III Simpósio de Geoestatística Aplicada em Ciências Agrárias

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1 Caracterização da rugosidade do solo através de índices estatísticos e geoestatísticos Fernanda Zangiski Rolim, David José Miquelluti 2, Júlio César Ramos 3 & Ildegardis Bertol 4 1 Engenheira Florestal, Mestre em Produção Vegetal, Doutoranda em Ciência do Solo, Universidade do Estado de Santa Catarina/Solos e Recursos Naturais, Av. Luiz de Camões, Conta Dinheiro, Lages - SC, , ferpazan@yahoo.com.br 2 Engenheiro Agrônomo, Doutor em Agronomia /Solos e Recursos Naturais, a2djm@cav.udesc.br 3 Engenheiro Agrônomo, Mestrando em Ciência do Solo, Universidade do Estado de Santa Catarina/Solos e Recursos Naturais, julio.ramos.ta@gmail.com 4 Engenheiro Agrônomo, Doutor em Ciência do Solo, Universidade do Estado de Santa Catarina/ Solos e Recursos Naturais, a2ib@cav.udesc.br Resumo - O estudo da rugosidade da superfície do solo é importante porque ela está relacionada à geração do escoamento superficial, à erosão e à perda de fertilidade da superfície do solo. A rugosidade aleatória (RR) é o índice mais utilizado para representar a rugosidade do solo, entretanto, para a modelagem da mesma é necessário levar em conta o efeito da posição espacial das micro-elevações e micro-depressões. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a rugosidade do solo por índices estatísticos e geoestatísticos em diferentes tratamentos de manejo. O estudo foi conduzido no Centro de Ciências Agroveterinárias (CAV/UDESC), em Lages, SC, no período de 2010 a O delineamento experimental foi o inteiramente casualizado com duas repetições. No T 1 o solo foi escarificado e cultivado com azevém (Lolium multiflorum); no T 2 o solo foi escarificado e cultivado com ervilhaca (Vicia sativa); e no T 3 o solo foi escarificado e mantido sem cultivo descoberto. A escarificação resultou em rugosidade alta nos três tratamentos. Foram calculados os índices rugosidade aleatória (RR), diferença limite (LD) e declividade limite (LS). Valores de RR e LD apresentaram alta correlação nos tratamentos com ervilhaca e azevém. Os índices estatísticos e geoestatísticos apresentaram-se adequados para caracterização da rugosidade do solo. Palavras-chave: microrelevo; diferença limite; declividade limite. Soil roughness characterization by statistical and geoestatistical indices Abstract The research of the soil roughness is important because it s directly connected to the runoff, erosion and loss of fertility in the surface layer of soil. The random roughness index (RR) is the most used index to represent the soil roughness. However, for modeling its is necessary to take into account the effect of the spatial position of the micro-depressions and micro-elevations. The aimed of this study was feature the soil roughness by statistical and geostatistical indices in different treatments of management. This study was conducted at the agricultural research station of the University of the State of Santa Catarina (UDESC), in Lages, SC, in the period from 2010 to The design was the CRD with two replications. In the T 1 the soil was scarified and grown with ryegrass (Lolium multiflorum). In the T 2 the soil was scarified and grown with veth (Vicia sativa) and in the T 3 it was scarified and was kept fallow. The scarification resulted in high roughness at the three treatments. Were compute random roughness (RR), limiting difference (LD) and limiting slope (LS). High correlaction between RR and LD for the ryegrass and for the veth soil were found. The statistical and geostatistical indices are good for characterizing of the soil roughness. Key words: microrelief; limiting difference; limiting slope. Introdução A rugosidade da superfície do solo é representada pela microtopografia do terreno, mais precisamente pelo conjunto das micro-elevações e micro-depressões da superfície do solo, bem como pela sua distribuição espacial (KUIPERS, 1957; ALLMARAS et al., 1966). É dependente de fatores intrínsecos do solo, tais como o tipo de solo e o teor de umidade do solo no momento do seu preparo Allmaras et al. III Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias 1

2 (1967) mas, principalmente, depende do tipo de preparo. A maior parte dos estudos sobre rugosidade superficial do solo e sua evolução tem sido motivados pela necessidade de dados para calcular o volume de água retida nas micro-depressões da superfície do solo (LINDEN, 1979; ONSTAND, 1984; KAMPHORST et al., 2000). Dentre os índices estatísticos para o cálculo da rugosidade do solo, o RR que representa a rugosidade aleatória, proposta por Allmaras et al. (1966) é o mais antigo e também o mais utilizado. Este índice é equivalente ao desvio padrão das medidas de elevação relativas ao plano de referência e representa a medida estatística da flutuação vertical, implicitamente assumindo que não há dependência espacial na superfície rugosa. O principal problema deste índice é que duas superfícies de solo com valores idênticos de RR podem apresentar micro-topografias diferentes. Diferentes abordagens têm sido propostas para considerar a escala espacial. Baseado no semivariograma de primeira ordem, ou seja, medidas de diferença de elevação, Linden e van Doren (1986) definiram dois índices: diferença limite (LD), que descreve a componente vertical e declividade limite (LS), que descreve a separação da escala de comprimento da superfície rugosa. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a rugosidade do solo através de índices estatísticos e geoestatísticos em diferentes sistemas de preparo e cobertura do solo. Material e Métodos O conjunto de dados utilizado nesse trabalho foi obtido de um experimento conduzido no Centro de Ciências Agroveterinárias (CAV/UDESC), em Lages, no período de 2010 a As parcelas estudadas situam-se à 27º46 57 latitude Sul e 50º18 20 longitude Oeste de Greenwich. A altitude média de Lages é de 953 m, e segundo Köeppen, o clima da região é do tipo Cfb (mesotérmico), com uma precipitação média anual de mm de chuva (BERTOL, 1993). O solo da área experimental é classificado como um Cambissolo Húmico Alumínico léptico (EMBRAPA, 2006), argiloso e pouco profundo, apresentando uma declividade média do terreno de 0,102 m m -1 no local do experimento. Inicialmente, até o ano de 2006, o local possuía pastagens naturais, passando-se, a partir desta data a ser utilizado como área para experimentos de erosão sob chuva simulada. Na ocasião, o ph do solo foi devidamente corrigido com a incorporação de calcário dolomítico. Nos últimos anos, a área experimental vem sendo cultivada sob semeadura direta, com exceção das parcelas testemunha (solo descoberto e sem cultivo). Anteriormente, o solo estava coberto por resíduos de trigo (safra de outono-inverno de 2010) e no cultivo de primavera-verão de , foi cultivado milho, feijão, soja e consórcio de milho e feijão. Precedendo a semeadura do experimento, o solo estava coberto pelas culturas de milho e soja, sendo ambos os resíduos retirados no ato da semeadura. O delineamento experimental foi o inteiramente casualizado com duas repetições. Os tratamentos utilizados foram: T 1, o solo foi escarificado e cultivado com azevém (Lolium multiflorum);t 2, o solo foi escarificado e cultivado com ervilhaca (Vicia sativa); e T 3, o solo foi escarificado e mantido sem cultivo e descoberto. A escarificação, feita em contorno no declive, resultou em rugosidade alta nos três tratamentos. Nos tratamentos T 1 e T 2, retiraram-se os resíduos das culturas da superfície do solo, mantendo-se apenas as soqueiras das culturas, antes de realizar a escarificação. No T 3, manteve-se o solo sem influência de raízes ou resíduos culturais por mais de dois anos antes da realização deste experimento. As parcelas foram compostas por uma área útil de 38,5 m 2, com dimensão de 11 m de comprimento no sentido do declive e 3,5 m de largura. Cada parcela foi delimitada na extremidade superior e nas laterais por chapas galvanizadas com 0,2 m de altura, cravadas 0,1 m no solo. As leituras da rugosidade superficial do solo foram feitas imediatamente antes do preparo do solo, imediatamente após o preparo, antes de cada chuva simulada e ao final da última chuva simulada. Para obtenção dos dados de altura da superfície do solo utilizou-se um rugosímetro de varetas com uma câmera fotográfica acoplada. Esta técnica se baseia em medir a maior ou menor distância existente entre o extremo de cada vareta do rugosímetro e uma linha de referência, a qual depende da altura do ponto no solo onde cada vareta faz o contato. O registro dos dados realiza-se mediante a tomada de fotografias dos diferentes perfis e posterior tratamento das mesmas mediante análise de imagem (LIÑARES,1999). O rugosímetro possui 20 varetas de alumínio, distanciadas 30 mm uma das outras e delimitadas por uma linha de suporte. Nesta linha de suporte encontra-se fixada uma barra de alumínio de 1,8 m de comprimento, onde está a câmera fotográfica acoplada na outra extremidade. Atrás das varetas tem-se uma chapa branca para aumentar o contraste e melhorar a visualização das varetas na foto. O conjunto de varetas, bem como o fundo branco é movido manualmente sobre um suporte do aparelho que está fixado no terreno em nível. Assim, foram feitas 20 fotografias, em 20 posições diferentes distanciadas 30 mm uma das outras. Isso III Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias 2

3 possibilitou a digitalização de 400 pontos de alturas de varetas em cada local da parcela, correspondendo a uma área de amostragem de 0,36 m 2 (0,6 x 0,6 m). A rugosidade aleatória (RR) foi calculada como o desvio padrão das leituras de alturas, de acordo com Currence e Lovely (1970) e Kamphorst et al. (2000), por meio da seguinte equação: em que é a altura medida no ponto i, é a média das alturas e n é o número de pontos. Calculou-se o índice de rugosidade original, ou seja, sem eliminar a influência da declividade do terreno e da tendência das marcas de preparo do solo. O índice proposto por Allmarras et al. (1966), não considera a posição na superfície de tomada das medidas do microrelevo. Considerando este fato, Linden e van Doren (1986), propuseram os índices diferença limite (LD) e declive limite (LS) utilizando uma abordagem geoestatística e levando em conta a organização espacial das micro-elevações e micro-depressões. Estes índices se obtêm a partir da diferença média em valores absolutos, dos dados de altura, em função da distância h, o que equivale a um semivariograma de primeira ordem. As diferenças médias de altura, em valores absolutos, para sucessivas distâncias se calcularam mediante a seguinte expressão: em que é a altura medida no ponto i; é a altura em pontos adjacentes separados pela distância h e n é o número de pares de dados considerados. O semivariograma de primeira ordem se ajusta a uma função hiperbólica de acordo com a seguinte expressão: em que é a diferença média em valor absoluto dos dados de altura; é o espaço horizontal entre pontos e a e b são parâmetros de ajuste. Segundo Linden e Van Doren (1986), a distância máxima de comparação dos valores do semivariograma de primeira ordem se limita a um máximo de 20 cm. Os parâmetros a e b, calculados mediante análise de regressão, permitem definir os índices diferença limite (LD) e declive limite (LS) como: LD equivale ao valor assintótico da variância de primeira ordem e está relacionado com RR que, por sua vez, corresponde à raiz quadrada do momento de segunda ordem (ISAAKS e SRIVASTAVA, 1989; KAMPHORST et al., 2000). Assim, LD informa sobre as características do microrelevo a grandes distâncias e indica a tendência central das diferenças de altura entre os pontos (LINDEN e VAN DOREN, 1986). Os mesmos autores interpretam LS como sendo a declividade da superfície para pequenos intervalos de distância. Outros autores como Kamphorst et al. (2000), consideram que LS não equivale a declividade da superfície a pequenas distâncias mas a declividade da função ajustada em pequenas distâncias. Resultados e Discussão III Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias 3

4 A tabela 1 apresenta os valores médios calculados de RR, LD e LS. Os valores de rugosidade aleatória variaram de 16,23 a 32,11 mm; de 16,23 a 31,62 mm e de 19,66 a 32,30 mm para os tratamentos com azevém, ervilhaca e solo sem cultivo, respectivamente. Para a diferença limite, nos mesmos tratamentos,os valores foram de 22,41 a 64,20 mm; 23,31 a 41,70 mm e 36,82 a 63,61 mm. Observa-se que, em geral, os valores de LD apresentaram-se maiores que RR, sendo 40% para azevém, 27% para ervilhaca e 43% para o solo sem cultivo, na média dos valores. Segundo Paz-Ferreiro et al. (2008), o efeito de preparo inicial em rugosidade superficial do solo depende das ferramentas de preparo, número de passadas, e outros fatores de menor importância, tais como velocidade, conteúdo de argila e conteúdo de água no solo. Também, quantidade e manejo de resíduos anteriores podem influenciar a rugosidade inicial. Tabela 1. Valores médios de rugosidade aleatória, diferença limite e declividade limite para os diferentes tratamentos. Tratamentos RR* LD* LS* Antes preparo 16,23 22,41 0,0180 Após preparo 32,11 64,20 0,0434 Azevém 1º chuva 27,07 41,94 0,0533 2º chuva 25,08 40,85 0,0420 3º chuva 22,75 37,81 0,0325 4º chuva 21,85 34,66 0,0246 Ervilhaca Solo sem cultivo Antes preparo 16,23 23,31 0,0116 Após preparo 31,62 41,70 0,0658 1º chuva 26,89 35,69 0,0503 2º chuva 25,98 37,37 0,0412 3º chuva 24,64 32,54 0,0395 4º chuva 23,84 35,06 0,0301 Antes preparo 19,66 49,19 0,0097 Após preparo 32,30 42,06 0,0773 1º chuva 26,67 36,82 0,0281 2º chuva 26,33 39,35 0,0204 3º chuva 25,66 45,52 0,0177 4º chuva 26,57 63,61 0,0169 * RR rugosidade aleatória; LD diferença limite; LS declividade limite As relações lineares entre RR e LD podem ser visualizadas na figura 1. O coeficiente de correlação entre esses índices foi 0,9401 para o azevém e 0,9414 para a ervilhaca, concordando com os resultados de Linden e van Doren (1986) e Paz-Ferreiro et al. (2008). A diferença limite, na equação (4) é o valor assintótico da semivariância de primeira ordem. RR corresponde a raiz quadrada do patamar do semivariograma de segunda ordem. Consequentemente coeficientes de correlações fortes entre RR e LD são esperados. Entretanto, Paz-Ferrero et al. (2008) sugerem que, com distintas equações de regressão para milho e aveia em seu estudo, juntamente com resultados anteriores (Linden e van Doren,1986 e Bertuzzi et al.,1990), isto não é uma relação geral entre esses dois índices, apesar de forte dependência para uma dada condição experimental específica. No tratamento 3 (solo sem cultivo e descoberto) não houve correlação entre os índices RR e LD. Embora RR e LD sejam indicadores da distribuição da altura da superfície do microrelevo, os índices não consideram a componente espacial, ou seja, localização mútua de pontos altos e baixos. A estrutura espacial da microtopografia é crítica para a completa caracterização das propriedades de configuração da superfície do solo e avaliação de armazenagem depressional. Linden e van Doren (1986) estabeleceram que LS é a declividade da superfície do solo em pequenos intervalos,porque poderia aproximar LS quando tende para zero. Portanto, LS deveria dar informação sobre a declividade das unidades estruturais. Além disso, sobre uma superfície de solo ideal, a máxima rugosidade depende do lado do declive dos elementos estruturais salientes da superfície do solo. A III Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias 4

5 magnitude de LS foi pequena quando comparada com RR ou LD. LS variou de 0,0180 a 0,0533 mm para o cultivo com azevém, de 0,0116 a 0,0658 mm para o cultivo com ervilhaca e variou de 0,0097 a 0,0773 mm em solo sem cultivo. Não houve correlação significativa entre RR ou LD e LS, concordando com os resultados de Paz-Ferrero et al. (2008). Figura 1. Correlação entre rugosidade aleatória e diferença limite para tratamento 1, tratamento 2 e tratamento 3. Devido a natureza linear da equação (3), LD e LS são essencialmente independentes de intervalo mínimo amostral, os quais representam uma vantagem para análise de conjunto de dados com várias grades de amostragem. Entretanto, a rugosidade máxima do solo, avaliada pelos índices RR ou LD é independente do tamanho dos elementos estruturais do solo, o que significa que duas configurações diferentes de superfície podem resultar em mesmo valor de RR ou LD (Merril et al., 2001). Isto continua a ser o maior problema na caracterização da microtopografia da superfície do solo. Conclusão O índice estatístico RR apresentou menores valores de rugosidade aleatória que o índice LD. Os valores de LD e RR, em média, foram maiores para o solo sem cultivo que para os outros tratamentos. Para a declividade limite, o solo sem cultivo apresentou maior valor médio do que nos tratamentos com azevém e ervilhaca. Valores iniciais de LD e RR decresceram após a primeira chuva simulada para o solo com azevém e ervilhaca; no solo sem cultivo, há um aumento nos valores de LD enquanto que nos valores de RR não se observou uma tendência definida Os índices rugosidade aleatória e diferença limite foram os que apresentaram correlação mais importante. A análise geoestatística aumentou a caracterização de informações da superfície do solo, por considerar o efeito da posição das micro-elevações e micro-depressões, entretanto, há necessidade de mais estudos para melhor compreensão do índice LS. Agradecimentos Ao CNPq e a CAPES, FAPESC e UDESC, pelo apoio a pesquisa. III Simpósio de Geoestatística em Ciências Agrárias 5

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