Nome do Projeto
Estudo do impacto da restrição luminosa sobre o potencial produtivo da cultura do arroz irrigado
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/08/2020 - 31/07/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Agrárias
Resumo
O arroz é o segundo cereal mais cultivado no mundo, em uma área de 168 milhões de hectares, servindo de fonte de alimento e renda para mais de três bilhões de pessoas. No Brasil são produzidas em média 11,7 milhões de toneladas, entretanto, a relação estreita entre a produção e o consumo de arroz no país, exige que a nação esteja preparada para adventos climáticos que possam comprometer a segurança alimentar. Além disso, o setor orizícola gaúcho, que junto com o de Santa Catarina totalizam aproximadamente 80% da produção nacional, passa por uma grave crise, com o aumento dos custos de produção e queda da rentabilidade do produtor. Com as projeções dos cenários futuros de mudanças climáticas, existe uma tendência de diminuição da radiação solar, o que pode afetar diretamente a produtividade do arroz irrigado. Entre as variáveis meteorológicas que impactam a produtividade da cultura, a radiação solar e as temperaturas, são as mais significativas na definição do potencial produtivo, uma vez que elas naturalmente variam de acordo com a ocorrência do fenômeno climático El Niño-Oscilação Sul. A maioria dos estudos ecofisiológicos visa determinar somente os efeitos sobre caracteres morfológicos e o rendimento de grãos da cultura, sendo incipientes as informações sobre a fisiologia da planta relacionada às trocas gasosas, partição de fotoassimilados e qualidade industrial de grãos em condições de baixa luminosidade. Assim, o presente projeto tem por objetivo caracterizar o impacto da restrição de radiação sobre parâmetros morfofisiológicos, bioquímicos, componentes de rendimento, produtividade e qualidade industrial de grãos de cultivares de arroz irrigado com diferentes ciclos de maturação. Para tal, serão conduzidos experimentos a campo e em condições controladas a fim de elucidar os efeitos da baixa luminosidade para a cultura e, os resultados desta pesquisa servirão de base para definir estratégias futuras de manejo que possibilitem a máxima expressão do potencial produtivo.

Objetivo Geral

Caracterizar o impacto da baixa luminosidade sobre parâmetros morfofisiológicos, bioquímicos, componentes de rendimento, produtividade e qualidade industrial de grãos de cultivares de arroz irrigado com variação quanto ao ciclo de maturação.

Justificativa

Enquanto há pouco tempo atrás não existia uma preocupação em atender à demanda projetada de alimentos por meio de melhorias na produtividade das culturas agrícolas, hoje há uma crescente conscientização de que a maneira convencional de produção não permitirá que a oferta de alimentos acompanhe a demanda sem que o cenário agrícola volte suas atenções para uma agricultura cada vez mais sustentável (Lobell et al., 2009; Godfray et al., 2010; Van Ittersum, 2013).
Nas últimas cinco décadas, o crescimento da produção agrícola tem sido impulsionado principalmente pelo aumento significativo nos rendimentos por unidade de terra, juntamente com a intensificação das lavouras. Sabendo que nas próximas décadas, em que o crescimento populacional estima 9 bilhões de pessoas, cada hectare de terra cultivada precisará produzir quantidades consideravelmente maiores que os níveis atuais. Assim, o aumento vertical da produtividade passa pela maior eficiência no uso de recursos disponíveis para atender a demanda futura por alimentos (FAO, 2016; Saath e Fachinello, 2018).
Pensando em segurança alimentar, o arroz (Oryza sativa L.) é o segundo cereal mais cultivado no mundo, em uma área de 168 milhões de hectares, servindo de fonte de alimento e renda para mais de três bilhões de pessoas (USDA, 2019). A América do Sul é o terceiro maior continente em produção de arroz do mundo, somente menor que a Ásia e a África, com condições edafoclimáticas para o cultivo, capazes de possibilitar altas produtividades. Brasil, Argentina, Uruguai e Paraguai são os principais produtores, essencialmente pelo cultivo irrigado por inundação, totalizando, aproximadamente, 62% da produção do continente (FAO, 2018). É uma região estratégica para a segurança alimentar de muitas nações, já que, além de ser capaz de suprir a demanda local, possibilita a exportação para outros continentes. No Brasil, maior produtor do grão fora do continente asiático, a média das últimas safras (2017/18 – 2018/19) foi de aproximadamente 11,7 milhões de toneladas, sendo capaz de suprir totalmente a demanda interna e ainda realizar exportações. No cenário brasileiro, o Rio Grande do Sul (RS) é o maior produtor, com aproximadamente 78% da produção em uma área de 1,1 milhões de hectares (CONAB, 2019).
O desenvolvimento de novas cultivares, o processo de mecanização da lavoura e o desenvolvimento do “Projeto 10”, do Instituto Rio Grandense do Arroz (IRGA), contribuíram de forma essencial para o avanço na lavoura arrozeira gaúcha, onde, a partir de 2003, houve incremento da produtividade média de 5,5 ton ha-1 para 7,5 ton ha-1 (IRGA, 2016), mostrando que ainda é possível explorar o potencial produtivo da cultura no RS. E isso se faz necessário principalmente por que nos últimos anos, a produtividade se manteve estável enquanto os custos tiveram um acréscimo significativo, comprometendo a rentabilidade do produtor. Ainda, há uma estreita relação entre a produção e o consumo de arroz no Brasil, exigindo que a nação esteja preparada para adventos climáticos que possam comprometer a segurança alimentar (Anuário Brasileiro do Arroz, 2018).
O estudo da ecofisiologia do arroz irrigado visando encontrar meios de reduzir custos e/ou aumentar a produtividade pode tornar a cultura mais próxima do potencial produtivo. Com as projeções dos cenários futuros de mudanças climáticas, além do aumento da concentração de gases do efeito estufa e do aumento da temperatura média do ar, existe uma tendência de diminuição da radiação solar (Deng et al., 2015; Yang et al., 2019). Entre as variáveis meteorológicas que impactam a produtividade do arroz irrigado, a radiação solar e as temperaturas, máxima e mínima, são as mais significativas na definição do potencial produtivo. Naturalmente, a radiação solar varia entre os anos de acordo com a ocorrência do fenômeno climático El Niño-Oscilação Sul (com suas duas fases: El Niño ou da La Niña), impactando na produtividade do arroz (Klering et al., 2008). Carmona e Berlato (2002) apontam que uma das causas da desfavorabilidade do El Niño ao arroz irrigado é a redução da disponibilidade de insolação entre outubro e fevereiro, sendo de forma contrária, o aumento da insolação, uma das causas da maior produtividade potencial em anos de La Niña. No período analisado pelos autores, entre 1944 e 2000, 52% dos anos foram neutros, ao passo que El Niños respondeu por 30% e La Niñas 18%. Com a retirada das tendências tecnológicas, anos de El Niño foram desfavoráveis em 53% dos casos em que o mesmo ocorreu, enquanto que nas ocorrências de La Niña, 60% dos casos foram favoráveis.
Entre as práticas de manejo para o cultivo do arroz irrigado no RS, a época de semeadura constitui-se numa das mais importantes, buscando coincidir o período mais responsivo da planta à radiação solar com a época de ocorrência de maior disponibilidade desta na região. Práticas essas que usam como base estudos já realizados para quantificar os efeitos de níveis de radiação solar na cultura do arroz, sendo um dos mais conhecidos o de Yoshida e Parao (1976). De acordo com esses autores, a supressão da radiação solar incidente manifesta efeitos negativos, com maior ou menor intensidade, de acordo com a fase de desenvolvimento da cultura. A fase mais afetada é a reprodutiva, seguida do enchimento dos grãos, sendo os efeitos pouco significativos na fase vegetativa.
O arroz é uma espécie anual, classificada no grupo de plantas com sistema fotossintético C3, sendo favorecido por incrementos na concentração atmosférica de CO2 (Streck, 2005) e condições de boa disponibilidade de radiação solar. A fase vegetativa (V1 até R0) destaca-se pelo perfilhamento ativo e crescimento gradual em estatura de planta, que contribuem para aumento de área foliar para interceptação da radiação solar incidente (Rosa et al., 2015; SOSBAI, 2018). O perfilhamento é importante, pois faz com que o arroz tenha resposta elástica à densidade de plantas, podendo compensar baixas densidades pela maior emissão de perfilhos (SOSBAI, 2018). O período reprodutivo (R0 até R4) marca a fase crítica para a cultura do arroz irrigado, onde é indispensável que ocorra a maior disponibilidade de radiação solar, pois o potencial de produtividade é definido primeiramente pelo nível de radiação solar incidente. A diminuição deste fator na fase reprodutiva tem efeito pronunciado no número de espiguetas da panícula e a porcentagem de fertilidade, importantes componentes da produtividade (Da Cruz, 2010; SOSBAI, 2018). Por último, o período de formação e enchimento de grãos (R4 até R9) é caracterizado pela senescência foliar e pelo crescimento gradual dos grãos, com aumento no tamanho e no peso, assim como mudanças na sua coloração. Condições ótimas de radiação solar no período ao redor de R4 aumentam a taxa fotossintética e a eficiência do uso de nitrogênio, garantido melhor produtividade. Após a fecundação, os grãos passam pelas fases de grãos leitosos, grãos pastosos e grãos em massa dura até atingirem a maturação fisiológica. O enchimento e a maturação de grãos dependem, principalmente, da fotossíntese realizada após o florescimento. Assim, a radiação solar é o fator mais importante para a obtenção de elevados rendimentos nesse subperíodo, visto que o peso de grãos está sendo definido (SOSBAI, 2018).
Embora já evidenciado que a produtividade da cultura do arroz irrigado é afetada pela supressão da radiação solar incidente, principalmente quando da ocorrência no estádio reprodutivo, a maioria dos estudos visa determinar somente os impactos sobre caracteres morfológicos e o rendimento de grãos da cultura (Carmona e Berlato, 2002; Da Cruz, 2010; Steinmetz et al., 2013; Dos Santos et al., 2017). Assim, são incipientes as informações sobre a fisiologia da planta relacionada às trocas gasosas, partição de fotoassimilados e qualidade de grãos em condições de baixa luminosidade. Essas variáveis, em complemento aos parâmetros morfológicos e de rendimento, podem contribuir substancialmente a tomada de decisão pelo produtor, buscando a melhor época de semeadura e cultivar mais adequada, a fim de expressar o máximo potencial produtivo da cultura em anos com estimativa de baixa radiação solar incidente.

Metodologia

Para alcançar os objetivos propostos serão realizados estudos a campo (Estudo 1 nos anos agrícolas 2020/21 e 2022/23) e em condição controlada (Estudo 2). O primeiro estudo será realizado na área experimental do Centro Agropecuário da Palma – UFPel, no município do Capão do Leão, RS, Brasil, utilizando uma área típica para o cultivo com arroz irrigado. O segundo estudo será realizado em câmaras de crescimento tipo Fitotron pertencentes ao Departamento de Fitossanidade da Faculdade de Agronomia Eliseu Maciel - UFPel.

Estudo 1: Efeito da supressão da radiação solar na cultura do arroz irrigado sobre aspectos fisiológicos, componentes de rendimento e qualidade de grãos
Serão utilizadas três cultivares de arroz irrigado: BRS Pampa - cultivar de ciclo precoce com características de alta produtividade, baixa incidência de centro branco e alto rendimento industrial de grãos inteiros; BRS Pampeira - cultivar de ciclo médio com elevado potencial produtivo e qualidade de grãos (baixa incidência de centro branco) e; IRGA 424 RI - cultivar de ciclo médio com alto potencial produtivo e índice de centro branco intermediário, sendo a cultivar de maior abrangência em área de cultivo no RS. O estudo será iniciado no ano agrícola 2020/21 e repetido no ano agrícola 2022/23 em um esquema trifatorial em blocos casualizados (cultivares x níveis de radiação x períodos de restrição da radiação). O primeiro fator constitui as três cultivares de arroz. O segundo fator os níveis de radiação, sendo as plantas submetidas a 35% de sombreamento utilizando telados tipo sombrite, e a testemunha, sem sombreamento (100% de radiação). O fator três constitui os estádios fenológicos em que as cultivares serão submetidas à restrição da radiação, sendo o primeiro no estádio reprodutivo (R1 a R4) e o segundo no enchimento de grãos (R4 a R9), conforme escala fenológica de Counce et al., (2000). Após os respectivos períodos, as telas de sombreamento serão retiradas, mantendo todas as plantas sob condição ambiente até a colheita das parcelas.
A semeadura será realizada em solo seco na primeira quinzena de outubro de cada ano agrícola, com densidade de semeadura e adubação seguindo as recomendações técnicas da cultura (SOSBAI, 2018). A inundação da área ocorrerá entre os estádios V3 e V4 e demais práticas fitossanitárias e adubação de cobertura seguirão as recomendações técnicas. Ainda, será monitorada a radiação solar global, temperatura e umidade relativa do ar, com auxílio de sensores instalados na área experimental. Ao atingirem o estádio reprodutivo R1 e enchimento de grãos no R4, metade das parcelas de plantas de cada cultivar serão submetidas ao sombreamento com as telas sendo instaladas a 1,5 metros da superfície da lâmina de água, utilizando para cada cultivar uma parcela útil de 3 m x 6 m. As análises descritas a seguir serão realizadas sempre de forma concomitante nas plantas com e sem restrição da radiação solar.
- Índice de clorofila e de balanço de nitrogênio: Entre os estádios R1 a R4, estes parâmetros serão mensurados após 1, 5 e 10 dias da restrição da radiação e entre os estádios R4 a R9, após 1, 5, 10 e 15 dias após a restrição da radiação solar com auxílio de um clorofilômetro portátil modelo Dualex FORCE-A (Orsay, France).
- Partição de carbono e nitrogênio: Índice de colheita de grão (ICG): obtido pela razão entre a produção de grãos (g planta-1) e a massa seca total da parte aérea incluindo grãos (g planta-1); Índice de colheita de N (ICN): obtido pela razão entre o conteúdo de N do grão (NG) e o conteúdo total de N na parte aérea (NTPL) incluindo o conteúdo de N do grão; Razão entre ICN/ICG; Eficiência de Uso de N: razão entre a produção de espiguetas m-2 e o conteúdo de N na parte aérea.
- Componentes de rendimento de grãos: Será mensurado o número de panículas m-2, número de grãos panícula-1, esterilidade de espiguetas, peso de grãos m-2 e peso de mil grãos (SOSBAI, 2018).
Parâmetros a serem avaliados nos grãos como estimativas de qualidade:
- Proteína bruta: O conteúdo de proteína bruta será determinado pelo método Kjedahl, pelo uso do fator 5,95 para conversão de nitrogênio em proteína, conforme procedimento da AOAC (1994). Antes do beneficiamento, todas as amostras serão submetidas às operações de limpeza e seleção, em máquina INTECNAL de ar e peneiras planas e cilíndricas. Serão realizadas as operações de descascamento, polimento, separação de quebrados e separação de defeitos, em triplicata, conforme as Normas de Identidade, Qualidade, Embalagem e Apresentação do Arroz (MAPA, 2009).
- Dimensões dos grãos: Utilizando um paquímetro digital para obtenção de largura, espessura e comprimento com quatro repetições de 50 grãos, escolhidos aleatoriamente da amostra de arroz previamente homogeneizada.
- Grau de gessamento: Determinado de acordo com escala de identificação de centro branco em grãos de arroz proposta por Martinez e Cuevas (1989).
- Perfil branquimétrico: Será determinado em branquímetro marca ZACCARIA, modelo MBZ-1, operado conforme recomendações do fabricante. O equipamento fornece os graus de brancura, transparência e polimento, utilizando escala própria.
- Comportamento na cocção: Avaliado a partir do tempo de cocção, rendimento volumétrico e rendimento gravimétrico, conforme metodologia proposta por Martinez; Cuevas (1989), com adaptações.

Estudo 2: Efeito da baixa luminosidade sobre as trocas gasosas, partição de fotoassimilados e qualidade de grãos na cultura do arroz irrigado em ambiente controlado
O experimento será realizado no ano agrícola 2021/22 em câmara de crescimento Fitotron, utilizando apenas a cultivar de arroz IRGA 424 RI dada a sua imprtância comercial no estado do RS. A semeadura será realizada em vasos com capacidade para 8 litros, preenchidos com solo oriundo de lavoura tradicionalmente cultivada com a cultura. Após análise prévia quanto aos atributos químicos, o solo será adubado conforme recomendações técnicas (SOSBAI, 2018) e em cada vaso mantida uma planta.
Serão utilizadas três câmaras de crescimento, onde, durante o estádio vegetativo, as plantas serão mantidas sob condições consideradas ideais para a cultura, utilizando como base as médias mensais (luminosidade, temperatura diurna/noturna e umidade relativa do ar) observadas a campo a partir do primeiro estudo, exceto a concentração de CO2 que será mantida a 400 ppm. Ao atingirem o estádio fenológico R1, a intensidade luminosa de uma das câmaras de crescimento será reduzida em 35%, mantendo as plantas nesta condição até o estádio R4, após esse período a condição ideal de lumiosidade será reestabelecida. O mesmo será feito para a segunda câmara de crescimento, onde as plantas serão cultivadas sob intensidade luminosa ideal até o estádio R4, e partir deste até R9, será reduzida a intensidade luminosa em 35%, reestabelecendo-a após esse período. Uma terceira câmara de crescimento será mantida em condições ideais para a cultura durante todo o período de desenvolvimento. As análises descritas a seguir serão realizadas sempre de forma concomitante nas plantas com e sem restrição a luminosidade.
- Trocas gasosas: Entre os estádios R1 a R4 serão avaliadas após 1, 5 e 10 dias da restrição da luminosidade e entre os estádios R4 a R9, após 1, 5, 10 e 15 dias da restrição. Será utilizado um analisador de gás no infravermelho IRGA (LI6400, Licor), mensurando a assimilação líquida de CO2 (A); transpiração (E); condutância estomática (gS) e concentração intercelular de CO2 (Ci), a eficiência de uso da água (A/E) e a eficiência instantânea de carboxilação (A/Ci) no terço médio da folha expandida mais jovem.
- Fluorescência da clorofila: Será mensurada nos mesmos períodos aos descritos para as trocas gasosas com auxílio de um fluorômetro portátil (modelo PAM-2500 da Walz Heinz GmbH, Effeltrich, Alemanha) mensurando a eficiência quântica máxima do FSII (Fv/Fm), o rendimento quântico fotoquímico efetivo do FSII (Y(II)), a dissipação fotoquímica (qP) e a taxa de transporte de elétrons (ETR) (BAKER, 2008). As avaliações serão realizadas no terço médio de folhas expandidas mais jovens, pré-adaptadas ao escuro por 20 minutos.
- Índice de clorofila e de balanço de nitrogênio: Serão mensurados nos mesmos períodos descritos para as trocas gasosas com auxílio de um clorofilômetro portátil modelo Dualex FORCE-A (Orsay, France).
- Quantificação de carboidratos: Teores de amido, açúcares solúveis totais, açúcares redutores e sacarose serão mensurados em folhas, colmos e grãos a partir da coleta dos diferentes órgãos das plantas antes da submissão a restrição de luminosidade (R1) e ao final de cada período (R4 e R9, respectivamente), além da quantificação quando as plantas atingirem a maturidade fisiológica. Os açúcares solúveis totais serão determinados por meio de reação com antrona (Clegg, 1956), os açúcares redutores pelo método de Somogy e Nelson (Nelson, 1944; Hodge e Hofreiter, 1962), a sacarose por meio da reação com antrona fria (Passos, 1996) e o amido conforme metodologia descrita por McCready et al. (1950).
- Atividade da enzima Rubisco: Será mensurada em tecidos foliares (folha bandeira) nos períodos descritos para a quantificação de carboidratos, exceto quando as plantas já apresentarem senescência foliar. Sua atividade será quantificada a partir da retirada de discos foliares que após extração, serão preparados dois meios de reação para avaliar a atividade inicial (velocidade limitante ou VINICIAL) e a atividade total (VTOTAL). A determinação (atividade “in vitro”) seguirá metodologias descritas por Sharkey et al., (1991) e Geigenberger e Stitt (1993).
- Componentes de rendimento de grãos: A partir da quantificação do número de panículas vaso-1, número de grãos panícula-1, esterilidade de espiguetas, peso de grãos vaso-1 e peso de mil grãos (SOSBAI, 2018).
- Qualidade industrial de grãos:
Para a qualidade industrial dos grãos, serão avaliados os mesmos parâmetros descritos no Estudo 1.

Indicadores, Metas e Resultados

Ao final do estudo espera-se:
- Caracterizar o comportamento fisiológico de cada cultivar de arroz irrigado em estudo em resposta a supressão da radiação solar;
- Identificar possíveis respostas adaptativas diferenciais entre os três cultivares a baixa luminosidade;
- Quantificar a perda diária em produtividade das cultivares de arroz em resposta a baixa radiação e, se há variação quando da ocorrência nos diferentes estádios de desenvolvimento;
- Comparar o padrão de resposta observado em ambiente controlado ao observado a campo;
- Quantificar possíveis alterações na qualidade industrial dos grãos em reposta a baixa luminosidade;
- Contribuir para a formação de recursos humanos em nível de iniciação científica e pós-graduação;
- Disponibilizar a comunidade científica e aos produtores as informações geradas nesta pesquisa via divulgação dos resultados em revistas e eventos científicos e dias de campo.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
BRUNA EVELYN PASCHOAL SILVA
BRUNA REGINA SOUZA ALVES
CLEITON BRANDÃO
FILIPE SELAU CARLOS3
LUIS ANTONIO DE AVILA2
PEDRO AUGUSTO BIANCHINI SCHENA
SIDNEI DEUNER5
STEFÂNIA NUNES PIRES

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 2.625,00Coordenador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 8.500,00Coordenador

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