CALIBRAÇÃO E USO DE SENSORES FDR PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE E SALINIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO IRRIGAÇÃO E DRENAGEM MURILLO ANDERSON GONÇALVES BARBOSA CALIBRAÇÃO E USO DE SENSORES FDR PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE E SALINIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS MOSSORÓ RN 2011

2 MURILLO ANDERSON GONÇALVES BARBOSA CALIBRAÇÃO E USO DE SENSORES FDR PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE E SALINIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS Dissertação apresentada à Universidade Federal Rural do Semi-Árido, como parte das exigências para obtenção do título de Mestre em Irrigação e Drenagem. ORIENTADOR: Prof. D.Sc. Vladimir Batista Figueirêdo MOSSORÓ - RN 2011

3 MURILLO ANDERSON GONÇALVES BARBOSA CALIBRAÇÃO E USO DE SENSORES FDR PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE E SALINIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS Dissertação apresentada à Universidade Federal Rural do Semiárido, como parte das exigências para obtenção do título de Mestre em Irrigação e Drenagem. APROVADA EM: 17/08/2011 Prof. D.Sc. Vladimir Batista Figueirêdo - UFERSA Orientador Prof. D.Sc. José Francismar de Medeiros UFERSA Co-orientador Prof. D.Sc. Gilcimar Alves do Carmo IFCE, Iguatu Conselheiro D.Sc. Iarajane Bezerra do Nascimento UFERSA Conselheiro

4 À minha querida avó materna Cecília Barbosa de Souza e minha mãe Maria Auxiliadora Barbosa de Souza Dias, que muito contribuíram para minha formação pessoal e acadêmica. Dedico e Ofereço.

5 AGRADECIMENTOS A Deus, por ter me concedido a vida e por me deixar vencer. À Pós-Graduação em Irrigação e Drenagem Universidade Federal Rural do Semiárido, pela oportunidade concedida para realização deste Mestrado e apoio para o desenvolvimento deste trabalho de dissertação. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão da bolsa de estudos, através do Programa REUNI e do PROCAD. Ao CNPQ, através do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Salinidade pelo apoio financeiro. Ao brilhante Professor José Francismar de Medeiros, pelo apoio durante todo o curso, por ter contribuído na escolha do tema de estudo, pela orientação dada durante o desenvolvimento da pesquisa de campo e pela confiança depositada, os meus sinceros agradecimentos. Ao Professor Vladimir Batista Figueirêdo, pela orientação do trabalho escrito e empenho nas correções. Ao Professor Gilcimar Alves do Carmo, do Instituto Federal do Ceará pelo incentivo na realização do curso e pelas contribuições na melhoria do trabalho. A querida amiga, Professora Damiana Cleuma de Medeiros, pelo convívio, apoio, contribuição na formação e companhia em momentos de descontração e lazer. A Iarajane Bezerra do Nascimento, por ter me acompanhado do princípio ao fim da pesquisa, pelos diálogos sadios e cômicos e pela simplicidade. Ao Professor Sérgio Luiz de Aguilar Levien, do Departamento de Ciências Ambientais, pelo estímulo no estudo, amizade e conhecimentos transferidos. Ao Professor Tarlei Arriel Botrel e Sérgio Nascimento Duarte, pelo apoio e orientação durante o estágio na Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ/ USP). Ao Professor Francisco de Queiroz Porto Filho, pela confiança e oportunidade na realização dos estágios de docência. Aos Professores da Pós-Graduação Roberto Pordeus, Arimatea de Matos, Nildo Dias, Glauber Henrique, Miguel Ferreira, Celsemy Maia e Elis Regina pelos ensinamentos transmitidos. Ao Professor Rafael, pelo empenho na coordenação da Pós-graduação e pela dedicação em ajudar os estudantes.

6 A minha querida e amada avó, Cecília Barbosa de Souza, sem ela a realização deste Curso não seria possível. A minha mãe, Maria Auxiliadora Barbosa de Souza Dias, por acreditar em mim. A grande amiga Vilauba Sobreira Palácio por todas as contribuição que tem feito para o meu progresso, desde as conversas de incentivos até às execuções das ações de amizade e consideração. A minha avó paterna, Benedita Gonçalves Dias (Ditinha), pelas palavras de apóio e orientação. Aos meus tios, Mirian Dias, Rosiane Dias, Rosemary Dias, Regeane Dias, Jociandre Barbosa, Roberto Dias, Francisco Dias. Ao meu pai Djalma Gonçalves Dias, pelos elogios. Aos meus irmãos, Márcia Barbosa, Mara Barbosa, Lana Ribeiro, Djalma Filho, Alano Ribeiro, por me terem como exemplo. Aos meus sobrinhos, Carlos Henrique Barbosa e Marcos da Silva Neves Filho, por serem instrumentos da minha inspiração. À amiga e colega de turma, Cristiane Aires Celedônio, pelas conversas, apoios e cumplicidades. Aos companheiros de Mestrado, Edmilson Junior, Diógenes Sarmento, Cleusirene e Agélio Barreto, pela amizade e horas de estudos juntos. Aos contemporâneos na UFERSA e professores de Graduação, Marcos Antônio, Joaquim Branco, Frank Wagner, Lúcio José, Eliane Coelho, Bráulio Lima. A meu amigo, Carlos Jefferson do Nascimento Andrade, pelo carinho, ajuda, convívio e cumplicidade. A Valéria Borges, pelo convívio e amizade. Aos mestrandos Herlon Bruno e Fabrícia Gratielly pelos auxílios, no decorrer da pesquisa. Ao amigo Breno Leonan de Carvalho, pelo seu grande empenho na condução do experimento. Ao ilustre Professor Tikão, pelas contribuições na pesquisa e pela amizade. A Maria Luzia Nogueira, pelos auxílios e conversas. Aos estudantes de Agronomia, David, Maryjane, Ciro, Dimas, Laiane, Keiviane e Nicole pelo apoio na condução do experimento. Aos amigos Francisco Eder Rodrigues de Oliveira e Cícera Talline Lopes de Holanda, pela amizade e admiração.

7 A Maria das Graças Amâncio, pelas conversas agradabilíssimas. A todos os amigos que conquistei na cidade de Mossoró, em especial Maria e Alexandra. E, finalmente a todos aqueles que acreditam no meu potencial e me julgam capaz de contribuir com o desenvolvimento do país.

8 RESUMO BARBOSA, Murillo Anderson Gonçalves. Calibração e uso de sensores FDR para determinação da umidade e salinidade em dois tipos de solos f. Dissertação (Mestrado em Irrigação e Drenagem) - Universidade Federal Rural do Semiárido (UFERSA), Mossoró-RN, Na realização de um manejo adequado de irrigação, é importante conhecer o teor de água existente no solo para, dessa forma, aplicar a quantidade de água necessária e no tempo correto. A utilização de sensores é um dos meios mais precisos para acompanhar o conteúdo de água no solo, e sua aplicação vem trazendo várias contribuições ao meio agrícola. Em virtude dos sensores determinarem o conteúdo de água do solo de forma indireta, é imprescindível a realização de calibrações para os solos a serem monitorados, em razão das diferenças físicas que os mesmos apresentam. Essas calibrações podem ser realizadas em condições de laboratório e são bastante representativas, pois são utilizadas amostras indeformadas, que preservam as características do solo, como estrutura, densidade e aeração, como em sua forma original. O método de determinação de umidade pelos sensores sofre interferência direta da condutividade elétrica do solo, fazendo com que os sensores precisem ser calibrados para cada tipo de solo, e mesmo após calibração, se houver um acréscimo na quantidade de sal no solo, isso implica em um erro na determinação da umidade, e torna necessária uma nova calibração do sensor. O fabricante dos sensores ECH 2 O recomenda a calibração do sensor para cada tipo solo, uma vez que em solos com altos teores de sal ou areia, a calibração de fábrica não proporciona bons resultados. O presente estudo teve como objetivo calibrar o sensores dielétricos ECH 2 O modelos EC-10 e 5TE para dois tipos de solos com composição textural distinta (Argissolo e Cambissolo) e verificar o comportamento do mesmo em campo, tento em vista um posterior manejo de irrigação para culturas implantadas nos dois solos analisados. Para isso, foram conduzidos dois experimentos um em laboratório e outro em estufa, o primeiro consistiu na calibração dos sensores utilizando dois solos e águas com quatro níveis de salinidade (0, 0,56, 2,75 e 5,00 ds.m -1 ) e o segundo no acompanhamento do funcionamento dos mesmos em campo. Os resultados indicaram que os sensores tanto no Argissolo quanto no Cambissolo apresentaram grandes variações na aferição das leituras, sendo que na maioria das vezes os mesmos subestimaram os valores da umidade do solo. As estatísticas de regressão mostraram boa precisão nos resultados e os índices c, d e r foram elevados. O acompanhamento de campo permitiu observar que as leituras de salinidades não são precisas em solos salinos e que níveis de salinidades elevados contribuem para que as leituras de umidade do sensor sejam subestimadas com relação a um mesmo solo, irrigado com água de menor salinidade, e com volume de água aplicado igual ao do solo de maior salinidade. Palavras-chave: Manejo de Irrigação. Água Salina. Reflectometria. Potencial Elétrico.

9 ABSTRACT BARBOSA, Murillo Anderson Gonçalves Barbosa. Calibration and use of sensors FDR to determine the moisture and salinity in two soils f. Thesis (M.Sc. in Irrigation and Drainage) - Universidade Federal Rural do Semiárido (UFERSA), Mossoró-RN, In conducting a proper management of irrigation is important to know the water content of the soil to thereby apply the amount of water needed at the right time. The use of sensors is one of the most accurate means to monitor the water content in soil, and its application has brought many contributions to the agricultural environment. Because the sensors determine the water content of soil in an indirect way, it is essential to performing calibrations for soil to be monitored, because of physical differences which they present. These calibrations can be performed under laboratory conditions and are quite representative since they are used soil samples, preserving soil characteristics such as structure, density and aeration, as in its original form. The manufacturer recommends the sensors ECH 2 O sensor calibration for each soil type, as in soils with high levels of salt or sand, factory calibration does not provide good results. This study aimed to calibrate the sensor dielectric models ECH2O 5TE EC-10 and for two soil types with different textural composition (Cambisol, and Ultisol) and verify the behavior of the same field, in order to try a later crop irrigation management implemented in two soils analyzed. For this, two experiments were conducted in a laboratory oven and another in the first was the calibration of sensors using two soils and waters with four salinity levels (0, 0.56, 2.75 and 5.00-dS.m 1) and second in monitoring the functioning of the same field. The results indicated that the sensors in both the Ultisol and in Cambisol showed large variations in measurement readings, and in most cases they underestimated the values of soil moisture. The regression statistics, the results showed good accuracy and index "c", "d" r were high. The field monitoring has observed that the salinity readings are not accurate in saline soils and high salinity levels that contribute to the moisture sensor readings are underestimated with respect to the same soil, irrigated with water of lower salinity, and equal volume of water applied to the soil of higher salinity Keywords: Irrigation Management. Saline Water. Electric potential.

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1. Densidade do solo e composição granulométrica do Argissolo (solo 1) e Cambissolo (solo 2) utilizados no estudo Tabela 2. Dados obtidos em laboratório dos cilindros utilizados na calibração Tabela 3. Umidade as quais os solos foram submetidos na calibração dos sensores em laboratório Tabela 4. Volume de água para elevar as amostras de solo à saturação Tabela 5. Valores dos índices de desempenho conforme Camargo e Sentelhas (1997) Tabela 6. Resultado da análise química das águas para fins de irrigação Tabela 7. Umidade residual obtida para o Argissolo e para o Cambissolo Tabela 8. Teste dos sensores tipo EC-10 em laboratório Tabela 9. Valores dos índices estatísticos r, d e c, para as umidade aferidas pelos sensores do tipo EC-10, utilizando águas de salinidade 0, 0,56, 2,75 e 5,00 ds.m -1 no Argissolo Tabela 10. Valores dos índices estatísticos r, d e c, para as umidade aferidas pelos sensores do tipo EC-10, utilizando águas de salinidade 0, 0,56, 2,75 e 5,00 ds.m -1 no Cambissolo Tabela 11. Valores dos índices estatísticos r, d e c, para as salinidades aferidas pelos sensores do tipo 5TE para o Argissolo e para o Cambissolo, ambos na umidade de saturação Tabela 12. Lâminas de Irrigação Acumuladas no Argissolo Tabela 13. Lâminas de Irrigação Acumuladas no Cambissolo Tabela 14. Salinidade da água utilizada nas irrigações dos tratamentos, volume de lixiviação e salinidade da solução lixiviada para a primeira e segunda aplicação da lixiviação para o Argissolo Tabela 15. Salinidade da água utilizada nas irrigações dos tratamentos, volume de lixiviação e salinidade da solução lixiviada antes da primeira e da segunda aplicação da lixiviação para o Cambissolo Tabela 16. Média de salinidade ao longo das lixiviações (salinidade acumulada), assumindo a média aritmética para antes da primeira lixiviação (Lixi 1 A), antes da segunda lixiviação (Lixi 2 A) e após a segunda lixiviação (Lixi 2 D) para o Argissolo e para o Cambissolo

11 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Sensores: (A) 5TE; (B) 5TE instalado e (C) EC Figura 2. Coletor de dados dos sensores e painel que mostra a leitura das variáveis estudadas Figura 3. Software ECH2O, utilizado para transferir os dados para o computador Figura 4. Área experimental de acompanhamento da umidade e salinidade do solo Figura 5. Distribuição dos sensores no experimento Figura 6. Instalação e desinstalação dos sensores em casa de vegetação Figura 7. Umidade volumétrica do solo, valores medidos do potencial elétrico dos sensores ECH 2 O, tipo EC-10 e curvas de regressão para o Argissolo Figura 8. Umidade volumétrica do solo medida e valores estimados pelos sensores do tipo ECH 2 O utilizando a equação de calibração para o Argissolo com águas de salinidade 0 (A), 0,56 (B), 2,75 (C) e 5,00 ds.m -1 (D) Figura 9. Umidade volumétrica do solo, valores medidos do potencial elétrico dos sensores ECH2O, tipo EC-10 e curvas de regressão para o Cambissolo Figura 10. Umidade volumétrica do solo medida e valores estimados pelos sensores do tipo ECH 2 O utilizando a equação de calibração para o Cambissolo com águas de salinidade 0 (A), 0,56 (B), 2,75 (C) e 5,00 ds.m -1 (D) Figura 11. Salinidade do solo lida pelos sensores e medidas pelo método do extrato de saturação da pasta para o Argissolo saturado Figura 12. Salinidade do Argissolo medida pelo extrato da pasta saturada e valores estimados pelos sensores do tipo 5TE, usando equação de calibração Figura 13. Salinidade do solo lida pelo sensor e salinidade do extrato da pasta para o Cambissolo saturado Figura 14. Salinidade do Cambissolo medida pelo extrato da pasta saturada e valores estimados pelos sensores do tipo 5TE, usando a equação de calibração Figura 15. Umidade do Argissolo, obtida pelos sensores modelo EC-10 ao longo do ciclo da cultura do pimentão em colunas de solos, cultivado em casa de vegetação Figura 16. Umidade do Cambissolo, obtida pelos sensores, modelo EC-10 ao longo do ciclo da cultura do pimentão em colunas de solos, cultivado em casa de vegetação Figura 17. Evolução da salinidade do solo, obtida pela sonda ECH 2 0, modelo 5TE nos 3 tipos de água utilizado ao longo da condução do experimento em campo, para o Argissolo... 53

12 Figura 18. Evolução da salinidade do solo ao longo do ciclo da cultura para as 3 águas utilizadas no solo Argissolo, obtida pelos extratores de cápsulas porosas Figura 19. Evolução da salinidade do solo obtida pela sonda ECH 2 0, modelo 5TE nas 3 águas utilizadas ao longo da condução do experimento em campo, para o Cambissolo Figura 20. Evolução da salinidade do Cambissolo ao longo do ciclo da cultura para as 3 águas utilizadas, obtida pelos extratores de cápsulas porosas Figura 21. Salinidade acumulada no Argissolo (A e B) e no Cambissolo (C e D) para águas de diferentes salinidades, após a primeira lixiviação (A e C) e segunda lixiviação (B e D). 57 Figura 22. Relação entre a condutividade elétrica do extrato e a condutividade elétrica da suspensão 1:2, Figura 23. Curva de retenção do Argissolo Figura 24. Curva de retenção do Cambissolo

13 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA O SOLO MANEJO DA IRRIGAÇÃO QUANTIFICAÇÃO DO TEOR DE ÁGUA NO SOLO E USO DE SENSORES Temperatura do solo Umidade do solo Condutividade elétrica do solo CALIBRAÇÃO DE SENSORES MATERIAL E MÉTODOS EXPERIMENTO Medidas de calibração dos sensores Sequência da calibração em laboratório Cálculos de calibração Sensores Utilizados e Equipamentos Ensaios preliminares, para uso dos sensores no manejo da irrigação EXPERIMENTO Acompanhamento da umidade e da salinidade do solo em colunas de solo Instalação dos equipamentos Manejo de irrigação com base em dados do solo Procedimentos na desinstalação dos sensores Acompanhamento da CE através dos extratores de cápsulas porosas RESULTADOS E DISCUSSÃO EXPERIMENTO Calibração dos sensores em laboratório EXPERIMENTO Comportamento da Umidade do Solo Comportamento da salinidade em campo CONCLUSÕES SUGESTÕES REFERÊNCIAS APÊNDICES... 69

14 12 1 INTRODUÇÃO A disponibilidade do recurso água é cada vez mais preocupante e, com a utilização da irrigação, essa disponibilidade tende a se agravar, tornando-se cada vez mais necessário o uso criterioso dessa técnica, com altos níveis de uniformidade e eficiência no uso da água. Para atender a essas exigências, as preocupações com a qualidade da irrigação se fazem necessárias tanto no processo de planejamento e de operação dos sistemas, como no manejo das irrigações (LIMA, 2007). Na realização de um manejo adequado de irrigação, é importante conhecer o teor de água existente no solo para, dessa forma, aplicar a quantidade de água necessária e no tempo correto. De acordo com Ley (1994), uma irrigação eficiente requer um programa de administração sistemática de água. Um fator importante para uma boa utilização da água, vem sendo a rotina de monitoramento da umidade. O teor de água no solo deve estar entre os limites superiores e inferiores desejáveis para uma perfeita disponibilidade à planta. Isto requer controles que levam em consideração a evaporação, a irrigação, a drenagem e a chuva. Com isso obtém-se maior controle no que diz respeito ao desperdício de água e energia. Entre os métodos mais modernos de determinação da umidade do solo, destaca-se a técnica FDR (Frequency Domain Reflectometry ou Reflectometria no Domínio de Frequencia), cujo funcionamento baseia-se na capacitância do solo Os sensores do tipo capacitivos, por exemplo, têm seu princípio de funcionamento baseado na capacitância elétrica que determina, por sua vez a constante dielétrica do solo. Sua aplicação tem-se difundido bastante em pesquisas relacionadas à irrigação por ser um método não destrutivo. Esses sensores promovem alternativas para monitorar o teor de água no solo, como evidenciaram Zazueta e Xin (1994), que descreveram a grande capacidade que esses sensores têm de avaliar o conteúdo de água absoluta existente no solo em qualquer profundidade, com nível de precisão relativamente alto. Isso é possível porque, de acordo com Gardner et al. (1998), a técnica da capacitância elétrica é um método capaz de medir a permissividade dielétrica no solo, podendo ser usada freqüentemente para medições do seu conteúdo de água. O método baseia-se na medição da capacitância do solo, a qual esta relacionada com a constante dielétrica do solo através da geometria do campo elétrico estabelecido em torno de um par de eletrodos inseridos no solo, e conseqüentemente com o teor de umidade deste. No entanto, o resultado desta técnica pode ser afetado por condições como textura do solo, temperatura, densidade do solo e teor de sais solúveis (0,01 N Ca SO4

15 13 ou 2000ppm de solução de NaCl (TOPP et al., 1980). Todavia, o efeito da temperatura nesses tipos de sensores, utilizados para quantificar o teor de água do solo, já foi reportado por Coelho e Teixeira (2004), que explicaram a ocorrência de oscilações nas respostas dos sensores, quando expostos às flutuações de temperatura. Do mesmo modo, Silva et al. (2005) relatam que a temperatura ambiente ocasiona variações nas respostas dos sensores capacitivos, explicando que a incidência da temperatura na constante dielétrica e nos componentes passivos (resistores e capacitores) é a possível causa dessas variações. Em virtude dos sensores determinarem o conteúdo de água do solo de forma indireta, é imprescindível a realização de calibrações para os solos a serem monitorados, em razão das diferenças físicas que os mesmos apresentam. Essas calibrações podem ser realizadas em condições de laboratório e são bastante representativas, pois são utilizadas amostras indeformadas, que preservam as características do solo, como estrutura, densidade e aeração, como em sua forma original. Desse modo, Santos et al. (2006) asseguram que pode ser confiável a transferência dos modelos de calibração em laboratório para aplicações práticas em condições de campo. Além disso, Gardner et al. (1998) ressaltam que, mesmo em condições de laboratório, cuidadosamente controladas, uma calibração individual do sensor capacitivo, para cada tipo de solo, é necessária quando se deseja obter medidas absolutas de conteúdo de água. O que se leva sempre em questão ao analisar um sensor é o seu tempo ou velocidade de resposta. Por isso, o teste de imersão em água, recomendado por Kizito et al. (2008), embora não perfeito, é um modo rápido e simples de avaliar o desempenho da sonda do sensor capacitivo. Aliás, Oliveira (1999) ressalta a importância de um sensor de umidade apresentar tempo de resposta à secagem do solo relativamente rápido para determinar, por exemplo, quando a nova irrigação deverá ser realizada. Apesar disso, a forma de coletada das respostas emitidas pelos sensores deve ser de maneira que permita a aquisição de amplas quantidades de dados. Devem-se levar em conta, então, as considerações de Carmo e Biage (2002) que, para adquirir valores médios em larga escala e melhores precisões, é fundamental a utilização de um sistema de aquisição de dados. O sensor capacitivo monitora o teor de água do solo com base na variação do dielétrico. A sonda que o constitui gera uma onda quadrada com frequência que muda com a variação da constante dielétrica, o que permite a medida dessa última. Logo, o teor de água do solo será monitorado com base na variação do dielétrico. Como a constante dielétrica da água é 81 F m -1, sendo muito maior que a das partículas do solo (3 a 5 F m -1 ), torna-se possível o acompanhamento contínuo do teor de água no solo por meio do sensor capacitivo. O sensor ECH 2 O (Decagon Devices, Inc.) é uma sonda de capacitância de baixo custo, de fácil

16 14 adaptação a sistemas automáticos de aquisição de dados e que fornece leituras de potencial elétrico (mv) proporcionais à constante dielétrica do solo, e, portanto, à umidade volumétrica do solo. Alguns estudos têm mostrado que, quando devidamente calibrado, o sensor ECH 2 O pode produzir resultados tão bons quanto o TDR na determinação da umidade do solo, com a vantagem de ter um custo muito mais baixo (TRINTINALHA et al., 2004; CZARNOMSKI et al., 2005). O fabricante dos sensores ECH 2 O recomenda a calibração do sensor para cada tipo solo, uma vez que em solos com altos teores de sal ou areia, a calibração de fábrica não proporciona bons resultados. As zonas áridas e semi-áridas são caracterizadas, na maioria das vezes, pela limitação no suprimento de água, em termos de quantidade e qualidade. São regiões onde os processos evapotranspirativos são elevados, facilitando a perda de água pela cultura e a concentração de sais na superfície do solo (YAALOM, 1967). Desta forma, e devido à escassez de chuvas nessas regiões, a prática de irrigação constitui uma das alternativas fundamentais para garantir a produção das áreas cultivadas; no entanto, quando não se tem um manejo adequado da irrigação, pode ocorrer a salinização do solo, tornando-o improdutivo em curto espaço de tempo (OLIVEIRA, 1997). Este problema ocorre em quase todos os perímetros irrigados do Nordeste; estima-se que cerca de 30% das áreas dos perímetros irrigados do DNOCS estejam salinizados (DNOCS, 1991). O método de determinação de umidade pelos sensores sofre interferência direta da condutividade elétrica do solo, fazendo com que os sensores precisem ser calibrados para cada tipo de solo, e mesmo após calibração, se houver um acréscimo na quantidade de sal no solo, o que acontece, por exemplo, no caso de uma fertirrigação, isso implica em um erro na determinação da umidade, e torna necessária uma nova calibração do sensor. Nesse contexto, a utilização de sensores é um dos meios mais precisos para acompanhar o conteúdo de água no solo, e sua aplicação vem trazendo várias contribuições ao meio agrícola. Ademais, o manejo racional da irrigação tem uma importância fundamental, especialmente em regiões como o Nordeste do Brasil, na qual os recursos hídricos e energéticos são limitados e, dadas as dificuldades práticas para o usuário deste equipamento quanto à calibração em campo, o presente estudo teve como objetivos: calibrar sensores dielétricos ECH 2 O modelos EC-10, para medição da umidade e 5TE, para medição da umidade e da salinidade em dois tipos de solos com composição textural distinta (Argissolo e Cambissolo) e verificar o comportamento do mesmo em casa de vegetação, tendo em vista um posterior manejo de irrigação para a cultura implantada nos dois solos analisados.

17 15 2 REVISÃO DE LITERATURA 2.1. O SOLO O solo é um material natural, sólido e poroso, que abriga em seus poros, quantidades variáveis de uma solução aquosa composta de vários eletrólitos (Na +, K +, Ca 2+, Ma 2+, e outros componentes) denominada de água ou solução do solo, além de uma solução gasosa denominada ar do solo composta principalmente de N 2, O 2, vapor d água, CO 2 e pequenas quantidades de outros gases (LIBARDI, 1999). Basicamente, existem dois processos que explicam a retenção de água pelos solos; no primeiro a retenção ocorre nos microporos dos agregados e pode ser ilustrada pelo fenômeno da capilaridade, porém não se pode afirmar que o solo é um simples tubo capilar e sim, uma composição irregular de poros e canais formados pelos sólidos. No segundo processo, a retenção ocorre nas superfícies dos sólidos devido à adsorção. De acordo com Libardi (1999), é sempre possível expressar a afinidade do solo pela água como equivalente a uma altura de ascensão da água no tubo capilar. O aumento pronunciado da superfície com a diminuição do diâmetro da partícula é o ponto-chave para designar as propriedades do solo, o que terá influência direta nas propriedades de retenção de água e de nutrientes (REICHARDT, 1987). 2.2 MANEJO DA IRRIGAÇÃO A irrigação na agricultura deve ser entendida não somente como um seguro contra secas ou veranicos, mas como uma técnica que dê condições para que o material genético expresse em campo todo o seu potencial produtivo (HERNADEZ, 2004). Em regiões em que, durante uma parte do ano, as condições de temperatura e de radiação solar são suficientes para a produção agrícola, mas existe um déficit hídrico importante, como na região nordeste do Brasil. Desta forma, o conhecimento da quantidade de água requerida pelas culturas constituise em aspecto crucial na agricultura irrigada para que haja uma adequada programação de manejo de irrigação.

18 16 Mundialmente, a irrigação corresponde a 73% do consumo de água, 21% são consumidos na indústria e os restantes 6% destina-se ao consumo doméstico (CETESB, 2006). Este fato nos deixa a pressuposição de que seja necessário melhorar o manejo de irrigação, pois, a baixa eficiência e uniformidade dos sistemas de irrigação, e a limitada lixiviação de sais do solo estão dentre os principais fatores que influem na degradação do solo. A adoção de técnicas racionais de manejo conservacionista do solo e da água é de fundamental importância para a sustentabilidade, de tal forma que se possa, economicamente, manter ao longo do tempo esses recursos com quantidade e qualidade suficientes para a manutenção de níveis satisfatórios de produtividade. O conhecimento da quantidade de água requerida pelas culturas é importante na agricultura irrigada para que haja um adequado manejo de irrigação. Existem várias metodologias e critérios para estabelecer o manejo de irrigação, que vão desde simples turno de rega a completos esquemas de integração solo - água planta - atmosfera, adotando critérios de aplicação de água que indiquem o momento e a quantidade de água para cada irrigação, suprindo assim as necessidades hídricas das plantas e garantindo desta forma o uso racional da água, energia e insumos agrícolas, obtendo alta produtividade (ROQUE, 2008). Para realizar o manejo adequado de irrigação, é importante conhecer o teor de água existente no solo para, dessa forma, aplicar a quantidade de água necessária e no tempo correto. Nesse contexto, a utilização de sensores é um dos meios mais precisos para acompanhar o conteúdo de água no solo, e sua aplicação vem trazendo várias contribuições ao meio agrícola (CRUZ, 2010). Ainda, a utilização destes pode substituir outros equipamentos em um manejo de irrigação tais como o tensiômetro e o tanque classe A estabelecendo desta forma quando e quanto irrigar. 2.3 QUANTIFICAÇÃO DO TEOR DE ÁGUA NO SOLO E USO DE SENSORES Há diversos métodos que quantificam o teor da água do solo. O método gravimétrico é considerado o método direto padrão. Os métodos indiretos são aqueles que estimam o teor de água no solo a partir de outras propriedades do solo. A desvantagem deste método é que requerem calibrações locais para aumentar sua precisão nas medidas, mas nos estudos de monitoramento da água do solo são ideais, devido à praticidade, rapidez e repetibilidade nas medidas feitas em um determinado ponto do perfil do solo (SILVA, 2008).

19 17 Dentre os métodos indiretos, os baseados na constante dielétrica do solo (K), os mais utilizados são o de reflectometria no domínio do tempo (TDR) e freqüência no domínio do tempo (FDR) ou técnica por capacitância. Estes métodos têm sido utilizados na pesquisa, em função da sua precisão, facilidade de acoplamento a um sistema de coleta de dados, rapidez e segurança ao operador. Apesar de ambos os métodos se basearem na medida de K, cada método apresenta características específicas que resultam em algumas vantagens e desvantagens ao usuário final. Dielétricos ou isolantes são, de acordo com Silva et al. (2008) materiais que não conduzem ou conduzem pouquíssima corrente elétrica. Na prática, os materiais dielétricos são sólidos, por exemplo, porcelana (cerâmica), mica, vidros, plásticos e óxidos de vários metais, mas mesmo líquidos e gases podem servir como bons materiais isoladores. Apesar de conduzirem pouca corrente elétrica, materiais dielétricos contendo moléculas polares, por exemplo, água, quando sob a ação de um campo elétrico sofrem polarização, resultando em uma redistribuição e alinhamento das cargas no dielétrico. Camadas de dielétricos são comumente incorporadas em capacitores para melhorar seu desempenho com relação aos capacitores que contém apenas ar ou vácuo entre suas placas. Ao se colocar um material dielétrico bipolar entre as placas em um capacitor de placas paralelas ocorre um incremento na capacitância (expressa pela quantidade de energia elétrica acumulada para uma dada tensão de voltagem). Isto ocorre porque um campo elétrico polariza as moléculas do dielétrico, produzindo concentrações de carga em sua superfície. Desta forma, ocorrerá um aumento da carga no capacitor. Para o monitoramento da umidade, constante dielétrica e temperatura no solo, existem diversos tipos de equipamentos, porém, a maioria se restringe somente a trabalhos de pesquisas, pois tem custo elevado e requerem um mínimo de conhecimento e treinamento para sua utilização no campo. O método capacitivo envolve uma técnica que estima a quantidade de água no solo por meio da medida da sua constante dielétrica, medida esta feita através da capacitância entre dois eletrodos implantados no solo. Os eletrodos são submetidos a um sinal de excitação de freqüência conhecida e mede-se a impedância do circuito por ele formado (EVETT, et al., 2000). O conteúdo de água no solo pode ser determinado pelas variações da constante dielétrica causadas pela água no solo. No caso de solos arenosos, onde a água livre predomina, a constante dielétrica é diretamente proporcional ao conteúdo de água. O sinal obtido não é linear com o conteúdo de água e é influenciado tanto pelo tipo, como pela

20 18 temperatura do solo. Portanto, esse método requer calibração cuidadosa na instalação e também durante todo o tempo de uso, pois sua estabilidade em longo prazo é questionável (ROQUE, 2008). Recentes avanços na microeletrônica têm proporcionado a popularização das sondas por capacitância para o monitoramento, in loco, do teor de água no solo. As sondas têm sido utilizadas em uma ampla variedade de solos na Austrália (FARES ET AL., 2004), Estados Unidos (BAUMHARDT ET AL.,2000; FARES E ALVA, 2000) e Espanha (GIRONA ET AL., 2002). Segundo Starr & Partineanu (1998) as sondas por capacitância apresentam erro padrão muito próximos às sondas TDR (0,02 a 0,005m 3 m -3 ); possibilitam monitorar o teor da água no solo a um distância de até 500 m entre o sistema de coleta de dados e o sensor enquanto que no TDR o comprimento máximo do cabo é de 25m; os tubos de acesso são mais fáceis de instalar comparativamente a instalação das hastes do TDR para monitorar a umidade no perfil do solo, a qual exigiria a abertura de trincheira. Porém, são mais suceptíveis aos feitos da salinidade do solo e temperatura (BAUMHARDT ET AL, 2000). Atualmente, encontram-se no mercado, vários aparelhos que medem o teor de água existente no solo e uma das técnicas empregadas por estes aparelhos é a obtenção da constante dielétrica relativa do solo, capaz de medir a quantidade de água infiltrada, uma vez que esta constante matem uma proporcionalidade à quantidade de água no solo. Tal técnica recebe o nome de TDR (Time Domain Reflectometry) ou Reflectometria por Domínio de Tempo. Fellner-Feldegg (1969) introduziu a reflectometria por domínio do tempo como sendo um método para medir a permissividade dielétrica de líquidos. Desde então, a técnica TDR tem sido aplicada a medidas de propriedades dielétricas de muitos outros materiais, conforme Cassel El AL. (1994) e Noborio (2001). Na década de 80, Topp et al. (1980) e Topp e Davis (1985) obtiveram um modelo da aplicação da técnica TDR para medida da constante dielétrica relativa do solo ou do teor de água no solo. Para Bicegli et al. (1996) a constante dielétrica é calculada a partir da medida do tempo que um pulso eletromagnético leva para transitar entre duas hastes metálicas que operam como guias de onda e que são introduzidas no solo. Esta técnica de medida esbalece a necessidade de se considerar que o pulso emitido percorra de uma haste metálica para outra e retorne à posição de partida Temperatura do solo

21 19 A temperatura do solo é um dos fatores mais importantes para o desenvolvimento das plantas. O solo, além de armazenar e permitir os processos de transferência de água, solutos e gases, também armazena e transfere calor. A capacidade de um solo de armazenar e transferir calor são determinados pelas suas propriedades térmicas e pelas condições meteorológicas que, por sua vez, influenciam em todos os processos químicos, físicos e biológicos do solo (PREVEDELLO, 1996). A atividade microbiológica poderá ser interrompida, as sementes poderão não germinar e as plantas não se desenvolverem, se o solo não se apresentar dentro de uma faixa de temperatura adequada para a manutenção dos processos fisiológicos envolvidos. As propriedades físicas da água e do ar no solo, bem como seus movimentos e disponibilidade no solo, além de muitas reações químicas que liberam nutrientes para as plantas, são influenciados pela temperatura do solo. Além disso, o calor armazenado próximo da superfície do solo tem grande efeito na evaporação. As propriedades térmicas do solo e as condições meteorológicas, portanto, influem no meio ambiente das plantas. Experimentos em condições controladas com plantas de zonas temperadas e subtropicais têm evidenciado que baixas ou altas temperaturas na zona radicular reduzem o crescimento e causam estresse hídrico nas plantas, reduzindo o potencial hídrico de folhas e a taxa de assimilação de carbono (DAVIES, 2002). A falta dessas informações para as condições tropicais pode limitar o desenvolvimento de práticas que visem reduzir os efeitos negativos da flutuação da temperatura na zona radicular sobre o desenvolvimento e a produtividade vegetal. Através de medidas das variações de temperatura entre dois pontos no solo quando um deles recebe um pulso de calor, é possível determinar a umidade volumétrica do solo relacionando as variações de temperatura medidas com o conteúdo de água no solo. Estudos com diversos tipos de sensores de temperatura e geometrias diferentes vêm sendo utilizadas para estimar a umidade volumétrica, como é o caso dos trabalhos que utilizam termistores (BENSON, 2004; HOPMANS, 2002; MORAIS, 2006;) e os trabalhos que utilizam sensores de temperatura CMOS (MORAIS, 2003; MORAIS, 2004), e usando esse método da medida da variação da temperatura o sensor passa a ter mais um dado das propriedades do solo, a temperatura.

22 Umidade do solo No solo, o fenômeno de retenção da água (resultante de forças de retenção associadas à matriz do solo) contra forças externas (decorrentes, por exemplo, do campo gravitacional) tem sido há muito reconhecido como uma das funções primárias do solo na sustentação do crescimento e desenvolvimento das plantas sob condições de suprimento intermitente de água (GROENEVELT e BOLT, 1971; LIBARDI, 2000). Do ponto de vista agrícola, a importância da umidade do solo estende-se também a outros campos como a mecanização, fertilização e irrigação da parcela cultivada. O consumo de água e o seu uso eficiente pelas culturas agrícolas dependem, sobretudo, das condições físicas do solo, das condições atmosféricas, do estado nutricional das plantas, de fatores fisiológicos, da natureza genética e do seu grau de desenvolvimento. Para determinar a umidade do solo existem métodos diretos e indiretos. Dentre os métodos diretos, o gravimétrico é o mais utilizado, consistindo em amostrar o solo e, por meio de pesagens, determinar sua umidade gravimétrica, relacionando a massa de água com a massa de sólidos da amostra ou a umidade volumétrica, relacionando o volume de água contido na amostra e o seu volume. Um dos problemas na determinação da umidade pelo método direto está na demora de pelo menos 1 dia para obter o resultado. As amostras do solo vão para a estufa a 105 C onde permanecem por 24 horas para garantir que as amostras estejam secas e assim, por meio de pesagens antes e após a colocação na estufa, determina-se a relação de massa de água com a massa de solo seco. Para determinação instantânea da umidade os métodos indiretos são considerados mais adequados para indicar o início e a duração da irrigação. Segundo Teixeira (2004), os principais métodos indiretos baseiam-se em medidas como a moderação de nêutrons, a resistência do solo a passagem de corrente elétrica, a constante dielétrica do solo e a tensão da água no solo. Os métodos indiretos geralmente empregam sensores que requerem algum tipo de calibração. Nestes casos, a gravimetria é adotada como método padrão devido à sua simplicidade, praticidade e precisão, especialmente quando se usa balança digital com resolução próxima de centésimos de grama. Por outro lado, apresenta desvantagens por ser um método destrutivo e demorado, quando comparado aos métodos indiretos (GILBERTO JÚNIOR, 2003), dificultando a sua aplicação nos casos em que o conhecimento da umidade solo é exigido com maior frequência.

23 21 Existem diversos meios para se obter a umidade do solo a exemplo do tensiômetro, esse equipamento também permitem obter o momento da irrigação. Para determinar as lâminas de irrigação e o turno de rega, é necessário conhecer de outros parâmetros, como a curva de retenção de água do solo, a profundidade do sistema radicular, a evapotranspiração da cultura e o nível de esgotamento permissível EMBRAPA (2002). Outra alternativa é o tanque classe A que mede a evaporação de uma superfície de água livre, tendo como parâmetros de entrada o coeficiente do tanque e a evaporação da água contida no mesmo Condutividade elétrica do solo A salinização de solos representa um dos graves problemas da agricultura irrigada. O processo de salinização pode ter causas naturais (salinização primária) ou pode ter origem no manejo inadequado do solo e da água pela ação do homem (salinização secundária). A aplicação de fertilizantes junto com a água de irrigação é uma prática rotineira que reduz o custo com mão-de-obra além de obter aplicações mais uniformes. Por ser um agente facilitador das operações de irrigação e adubação, além de apresentar grande eficiência de aplicação, a fertirrigação é utilizada freqüentemente. Todavia, o seu uso intensivo no processo produtivo, aumenta o potencial de salinização da área cultivada. Portanto, o manejo inadequado dos fatores de produção, aliado ao desconhecimento da fisiologia dos vegetais, pode gerar um acúmulo de sais no solo ou, ainda, nas fontes de abastecimento de água, levando ao comprometimento de recursos naturais. Assim, o monitoramento do teor de água e da condutividade elétrica do solo torna-se imprescindível no uso da fertirrigação. O método laboratorial do extrato de saturação é considerado o método de referência para determinação da condutividade elétrica do solo, mas demanda tempo e exige infraestrutura laboratorial, limitando o número de determinações. Desta forma, faz-se necessário o desenvolvimento de metodologias que realizem determinações com maior rapidez e com boa correlação com o método padrão, permitindo ao produtor uma tomada de decisão imediata. Em condições de campo destacam-se as metodologias de extração de solução a vácuo, além daquelas baseadas na utilização de sensores de indução eletromagnética e que utilizam princípios da TDR capazes de medir a condutividade elétrica no solo (PAZ, 2005).

24 CALIBRAÇÃO DE SENSORES A calibração e a avaliação do desempenho de sensores de umidade podem ser feitas no campo ou em laboratório. Neste último caso, amostras de solo, de preferência indeformadas, são extraídas do perfil do solo e submetidas a regimes de molhamento e secamento. O tamanho da amostra de solo para calibração do sensor depende do tipo e princípio de funcionamento do equipamento, bem como da precisão desejada. Sondas de nêutrons e alguns modelos de sondas de capacitância podem requerer amostras de grande massa, o que demanda sistemas de pesagem de maior capacidade. Nestes casos o custo de aquisição de balanças de precisão torna-se um sério fator limitante e o desenvolvimento de plataformas de pesagem a partir de componentes de baixo custo pode ser uma alternativa viável. Em virtude dos sensores determinarem o conteúdo de água do solo de forma indireta, é imprescindível a realização de calibrações para os solos a serem monitorados, em razão das diferenças físicas que os mesmos apresentam. Essas calibrações podem ser realizadas em condições de laboratório e são bastante representativas, pois são utilizadas amostras indeformadas, que preservam as características do solo, como estrutura, densidade e aeração, como em sua forma original. Desse modo, Santos et al. (2006) asseguram que pode ser confiável a transferência dos modelos de calibração em laboratório para aplicações práticas em condições de campo. Além disso, Gardner et al. (1998) ressaltam que, mesmo em condições de laboratório, cuidadosamente controladas, uma calibração individual do sensor capacitivo, para cada tipo de solo, é necessária quando se deseja obter medidas absolutas de conteúdo de água.

25 23 3 MATERIAL E MÉTODOS 3.1 EXPERIMENTO 1 Este experimento constou da calibração dos sensores FDR em laboratório, utilizando amostras de duas diferentes classes de solos do Agropólo Açu Mossoró (RN), sendo classificadas de acordo com a EMBRAPA (2006) como Argissolo Vermelho Distrófico Arênico, o qual chamou-se de solo 1 e Cambissolo Háplico Ta Eutrófico típico, solo 2. Os sensores de umidade do solo utilizados foram os do tipo capacitivo ECH 2 O, modelos EC-10 e 5TE (Decagon DeviCEs, Inc), Figura 1. O modelo EC-10 tem dimensões de 0,1450 m de comprimento, 0,0317 m de largura e 0,0015 m de espessura, confeccionado na forma retangular em placas de circuito impresso (fibra de vidro, com uma fina camada de cobre em um dos lados cobertos por um verniz), que segundo Rende e Biage (2002), serve tanto para evitar oxidação das placas de cobre, devido ao contato com o solo, como para eliminar o efeito da condutância elétrica da carga através do dielétrico. Já o modelo 5TE possui um formato de garfo com três hastes de pontas finas, onde no centro das mesmas havia um parafuso responsável por emitir freqüências em ondas de 70 MHz, com espessura, largura e tamanho aproximados de 0,105 m e 0,03 m, respectivamente. O modelo EC-10 determina apenas a umidade do solo através do potencial elétrico gerado em seu capacitor, proporcionais à constante dielétrica do solo. Já o modelo 5TE, permite fazer o monitoramento dos sais no sistema, através da condutividade elétrica, além de aferir o teor de água, a umidade volumétrica e a temperatura do solo. O 5TE mede a temperatura com um termistor onboard e condutividade elétrica usando um conjunto de eletrodos de aço inoxidável. Topp el at. (1980) mostram que a constante dielétrica se relaciona com o teor de água (Ө v ) no solo propondo a Equação 1. (1) Onde: Өv = teor de água no solo (m 3 m -3 ), = constante dielétrica relativa do solo.

26 24 Figura 1. Sensores: (A) 5TE; (B) 5TE instalado e (C) EC-10 A temperatura, segundo o fabricante foi calibrada na fábrica para todos os tipos de solo e portanto não necessita de calibração. Utilizou-se dados de umidade e salinidade do solo lida pelos sensores para posterior Medidas de calibração dos sensores A calibração dos sensores foi conduzida no Laboratório de Irrigação e Salinidade da UFERSA, Campus Mossoró-RN. Foram coletadas amostras de dois tipos de solos de texturas distintas, um Argissolo e outro Cambissolo, assim definidos através da classificação da EMBRAPA (1999), nas profundidades de 0 a 40 cm, ressaltando-se que o material de solo era virgem, ou seja, não havia resíduos de plantas cultivadas no mesmo. Na caracterização dos solos estudados determinou-se a classificação textural através da análise granulométrica e argila dispersa em água pelo método da pipeta; densidade do solo, pelo método do anel volumétrico. Na Tabela 1 apresentam-se os valores de densidade do solo, composição granulométrica do Argissolo e do Cambissolo utilizados no estudo. Antes de chegarem ao laboratório as amostras de solo foram postas para secar ao ar, destorroadas e passadas em peneira com malha de 0,002 m para retirada das raízes e torrões postas em sacos plásticos, aproximadamente 20 kg de cada solo e armazenadas.

27 25 Tabela 1. Densidade do solo e composição granulométrica do Argissolo (solo 1) e Cambissolo (solo 2) utilizados no estudo. Argissolo Cambissolo Dens. do Solo (Mg m -3 ) 1,565 1,285 Porosidade total (%) 40,94 51,51 Areia (g kg -1 ) Silte (g kg -1 ) Argila (g kg -1 ) Classificação Textural Arenoso Média Estas amostras foram postas em recipientes plásticos com diâmetro de aproximadamente 10 cm de altura e 5 cm de diâmetro (volume de aproximadamente 200 cm³), utilizando dois recipientes para cada tipo de solo e dois sensores do modelo EC-10 e 5TE para cada recipiente, constituindo assim, quatro repetições para cada sensor, em cada tipo de solo. O recipiente consistia de um tubo de PVC com um CAP no final, totalmente vedado com fita veda rosca a fim evitar perdas de água e solo. Na Tabela 2, apresenta-se os dados dos cilindros utilizados na calibração dos sensores, sendo VolPVC o volume interno do tubo de PVC isolado e o VolTOTAL sendo o volume interno do tubo de PVC somado ao volume interno do CAP. Dessa forma, a soma dos volumes indicam a quantidade de solo posto no recipiente, onde através desses dados e dos dados de porosidade total obteve-se os seguintes volume de saturação do solo: para o Argissolo do cilindro intitulado Arg1 e Arg2, de 91,476 ml e 92,323 ml, respectivamente, e para o Cambissolo do cilindro intitulado Cam1 e Cam2 de 116,546 ml e 116,749 ml, respectivamente. A amostra saturada apresentou uma umidade, com base em volume (θ), em torno de 29% para o Argissolo e 37% para o Cambissolo. Pegou-se uma massa de solo pré-determinada através de suas características físicas e submeteu a mesma a uma umidade, para tanto conhecer-se o volume da amostra que foi equivalente ao volume total do recipiente e calculou-se a porosidade da mesma, equação 2.

28 26 Tabela 2. Dados obtidos em laboratório dos cilindros utilizados na calibração. Cilindro Diâmetro Altura VolPVC (cm³) VolTOTAL (cm³) Arg1 4,76 9,97 177, ,490 Arg2 4,86 9,66 179, ,272 Cam1 4,77 10,05 179, ,665 Cam2 4,88 9,74 182, ,246 (2) Onde: P = porosidade do solo, (%); Ds = densidade aparente do solo, (g.cm -3 ); Dp = densidade das partículas (2,65 g.cm -3 ). De posse das porosidades dos dois tipos de solo, determinou-se o volume que levaria a amostra a saturação utilizando-se a equação 3. Onde: = volume de saturação do solo (cm³); P = porosidade total (%); V = VolTOTAL (cm³) = volume residual (cm³). O volume residual utilizado na equação 3 foi obtido utilizando-se a equação 4. (3) (4) A umidade residual foi obtida em três pequenas amostras coletadas de cada saco de 20 Kg em cada tipo de solo, sendo considerada aquela que fica na terra fina seca ao ar (TFSA), utilizando o método gravimétrico: A umidade residual encontrada foi de 4% para o Cambissolo e 0,17% para o Argissolo. A umidade de saturação foi obtida pelo produto entre volume de solo conhecido (VolTOTAL) e porosidade total, isso determinando-se assim o volume máximo de água a ser colocado no solo, ou volume de saturação. O volume de água para elevar a saturação foi então

29 27 posto na amostra de solo e uniformizado com o auxílio de uma espátula, em seguida obteve-se a massa da amostra saturada e a mesma foi levada para estufa por 48 horas a 105º C, obtendose então a umidade gravimétrica, sendo que o procedimento foi repetido por diversas vezes. A umidade de saturação ( foi considerada como valor de 100% de umidade, calculando o volume de água para 20, 40, 60 e 80% para as demais determinações. As leituras dos sensores foram realizadas seguindo a ordem crescente das umidades. A Tabela 3 mostra a equivalência de umidade, considerando a umidade de saturação (100%) encontrada de 37% para o Argissolo e 29% para o Cambissolo. Tabela 3. Umidade as quais os solos foram submetidos na calibração dos sensores em laboratório. Solo θ (%) % de θs Solo θ (%) % de θs 7, , , ,60 40 Cambissolo 22,20 60 Argissolo 17, , , , , Sequência da calibração em laboratório Os procedimentos deram-se da seguinte forma: os cilindros de PVC foram colocados em uma bancada do laboratório, em seguida pesou-se a quantidade de solo necessária para encher o mesmo sendo que a massa do solo (Ms) resultado do produto entre o VolTOTAL e a densidade do solo (Ds): O material de solo pesado foi então posto em uma bandeja e umedecido. O volume de água foi determinado por: (5) Onde: Va = volume de água; = umidade na qual a amostra será submetida. A Tabela 4 mostra a massa de água contida nas amostras (Maresidual) e os volumes de saturação determinados e utilizados em laboratório.

30 28 Tabela 4. Volume de água para elevar as amostras de solo à saturação. Cilindro Solo Maresidual (g) Vol. Saturação (cm³) 1 Arg 0,175 91,301 2 Arg 92,323 3 Cam 0, ,366 4 Cam 117,269 O volume de água foi medido através de pesagem para melhor precisão dos resultados (assumindo sua densidade como 1 g.cm - ³). Fez-se então a mistura entre água e solo com o auxílio de uma espátula, de modo que a umidade fosse totalmente uniformizada naquela amostra. O solo umedecido era então levado ao cilindro e instantaneamente eram inseridos os sensores. As leituras foram feitas nos dois cilindros de cada solo sendo que para cada cilindro eram efetuadas quatro leituras, as quais são: EC10 repetição 1, EC10 repetição 2, 5TE repetição 1 5TE repetição 2. No dispositivo de leitura de (ProCheck) descrevia-se o nome do tratamento (o número do cilindro e a repetição do sensor). Utilizou-se de quatro águas, sendo assim denominadas: A0 = água destilada, CE próxima a 0 ; A1 = água de abastecimento da UFERSA, CE = 0,56 ds.m -1 ; A2 = mistura entre A1 e A3, CE = 2,75 ds.m -1 ; A3 = água de poço com acréscimo de cloreto de sódio (NaCl), CE = 5,00 ds.m -1. A mistura de águas foi dada pela equação 6. (6) Onde: = volume da água de salinidade 2,75 em litros; = volume de água que se deseja em litros; = condutividade elétrica da água 1, ds.m -1 ; = condutividade elétrica da água 2, ds.m -1 ; = condutividade elétrica da água 3, ds.m -1. Após as leituras, retirou-se com uma espátula uma amostra de solo do cilindro (M amostra ), colocando-se em uma lata de alumínio de peso conhecido e efetuava-se uma pesagem. Acrescentava-se então uma massa de solo (Ms), correspondente a massa retirada e

31 29 uma massa de água (Ma) correspondente à retirada somada a que levaria para umidade seguinte. A massa de solo correspondente à massa retirada era calculada pela equação 7. (7) Onde a massa de água era obtida por: (8) Para a umidade seguinte acrescentava-se o material de solo e água anteriormente retirado e em seguida, calculava-se o volume de água a ser acrescentado para a nova umidade desejada (Va atual ): (9) Em seguida os mesmos procedimentos foram realizados para submeter às amostras às umidades seguintes. Sendo que a cada umidade retirava-se uma amostra e colocava-se no recipiente já citado para determinação da umidade gravimétrica em estufa a 105 ºC por 48 horas. Determinou-se ainda a condutividade elétrica da pasta do extrato de saturação para as amostras, seguindo a metodologia da EMBRAPA (1997) Cálculos de calibração Calibrou-se os sensores do tipo EC-10 através de análises de regressão entre as leituras do potencial elétrico emitido pelos mesmos e as respectivas umidades volumétricas das amostras dos solos 1 e 2. Uma vez realizado o procedimento, a umidade aferida pelo sensor era obtida pela conversão do sinal elétrico. Quanto à calibração para a salinidade o procedimento foi idêntico, no entanto, estimou-se a equação de calibração através da salinidade aferida pelo sensor em relação com a salinidade do extrato da pasta saturada. Utilizou-se de análise de regressão para correlacionar as medições realizadas.

32 30 Foi realizada então uma correlação entre os valores de umidades estimadas através das leituras dos sensores em relação às umidades dos solos em estudo com base em indicadores estatísticos, de precisão, dada pelo coeficiente de correlação (r), indicando o grau de dispersão dos dados obtidos em relação à média, de exatidão (d), que está associado ao desvio entre valores estimados e medidos, dado pelo índice de Willmott e o coeficiente de desempenho (c) que é o produto de r e d (c = r. d) (CAMARGO e SENTELHAS, 1997), apresentados na Tabela 5. Tabela 5. Valores dos índices de desempenho conforme Camargo e Sentelhas (1997). Valor de c Desempenho > 0,90 Ótimo 0,81 a 0,90 Muito bom 0,71 a 0,80 Bom 0,51 a 0,70 Mediano 0,41 a 0,50 Sofrível 0,31 a 0,40 Mau < 0,30 Péssimo (1981): A seguir é apresentada a equação do índice de concordância proposto por Willmott d = (10) Onde: Pi = valores da umidade do solo ou da salinidade, determinados em laboratório; Oi = valores da umidade ou salinidade do solo estimados; P = valor médio, para a umidade do solo ou para a salinidade; O = valor médio, para a umidade do solo ou para a salinidade estimados; O índice de Willmott foi determinando tanto para salinidade quanto para umidade, daí o motivo de se apresentar acima as incógnitas como umidade ou salinidade. O índice de concordância d, varia de 0 a 1, em que o valor 1 significa uma concordância perfeita entre os dados medidos e estimados, enquanto o valor 0 significa não haver concordância entre os valores analisados.

33 31 Para efeito de calibração dos sensores digitais quanto à umidade volumétrica, foi calculada a umidade do solo utilizando o método gravimétrico Salinidade Quanto a calibração no que diz respeito à salinidade, os valores lidos de CE através dos sensores nos diferentes tipos de solo foram comparados a leitura da CE 1:2,5, obtida em laboratório. As amostras de solo para verificação da CE foram retiradas pontualmente após a desinstalação dos sensores no final do experimento para melhor coerência na aferição dos valores Sensores Utilizados e Equipamentos O ECH 2 O 10 (EC-10) é de 10 cm, único painel de sonda de umidade do solo. Ele usa uma tecnologia mais antiga de baixa frequência. É substituída pela alta freqüência de sonda de umidade do solo, que é em grande parte não-suscetíveis à salinidade e efeitos de textura. Para coleta de dados aferidos pelos sensores utilizou-se a estação de coletas de dados (Figura 2) ilustrada a baixo, o mesmo tem a capacidade de armazenar 5000 dados, sendo que pelo menos uma vez por semana armazenavam-se os dados no computador por meio do software ECH 2 O Utility (Figura 3) e em seguida zerava-se o aparelho para que não houve erro ou perca dos dados.

34 32. Figura 2. Coletor de dados dos sensores e painel que mostra a leitura das variáveis estudadas. Figura 3. Software ECH2O, utilizado para transferir os dados para o computador Ensaios preliminares, para uso dos sensores no manejo da irrigação Antes de serem instalados os sensores no experimento 2, estes foram postos em uma bandeja que continha solo dos tratamentos e testados um a um. O solo estava umedecido e totalmente uniformizado. Todos os sensores apresentavam leituras aproximadas, indicando assim que estavam aptos a serem utilizados em campo.

35 EXPERIMENTO Acompanhamento da umidade e da salinidade do solo em colunas de solo O trabalho foi realizado em casa de vegetação, pertencente ao Departamento de Ciências Ambientais da Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA, no município de Mossoró, RN (5 11 S, W e 18 m). Segundo a classificação de Köppen, o bioclima da região é do tipo BSwh, com temperatura média anual de 27,4 C (CARMO FILHO e OLIVEIRA, 1995). Utilizou-se de análise de regressão para monitoramento da umidade e da salinidade do solo. A parcela experimental foi constituída por uma bancada de aço constituídas de colunas de solo, postas em vasos de 20 L, preenchidos com 3 cm de sílica (quartzo moído) na camada inferior e com o material de solo na parte superior. O experimento constou do monitoramento da umidade do solo irrigado com água salina com 3 diferentes níveis de salinidade (condutividade elétrica CE, em ds m - ¹), tais quais: A1 = 0,56 ds m - ¹; A2 = 2,75 ds m - ¹; A3 = 5,0 ds m - ¹. Os tratamentos A1 e A3 foram obtidos da água de poço (AP) e da água de abastecimento (AA) do campus da UFERSA, respectivamente, enquanto que o tratamento A2 foi obtido misturando-se essas duas águas. Além disso, utilizaram-se dois tipos de solos representativos da região: Argissolo e um Cambissolo, os mesmos utilizados no experimento 1. A cultura utilizada foi o Pimentão verde (Capsicum annuum L.). A figura 4 mostra a área experimental de acompanhamento da umidade e salinidade do solo: Figura 4. Área experimental de acompanhamento da umidade e salinidade do solo.

36 34 A caracterização do solo da área do experimento realizou-se com base em análises físicas para camadas de solos que podem ser vista na Tabela 1. Além disso, foram obtidos resultados de qualidade das águas utilizadas nos tratamentos como pode ser verificado na Tabela 6: Tabela 6. Resultado da análise química das águas para fins de irrigação. ID ph CE K + Na + Ca 2+ Mg 2+ Cl - HCO 3- RAS Dureza Cátions Ânions (ds.m -1 ) (mmol C L -1 ) (mg.l -1 ) (mmol C L -1 ) A1 8,3 0,5 0,2 3,9 0,9 0,7 3,0 4,5 4,4 80,0 5,7 7,5 A2 8,4 5,1 1,0 25,0 19,8 22,2 22,4 3,9 5,4 2100,0 68,0 26,3

37 Instalação dos equipamentos Para instalação dos sensores fez-se necessário colocar o solo na capacidade de campo. Para submeter o conteúdo do vaso à capacidade de campo aplicou-se um volume de irrigação até que se iniciasse a drenagem. Com o solo bem umedicido introduziu-se a sonda sem fazer nenhuma escavação para garantir bom contato com o solo. O vaso utilizado tinha em torno de 20 cm de diâmetro, as plantas estavam postas no centro, os extratores de cápsulas porosas e tensiômetros, próximo a uma margem e os sensores na margem oposta, como pode ser visualizado na Figura 5. Figura 5. Distribuição dos sensores no experimento Manejo de irrigação com base em dados do solo A irrigação foi realizada manualmente com auxílio de provetas, em que no início, ou seja, após o transplantio das mudas e até o décimo dia, período de adaptação da planta, foi

38 36 aplicada a mesma quantidade de água a todos os tratamentos. A partir do momento em que todas as plantas germinaram foi estabelecido um novo manejo de irrigação, realizada com base em dados das leituras dos tensiômetros, instalados a duas profundidades, 15 e 30 cm, utilizando as curvas de retenção obtidas em laboratório e ajustadas utilizando-se o modelo proposto por Van Genuchten (1980) (Anexo16) para os dois solos, sendo utilizadas duas baterias de tensiômetros de punção, nas mesmas posições dos extratores de solução. O tensiômetro de punção é constituído de um tubo de PVC de ½, borracha de vedação, tubo acrílico transparente de 12 mm e uma cápsula porosa localizada na extremidade inferior do tubo de PVC. Foi adotado um turno de irrigação fixo, assim, as irrigações foram efetuadas todos os dias, nos períodos da manhã e tarde, antes das leituras dos sensores e tensiômetros. A tomada de tensão aos tensiômetros foi realizada através de um tensímetro digital de punção. Realizou-se duas lixiviações utilizando água com a salinidade do respectivo tratamento. Para isso utilizou-se um volume de irrigação de 3 (três) litros, para ambos os solos. A instalação dos dois sensores atentou-se às recomendações do fabricante que exige um bom contato entre, no caso do 5TE, o aço inoxidável e o solo, para que não ficasse espaços de ar, o que ocasionaria leituras não precisas Procedimentos na desinstalação dos sensores Na desinstalação dos sensores ao final do experimento, foi efetuada uma leitura em todos os tratamentos, e com auxílio de uma espátula retirou-se o sensor do vaso fazendo-se em seguida da coleta de uma amostra de solo pontual, utilizada para determinação da umidade e salinidade pela da metodologia da EMBRAPA (1997). A Figura 6 mostra esse procedimento.

39 37 Figura 6. Instalação e desinstalação dos sensores em casa de vegetação Acompanhamento da CE através dos extratores de cápsulas porosas Os extratores de cápsulas porosas foram instalados a uma distância de aproximadamente 10 cm em relação à planta de pimentão, sendo o primeiro com a cápsula a uma profundidade de 15 cm em relação à superfície do solo e o outro a 30 cm. De acordo com Silva et al. (2000), o conhecimento da umidade do solo no momento da extração é importante, pois possibilita estimar a condutividade elétrica e a concentração de íons em uma umidade padrão ou predeterminada. Os extratores de solução possuíam na sua extremidade inferior cápsulas porosas de cerâmica de 20 mm de diâmetro e 60 mm de comprimento. Antes do procedimento de coleta do extrato os extratores foram submetidos a um vácuo de aproximadamente 60 ou 70 kpa por um período de 12 horas, quando foram coletadas as soluções. Com quinze dias repetiu-se o procedimento, tendo assim, uma frequência quinzenal no processo de extração. No total, foram feitas quatro coletas. Ao final do experimento foram desinstalados os extratores e retiradas amostras de solo, com a finalidade de comparar os valores obtidos com o dos lidos pelos sensores EC-10, vendo a evolução da salinidade na coluna de solo. Utilizando 250 gramas dessas amostras de solo seco ao ar e peneirado em malha de 2 mm, prepararam-se pastas saturadas, as quais foram colocadas em repouso por um período de 12 horas de acordo com a metodologia de Richards (1954). Em seguida, retirou-se por meio