Análise espectral de Brachiaria brizantha cultivada em solo contaminado por diferentes volumes de hidrocarbonetos líquidos

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1 Análise espectral de Brachiaria brizantha cultivada em solo contaminado por diferentes volumes de hidrocarbonetos líquidos Salete Gürtler 1 Ieda Del Arco Sanches 1 Lucíola Alves Magalhães 1 Giuliana Clarice Mercuri Quitério 1 Carlos Roberto de Souza Filho 1 Marcos Alves Nopper 2 1 Universidade Estadual de Campinas UNICAMP Caixa Postal Campinas - SP, Brasil {saletegurtler, ieda, lucíola, giuliana, beto}@ige.unicamp.br 2 CPQBA UNICAMP Caixa Postal Campinas SP mnopper@cpqba.unicamp.br Abstract. This paper describes a method to identify small leakages across the underground hydrocarbon pipelines through the monitoring of the cultures that are at the surface since the leakage from the pipe will cause soil contamination causing loose of leaf and minimal grow from the roots. Such impact can be noticed by the remote sensing products once there will be changes in the spectral reflectance patterns of vegetation by comparing with healthy vegetation. The objective of this study is to benchmark different volumes of contaminants (diesel and gasoline) applied on the soil to then identify the volume that shall affect the development from the observed specie (Brachiaria brizantha) but without avoiding the germination of the seed and the leaf growth, which would impact the spectral data acquisition from the vegetation. Twenty one (21) recipients were built and store in a greenhouse then applied 140, 270, 500 or 530 ml of gasoline or diesel at the soil, afterward seeds of the Brachiaria brizantha were planted. After 45 days, new spectral measurements were taken in the leafs and canopy at each recipient. The acquired spectral curves allowed the identification from the health and non-health vegetation. The first derivative of the reflectance spectral highlighted the differences between the curve of the data samples (health and non-health). The conclusion of this study enabled the volume of contamination set that will be used into the next study with additional data samples that will allow a more representative analysis. Palavras-chave: reflectance spectroscopy, vegetation, red edge, espectroscopia de reflectância, vegetação, borda vermelha. 1. Introdução A malha dutoviária brasileira tem aproximadamente 14 mil quilometros de extensão de dutos subterrâneos enterrados a um metro abaixo do solo, distribuída por todas as regiões do país, sendo que km são de oleodutos e polidutos e km de gasodutos (Transpetro 2012). Estes dutos transportam cerca de 30 tipos de hidrocarbonetos (HCs) líquidos tais como a gasolina e o óleo diesel, que são altamente inflamáveis e contaminantes do meio ambiente. Portanto, é de fundamental importância que haja um monitoramento frequente dos dutos, com o objetivo de identificar vazamentos pontuais, que podem ocorrer pelo desgaste natural do material dos dutos ou por algum acidente no terreno. Como os dutos muitas vezes têm sua superfície utilizada por cultivos agrícolas ou pastagem, presume-se que a contaminação do solo em casos de vazamento pode causar um estresse na camada de vegetação, afetando o seu desenvolvimento, que seria identificado por meio de produtos de sensoriamento remoto. São previstas as seguintes alterações: clorose, crescimento debilitado da parte aérea e das raízes, que resultará na reflectância diferenciada das folhas nas regiões espectrais do visível, infravermelho próximo e infravermelho de ondas curtas, quando comparado com as plantas sadias. 1533

2 Quitério (2010), em estudo pioneiro, verificou a possibilidade de detecção de alterações botânicas relacionadas à presença de gasolina e óleo diesel no solo, através das respostas espectrais de três espécies vegetais (Brachiaria brizantha braquiária, Neonotonia wightii soja perene e Eucalyptus camaldulensis eucalipto), no intervalo de 400 a 2500 nm do espectro eletromagnético. O experimento foi realizado em casa de vegetação contendo 45 lisímetros, nos quais contaminações controladas e periódicas foram realizadas com o objetivo de simular, em escala reduzida, o sistema solo-vegetação de locais com vazamentos indetectáveis pelos sistemas usuais de monitoramento. Os resultados mostraram que as três espécies vegetais apresentaram alterações espectrais e morfo-fisiológicas relacionadas à presença de gasolina e diesel no solo, porém, cada qual com volume de HCs e tempo de exposição distintos. Magalhães et al. (2011) estudaram a influência de HCs líquidos (gasolina e óleo diesel) e gasosos (gás natural veicular - GNV) nas respostas espectrais de mudas de Eucalyptus camaldulensis. Os resultados do estudo mostraram que mesmo em pequenas quantidades é possível observar o efeito do estresse induzido por HCs na vegetação, confirmando o potencial desta ferramenta para detecção precoce de pequenos vazamentos em dutos. As alterações nas curvas espectrais da vegetação sob estresse foi mais percebida nas faixas do visível e do infravermelho de ondas curtas, sendo que as alterações na faixa do infravermelho próximo foram mínimas. Quitério et al. (2011) caracterizaram a reflectância das folhas de Neonotonia wightii cultivada em solos com liberação de contaminantes (óleo diesel e gasolina) em baixas concentrações a partir do 35º. dia do plantio. As respostas da cultura à presença dos HCs foram muito rápidas e intensas. Alterações espectrais e visuais decorrentes da clorose apresentada pelas folhas foram observadas desde o início das contaminações. Magalhães et al. (2011b) também investigaram os impactos causados pelos combustíveis (óleo diesel e gasolina) em cinco espécies vegetais (Phaseolus vulgaris - feijão, Neonotonia wightii - soja perene, Zea mays - milho, Saccharum spp - cana-de-açúcar e Brachiaria brizantha - braquiária), em um experimento em escala real. Os resultados confirmaram a maior toxidade da gasolina para todas as culturas selecionadas. As culturas que mais rapidamente responderam ao estresse causado pela contaminação por gasolina foram a soja e o milho, mas não apresentaram diferença na resposta quando a contaminação foi o óleo diesel. A braquiária apresentou uma alteração no comportamento espectral para os dois agentes contaminantes, sendo assim considerada uma boa opção para o monitoramento de vazamentos de ambos combustíveis. Nos experimentos citados, a contaminação do solo ocorreu depois das plantas atingirem um bom nível de desenvolvimento. Ou seja, estudou-se o efeito das contaminações de HCs em plantas adultas. Não foi observado, portanto, a germinação das plantas e seu desenvolvimento inicialquando plantadas em solo contaminado. Assim, o objetivo principal deste trabalho é testar diferentes dosagens de contaminantes (diesel e gasolina) no solo, a fim de identificar volumes que poderiam afetar o desenvolvimento da espécie estudada Brachiaria brizantha, mas sem impedir a germinação das sementes e prejudicar demasiadamente o crescimento foliar, o que impossibilitaria a aquisição de dados espectrais das plantas. Este estudo foi conclusivo para determinar três volumes de contaminantes (baixo, médio e alto) que foram empregados no estudo seguinte, com um número de amostras mais representativo. 2. Metodologia de Trabalho O experimento foi construído no Centro Pluridisciplinar de Pesquisas Químicas Biológicas e Agrícolas (CPQBA) da UNICAMP, no município de Paulínia SP, em um ambiente semi controlado, com cobertura e telas de proteção laterais e com sistema de 1534

3 irrigação automática. Foram construídos no total 21 recipientes para a instalação do experimento. Os recipientes foram construídos a partir de bombonas plásticas do tipo PEAD (Polietileno de Alta Densidade) com 25 litros de capacidade, na cor preta a fim de evitar a entrada de luz, e assim não prejudicar o crescimento radicular das plantas. As bombonas tiveram sua parte superior removida e para o vazamento dos combustíveis, foram feitos orifícios a 15 cm da parte superior em duas laterais das bombonas, onde foram instaladas as mangueiras de silicone com 57 cm e 11 orifícios equiespaçados. Na parte inferior da bombona foram feitos quatro orifícios, um em cada canto, para o escoamento do excesso de água. Para a aplicação do contaminante foram utilizadas bombas de injeção de material plástico, resistente a produtos químicos e combustíveis e com capacidade de 50 ml por aplicação. Utilizou-se uma bomba para cada tipo de contaminante (Figura 1). (a) (b) (c) Figura 1. Preparação do recipiente a partir da bombona plástica. Realização de corte e furos (a); instalação da mangueira e da bomba de injeção de contaminante (b); e esquema final do recipiente preenchido com solo e com as plântulas se desenvolvendo (c). As bombonas foram preenchidas com latosolo vermelho eutroférrico derivado de rochas basálticas, que é bastante representativo dos tipos de solo encontrados no Estado de São Paulo. O solo foi retirado de uma só vez, de uma mesma camada e depois homogeneizado. Após o preenchimento, as bombonas foram dispostas em uma bancada em fila dupla, situada dentro de um ambiente de casa de vegetação. Utilizou-se um sistema de irrigação automático, do tipo aspersão, que foi programado para funcionar quatro vezes ao dia em horários pré determinados (às 7:45, 10:45, 13:45 e 16:45 horas) com duração de 3 minutos. Foram utilizadas sementes de Brachiaria brizantha previamente selecionadas e escarificadas, conforme recomendação descrita no documento Regras para Análise de Sementes RAS (MAPA, 2009). Do total de recipientes instalados, 5 foram destinados para o tratamento controle (CTR) plantas que não receberam contaminadas, 8 para o tratamento com diesel (DSL) e 8 para o tratamento com gasolina (GSL), sendo que a disposição destes na casa de vegetação foi determinada por sorteio, definindo um delineamento inteiramente casualizado. Para cada contaminante, gasolina do tipo comum (GSL) e diesel do tipo B S500 comum (DSL) foram utilizados quatro volumes: V1 = 140 ml, V2 = 270 ml, V3 = 400 ml e V4 = 530 ml - cada um deles com duas repetições (a e b). A contaminação foi realizada com o auxílio de uma proveta de 500 ml (com precisão de 5 ml) e de bombas de injeção para inserir o contaminante na canalícula disposta à 15 cm da abertura da bombona. Logo após cada contaminação, em cada bombona, foi feito o plantio de 20 sementes dispostas em linha reta na posição central do recipiente. 1535

4 Após 45 dias do plantio foram adquiridas medidas espectrais in situ das folhas e do dossel das plântulas de braquiária de cada recipiente. As medidas foram feitas com o espectroradiômetro FieldSpec 4 (ASD). Esse instrumento possui três sensores que cobrem a faixa espectral entre nm, com 2151 canais. Possui resolução espectral de nm e de /2100 nm. O intervalo de amostragem é de nm e nm. Para a aquisição das medidas espectrais das folhas foram utilizados os acessórios plant probe e leaf clip (ASD). Para a obtenção das medidas de reflectância foi utilizada como referência uma placa de Spectralon (Labsphere). Nas medições foliares a área medida correspondeu a 10 mm. Nas medições do dossel a área medida correspondeu a 5,68 cm de diâmetro (FOV de 8 graus e distância da fibra óptica ao alvo igual a 35 cm). Em cada bombona foram medidas cinco folhas de braquiária (cada medida de folha corresponde a média de 25 leituras) para a obtenção de um espectro médio representativo. Para a obtenção do espectro médio do dossel foram feitas duas medidas por bombona (cada medida de dossel corresponde a média de 25 leituras). 3. Resultados e Discussão De forma geral, em uma análise visual as sementes de braquiária do controle (CTR) germinaram bem, desenvolvendo plântulas sadias. Por outro lado, as sementes plantadas em solos contaminados por HCs líquidos sofreram influência dos mesmos, de acordo com o volume do contaminante injetado no solo, ou seja, quanto maior o volume mais afetado foi o desenvovimento da planta. Comparando os dois contaminantes, o tratamento onde os solos das bombonas foram contaminados com gasolina sofreram maior impacto. Nesse caso, foi observado um baixo índice de germinação de sementes, sub-desenvolvimento das plântulas germinadas, amarelamento e enrolamento das folhas. Para o maior volume de gasolina (530 ml), a germinação das sementes simplesmente não aconteceu. No tratamento onde foi feita a contaminação com diesel as plantas também sofreram o impacto das contaminações, embora não tão marcante como o observado para o tratamento GSL, apresentando plântulas de porte reduzido em relação às plantas sadias. As diferenças observadas entre o dossel das plantas sadias (CTR) e das plantas contaminadas (DSL e GSL) estão representadas nas fotos da Figura 2. a b c d e Figura 2. Fotos do dossel após 45 dias do plantio do tratamento controle (a), com 140 ml de diesel (b), com 530 ml de diesel (c), com 140 ml de gasolina (d) e com 400 ml de gasolina (e). As curvas espectrais obtidas permitiram fazer a distinção entre as plantas contaminadas (DSL e GSL) e as plantas sadias (CTR) e em geral, com o aumento do volume de diesel e de gasolina nos tratamentos DSL e GSL houve um aumento da reflectância nos comprimentos de 1536

5 onda do vermelho (~ 650 nm) e diminuição da reflectância no infravemelho próximo ( nm) e no infravermelho de ondas curtas ( nm) (Figura 3). Uma maior variação foi observada entre os espectros do dossel em comparação aos espectros foliares. Isso ocorre porque o espectro do dossel é resultado da mistura da resposta espectral da vegetação com a do solo. Ou seja, além de ser influenciado pelas características das folhas (como o teor de clorofilas e de água foliar), o espectro do dossel também é influenciado pela estrutura das plantas (tamanho e disposição das plantas, cobertura do solo, etc). Reflectância foliar Reflectância foliar (a) (b) Figura 3. Espectros de reflectância (a) foliar e do (b) dossel de braquiária, dos 21 recipientes, agrupados por tratamento (CTR, DSL e GSL). Outra análise aplicada foi o cálculo da primeira derivada dos espectros de reflectância foliar e do dossel, focada entre os comprimentos de onda nm. Essa região espectral é denominada de borda do vermelho (red edge), e é bastante utilizada em estudos relacionados a detecção de estresses em plantas (Carter e Miller, 1994; Carter e Knapp, 2001; Zarco-Tejada et al., 2003). Na Figura 4 são apresentados os espectros de reflectância entre nm após a aplicação da primeira derivada. 1537

6 (a) Folha (d) Dossel Primeira derivada (b) Primeira derivada (e) (c) (f) Figura 4. Espectros de primeira derivada da reflectância foliar da braquiária dos tratamentos (a) CTR, (b) DSL e (c) GSL; e espectros de primeira derivada da reflectância do dossel da braquiária dos tratamentos (d) CTR, (e) DSL e (f) GSL, dos 21 recipientes. De forma geral, observa-se que há uma tendência de achatamento da feição espectral e de deslocamento do pico máximo do red edge para comprimentos de onda menores (blue shift) à medida que se aumenta o volume de diesel e gasolina aplicados. Nas cinco medições do CTR do dossel (Figura 4d) observa-se que todos os cinco espectros possuem o pico máximo da região do red edge localizado em comprimentos de onda ao redor de 720 nm, enquanto que os espectros dos tratamentos DSL (Figura 4e) e GSL (Figura 4f) possuem pico máximo em comprimento de ondas menores (ao redor de 700 nm). 4. Conclusões Os resultados obtidos permitiram identificar volumes de contaminantes que podem afetar o desenvolvimento da vegetação e consequentemente ser percebido através de uma análise espectral. Dentre os quatro volumes de contaminantes testados (140 ml, 270 ml, 400 ml e 530 ml), constatou-se que no caso da GSL os dois maiores volumes (400 ml e 530 ml) causaram um estresse exagerado, fazendo com que as sementes tivessem baixa taxa de germinação e sub-desenvolvimento das plantas (volume = 400 ml) ou não germinassem (volume = 530 ml). Nesse contexto, volumes de gasolina superiores a 400 ml não devem ser utilizados em experimentos futuros que tenham o objetivo de avaliar espectralmente a vegetação para a 1538

7 detecção de contaminação. No caso do diesel, até mesmo os maiores volumes permitiram o desenvolvimento foliar, embora debilitado. Este estudo foi desenvolvido como uma etapa preliminar, e teve por objetivo estabelecer três níveis de dosagens (baixa, média e alta) dos combustíveis para serem utilizados no experimento seguinte, que utilizará um maior número de amostras, será desenvolvido por um período de tempo maior e terá maior frequencia de obtenção de medidas espectrais. Agradecimentos Salete Gürtler agradece ao CNPq pela bolsa de doutorado. Os autores agradecem a gerência e pesquisadores do Programa Tecnológico de Transporte (PROTRAN), do Centro de Pesquisas e Desenvolvimento (CENPES) da Petrobras, particularmente a Pedro Altoé Ferreira, Lis Maria Leoni Rabaco, Renato Seixas da Rocha e Wilson Jose de Oliveira pelo apoio financeiro e logístico dedicado ao Projeto Biomarcadores II desenvolvido em parceria com a UNICAMP. Referências Bibliográficas Carter, G. A.; Knapp, A. K. Leaf optical properties in higher plants: Linking spectral characteristics to stress and chlorophyll concentration. American Journal of Botany, v. 88, p , Carter, G. A.; Miller, R. L. Early detection of plant stress by digital imaging within narrow stress-sensitive wavebands. Remote Sensing of Environment, v. 50, n. 3, p , Magalhães, L. A.; Quitério, G. C. M.; Souza Filho, C. R.; Almeida, T. I. R; Alves, M. N.; Oliveira, W. J.; Rabaco L.M.L; Rocha, R. Caracterização espectral de Eucalyptus camaldulensis submetidos a fluxo forçado de hidrocarbonetos líquidos e gasosos. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto (SBSR), 15., 2011, Curitiba. Anais... São José dos Campos: INPE, p Disponível em:< Acesso em 09.mai Magalhães, L. A.; Quitério, G. C. M.; Souza Filho, C. R.; Almeida, T. I. R.; Alves, M. N.; Oliveira, W. J.; Rabaco, L. M. L.; Rocha, R. Imagens ProSpecTIR-VS e espectroscopia de reflectância aplicados na caracterização espectral dos dosséis de cinco culturas vegetais cultivadas em solo com vazamentos controlados de hidrocarbonetos. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto (SBSR), 15, 2011b, Curitiba. Anais... São José dos Campos: INPE, p Disponível em:< Acesso em 09.mai Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Regras para análise de sementes. Brasília: MAPA, p. Disponível em: < Acesso em: 20.mar Quitério, G. C. M. Uso da Reflectância da vegetação como ferramenta de auxílio na detecção de anomalias geobotânicas causadas pela presença de hidrocarbonetos líquidos p. Tese (Doutorado em Ciências) - Instituto de Geociências, Universidade Estadual de Campinas, Campinas Quitério, G.C.M.; Magalhães, L.A.; Souza Filho, C.R.; Almeida, T.I.R; Alves, M.N.; Oliveira, W.J.; Rabaco, L.M.L.; Rocha, R Uso da soja perene na detecção de estresses induzidos por pequenos vazamentos de hidrocarbonetos. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto (SBSR), 15, 2011, Curitiba. Anais... São José dos Campos: INPE, p Disponível em:< Acesso em 09.mai Transpetro. Transpetro em números. Disponível em: < Acesso em: 15.jun Zarco-Tejada, P. J.; Pushnik, J. C.; Dobrowski, S.; Ustin, S. L. Steady-state chlorophyll a fluorescence detection from canopy derivative reflectance and double-peak red-edge effects. Remote Sensing of Environment, v. 84, p ,