Protocolo 082

AUTOMAÇÃO DA SUBIRRIGAÇÃO
NA PRODUÇÃO DE HIBISCOS
R. S. Ferrarezi1; M. W. van Iersel2; R. Tezteslaf3
RESUMO: A subirrigação tem potencial para reduzir as perdas de água e nutrientes por
permitir a recirculação e o reuso da solução nutritiva. Entretanto, a aplicação de água nesses
sistemas é controlada por temporizadores, que não atende às exigências hídricas das culturas. O
objetivo desse trabalho foi automatizar um sistema de subirrigação utilizando sensores para
monitorar e controlar a umidade do substrato, quantificando o efeito de cinco conteúdos
volumétricos de água no crescimento de plantas de hibisco. A automação foi realizada
conectando-se três sensores de umidade EC-5 (Decagon®) por mesa de subirrigação a um
sistema de controle computacional com cinco umidades volumétricas (Ɵ) (0,10; 0,18; 0,26; 0,34
e 0,42 m3 m-3), monitorada por medições a cada 30 minutos. Quando as leituras eram inferiores
aos tratamentos, a irrigação entrava em funcionamento por 3 minutos, seguida de drenagem
completa. Os resultados indicaram que os sensores foram eficientes no monitoramento e
controle da subirrigação, permitindo manejar o crescimento das plantas de hibisco. Os
tratamentos com baixos volumes de água aplicados resultaram em menor número de irrigações,
menor uso de solução nutritiva e redução da altura e matéria seca das plantas.
PALAVRAS-CHAVE: automação; ambiente protegido; eficiência de irrigação.
AUTOMATION OF SUBIRRIGATION
IN HIBISCUS PRODUCTION
SUMMARY: Subirrigation has the potential to reduce water and nutrient losses and allows
nutrient solution recycling and reuse. However, subirrigation systems are usually controlled by
timers, without consider plant water requirements. The objectives of this experiment were to
automate a subirrigation system using soil moisture sensors to monitor and control substrate
water content and to quantify the effect of five different water contents on hibiscus plant
growth. Automation was accomplished by connecting three EC-5 (Decagon®) soil moisture
sensors per ebb-and flow bench to a computer control system with five volumetric water content
Ɵ thresholds (0.10, 0.18, 0.26, 0.34 and 0.42 m3 m-3), running every 30 minutes to determine
whether benches needed irrigation. Irrigation was turned on for 3 minutes, when the substrate
measurements dropped below the threshold, followed by complete drainage. Results indicated
1
Aluno de Doutorado, Faculdade de Engenharia Agrícola/FEAGRI, Universidade Estadual de Campinas/UNICAMP,
Rua Candido Rondon no 501, Campinas, SP, Brasil, CEP 13083-870. Fone: (019) 3521-1029. E-mail:
[email protected]
2
Professor, Department of Horticulture, The University of Georgia, Athens, GA, EUA.
3
Professor Titular, FEAGRI, UNICAMP, Campinas, SP, Brasil
R. S. Ferrarezi et al.
that sensors were effective in monitoring and controlling subirrigation, allowing regulating of
hibiscus plant growth. The treatments with low water volumes resulted in fewer irrigations, less
use of nutrient solution, and reduced height and plant dry weight.
KEYWORDS: Automation; Greenhouse; Irrigation efficiency
INTRODUÇÃO
A produção vegetal em viveiros e estufas normalmente usa sistemas de irrigação por aspersão
ou gotejamento para aplicar água com fertilizantes e pesticidas. Os produtores aplicam em geral
quantidades excessivas de água para evitar risco de estresse hídrico na produção. Além disso, os
sistemas apresentam baixa eficiência de aplicação, com projeto, instalação e/ou manutenção
inadequada, causando desperdício e lixiviação de elementos químicos no solo, com elevado
potencial para contaminação de águas superficiais e/ou subterrâneas (DUMROESE et al., 2006).
A subirrigação é uma tecnologia eficaz para reduzir o uso e o escoamento de água com
fertilizantes e pesticidas em viveiros e estufas, por ser um sistema de irrigação fechado, formado
por bandejas plásticas (chamado sistema ebb-and-flow) ou pisos de concreto (flood-floor),
reservatório de água e conjunto moto-bomba. O fornecimento de solução nutritiva ocorre na
parte inferior dos recipientes de cultivo (vasos ou bandejas), onde o princípio da capilaridade
permite que a água e nutrientes se movimentem verticalmente no substrato. Quando a irrigação
é finalizada, a água é drenada ao reservatório para posterior reutilização.
Essa tecnologia apresenta vantagens em comparação com outros sistemas de irrigação:
aumento da produção por unidade de área (ROUPHAEL et al., 2006), maior uniformidade de
produção (BIERNBAUM, 1990), redução no período de crescimento (PENNISI et al., 2005),
eliminação da perda de água e nutrientes por lixiviação no solo (DUMROESE et al., 2006),
possibilidade de aplicação de pesticidas e estimuladores de crescimento vegetal, redução da
quantidade de água aplicada (JAMES & VAN IERSEL, 2001), redução dos custos de mão-deobra e possibilidade de automação de todas as etapas. Por outro lado, pode apresentar alguns
inconvenientes para o produtor, como: alta concentração de sais nas camadas superiores do
substrato (ROUPHAEL et al., 2006), alto custo para implantação e manutenção (DUMROESE
et al., 2006) e aumento do risco de disseminação de patógenos.
Nesse sistema, o controle da irrigação normalmente é realizado por meio de temporizadores,
que definem a hora e a duração da irrigação, não utilizando a exigência hídrica das culturas ou o
teor mínimo de água do substrato necessário para o crescimento vegetal adequado. A
subirrigação pode ser automatizada usando sensores de umidade para monitorar o conteúdo
volumétrico de água no substrato (CVAS) e controlar a irrigação com base nas medições em
tempo real da umidade (NEMALI & VAN IERSEL, 2006).
O objetivo deste trabalho foi automatizar um sistema de subirrigação usando sensores de
umidade do tipo capacitivo para monitorar e controlar o conteúdo volumétrico de água no
substrato, quantificar o efeito de diferentes umidades do substrato (Ɵ) sobre o crescimento de
plantas de hibisco e avaliar de aplicação dessa tecnologia no controle do crescimento vegetal.
R. S. Ferrarezi et al.
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi realizado em casa de vegetação na The University of Georgia, localizada
em Athens, GA, EUA (33°55’50.92” N, 83°21’50.31” W e a 211 m de altitude).
Mudas enraizadas de hibisco (Hibiscus acetosella “Panama Red”) foram transplantadas em
vasos com 15 cm de diâmetro, preenchidos com substrato a base de turfa e perlita 1P Mix
(Fafard®). O experimento iniciou em 16/09/2010, e as plantas foram irrigadas por 43 dias com
solução nutritiva preparada com fertilizante 20-10-20 Peat-Lite Special (Scotts Co.®), com 100
mg L-1 de nitrogênio e condutividade elétrica de 0,59 mS cm-1.
Foram utilizadas dez bandejas plásticas de subirrigação tipo ebb-and-flow de 90 x 150 x 5
cm (MidWest GroMaster®) instaladas sobre mesas metálicas, cada uma com 28 plantas. A
irrigação foi automatizada usando 3 sensores capacitivos de umidade EC-5 (Decagon®) por
bandeja, inseridos diagonalmente no substrato em vasos diferentes. Os sensores estavam ligados
a um multiplexador AM416 (Campbell Scientific®), que foi conectado a um data logger CR10
(Campbell Scientific®), que controlava as bombas de irrigação usando um controlador de saída
SDM-CD16AC (Campbell Scientific®). A cada 30 minutos, o data logger realizava a leitura
dos três sensores da mesma bandeja e estimava a média. Este valor era comparado com os
valores de umidade volumétrica de cada tratamento específico (0,10; 0,18; 0,26; 0,34 ou 0,42
m3 m-3), e as bombas ligadas por 3 minutos quando a leitura se apresentava inferior ao valor do
tratamento pré-estabelecido. Após a aplicação da lâmina, a drenagem completa para o
reservatório ocorria em 3 minutos.
O CVAS era medido continuamente a cada 30 minutos e os dados agrupados em valores
médios a cada 2 horas ao longo de todo o período experimental. O uso de solução nutritiva foi
obtido pela soma de todas as reposições realizadas no período, e o número de irrigações por
meio do programa computacional que controlava as irrigações. A altura (colo até a gema apical)
e o peso seco da parte aérea foram medidos ao final do experimento (aos 43 dias).
O delineamento experimental utilizado foi inteiramente casualizado, com cinco tratamentos e
duas repetições. As análises estatísticas foram realizadas no programa SAS 9.2 (SAS®),
utilizando-se regressão polinomial.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A utilização dos sensores no experimento permitiu a sua automação, operando
adequadamente durante todo o período de sua realização. A proposta de possibilitar que o
substrato secasse gradualmente até o limite dos tratamentos (Ɵ), quando o mesmo era irrigado
automaticamente foi atingida, como se pode observar na Figura 1, que apresenta a variação dos
valores de CVAS durante o experimento.
Na Figura 1 é possível observar que após cada evento de irrigação ocorria um rápido
aumento nos valores do CVAS. Esse aumento foi muito maior em tratamentos com baixo Ɵ: a
irrigação aumentou a umidade em aproximadamente 0,20 m3 m-3 (de 0,10 a 0,30 m3 m-3) para o
tratamento com Ɵ = 0,10 m3 m-3 versus 0,05 m3 m-3 (de 0,42 a 0,47 m3 m-3) para o tratamento
com Ɵ = 0,42 m3 m-3. Mesmo imediatamente após a irrigação, o CVAS foi muito menor em
tratamentos com um Ɵ mais baixo do que naqueles com um Ɵ elevado (Fig. 1), indicando que o
substrato não chegou à sua capacidade máxima de retenção de água.
Conteúdo volumétrico de
água do substrato (m3 m-3)
R. S. Ferrarezi et al.
Tratamentos ():
0,42 m3 m-3
0.42
0,34 m3 m-3
0.34
0,26 m3 m-3
0.26
3
-3
0,18 m m
0.18
0,10 m3 m-3
0.10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Dias após o transplantio (DAT)
Figura 1. Conteúdo volumétrico de água no substrato em plantas de hibisco “Panama Red” cultivadas por
43 dias num sistema automatizado de subirrigação controlado por sensores de umidade do
substrato. Média de duas repetições.
O uso de solução nutritiva variou de 59 a 209 L para tratamentos com, respectivamente, Ɵ =
0,10 e Ɵ = 0,42 m3 m-3 (P < 0,0001, Fig. 2A), o que era esperado em razão do maior teor de
umidade do substrato desse tratamento, resultando em maior evaporação, uso de água e maior
freqüência de irrigações. Resultados semelhantes foram encontrados por NEMALI & VAN
IERSEL (2006). Da mesma maneira, o número de irrigações foi diferente em função dos
tratamentos, variando de 9 a 59 irrigações para tratamentos com 0,10 e 0,42 m3 m-3,
respectivamente (P = 0,0023, Fig. 2A).
160
A
140
Uso de solução nutritiva:
Y = 14,125 + 428,75*X
R² = 0,9525
P < 0,0001
50
40
120
30
100
80
60
40
Peso seco da parte aérea (g)
60
180
22
20
B
18
20
Número de irrigações:
Y = - 5,4625 + 110,625*X
R2 = 0,7680
P = 0,0023
Altura da parte aérea:
Y = 0,5132 + 41,3453*X
R² = 0,7738
P = 0,0008
10
0
80
70
16
14
60
Peso seco da parte aérea:
Y = 52,7938 + 60,5625*X
50
R² = 0,5088
P = 0,0206
40
Peso seco da parte aérea
Altura da parte aérea
30
12
10
8
6
4
Número de irrigações
70
Uso de solução nutritiva
Número de irrigações
200
Altura da parte aérea (cm)
Uso de solução nutritiva (L)
220
2
0.10
0.18
0.26
0.34
3
0.42
-3
Tratamentos (, m m )
Figura 2. Uso de solução nutritiva e número de irrigações (A) e Peso seco e altura da parte aérea (B) em
plantas de hibisco “Panama Red” cultivadas por 43 dias num sistema automatizado de
subirrigação controlado por sensores de umidade do substrato.
A altura e o peso seco da parte aérea após 43 dias aumentou de forma significativa com o
aumento dos CVAS dos tratamentos (P = 0,0008 e P = 0,0206, respectivamente, Fig. 2B), o que
R. S. Ferrarezi et al.
está de acordo com trabalhos similares (JAMES & VAN IERSEL, 2001; NEMALI & VAN
IERSEL, 2006; PENNISI et al., 2005). Em comparação às plantas cultivadas com Ɵ = 0,42 m3
m-3, plantas cultivadas com um tratamento Ɵ = 0,10 m3 m-3 tiveram 62% menor peso seco da
parte aérea e foram 40% menores. O efeito de diferentes umidades volumétricas no crescimento
das plantas permitirá aos produtores a manipulação do crescimento vegetal, ajustando a
umidade do substrato necessária em razão do produto final desejado.
CONCLUSÕES
Os resultados indicaram que sensores de umidade do substrato podem ser usados para
monitorar e controlar o conteúdo volumétrico de água, iniciando a irrigação com base nas
exigências hídricas das culturas ao invés de serem baseados em uma programação rígida,
resultando em maior crescimento vegetal. Portanto, sensores de umidade do substrato podem ser
uma ferramenta valiosa para produtores que querem obter melhor controle sobre o crescimento
e a qualidade das plantas produzidas em sistemas de subirrigação. Experimentos futuros são
necessários para avaliar o intervalo adequado para realização das irrigações e o tempo de
aplicação de água para reduzir a variação na umidade após as irrigações.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à CAPES pela concessão de bolsa de doutorado-sanduíche PDEE/CAPES ao
primeiro autor (Proc. BEX 1390/10-4). O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pela
American Floral Endowment e USDA-NIFA-SCRI (Proc. 2009-51181-05768).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIERNBAUM, J.A. Get ready for subirrigation. Greenhouse Grower, v.8, p.130-133. 1990.
DUMROESE, R.K.; PINTO, J.R.; JACOBS, D.F.; DAVIS, A.S.; HORIUCHI, B. Subirrigation reduces water
use, nitrogen loss, and moss growth in a container nursery. Native Plants Journal, v.7, p.253-261. 2006.
JAMES, E. & VAN IERSEL, M.W. Ebb and flow production of petunias and begonias as affected by
fertilizers with different phosphorus content. HortScience, v.36, p.282-285. 2001.
NEMALI, K.S. & VAN IERSEL, M.W. An automated system for controlling drought stress and
irrigation in potted plants. Scientia Horticulturae, v.110, p.292-297. 2006.
PENNISI, S.V.; VAN IERSEL, M.W.; BURNETT, S.E. Photosynthetic irradiance and nutrition effects
on growth of English ivy in subirrigation systems. HortScience, v.40, p.1740-1745. 2005.
ROUPHAEL, Y.; CARDARELLI, M.; REA, E.; BATTISTELLI, A.; COLLA, G., Comparison of the
subirrigation and drip-irrigation systems for greenhouse zucchini squash production using saline and nonsaline nutrient solutions. Agricultural Water Management, v.82, p.99-117. 2006.