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O milho (Zea mays) e o feijão (Phaseolus vulgaris L.) são importantes alimentos para a segurança alimentar e nutricional, consumidos diariamente pela maioria da população. Além da sua importância cultural e social, também apresenta destaque econômico, onde o Brasil é o terceiro maior produtor mundial das duas graníferas (CONAB, 2020). A evolução dos cultivos resultou em um problema de saúde pública a partir da especialização no sistema de produção, baseado em monocultivos em extensas áreas, com o uso de adubos sintéticos e agrotóxicos, que contaminam o solo, as águas, fauna, flora, e o ser humano (LUCAS et al., 2020; PEDROSO et al., 2020; PIGNATI et al., 2017; SÁNCHEZ-BAYO; WARNER et al., 2020; WYCKHUYS, 2019). Em virtude da preocupação com a preservação ambiental e a saúde da população e dos ecossistemas, ocorreu o aumento na demanda por produtos orgânicos (RANA; PAUL, 2017). Não obstante, a falta de pesquisas nessa área, ausência de auxílio técnico, alto custo da certificação e dificuldades no manejo são fatores limitantes da produção orgânica observados por Batista et al. (2020) e Inagaki; Junqueira; Bellon (2018). Assim, apesar da sua importância, a tecnologia disponível para esse cultivo ainda é deficitária, destacando a importância de intensificar pesquisas nesse setor, como o estudo sobre eficientes técnicas de manejo.
Entre os manejos de cultivos disponíveis, consórcios apresentam maior eficiência na absorção de radiação solar em comparação as monoculturas de milho e feijão (MAHALLATI et al., 2015), o que resulta em maiores produtividades (AWAL et al., 2006). Esse sistema de cultivo contribui para reduzir os impactos ambientais na produção agrícola (NAUDIN et al., 2014), além de diminuir a necessidade de adubos nitrogenados, se uma das espécies for leguminosa (XU et a., 2020), e proporcionar aumento na eficiência do uso da água das culturas (YIN et al., 2020). As propriedades familiares brasileiras, apesar de representarem 76,8% dos estabelecimentos, abrangem apenas 23,0% da área agrícola (IBGE, 2017), possuindo, portanto, pequenas áreas, e o consórcio de milho e feijão é uma alternativa de intensificação sustentável do sistema produtivo na agricultura familiar (KERMAH et al., 2018).
A combinação de milho e feijão é um dos consórcios mais usados e estudados. Em 1983/1984 e 1984/1985, Cruz; Ramalho; Salles (1987) realizaram experimentos em Minas Gerais para avaliar cultivares e densidades de semeadura de milho. Os autores observaram que as cultivares de milho apresentaram comportamento semelhante perante as densidades e presença do feijão, e referente a produtividade, em consórcio, o feijão produziu mais nas menores densidades de milho, compensando a produção de milho nesta condição. A produtividade de milho foi inferior nas menores densidades, entretanto, foi observado um aumento no número de espigas por planta nas menores densidades.
Avaliando a largura ótima para as faixas de cultivo para consórcio entre milho e feijão, por meio da eficiência do uso da radiação solar e de índices de competição, Mahallati et al. (2015), observaram que os arranjos em faixas II (2 linhas de milho: 2 linhas de feijão) e III (3 linhas de milho: 3 linhas de feijão) apresentaram os resultados mais promissores. Os autores destacam que o sistema em consórcio em faixas aumentou a eficiência do uso da radiação solar, o rendimento biológico, a proporção de terra equivalente e o índice de produtividade do sistema em comparação com o sistema de monocultura, e mesmo que o sistema em consórcio apresente menor produtividade das culturas individuais, a produtividade da área foi maior.
Em Pelotas, RS nas safras 2014/2015 e 2015/2016, Noveline (2018) conduziu experimentos com as cultivares de milho Tupi Laranja e BRS Missões e com feijão ‘BRS Expedito’ buscando avaliar as respostas em cultivo solteiro e consorciado. Os consórcios foram nos seguintes arranjos: uma linha de milho para uma de feijão (1:1), duas de milho para duas de feijão (2:2) e 2 de milho para 3 de feijão (2:3). A autora observou que o arranjo 1:1 apresentou maiores resultados quanto ao uso eficiente da terra e índice de eficiência biológica, não afetando a produtividade do milho e agregando valor com adição do feijão, enquanto 2:3 proporcionou maior oferta de radiação solar para o feijão, porém, a produtividade foi sempre menor do que o de feijão solteiro.
Buscando entender o efeito dos consórcios de milho e feijão, Nassary; Baijukya; Ndakidemi (2020) avaliaram épocas de cultivo e variedades de feijão ao longo de 5 safras, de 2015 a 2017, no norte da Tanzânia. Observaram que os fatores apresentam influência na produtividade do consórcio, e que a área de terra necessária foi reduzida para 48 e 55%, das quais seriam necessárias como terras adicionais para monocultura de cada cultura, se não consorciadas. Destacaram a necessidade de realização de um estudo sobre o tempo de introdução do feijão no consórcio, antes, concomitante ou depois do milho estabelecido. No mesmo ano foi publicado outro trabalho que buscava solucionar essa dúvida, conduzido em 2011 e 2012 no norte da Alemanha. Os autores Fischer; Böhm; Heb (2020) avaliaram cultivares de feijão e épocas de semeadura do feijão no consórcio e concluíram que, para cultivares precoces o mais adequado foi semear o feijão quando as plantas de milho atingiram 4 folhas, o que possibilitou a capina no milho antes de semear o feijão, e em cultivares tardias, o mais adequado foi semear o feijão logo após o milho.
Os efeitos sinérgicos dos consórcios de milho e feijão são estudados ao longo da história, como supracitado. Entretanto, os trabalhos avaliando consórcios dentro dos sistemas agroflorestais (SAF’s) são escassos, devido a sua complexidade de avaliação e interpretação dos resultados. Os SAF’s referem-se à integração de árvores em cultivos agrícolas, diversificando a área, proporcionando meios de subsistência e de renda adicionais, além do benefício ambiental e social (DINESH et al., 2017). Os SAF’s produzem alimentos em conjunto ao manejo sustentável da fertilidade do solo, dos recursos da terra e dos serviços ecossistêmicos. Entre as práticas agrícolas, as agroflorestas estão entre as dez melhores opções inteligentes para alcançar a segurança alimentar perante às mudanças climáticas, de forma sustentável (DINESH et al., 2017), aumentando o teor de carbono do solo, controle da erosão e biodiversidade (LEIJSTER et al., 2021).
Estudando consórcio de milho e soja em SAF’s (Acer sacharrinum e clone-DN-177), os autores Reynolds et al. (2007) publicaram dados de experimentos conduzidos em 1997 e 1998 no Canadá, avaliando os efeitos competitivos por radiação solar e água das árvores às plantas. Foi possível observar que a competição reduziu significativamente a radiação fotossintética, a assimilação líquida, o crescimento e a produtividade do milho e da soja, mas principalmente do milho em até 2 m de distância das árvores. Os autores destacaram a importância de novas pesquisas que busquem a remediação das interações competitivas para o avanço dessa tecnologia. Na África Ocidental, Bado; Whitbread; Manzo (2021) realizaram uma pesquisa de 2015-2018 avaliando cultivos solteiros e consórcios de milheto (Pennisetum glaucum) e feijão caupi (Vigna unguiculata) com e sem ziziphus (Ziziphus mauritiana), com diferentes níveis de adubação. Concluíram que o sistema agroflorestal (milho/feijão/ziziphus e milho/ziziphus) em sistema de baixo insumo de adubação foi mais produtivo e rentável. Observa-se um escasso registro de pesquisas em SAF’s ao longo do mundo, no Brasil e em especial, no Rio Grande do Sul.
Períodos com deficit hídrico são frequentes no Rio Grande do Sul. Na safra de 2019/2020, por exemplo, de fevereiro a abril, ocorreu redução de 72,7% na precipitação pluvial em relação à normal climatológica (CERA, 2020). Entre as explicações, estão a influência do fenômeno El Niño - Oscilação Sul (ENOS), que em sua fase La Niña ocasiona chuvas a baixo da média na primavera no Estado (MATZENAUER; RADIN; MALUF, 2017). Os autores também destacam que em anos neutros as chuvas são em menor quantidade de janeiro a março em relação à normal climatológica. Além disso, as mudanças climáticas podem resultar em aumento de períodos com deficit hídrico (VICENTE-SERRANO et al., 2020). Esta situação de estresse aumenta a vulnerabilidade dos monocultivos tradicionais e acentua a insegurança alimentar e nutricional da população, principalmente àquela de baixa renda. Desse modo, técnicas de manejo que diversifiquem a área produtiva pode ser uma alternativa para diminuir perdas, e o componente arbóreo além de poder ser fonte de renda e alimento, auxilia na conservação de água do solo.
O feijão é uma planta C3, portanto, menos eficiente na absorção de radiação solar do que o milho, que é uma planta C4. As plantas C3 se tornam saturadas de luz em aproximadamente 50% da radiação solar global, enquanto as plantas C4 se saturam com quase a totalidade de radiação solar disponível (REYNOLDS et al., 2007). Dessa forma, o consórcio de milho e feijão, se bem manejado, pode não resultar em diminuição da produtividade do feijão. Entretanto, em ambiente agroflorestal, o sombreamento no milho deve ser observado, pois pode ser fator limitante para atingir o potencial produtivo do genótipo.

Os experimentos serão conduzidos, em safra e em safrinha, em duas áreas próximas. Uma dessas áreas deverá ser composta por espécies frutíferas e florestais caracterizando um sistema agroflorestal (SAF).. Ambos serão conduzidos em sistema de produção orgânica.
O delineamento experimental será em delineamento de blocos ao acaso. O experimento será um fatorial com 4 repetições, demonstrado na Tabela 1. Cada unidade experimental possuirá área de 15 m² (3 x 5 m) no SAF e 20m² (4 x 5m) fora do SAF, considerando a bordadura. O espaçamento dos cultivos será de 80 cm entre linhas e 20 cm entre plantas para o milho, totalizando 5 sementes por m linear e de 40 cm entre linhas e 8 cm entre plantas para o feijão, totalizando 12 sementes por m linear. As cultivares utilizadas serão ‘Tupi’ para o milho 1, ‘Farináceo Branco’ para o milho 2 e BRS Paisano para o feijão.

Tabela 1 – Planejamento experimental.
Fatores Tratamentos
A: arranjos Feijão solteiro*
Milho solteiro 1
Milho solteiro 2
Consórcio 1:1 Milho 1
Consórcio 2:2 Milho 1
Consórcio 1:1 Milho 2
Consórcio 2:2 Milho 2
D: sistema agroflorestal Cultivo Agroflorestal
Cultivo Tradicional

Será realizada análise química do solo para posterior correção dos seus níveis nutricionais e da acidez, conforme a recomendação técnica (CQFS-RS/SC, 2016), de acordo com o adubo orgânico disponível. O controle de plantas espontâneas será por meio de controle mecânico, através de capinas manuais. O controle de pragas e doenças será através de produtos biológicos, como os a base de Bacillus thuringiensis e óleo de neem.

Dados meteorológicos
As condições meteorológicas experimentais, medidas na área experimental, serão caracterizadas quanto aos elementos meteorológicos: temperatura do ar, umidade do ar, radiação solar global e precipitação pluvial..
Para cada dia será determinada a pressão de saturação do ar (hPa), pressão parcial (hPa), déficit de saturação (hPa), tangente a curva de saturação (hPA), saldo de radiação através do balanço de ondas curtas (MJ m-2 dia-1) e o balanço de ondas longas pelo método de Brunt-Penmam (MJ m-2 dia-1) (BERLATO; MOLION, 1981), e a velocidade do vento será transformada para altura de 2m. O fluxo de calor no solo será estimado a partir do saldo de radiação a partir da multiplicação do saldo de radiação por 0,1 (ALEN et al., 2006) . Esses dados serão utilizados para estimar os valores de evapotranspiração de referência (ETo) (mm d-1) pelo método de Penman-Monteith (ALLEN et al., 2006), a fim de comparar com a precipitação pluvial do local para estabelecer se houve períodos com deficit ou excesso hídrico.
A radiação solar incidente será medida em uma unidade experimental dentro e em outra fora do SAF, com piranômetro portátil, a distância de 1 m acima do dossel do milho, 0,5 m acima do dossel do feijão e sob a superfície do solo. Também serão instalados termômetros de bulbo seco e úmido para medição da temperatura do ar e um higrômetro para medição da umidade relativa do ar. Os dados serão armazenados em um sistema de aquisição de dados (datalogger) instalado na área experimental para análise dos dados.
Com os dados de radiação solar, será calculada a transmissividade da radiação solar pela equação:
T= (I/Io )* 100
onde, T = transmissividade (%); I= radiação solar incidente dentro do sistema agroflorestal (W m-2 ); I 0 = radiação solar incidente fora do sistema agroflorestal (W m-2 ) (SGARBOSSA et al., 2020).
Também será calculada a eficiência do uso de radiação através do modelo proposto por Monteith (1977):
TDM = RUE * PARi
onde TDM = matéria seca total produzida (g m-2 ); PARi = radiação fotossinteticamente interceptada (MJ m-2 ).
A radiação fotossinteticamente interceptada (PARi) será obtida através modelo proposto por Varlet-Grancher et al. (1989):
PARi=0,95∗PARinc∗(1-exp (-k∗LAI))
onde, PARinc = radiação fotossinteticamente ativa incidente; k = coeficiente de extinção; IAF = índice de área foliar. Os valores de PARinc serão estimados em 45% da radiação solar global incidente, conforme observado por de Assis e Mendez (1989) em Pelotas.

Avaliações
O potencial dos tratamentos dentro do SAF e em área externa será avaliado por parâmetros agronômicos durante o período de crescimento e desenvolvimento das plantas até a colheita, descritos na sequência. Será acompanhada a evolução fenológica através da escala proposta por Ritchie; Hanway; Benson (1993) para milho e Fernandez; Geptz; Lopes (1986) para feijão.
Para determinação do crescimento serão realizadas avaliações fenométricas nas fases vegetativa, florescimento/pendoamento e enchimento de grãos, referentes a estatura, número de nós, diâmetro da haste, número de folhas e área foliar. A área foliar será determinada através de medidas lineares (comprimento (C) e largura (L)) de todas as folhas do milho, e de todos os folíolos centrais dos trifólios do feijão. As equação utilizadas serão: AF: 0,75*CL (MONTGOMERY, 1911) para milho e AF = 1,092*C1,945 (POHLMANN et al., 2021) para feijão.

Índices para mensurar a eficiência biológica do consórcio
A estimativa referente a participação da produtividade de cada cultura no consórcio será avaliada por meio do uso eficiente da terra (UET). A equação proposta por Mead; Willey (1980) refere-se a área de terra necessária nas monoculturas para produzir as mesmas produtividades do consórcio:

em que Ym e Yf são as produtividade do milho e feijão, respectivamente, em consórcio, Xm e Xf são as produtividades das culturas em monocultivo. Se UET >1 houve vantagem produtiva, se UET=1 não houve vantagem produtiva, se UET < 1 houve desvantagem produtiva.
A UET, apesar de ser muito utilizada, não considera o tempo em que as plantas permanecem no campo no consórcio e em monocultivo. Dessa Forma, surgiu a razão de área equivalente no tempo (RAET) (HIEBSCH, 1978) que compara a vantagem produtiva do consórcio:

em que, Tm representa o número de dias da semeadura até a maturação do milho, Tf representa o número de dias da semeadura até a colheita do feijão. O Tmf representa a duração do sistema de consorciação. Para RAET >1 significa que houve vantagem produtiva, para RAET=1 não houve vantagem produtiva e para RAET < 1 houve desvantagem produtiva.
O índice de produtividade do sistema (IPS) padroniza a produtividade da cultura secundária (feijão) em relação da cultura principal (milho). O IPS é obtido conforme metodologia utilizada por Odo (1991):

em que Ym e Yf representam a produção do milho e feijão em consórcio, respectivamente, Xm e Xf é produção do monocultivo do milho e feijão, respectivamente.
O Coeficiente Equivalente de Terra (CET) avalia a interação entre as culturas em consórcio. O CET é calculado através da metodologia proposta por Adetiloye et al., (1983):


em que UETm e UETf representam o uso eficiente de terra parcial do milho e feijão, respectivamente. Em consórcio entre duas cultivares, os autores mencionam que se espera um CET de 0,25 ou 25% para o consórcio ser viável, possuir vantagem de produtividade sobre o monocultivo. Esse valor surge da produtividade teórica de 50:50, onde a competição interespecífica é igual a intraespecífica.
A eficiência do uso de água será estimada conforme explicado por Bado et al. (2021):

em que Bt biomassa total produzida pelas culturas para cada sistema de cultivo (kg ha-1) e PP a precipitação pluvial total durante o experimento.

Trocas gasosas
Serão realizadas as medidas de trocas gasosas na última folha expandida das plantas, em horário entre as 11 e 13 h, utilizando um analisador de trocas gasosas IRGA (Portable Photosynthesis System), obtendo as medidas da taxa de fotossíntese máxima, condutância estomática e transpiração foliar. As avaliações ocorrerão durante a vegetativa, floração/pendoamento, enchimento de grãos e maturação dos grãos (Fernandez; Geptz; Lopes, 1986; Ritchie; Hanway; Benson, 1993). No mesmo momento será realizada a medição da temperatura foliar através de termômetro infravermelho.

Produtividade
Na maturação dos grãos, quando estes apresentarem umidade em torno de 12 a 14%, a biomassa das plantas será levada a estufa de secagem a 105 ºC até peso constante para determinar sua massa seca. Será avaliado também os componentes de rendimento e produtividade estimada. Para o milho serão avaliados: número de espigas por planta, número de grãos por espiga, peso de 100 grãos e produtividade. Para o feijão serão avaliados: o número de vagens por planta, grãos por vagem, grãos por planta, peso de 100 grãos e produtividade.

Análise estatística
Os dados coletados serão analisados quanto ao atendimento aos pressupostos do modelo matemático, de normalidade do erro experimental através do teste Shapiro Wilk, e de homogeneidade das variâncias através do teste Bartlet. Quando não atendidos, os dados serão transformados por BoxCox através do software Action. Os dados serão analisados pelo teste de variância, e quando significativo, suas médias serão distinguidas pelo teste Tukey a 0,05 de probabilidade do erro e serão realizadas análises de correlações entre as variáveis através da análise dos componentes principais (PCA) através do pacote “FactoMineR” software R (R CORE TEAM, 2020).

Produção de uma Tese de doutorado e de quatro publicações em congressos e revistas científicas