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(a cultura de milho como exemplo) D. Dourado-Neto Departamento de Produção Vegetal ESALQ Universidade de São Paulo Interações solo-planta-atmosfera: impactos na produtividade agrícola Produtividade potencial, produtividade máxima econômica e tecnologia Partição de CHO e fenologia (milho): Definição, descrição, aplicações e produtividade Época de semeadura, Genótipo, População de plantas e produtividade Uso da água: Princípios termodinâmicos, aplicações e produtividade • Otimização de C, H e O • Retenção específica de água no solo • Profundidade efetiva do sistema radicular e disponibilidade de água e de nutrientes • Efeito do estresse hídrico Interações solo-planta-atmosfera: impactos na produtividade agrícola Como saber a máxima produtividade de milho em uma determinada região? A produtividade potencial está relacionada a fatores do ambiente, ou seja, a quantidade de energia fornecida em determinado ambiente além de aspectos da cultura • Radiação Fotossinteticamente Ativa (luz) • Temperatura do ar • CO2 • Fotoperíodo Condições ambientais proporcionam a máxima produção de matéria seca • Partição de carbono • Composição da matéria (Ef. de conversão) • Área Foliar • Metabolismo vegetal • Fotossíntese Ambiente de produção inalterável Genótipo Máxima adaptação ao ambiente de produção inalterável Ausência de restrição hídrica e de nutrientes Nível de Produtividade P ro d u ti v id a d e CO2, PAR, T, H e Genótipo Fatores de definição Fatores limitantes Água e Nutrientes Fatores redutores PD, P, D, poluentes, R$ e manejo (tecnologia) Produtividade potencial Produtividade atingível Produtividade máxima econômica Produtividade Eficiência do Uso de Luz e de Carbono Produtividade potencial: teoria Eficiência atual (observada) Radiação solar total (incidente) Radiação fotossinteticamente ativa (incidente)Albedo Radiação NÃO fotossinteticamente ativa (incidente) Radiação absorvida pelas folhas Absorção inativa Radiação absorvida por pigmentos fotossintéticosPerda por calor (e fluorescência) Radiação assimilada na fotossíntese Respiração de manutenção Radiação disponível para o crescimento Respiração de crescimento Nova energia livre na biomassa kg/ha Produtividade máxima econômica LUCRO CUSTO VARIÁVEL CUSTO TOTAL RECEITA BRUTA Pme LUCRO máximo Tecnologia Fotossíntese: Ciclo de Calvin-Benson Prêmio Nobel de Química - 1961 6 C14O2 + 6 H2O [CH2O]n + 6 O2 O Caminho do Carbono na Fotossíntes Science 107:476-80, 1948 Melvin Calvin (1911 – 1997) Inteligência Artificial na agricultura Otimização de Recursos Naturais Matéria Seca Respiração (Crescimento) CO2 Fotossíntese Glucose Sucrose CO2 Respiração (Crescimento) CO2 H2O 45% C 45% O 6% H 96% 100% 4% N,P,K,Ca,Mg,S,B,Cl,Cu,Fe,Mn,Mo,Zn Inteligência Artificial na agricultura OPORTUNIDADES DE PRODUTIVIDADE Melhor manejo dos recursos naturais na busca do aumento de produtividade Perda de produtividade estimada média (%) Produtividade recorde Baixa produtividade Estresse Biótico Estresse Abiótico Direcionadores de produtividade 100 Source: Oerke et al., FAO, Rabo Bank 20 30 50 Variação Sazonal Resultados de estresse Abiótico devido • Seca • Calor • Frio • Má nutrição • UV • Ozônio 30% maior produtividade pode ser atingido através de maior controle do estresse abiótico Inteligência Artificial na agricultura Umidade Relativa es (kPa) Ts (°C) Ts Ts se 3,237 5,7 10.6108,0 28 ea es (28°C) 100x )T(es ea %UR 15 es (15°C) Equação de Tetens (Pereira et al., 2002) Estado líquido Estado de vapor E st re ss e a b ió ti co e b ió ti co Termodinâmica e demanda hídrica Otimização de recursos naturais Uso da água na cultura de milho Otimização de recursos naturais Uso da água na cultura de milho ha 3 % OFERTA DO SOLO Ze, cm 50 0 kg N/kg solo 1,3 g solo cm3 solo m 100 cm 0,00123 kg N kg solo 104 m2 ha kg solo 103 g solo = 8000 kg N ha 50 cm10 6 cm3 m3 0,123% 97% do N do solo está IMOBILIZADO pelos microorganismos 5 Disponibilidade na semeadura: 5 cm 50 cm 8000 kg N = 24 kg N ha 30 kg N/ha na semeadura dobra a disponibilidade!!! DEMANDA DA PLANTA t kgMS/ha.dia t kgN/ha.dia x t kgN/kgMS 0,01kg/kg ou 1% 22.000kg/ha = t kgN/ha 220kg/ha P=68.000pl/ha R=8.000kg/ha IC=36,4% 4kg/ha.dia 9091 kg/ha u=12% Macronutrientes (solo) Atributo Muito baixo Baixo Adequado Alto P (mg/dm3) < 7,0 7,0 a 15,9 16,0 a 40,0 >80,0 K (mmolc /dm 3) < 0,7 0,8 a 1,5 1,6 a 3,0 > 3,0 Ca (mmolc /dm 3) < 20,0 21,0 a 30,0 31,0 a 50,0 > 50,0 Mg (mmolc /dm 3) ----- < 5,0 5,0 a 8,0 > 8,1 a 16,0 S (mmolc /dm 3) < 5,0 5,0 a 10,9 11,0 a 15,0 > 15,0 Índice de Area Foliar (IAF, m2.m-2)Eficiência do uso de Luz Otimização de recursos naturais A interação entre genótipo e ambiente de produção: como a planta cresce Índice de área foliar (IAF, m2.m-2) Reflexão pela cultura Transmissão para outras folhas e solo Folha (camada 1) Folha (camada 2) Folha (camada 3) g CO2 m -2 dia-1 g CO2 m -2 dia-1 Índice de Area Foliar (IAF, m2.m-2) E fi c iê n c ia d o u s o d e L u z ( L U E ) Otimização de recursos naturais A interação entre genótipo e ambiente de produção: como a planta cresce Céu nublado Céu limpo 92.00-46.31=45.69 45.69-23.00=22.69 100.00-8.00=92.00 (8%) 22.69-11.42=11.27 Mais eficiente Menos produtivo Menos eficiente Mais produtivo Índice de área foliar (IAF, m2.m-2) Reflexão Transmissão Absorção Absorção pela folha Reflexão Intensidade relativa de luz Absorção pela folha Absorção pela folha Absorção pela cultura 15 17 19 21 23 25 27 29 0 20 40 60 80 100 120 170 180 190 200 210 220 230 240 250 0 20 40 60 80 100 120 12.6 12.7 12.8 12.9 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 0 20 40 60 80 100 120 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 20 40 60 80 100 120 Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR, cal.m-2.dia-1) Fotoperíodo (H, h.dia-1) Temperatura (oC) Otimização de recursos naturais Assimilação de Dióxido de Carbono (Adc, kg[CO2].ha -2[folha].dia-1) Latitude Época do ano (declinação solar) A interação entre genótipo e ambiente de produção genótipo ambiente Ambiente de produção Uso da água na cultura de milho 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 20 40 60 80 100 120 Fotossíntese Bruta Produção diária de carboidrato (kg.ha-1[folha].dia-1) Respiração Consumo diário de carboidrato (kg.ha-1[folha].dia-1) Fotossíntese Líquida Produção diária de carboidrato (kg.ha-1[folha].dia-1) Índice de Área Foliar (m2.[folha]m-2[solo]) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 Senescência (kg[folha].ha-1.dia-1) A interação entre genótipo e ambiente de produção: como a planta cresce Fotossíntese Líquida Produção diária de carboidrato (kg.ha-1[solo].dia-1) Otimização de recursos naturais Uso da água na cultura de milho Partição Relativa de Carboidrato (kg.kg-1) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 20 40 60 80 100 f_RA f_HA f_FO f_OR 0 100 200 300 400 500 600 700 0 20 40 60 80 100 120 CHO_RA CHO_HA CHO_FO CHO_OR 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 20 40 60 80 100 120 FS_RA FS_HA FS_FO FS_OR 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 20 40 60 80 100 120 FS_RA_total FS_HA_total FS_FO_total FS_OR_totaldae Partição absoluta de Carboidrato (kg.ha-1.dia-1) Produção diária de Matéria Seca (kg.ha-1.dia-1) Produção acumulada de Matéria Seca (kg.ha-1.dia-1) 5100 52005300 5400 5500 5600 5700 5800 5900 0 20 40 60 80 100 120 Produtividade Máxima de milho (kg.ha-1) Otimização de recursos naturais Uso da água na cultura de milho Produtividade Potencial (t.ha-1) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 IAF(m2.m-2) Senescência Conhecer a planta…. Otimização de recursos naturais Uso da água na cultura de milho Partição de Carboidrato kg [CH2O] alocado a raiz, haste, folha e órgão reprodutivo (drenos) por kg [CH2O] da FL 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Desenvolvimento relativo da cultura A lo c a ç ã o r e la ti v a d e fo to a s s im il a d o s Colmo Órgãos reprodutivos Folhas Raiz Pendão Espiga Semente botânica 1 kg de CH2O da Fotossíntese Líquida produz 0,68 kg de massa de matéria seca total de planta de milho Eficiência de Conversão Componente Custo da biossíntese Custo de transporte Custo de conversão Óleo Lignina Proteína Carboidrato Ácido orgânico Minerais (K,Ca,P,S) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Momentos fenológicos da planta de milho Semanas após emergência Dias após polinização - 0 2 4 6 8 9 a 10 12 24 36 48 55 4 folhas 8 folhas 12 folhas emissão do pendão 2 folhas florescimento grãos leitosos grãos pastosos grão farináceo grão farináceo duro ponto de maturidade fisiológica 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Momentos fenológicos da planta de milho Semanas após emergência Dias após polinização - 0 2 4 6 8 9 a 10 12 24 36 48 55 P o p u la ç ã o i n ic ia l e 4 7/8 12/14 Pendoa- mento Flor G.L. G.P. G.F. G.F.D. P.M.F. D if e re n c ia ç ã o d o s p ri m ó rd io s f lo ra is N ú m e ro e t a m a n h o m á x im o d a e s p ig a N ú m e ro d e g rã o s D e n s id a d e ( p e s o e ta m a n h o ) d e g rã o s F o rm a ç ã o d o d e n te 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Momentos fenológicos da planta de milho Semanas após emergência Dias após polinização - 0 2 4 6 8 9 a 10 12 24 36 48 55 e 4 7/8 12/14 Pendoa- mento Flor G.L. G.P. G.F. G.F.D. P.M.F. Protandria e tamanho final da espiga IAF (tamanho de folha e porte de planta) Diâmetro do colmo K K KK Efeito salino do KCl 2 folhas DEFINIÇÃO da produtividade 4 folhas 7/8 folhas 12/14 folhas Produtividade Potencial Número de fileiras na Espiga (Fe) Número (prolificidade-Pr) e Tamanho de Espiga (grãos por fileira-Gf) Diferenciação dos primórdios florais População inicial 2 folhas DEFINIÇÃO da produtividade 4 folhas 7/8 folhas 12/14 folhas Produtividade Potencial Número de fileiras na Espiga (Fe) Número (prolificidade-Pr) e tamanho de espiga (grãos por fileira-Gf) Diferenciação dos primórdios florais População inicial P=Pp.Pr.Fe.Gf.Mg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Momentos fenológicos da planta de milho Semanas após emergência Dias após polinização - 0 2 4 6 8 9 a 10 12 24 36 48 55 7/8 12/14 Pendoa- mento4e D e n s id a d e ( p e s o e ta m a n h o ) d e g rã o s D if e re n c ia ç ã o d o s p ri m ó rd io s f lo ra is P o p u la ç ã o i n ic ia l Flor protandria e tamanho final da espiga IAF (tamanho de folha e porte de planta) G.L. G.P. G.F. G.F.D. P.M.F. N ú m e ro d e g rã o s N ú m e ro e t a m a n h o m á x im o d a e s p ig a M á x im o m e ta b o li s - m o ( 4 k g N /h a .d ia ) F o rm a ç ã o d o d e n te Diâmetro do colmo P=Pp.Pr.Fe.Gf.Mg Excedentes de fotoassimilados é de suma importância para o período de enchimento de grãos Promove a de carboidratos de reserva Importante órgão equilibrador da limitação de “ fonte “ Na literatura, menciona-se sua contribuição percentual no enchimento dos grãos entre E M E R G Ê N C IA 2 F O L H A S 5 F O L H A S 8 F O L H A S Fase ideal de controle Interferência na Produtividade Redução drástica da Produtividade MILHO (ESTÁDIOS FENOLÓGICOS) ETAPA DE CONTROLE DE PLANTAS DANINHAS SOBREVIVÊNCIA DE GRÃOS Milho não compensa redução do número de grãos com maior massa ENCHIMENTO DE GRÃOS Doenças do Colmo FLORESCIMENTO GRÃOS LEITOSOS Definição da densidade de grãos 10 a 17 dias Desenvolvimento de células endospermáticas e concentração de substâncias solúveis Período crítico à falta de água Critério para definição de época de semeadura Agricultura de sequeiro FLORESCIMENTO GRÃOS LEITOSOS Período de maior IAF: interceptaç ão de PAR 10 a 17 dias Critério para definição de população de plantas Agricultura: irrigada de sequeiro 0 5 10 15 20 25 30 Data T 0 100 200 300 400 500 600 700 800 R s Temperatura média do ar Radiação global média Produtividade, genótipo e época de semeadura O ambiente de produção 0 0.1 0.2 0.3 q 10 15 20 25 30 T 0 050 50100 100150 150200 200250 250300 300 A d c A d c Relação funcional entre Adc, q e T 0 50 100 150 200 250 300 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 q (cal cm -2 min -1 ) A ss im ila ç ã o d e C O 2 ( l c m -2 h -1 ) 30 ºC 35 ºC 25 ºC 20 ºC 15 ºC Produtividade potencial e época de semeadura Data de semeadura P ro d u ti v id a d e G 1 G 2 Temperatura, °C kg[CH2O].ha -1 Respiração Fotossíntese bruta Fotossíntese liquida Tmínima TmáximaTótima Definição de genótipo… Fotossíntese e respiração E st re ss e a b ió ti co Temperatura ótima Genótipo e produtividade FLmax 10 25-30 44 MILHO Genótipo Tardio...........> 1045 GD Genótipo Médio.......835-1044 GD Genótipo Precoce......826-934 GD Genótipo Superprecoce.< 825 GD A somatória calórica ou graus-dia influencia na ampliação e redução da fase vegetativa de cultivares de milho, contribuindo para a previsão do comportamento de genótipos nas diferentes regiões de produção bem como do período de florescimento de cada híbrido definida em função da Somatória Calórica ou Graus-dia Definição clássica 10 25 15 55 825 10 27 17 55 935 10 29 19 55 1045 10 31 21 55 1155 Determinação da somatória calórica Até o florescimento 21,5°C 20,5°C 22,5°C Para 1 dia SC = (Tmax + Tmin) - 10°C 2 em que : T° Max < 30°C T° Min > 10°C 11,5°C.dia + 10,5°C.dia +... + 12,0°C.dia 22,0°C.dia11,5°C.dia Dia 1 Dia 2 Dia 51 SC=25+18 -10 + 24+17 - 10 +...+27+18 - 10 2 2 2 820°C.dia = 820°C.dia MILHO TEMPERATURA ELEVADA > 35°C Alteração da composição Proteica do grão. > 30°C Redução da produção e da viabilidade do pólen > 24°C Elevação da respiração e (à noite) redução do ciclo da planta TEMPERATURA basal .......................................... 10°C ótima ......................................... 25-30°C Mínima para germinação .......... 10°C Mínima diurna .......................... 19°C Mínima noturna ........................ 13°C Máxima diurna ......................... 44°C Máxima noturna ....................... 24°C Altitude Aptidão < 300 m Baixa 300-500 m Média 500-720 m Alta 720-1100 m Muito Alta 1100-1300 m Média/Alta >1300 m Média/Baixa Aptidão para a Alta produtidade (*) 12 - 14 folhas Grãos Leitosos Máxima eficiência de Conversão de PAR em CHO RADIAÇÃO SOLAR FOTOSSINTETICAMENTE ATIVA (PAR) Função do aumento de temperatura (até 32°C) ELEVADA amplitude térmica (15-22°C) Noites amenas (18°C<T<22°C) MILHO pl/ha1 População e Produtividade kg/ha 5 5 0 g rã o s/e sp ig a ). (1 ,2 esp ig a s/p la n ta ).(0 ,3 g /g r ã o ) = 1 9 8 g /p la n ta 0,198 0,396 1.980 ? 9.450 2 10.000 ? 70.000 A B C pl/ha1 População e Produtividade kg/ha Ponto crítico 0,1980,396 1.980 ? 9.450 2 10.000 ? 70.000 A B C 50.000 6.140 Ponto crítico Irrigado 2ª. safra Normal 58.000 Ponto crítico Arranjo Espacial das Plantas Arquitetura das Plantas Ângulo das Folhas INCLINADA HORIZONTAL Relações significativas entre distribuição espacial de plantas e rendimento de grãos em milho 9,0*)( LfcmEP )]90cos(*2[*8,0)( CfcmEL Transmitância (τdr) da PAR (PARdr, μmol.m-2.s-1) no dossel ]IAF*)a1*(g1[*K( dr drexp*PARdr 3,0Z2,0)Z7,02,0(*expg 22)ELADP*5,1( dr a = 0,3 708,0 2 )Z,ELADP( )12,1ELADP(*702,1ELADP ZtanELADPK Cf.cos Cf.senELADP Α Ângulo foliar Z Ângulo zenital IAF Índice de Área Foliar População Final de Plantas População X Produtividade (108 locs - 11.947 ha) 189.2 192.7 196.0 210.1 180 185 190 195 200 205 210 215 220 54-60 61-67 68-75 75 > Range de População Final de Plantas(X1.000)/ha P ro d u ti v id a d e ( s c /h a ) Sergio Rodrigues (Pioneer) Efeitos da densidade de plantas sobre a esterilidade feminina de um híbrido de milho cultivado na década de 70 e na década de 90 PLANTA SEM ESPIGA X POPULAÇÃO 70 90 PASSADO… Massa seca acumulada no pendão durante a antese de híbridos de milho cultivados nas décadas de 60, 70, 80 e 90 PENDÃO X POPULAÇÃO PASSADO… Efeitos da densidade de plantas sobre a % de plantas acamadas e quebradas de híbridos de milho cultivados nas décadas de 60, 80 e 90 60 80 90 ACAMAMENTO X POPULAÇÃO PASSADO… PRODUTIVIDADE E DISTRIBUIÇÃO com menores respostas... Maiores espaçamentos no PASSADO…PASSADO… Genótipo 1 Genótipo 2 Década de 70 DISTRIBUIÇÃO DE PLANTA Ge X ESPAÇAMENTO PARTICIPAÇÃO DAS FOLHAS NA PRODUÇÃO ALLISON & WATSON (1986) 60% 10 % 30% Enchimento de Grãos Desenvolvimento de Raízes Crescimento de Panícula e espigas MILHO Uso consuntivo ÁGUA (Emborrachamento) (Grãos leitosos) ET IAF Flor . Máxima demanda . Máxima sensibilidade à deficiência hídrica 60 45 ET Retenção específica de água no solo Uso da água Raiz e Fósforo +Ca +Ca +Ca -P +P +P +P P e Ca -Ca Imóvel no solo Móvel na planta Móvel no solo Imóvel na planta Raiz e Fósforo Raiz e Cálcio +Ca +Ca +Ca -Ca Pouco móvel no solo Imóvel na planta Saturação por bases: 50 a 60% - Sequeiro Saturação por bases: 60 a 80% - Irrigado Recomendação de correção (calagem e gessagem): ÁREA TOTAL Raiz e Cálcio Caracterização da fertilidade do solo Histórico Correção (calagem e gessagem) Adubação Irrigação . Profundidade efetiva do sistema radicular e disponibilidade de água e de nutrientes no solo Uso da água ATIVIDADE DA SOD, CATALASE E POD Dano ao DNA Peroxidação de Lipídios OH • O2 H2O2 H2O H2O + O2 Fatores ambientais ou doença Estresse Oxidativo Respiração Celular SOD I. II. III. GPx GSH GSSG GRed E st re ss e a b ió ti co e b ió ti co Peroxidação de Proteínas Efeito do estresse hídrico Uso da água Maior retenção de água: – 2,0 mm/cm: EUA (20.000 litros/cm) – 1,0 mm/cm: Brasil (10.000 litros/cm) – A consequência... Maior ET, maior população de plantas e maior rendimento Menor potencial de inóculo... – Rotação: Soja-Neve-Milho-Neve... – A consequência... Menor custo, maior rendimento e maior lucratividade Por que nos EUA a produtividade é superior à brasileira? Radiação solar – Maior quantidade (duração do dia) e menos estressante – A consequência... Maior conversão e maior produtividade Por que nos EUA a produtividade é superior à brasileira? ra d ia çã o S o la r Horas de luz 4h4h 6 h6 h 18 h18 h 20h20h Condição Temperada Condição Tropical Estresse Térmico Estresse Lumínico Condições Favoráveis à Fotossíntese Fancelli & Dourado-Neto, 1999, 2000 Maior fertilidade – - CTC, M.O. e nutrientes – - A consequência... Menor custo, menor estresse maior rendimento e maior lucratividade Menor erosão A consequência... Menor custo... Maior organização, informação e subsídio... A consequência... Menor risco... Materiais genéticos mais adaptados... – - Latitude, ângulo de inserção e no. de folhas – - A consequência... Maior população e maior produtividade Por que nos EUA a produtividade é superior à brasileira? MILHO D. Dourado-Neto Departamento de Produção Vegetal ESALQ Universidade de São Paulo Obrigado “A essência do conhecimento cientifico e a sua aplicação prática”. Interações solo-planta-atmosfera: impactos na produtividade agrícola
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