Universidade Federal de Viçosa Centro de Ciências Agrárias Departamento de Zootecnia Uso racional de recursos naturais não renováveis na agricultura: aspectos biológicos, econômicos e ambientais Prof. Rogério de Paula Lana, Ph. D. DZO/UFV Viçosa/MG/Brasil Bolsista 1B do CNPq E-mail: rlana@ufv.br
Introdução Com o crescimento populacional, há uma demanda crescente de produção de alimentos e de fontes alternativas de energia de origem vegetal em substituição ao petróleo. O aumento da produtividade animal e de plantas está causando excessiva utilização dos recursos naturais não renováveis e a poluição ambiental.
Reservas mundiais de fertilizantes Fosfato: 40 a 100 anos. Potássio: 50 a 200 anos. Cobre e zinco: 60 anos. Manganês: 35 anos. Selênio: 55 anos.
Exploração do petróleo conforme previsão da curva de Hubbert Dr. Marion King Hubbert http://www.daveseslbiofuel.com/pix/hpt.jpg
http://www.hubbertpeak.com/.
O uso dos recursos naturais não renováveis segue a curva de Hubbert? O fenômeno observado quanto à exploração de petróleo se aplica: Ao uso de fertilizantes? Uso do solo e da água? Produção de alimentos? 10 Taxa de exploração. 8 6 4 2 0 Blackout 0 2 4 Tempo 6 8 10 12 Fig.1 - Curva de Hubbert de exploração dos recursos naturais não renováveis e curva alterada pela manutenção artificial do pico de produção.
Clube de Roma - The limits to growth - 1972 Após o pico de exploração, se não houver novas reservas a serem descobertas, alternativas para se produzir mais alimentos sem depender dos recursos vigentes, ou racionalização da exploração com base na eficiência de uso destes recursos, conseqüências catastróficas podem ocorrer com a humanidade.
Clube de Roma - The limits of growth - 1972 By Donella H. Meadows, Dennis l. Meadows, Jorgen Randers
60 50 40 População 30 20 10 0 Crescimento cumulativo Taxa de crescimento 0 2 4Tempo 6 8 10 10 Taxa de exploração. 8 6 4 2 0 Blackout 0 2 4 Tempo 6 8 10 12 Fig. 2. Crescimento populacional (cumulativo e taxa de crescimento) em função do tempo.
70 60 50 População 40 30 20 10 0 Limitação pelo substrato e/ou produto Limitação pelo substrato 0 2 4Tempo 6 8 10 Emissão de CO2 de comb fóssil 1800 1850 1900 1950 2000 Fig.3. Curva de crescimento dos seres vivos em função da saturação pela limitação de nutrientes (desnutrição) e/ou poluição ambiental (produto do metabolismo). Science 24 April 1998: v.280, n.5363, p.499. DOI: 10.1126/science.280.5363.499h
Modelos de respostas biológicas aos nutrientes: uma solução? Modelo de Michaelis-Menten (Michaelis & Menten, 1913) saturação cinética. Modelo de Lineweaver-Burk : 1/Y = a + b * (1/X) 1/GDP (kg/animal/dia) 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 y = 0,26x + 1,33 r 2 = 0,97 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 1/Suplemento (kg/animal/dia) onde: Y = respostas dos animais (GDP, leite) e da pastagem (disp. MS verde, taxa de lotação e GDP). a = intercepto, b = coeficiente da regressão linear, X = quantidade de nutriente (kg suplemento/animal/dia ou kg N/ha/ano) Permitem melhorar a eficiência de uso de nutrientes, manter a produção e conservar os recursos naturais não renováveis para as gerações futuras. GDP (kg/animal/dia) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 GDPobs GDPest GDPobs B 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 Suplemento (kg/animal/dia)
Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Carl Sprengel (1826 e 1828) e Liebig (1840): Lei do mínimo Resposta linear ascendente e platô na produção pelo aumento do fator limitante. * Mitscherlich (1909): equação exponencial com rendimento máximo assintótico e nível ótimo econômico de fertilização, baseado na relação benefício-custo. Liebig Mitscherlich
Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Michaelis e Menten (1913): modelo de cinética enzimática. Maud Menten Michaelis * Lineweaver e Burk (1934): cálculo das constantes Ks (b/a) e Vmax (1/a). Dean Burk Krebs
Retrospectiva histórica do uso de modelos de saturação cinética * Monod (1949) e Russell (1984): crescimento microbiano saturação cinética. Monod J.B. Russell * Lana et al. (2005): Livestock Prod. Sci., v.98, p.219-224, 2005. Crescimento de plantas e animais saturação cinética.
Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em plantas * Inúmeros modelos empíricos têm sido utilizados para predizer as respostas aos nutrientes: - Mitscherlich - Raiz quadrada - Exponencial - Linear-mais-platô - Linear-mais-hipérbola - Quadrático - Quadrático-mais-platô
Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em plantas * O uso da cinética de saturação tem sido raramente empregado (Morgan et al., 1975). O modelo permite calcular: - As respostas aos diferentes níveis de nutrientes. - A relação benefício-custo. - A eficiência de uso de nutrientes. - A racionalidade de uso dos recursos não renováveis. - Conscientização sobre a poluição ambiental.
Os modelos de saturação cinética (Michaelis-Menten e de Lineweaver- Burk) podem ser uma solução racional para os problemas apontados na publicação The limits of growth pelo Clube de Roma em 1972?
Produção (x 1.000 kg/ha) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 100 200 300 400 Fertilizante (kg/ha) A 1/produção (x 1.000 kg/ha) 4 3 2 1 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 1/fertilizante (kg/ha) B Eficiência (kg de grãos/kg. de fertilizante) 20 16 12 8 4 0 0 100 200 300 400 Fertilizante (kg/ha Fig.5 Equação Símbolo Intercepto (a) Coeficiente (b) r 2 k s k max 1 O 0,8163 79,789 1,00 98 1,2 2 0,9195 39,591 1,00 43 1,1 3 0,4082 39,894 1,00 98 2,4 4 0,4768 19,483 1,00 41 2,1 Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p.73-74.
Produção (x 1.000 kg/ha) 4 3 2 1 0 0 100 200 300 400 Fertilizante (kg/ha) A Fig.6 Eficiência (kg de grão/kg de fertilizante) 36 30 24 18 12 6 0 0 100 200 300 Fertilizante (kg/ha) Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p.75. B www.sciencemag.org SCIENCE VOL 324 19 JUNE 2009
Produto Fertilizante Kg/ha/ano Segundo fator 1 Intercepto (a) Coeficiente (b) r 2 k s k max Fonte de dados Soja P 2 O 5-0,7536 57,766 1,00 77 1,3 1 + 0,4096 42,198 1,00 103 2,4 1 Soja P 2 O 5-0,3502 30,524 0,98 87 2,9 2 + 0,3801 8,2987 0,99 22 2,6 2 Soja P 2 O 5-0,3103 3,6726 0,68 12 3,2 2 + 0,2535 3,9962 0,53 16 3,9 2 Trigo P 2 O 5-0,4169 174,48 1,00 419 2,4 1 + 0,4781 91,0 1,00 190 2,1 1 Alg. K 2 O - 0,622 4,6865 0,91 7,5 1,6 1 + 0,3284 2,7052 0,97 8,2 3,0 1 1 Calcário: sem (-) ou com(+). Fonte: Lana (2007) Respostas biológicas aos nutrientes, p.76.
Futuro sobre o uso dos fertilizantes O conhecimento sobre a eficiência de utilização de fertilizantes na agricultura Decisões políticas Uso racional com máxima eficiência e com o mínimo de efeitos negativos no meio ambiente.
Resposta marginal ou lei dos rendimentos decrescentes em bovinos GDP (kg/animal/dia) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 (1,5:1) (7,0:1) (40:1) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Suplemento (kg/animal/dia) GDP, kg/animal/dia 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 Suplemento, kg/animal/dia Fig.7 - Ganho de peso de bovinos em crescimento a pasto na seca, em função consumo diário de concentrado (Lana et al., 2005, Lana, 2007a).
Fig.8 - Produção de leite (A) e eficiência de uso de concentrado (B) em função do consumo de concentrado (Pimentel, Lana et al., 2006b, 2006c; Teixeira, Lana et al., 2006). Leite, kg/animal/dia 13 12 11 10 9 8 7 Exp1 Exp2 Exp3 A Eficiência, kg leite/ kg concentrado 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Exp1 Exp2 Exp3 B 6 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Concentrado, kg/animal/dia 0 1 2 3 4 5 6 7 Concentrado, kg/animal/dia
Fig. 9 * A: Ganho de peso de novilhos em pastagens, observado e estimado pelo nível 1 do NRC (1996) em função do consumo de EM e PM no suplemento. * B: Produção de leite observ (média da Fig.3A) e estim pelo CNCPS 5.0 (Fox et al., 2003) e NRC (2001) em função dos consumos de EM ou ELl, e PM (B). 1,5 GDP observado A 20 Leite obs B GDP (kg/animal/dia) 1,2 0,9 0,6 0,3 GDP f (EM) GDP f (PM) Leite (kg/vaca/dia) 16 12 8 4 Leite est 0 0 0,8 1,6 2,4 3,2 Concentrado (kg/animal/dia) 0 0 1 2 3 4 5 6 Concentrado (kg/vaca/dia)
Biotechnology and Biological Sciences Research Council (1998), anteriormente conhecido como AFRC (1993): Todos os sistemas alimentares calculam os requerimentos dietéticos de energia e proteína dos animais para satisfazer as necessidades para mantença e produção. Na prática é diferente, porque não há necessidade do fazendeiro satisfazer os requerimentos nutricionais do animais ser for contra os interesses econômicos. Fica evidente que estudos de resposta animal aos níveis crescentes de concentrados ou nutrientes específicos são necessários. Esta deveria ser tarefa dos Nutricionistas de Ruminantes no séc. XXI.
Resposta à suplementação em função da qualidade do pasto, nível de suplementação e potencial genético (Lana, 2007, p.305-306) Fig.10 A: Tropical na seca (madura). B: Tropical das águas e temperada madura. C: Temperada na primavera. Fig.11 - Respostas de bovinos de alto versus baixo mérito genético.
Mitos e realidades sobre produção e índices de produtividade na agricultura
Tab.3 - Produção versus produtividade (Guimarães et al., 2008; Lana et al., 2009) Estrato de produção (Kg de leite/ produtor/dia) Número de produtores Produção por produtor (Kg de leite/dia) Área para pecuária (ha) Rebanho (número de animais) Vacas em lactação (número) Até 150 6 117 37 56 14 151-300 12 238 70 73 28 301-600 14 451 106 94 43 601-1200 14 821 111 159 66 1201-2400 3 1667 316 633 132 2401-4800 1 4000 300 1800 300 Kg de leite/ produtor/dia Vaca em lactação/ha Leite (Kg/ha/dia) Leite (Kg/vaca em lactação/dia) Leite (Kg/rebanho total/dia) Vacas em lactação/rebanho total Até 150 0,38 3,17 8,33 2,08 0,25 151-300 0,40 3,40 8,57 3,27 0,38 301-600 0,41 4,27 10,53 4,77 0,45 601-1200 0,59 7,41 12,51 5,15 0,41 1201-2400 0,42 5,27 12,66 2,63 0,21 2401-4800 1,00 13,33 13,33 2,22 0,17
Tab. 4 Correlação linear da produção diária de leite pelos produtores rurais (50 produtores) Parâmetros Correlação (r) Parâmetros Correlação (r) Total de bovinos 0,94 Leite (kg/ha) 0,13 Total de vacas lactantes 0,93 Leite (kg/vaca/dia) 0,11 Área para o rebanho (ha) 0,67 Vaca em lactação/ha 0,06 Área total da propriedade (ha) 0,20 Leite (kg/total de bovinos/dia) -0,11 Fonte: Guimarães et al. (X MinasLeite, 2008). Lana et al. (ADSA/ASAS, 2009).
Tab. 5 Correlação linear da produção anual de leite pelos estados brasileiros Parâmetros Total de vacas ordenhadas Litros de leite/km 2 /ano Litros de leite/vaca/ano Superfície do estado (em km 2 ) Litros de leite/estado/ano 0,95 0,55 0,51 0,11 Total de vacas ordenhadas 0,39 0,31 0,21 Fonte: Guimarães et al. (X MinasLeite, 2008). Lana et al. (ADSA/ASAS, 2009). Litros de leite/km 2 /ano 0,88-0,37 Litros de leite/vaca/ano -0,26
Tab.6 Produção agrícola, área cultivada e produtividade em municípios da Zona da Mata e Central de Minas Gerais Toneladas/município/ano Área cultivada, ha Toneladas/ha Item n Média DP Média DP Média DP Milho 110 2555 3013 814 852 3,04 0,64 Feijão 1a 110 125 199 220 310 0,55 0,58 Feijão 1b 110 181 296 283 385 0,56 0,18 Cana 101 13205 36588 230 559 45,2 16,8 Café 95 888 2071 1165 2650 0,76 0,30 Banana 2 90 483 1034 43 103 13,5 6,8 Mandioca 86 231 361 17 28 12,7 4,1 Laranja 3 84 215 360 21 28 10,2 4,1 Arroz 4a 76 118 159 53 66 2,28 1,01 Arroz 4b 71 188 434 61 106 2,30 1,16 Tomate 51 1043 1922 18 31 49,3 13,0 Coco 18 128 367 9 15 12,7 10,1 Batata 5a 12 1107 1501 52 66 19,3 4,2 Batata 5b 11 1085 1557 65 80 17,7 5,0 Batata 5c 10 1133 1398 61 77 19,7 3,1 CVmédio 226% 172% 34% Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: www.cidadesnet.com.br (ano de 2003).
Tab.7 Correlação linear (r) entre algumas variáveis relacionadas à produção agrícola, em municípios da Zona da Mata e Central de Minas Gerais Item Milho 110 0,95 0,35 0,14 Feijão 1a 110 0,87 0,18 0,02 Feijão 1b 110 0,96 0,42 0,31 Cana Café 95 0,98 0,07 0,00 Banana 2 90 0,96-0,02-0,14 Mandioca 86 0,98 0,21 0,09 Laranja 3 84 0,91 0,32 0,03 Arroz 4a 76 0,88 0,22-0,05 Arroz 4b 71 0,91 0,53 0,38 Tomate Coco 18 0,95 0,31 0,12 Batata 5a 12 0,99 0,47 0,42 Batata 5b 11 0,88 0,22-0,19 Batata 5c 10 0,99-0,20-0,29 Média n 101 51 Produção (ton/ano) X área plantada (ha) 0,99 0,98 0,94 Produção (ton/ano) X produtividade (ton/ha) 0,34 0,46 0,26 Produtividade (ton/ha) X área plantada (ha) 0,30 0,37 0,10 Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: www.cidadesnet.com.br (ano de 2003).
Café (T o n /m u n icíp io /an o ) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 y = 0.77x - 4.1 r 2 = 0.96 0 4000 8000 12000 16000 20000 Cana (Ton/m unicípio/ano) 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 y = 64.668x - 1665 r 2 = 0.98 0 1000 2000 3000 4000 Área cultivada (ha) Área cultivada (ha) Café (Ton/município/ano) 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Cana (Ton/município/ano) 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 0 30 60 90 120 Produtividade (Ton/ha) Produtividade (Ton/ha) Lana et al. (II SIMBRAS, Viçosa, MG, Set./2010). Fonte dos dados: www.cidadesnet.com.br (ano de 2003).
Conclusões O progresso da agricultura tem como base o aumento da produtividade animal e de plantas por unidade de área, que só tem aplicação quando terra é o fator limitante. As respostas produtivas são curvilíneas em função do uso de nutrientes, com melhores resultados em baixos níveis.
Conclusões Os modelos de saturação cinética de Michaelis- Menten e Lineweaver-Burk podem ser utilizados na recomendação de uso de nutrientes para níveis variáveis de incremento no desempenho Relação benefício-custo. Podem também ser utilizados para evitar o uso excessivo de recursos naturais não renováveis; reduzir a poluição do solo, água e ar; e evitar o aquecimento global.
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Obrigado! Rogério de Paula Lana, Ph.D. Livros do autor: rlana@ufv.br