Uso racional de recursos naturais não renováveis na agricultura: aspectos biológicos, econômicos e ambientais

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1 Universidade Federal de Viçosa Centro de Ciências Agrárias Departamento de Zootecnia Uso racional de recursos naturais não renováveis na agricultura: aspectos biológicos, econômicos e ambientais Prof. Rogério de Paula Lana, Ph. D. DZO/UFV Viçosa/MG/Brasil Bolsista 1B do CNPq rlana@ufv.br

2 Introdução Com o crescimento populacional, há uma demanda crescente de produção de alimentos e de fontes alternativas de energia de origem vegetal em substituição ao petróleo. O aumento da produtividade animal e de plantas está causando excessiva utilização dos recursos naturais não renováveis e a poluição ambiental.

3 Reservas mundiais de fertilizantes Fosfato: 40 a 100 anos. Potássio: 50 a 200 anos. Cobre e zinco: 60 anos. Manganês: 35 anos. Selênio: 55 anos.

4 Exploração do petróleo conforme previsão da curva de Hubbert Dr. Marion King Hubbert

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7 O uso dos recursos naturais não renováveis segue a curva de Hubbert? O fenômeno observado quanto à exploração de petróleo se aplica: Ao uso de fertilizantes? Uso do solo e da água? Produção de alimentos? 10 Taxa de exploração Blackout Tempo Fig.1 - Curva de Hubbert de exploração dos recursos naturais não renováveis e curva alterada pela manutenção artificial do pico de produção.

8 Clube de Roma - The limits to growth Após o pico de exploração, se não houver novas reservas a serem descobertas, alternativas para se produzir mais alimentos sem depender dos recursos vigentes, ou racionalização da exploração com base na eficiência de uso destes recursos, conseqüências catastróficas podem ocorrer com a humanidade.

9 Clube de Roma - The limits of growth By Donella H. Meadows, Dennis l. Meadows, Jorgen Randers

10 População Crescimento cumulativo Taxa de crescimento 0 2 4Tempo Taxa de exploração Blackout Tempo Fig. 2. Crescimento populacional (cumulativo e taxa de crescimento) em função do tempo.

11 População Limitação pelo substrato e/ou produto Limitação pelo substrato 0 2 4Tempo Emissão de CO2 de comb fóssil Fig.3. Curva de crescimento dos seres vivos em função da saturação pela limitação de nutrientes (desnutrição) e/ou poluição ambiental (produto do metabolismo). Science 24 April 1998: v.280, n.5363, p.499. DOI: /science h

12 Modelos de respostas biológicas aos nutrientes: uma solução? Modelo de Michaelis-Menten (Michaelis & Menten, 1913) saturação cinética. Modelo de Lineweaver-Burk : 1/Y = a + b * (1/X) 1/GDP (kg/animal/dia) 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 y = 0,26x + 1,33 r 2 = 0,97 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1/Suplemento (kg/animal/dia) onde: Y = respostas dos animais (GDP, leite) e da pastagem (disp. MS verde, taxa de lotação e GDP). a = intercepto, b = coeficiente da regressão linear, X = quantidade de nutriente (kg suplemento/animal/dia ou kg N/ha/ano) Permitem melhorar a eficiência de uso de nutrientes, manter a produção e conservar os recursos naturais não renováveis para as gerações futuras. GDP (kg/animal/dia) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 GDPobs GDPest GDPobs B 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 Suplemento (kg/animal/dia)

13 Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Carl Sprengel (1826 e 1828) e Liebig (1840): Lei do mínimo Resposta linear ascendente e platô na produção pelo aumento do fator limitante. * Mitscherlich (1909): equação exponencial com rendimento máximo assintótico e nível ótimo econômico de fertilização, baseado na relação benefício-custo. Liebig Mitscherlich

14 Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Michaelis e Menten (1913): modelo de cinética enzimática. Maud Menten Michaelis * Lineweaver e Burk (1934): cálculo das constantes Ks (b/a) e Vmax (1/a). Dean Burk Krebs

15 Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Monod (1949) e Russell (1984): crescimento microbiano saturação cinética. Monod J.B. Russell * Lana et al. (2005): Livestock Prod. Sci., v.98, p , Crescimento de plantas e animais saturação cinética.

16 Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em plantas * Inúmeros modelos empíricos têm sido utilizados para predizer as respostas aos nutrientes: - Mitscherlich - Raiz quadrada - Exponencial - Linear-mais-platô - Linear-mais-hipérbola - Quadrático - Quadrático-mais-platô

17 Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em plantas * O uso da cinética de saturação tem sido raramente empregado (Morgan et al., 1975). O modelo permite calcular: - As respostas aos diferentes níveis de nutrientes. - A relação benefício-custo. - A eficiência de uso de nutrientes. - A racionalidade de uso dos recursos não renováveis. - Conscientização sobre a poluição ambiental.

18 Os modelos de saturação cinética (Michaelis-Menten e de Lineweaver- Burk) podem ser uma solução racional para os problemas apontados na publicação The limits of growth pelo Clube de Roma em 1972?

19 Produção (x kg/ha) Fertilizante (kg/ha) A 1/produção (x kg/ha) /fertilizante (kg/ha) B Eficiência (kg de grãos/kg. de fertilizante) Fertilizante (kg/ha Fig.5 Equação Símbolo Intercepto (a) Coeficiente (b) r 2 k s k max 1 O 0, ,789 1, ,2 2 0, ,591 1, ,1 3 0, ,894 1, ,4 4 0, ,483 1, ,1 Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p

20 Produção (x kg/ha) Fertilizante (kg/ha) A Fig.6 Eficiência (kg de grão/kg de fertilizante) Fertilizante (kg/ha) Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p.75. B SCIENCE VOL JUNE 2009

21 Produto Fertilizante Kg/ha/ano Segundo fator 1 Intercepto (a) Coeficiente (b) r 2 k s k max Fonte de dados Soja P 2 O 5-0, ,766 1, , , ,198 1, ,4 1 Soja P 2 O 5-0, ,524 0, , ,3801 8,2987 0, ,6 2 Soja P 2 O 5-0,3103 3,6726 0, , ,2535 3,9962 0, ,9 2 Trigo P 2 O 5-0, ,48 1, , , ,0 1, ,1 1 Alg. K 2 O - 0,622 4,6865 0,91 7,5 1, ,3284 2,7052 0,97 8,2 3,0 1 1 Calcário: sem (-) ou com(+). Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p.76.

22 Futuro sobre o uso dos fertilizantes O conhecimento sobre a eficiência de utilização de fertilizantes na agricultura Decisões políticas Uso racional com máxima eficiência e com o mínimo de efeitos negativos no meio ambiente.

23 Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em bovinos GDP (kg/animal/dia) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 (1,5:1) (7,0:1) (40:1) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Suplemento (kg/animal/dia) GDP, kg/animal/dia 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 Suplemento, kg/animal/dia Fig.7 - Ganho de peso de bovinos em crescimento a pasto na seca, em função consumo diário de concentrado (Lana et al., 2005, Lana, 2007a).

24 Fig.8 - Produção de leite (A) e eficiência de uso de concentrado (B) em função do consumo de concentrado (Pimentel, Lana et al., 2006b, 2006c; Teixeira, Lana et al., 2006). Leite, kg/animal/dia Exp1 Exp2 Exp3 A Eficiência, kg leite/ kg concentrado 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Exp1 Exp2 Exp3 B Concentrado, kg/animal/dia Concentrado, kg/animal/dia

25 Fig. 9 * A: Ganho de peso de novilhos em pastagens, observado e estimado pelo nível 1 do NRC (1996) em função do consumo de EM e PM no suplemento. * B: Produção de leite observ (média da Fig.3A) e estim pelo CNCPS 5.0 (Fox et al., 2003) e NRC (2001) em função dos consumos de EM ou ELl, e PM (B). 1,5 GDP observado A 20 Leite obs B GDP (kg/animal/dia) 1,2 0,9 0,6 0,3 GDP f (EM) GDP f (PM) Leite (kg/vaca/dia) Leite est 0 0 0,8 1,6 2,4 3,2 Concentrado (kg/animal/dia) Concentrado (kg/vaca/dia)

26 Biotechnology and Biological Sciences Research Council (1998), anteriormente conhecido como AFRC (1993): Todos os sistemas alimentares calculam os requerimentos dietéticos de energia e proteína dos animais para satisfazer as necessidades para mantença e produção. Na prática é diferente, porque não há necessidade do fazendeiro satisfazer os requerimentos nutricionais do animais ser for contra os interesses econômicos. Fica evidente que estudos de resposta animal aos níveis crescentes de concentrados ou nutrientes específicos são necessários. Esta deveria ser tarefa dos Nutricionistas de Ruminantes no séc. XXI.

27 Resposta à suplementação em função da qualidade do pasto, nível de suplementação e potencial genético (Lana, 2007, p ) Fig.10 A: Tropical na seca (madura). B: Tropical das águas e temperada madura. C: Temperada na primavera. Fig.11 - Respostas de bovinos de alto versus baixo mérito genético.

28 Mitos e realidades sobre produção e índices de produtividade na agricultura

29 Tab.3 - Produção versus produtividade (Guimarães et al., 2008; Lana et al., 2009) Estrato de produção (Kg de leite/ produtor/dia) Número de produtores Produção por produtor (Kg de leite/dia) Área para pecuária (ha) Rebanho (número de animais) Vacas em lactação (número) Até Kg de leite/ produtor/dia Vaca em lactação/ha Leite (Kg/ha/dia) Leite (Kg/vaca em lactação/dia) Leite (Kg/rebanho total/dia) Vacas em lactação/rebanho total Até 150 0,38 3,17 8,33 2,08 0, ,40 3,40 8,57 3,27 0, ,41 4,27 10,53 4,77 0, ,59 7,41 12,51 5,15 0, ,42 5,27 12,66 2,63 0, ,00 13,33 13,33 2,22 0,17

30 Tab. 4 Correlação linear da produção diária de leite pelos produtores rurais (50 produtores) Parâmetros Correlação (r) Parâmetros Correlação (r) Total de bovinos 0,94 Leite (kg/ha) 0,13 Total de vacas lactantes 0,93 Leite (kg/vaca/dia) 0,11 Área para o rebanho (ha) 0,67 Vaca em lactação/ha 0,06 Área total da propriedade (ha) 0,20 Leite (kg/total de bovinos/dia) -0,11 Fonte: Guimarães et al. (X MinasLeite, 2008). Lana et al. (ADSA/ASAS, 2009).

31 Tab. 5 Correlação linear da produção anual de leite pelos estados brasileiros Parâmetros Total de vacas ordenhadas Litros de leite/km 2 /ano Litros de leite/vaca/ano Superfície do estado (em km 2 ) Litros de leite/estado/ano 0,95 0,55 0,51 0,11 Total de vacas ordenhadas 0,39 0,31 0,21 Fonte: Guimarães et al. (X MinasLeite, 2008). Lana et al. (ADSA/ASAS, 2009). Litros de leite/km 2 /ano 0,88-0,37 Litros de leite/vaca/ano -0,26

32 Tab.6 Produção agrícola, área cultivada e produtividade em municípios da Zona da Mata e Central de Minas Gerais Toneladas/município/ano Área cultivada, ha Toneladas/ha Item n Média DP Média DP Média DP Milho ,04 0,64 Feijão 1a ,55 0,58 Feijão 1b ,56 0,18 Cana ,2 16,8 Café ,76 0,30 Banana ,5 6,8 Mandioca ,7 4,1 Laranja ,2 4,1 Arroz 4a ,28 1,01 Arroz 4b ,30 1,16 Tomate ,3 13,0 Coco ,7 10,1 Batata 5a ,3 4,2 Batata 5b ,7 5,0 Batata 5c ,7 3,1 CVmédio 226% 172% 34% Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: (ano de 2003).

33 Tab.7 Correlação linear (r) entre algumas variáveis relacionadas à produção agrícola, em municípios da Zona da Mata e Central de Minas Gerais Item Milho 110 0,95 0,35 0,14 Feijão 1a 110 0,87 0,18 0,02 Feijão 1b 110 0,96 0,42 0,31 Cana Café 95 0,98 0,07 0,00 Banana ,96-0,02-0,14 Mandioca 86 0,98 0,21 0,09 Laranja ,91 0,32 0,03 Arroz 4a 76 0,88 0,22-0,05 Arroz 4b 71 0,91 0,53 0,38 Tomate Coco 18 0,95 0,31 0,12 Batata 5a 12 0,99 0,47 0,42 Batata 5b 11 0,88 0,22-0,19 Batata 5c 10 0,99-0,20-0,29 Média n Produção (ton/ano) X área plantada (ha) 0,99 0,98 0,94 Produção (ton/ano) X produtividade (ton/ha) 0,34 0,46 0,26 Produtividade (ton/ha) X área plantada (ha) 0,30 0,37 0,10 Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: (ano de 2003).

34 Café (T o n /m u n icíp io /an o ) y = 0.77x r 2 = Cana (Ton/m unicípio/ano) y = x r 2 = Área cultivada (ha) Área cultivada (ha) Café (Ton/município/ano) Cana (Ton/município/ano) Produtividade (Ton/ha) Produtividade (Ton/ha) Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: (ano de 2003).

35 Conclusões O progresso da agricultura tem como base o aumento da produtividade animal e de plantas por unidade de área, que só tem aplicação quando terra é o fator limitante. As respostas produtivas são curvilíneas em função do uso de nutrientes, com melhores resultados em baixos níveis.

36 Conclusões Os modelos de saturação cinética de Michaelis- Menten e Lineweaver-Burk podem ser utilizados na recomendação de uso de nutrientes para níveis variáveis de incremento no desempenho Relação benefício-custo. Podem também ser utilizados para evitar o uso excessivo de recursos naturais não renováveis; reduzir a poluição do solo, água e ar; e evitar o aquecimento global.

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38 Obrigado! Rogério de Paula Lana, Ph.D. Livros do autor: