel. Os valores de CEw e K das colunas de solo obtidos em laboratório e estimados pelos modelos foram avaliados qualitativamente quanto à precisão, pelo coeficiente de determinação do modelo e pelos desvios percentuais entre os dados obtidos e os estimados. Quanto à exatidão, verificou-se o coeficiente angular do gráfico Y = AX, onde quanto mais próximo de 1, ou a função ajustada estiver da reta 1:1, maior é a exatidão do modelo. 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 mostra os modelos para estimativa de CEw como função de K, da solução do solo, e os modelos inversos, isto é, para determinação de K como função de CEw, seus respectivos coeficientes de determinação e os desvios percentuais dos valores da variável dependente estimada e observada. Nesta tabela, tanto os modelos lineares como os potenciais para estimativa de CEw e K não diferenciaram entre si quanto aos coeficientes de determinação e aos desvios percentuais. Tabela 1. Modelos ajustados para estimativa da concentração de potássio (K) e da condutividade elétrica da solução do solo (CEw) e seus respectivos coeficientes e desvios percentuais. Modelo Coeficientes a 1/a b 1/b r 2 Desv. (%) CEw = ak + b,17,114,856 15,8 ± 12,2 K = 1/a(CEw-b) 5,24 -,4,856 16,7 ± 9,1 CEw = ak b,33,868,856 15,8 ± 11,3 K = (CEw/a) 1/b,21 1,12,856 16,7 ± 8,8 A Figura 1 apresenta gráficos do tipo Y = AX que relacionam a CEw estimada pelo modelo com o valor medido com o condutivímetro, indicando qualitativamente a exatidão dos modelos pelo coeficiente angular. Nesta figura, pode-se ver que os modelos linear e potencial apresentaram coeficientes angulares iguais a,9764 e,9765, respectivamente. Esses valores indicam que estes dois modelos apresentam quase a mesma exatidão em estimar a CEw. 2, 1, y =,9764x r2 =,834 CEw modelo (ds m -1 ) 1,,, (a),,,, 1, 1, 2, CEw (ds m -1 )

5 Silva et al 397 2, 1, y =,9765x r2 =,832 CEw modelo (ds m -1 ) 1,,, (b),,,, 1, 1, 2, CEw (ds m -1 ) Figura 1. Valores de CEw estimados pelo modelo (a) linear e (b) potencial, em função dos valores medidos com o condutivímetro. Seguiu-se com a mesma análise com os modelos que estimam a concentração de K (Tabela 1 e Figura 2). Estes também não apresentaram diferença entre si quanto à precisão e a exatidão das estimativas. Isso demonstra que os modelos podem ser usados na determinação do teor de potássio na solução do solo, abrindo caminho para estudos que irão determinar as faixas ideais de concentração de K com base na CEw, para as diversas culturas em todas as suas fases fenológicas e tipos de solo. 1 y =,9733x r2 =,839 (a) 1

6 398 Teor de potássio na solução do solo com uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo 1 y =,9733x r2 =,8376 (b) 1 Figura 2. Valores de K estimados pelo modelo (a) linear e (b) potencial, em função dos valores medidos com o condutivímetro. A Tabela 2 mostra os coeficientes de determinação e os desvios percentuais entre os valores medidos e as estimativas pelos modelos que estimam a concentração de K a partir dos dados de CEa e θ. Verifica-se que os modelos de Rhoades et al. (1976), Vogeler et al. (1996) e Nadler et al. (1984) apresentados no Quadro 2, praticamente não diferiram em precisão quanto aos valores de coeficiente de determinação e desvios percentuais. Tabela 2. Coeficientes e os desvios percentuais dos modelos ajustados em laboratório para estimativa da concentração de K. Modelo Coeficientes a b c d e F CEs r 2 Desv. (%) Rhoades et al (1976) + -5,52-1,2-23,69-26,79,26,839 ± 14 linear Vogeler et al. (1996) + -,13-56,54 -,28-1,85 332,2 25, 64,48 756,8 4878, 6-2,45,838,923 19,7 ± 14 linear -17,72 3, ,79 81,81 22,9,26,837 12,4 ± 9 Vogeler et al. (1996) + pot.,15,15-75,99 1,81,4,851,4 ± Nadler et al (1984) + linear 1,27 14 Nadler (1984) + pot. 16,4 ± 12 Nas Figuras 3, 4 e 5 os coeficientes de determinação e coeficiente angular do gráfico tipo Y = AX também apresentaram pequenas diferenças indicando semelhança entre a precisão e a exatidão, respectivamente. O modelo de Rhoades et al. (1976) combinado com o modelo potencial de estimativa de CEw, não alcançou ajuste satisfatório, porém, o modelo de Vogeler et al. (1996) e Nadler et al. (1984) combinados com o mesmo modelo apresentaram resultados superiores àqueles obtidos com o modelo linear (Tabela 2, Figuras 3 e 4).

7 Silva et al y =,9649x r2 =,57 (a) 1 1 y =,9789x r2 =,9113 (b) 1 Figura 3. Ajuste da função Y=AX aos dados de concentração de K estimado e medido com os modelos de (a) Vogeler et al. (1996) em junção com o modelo linear e (b) Vogeler et al. (1996) em junção com o modelo potencial. De todos os modelos estudados, o de Vogeler et al. (1996) combinado com o modelo potencial de estimativa de CEw, apresentou melhor ajuste entre os dados obtidos e estimados de concentração de K, ou seja, maior coeficiente de determinação e coeficiente angular mais próximo da unidade no gráfico do tipo Y = AX (Figura 3, 4 e 5), e menor desvio percentual (Tabela 2).

8 Teor de potássio na solução do solo com uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo A exceção do modelo de Rhoades et al. (1976) combinado com o modelo potencial, todos os demais podem ser utilizados para o solo em estudo, com uma boa margem de segurança 1 y =,9829x r2 =,7993 (a) 1 1 y = 1,317x r2 =,8562 (b) 1 Figura 4. Ajuste da função Y=AX aos dados de concentração de K estimado e medido com os modelos de (a) Nadler et al. (1984) em junção com o modelo linear e (b) Nadler et al. (1984) em junção com o modelo potencial.

9 Silva et al 1 1 y =,965x r2 =,63 1 Figura 5. Ajuste da função Y=AX aos dados de concentração de K estimado e medido com o modelo de Rhoades et al (1976) em junção com o modelo linear Os resultados do presente trabalho demonstram a viabilidade de uso da TDR em estimar o teor de potássio na solução do solo em tempo real. A sucção das soluções com os extratores foi feita com o solo na faixa de umidade entre o ponto de murcha e a capacidade de campo e um pouco acima deste, que é a faixa de umidade requerida para a maioria das culturas cultivadas, o que aumenta a confiabilidade dessa metodologia. 6 CONCLUSÕES 1. 1.Os modelos linear e potencial podem estimar a CEw em função do K, com uso da TDR; 2. Não houve diferença entre os modelos linear e potencial na estimativa de CEw em função de K ; 3. A exceção do modelo de Rhoades et al. (1976), combinado com o modelo potencial, todos os demais podem ser utilizados para o solo em estudo, para estimar a concentração do potássio na solução do solo, com uso da TDR. 4. O monitoramento do K no volume molhado de solo sob fertirrigação pode ser feito com uso da TDR desde que sejam definidos os modelos de estimativa do K em função da CEa e da umidade. 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MMOLAWA K., OR D. Root zone solute dynamics under drip irigation: a review. Plant and Soil, Dordrecht, v. 222, n. 1, p ,.

10 2 Teor de potássio na solução do solo com uso da técnica de reflectometria no domínio do tempo MUÑOZ-CARPENA, R. et al. Determinación simultánea mediante tdr del transporte de agua y un soluto salino en el suelo. In: JORNADAS SOBRE INVESTIGACION EN ZONA NO SATURADA, 5., 1, Anais Pamplona: Universidade Pública de Navarra, 1, P. 1-7,. NADLER, A.; FRENKEL, H.; MANTELL, A. Applicability of the four-probe technique under extremely variable water contents and salinity distribution. Soil Science Society America Journal, Madison, v.48, n. 6, p , RHOADES, J.D.; RAATS, P.A.; PRATHER, R.J. Effects of liquid phase electrical conductivity, water content, and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity. Soil Science Society America Journal, Madison, v., n. 5, p , SILVA, T. S. M., et al. Parâmetros para monitoramento da distribuição de ions no solo com uso de reflectometria no domínio do tempo. In: I CONGRESSO BRASILEIRO DE FERTIRRIGAÇÃO - COMBRAFERTI, 1., 3, João Pessoa. U. S. SALINITY LABORATORY STAFF. Diagnosis and improvement of saline and alkali soils: Washington, p. (United State Depatartment of Agriculture Handbook, ) VELLAME, L. M.; et al. Guias de ondas para estimativa da umidade do solo pela TDR com uso de multiplexadores. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 33, 3, Goiânia. Anais... Goiânia: SBEA, 3. 1 CD ROON. VOGELER, I. et al. Characterizing water and solute movement by time domain reflectometry and disk permeametry. Soil Science Society America Journal, Madison, v., n. 1, p. 5-12, WRAITH, J.; DAS, B.S. Monitoring soil water and ionic solute distributions using time domain reflectometry. Soil and Tillage Research, Amsterdan, v. 47, n. 1, p