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Estimation of soil resistance to penetration based on the S index and effective stress/Estimativa da resistencia do solo a penetracao baseada no indice S e no estresse efetivo.

INTRODUCAO

A agricultura praticada nas diversas regioes brasileiras tem propiciado a compactacao dos solos, tanto nos sistemas plantio direto e preparo convencional do solo, como em pastagens (Ralisch et al., 2008), o que pode limitar o crescimento das raizes.

A resistencia do solo a penetracao (RP) e uma estimativa do impedimento mecanico que o solo oferece as raizes, sendo um dos mais comumente citados fatores fisicos que afetam o crescimento das raizes (Silva et al., 2008).

A determinacao da RP em condicoes de campo tem sido feita, normalmente, com o auxilio de penetrometros, que sao aparelhos de facil manuseio e nao requerem muito tempo para a tomada das medicoes (Dexter et al., 2007). Segundo esses autores, nessas medicoes nao sao levados em conta a resistencia do solo ao cisalhamento, sua compressibilidade nem o atrito do solo com o metal do penetrometro.

Existe uma estreita relacao entre RP, densidade do solo, conteudo de agua, teor de argila e teor de materia organica (Imhoff et al., 2000; Tormena et al., 2004; Ribon & Tavares Filho, 2004). A relacao direta da RP com a densidade do solo e resultado da compactacao e degradacao da sua estrutura (Busscher et al., 1997); o conteudo de agua do solo influi inversamente na RP devido ao efeito lubrificante da agua ao redor das particulas do solo, ou seja, com sua diminuicao ha incremento em RP (Almeida et al., 2008); o teor de argila afeta a coesao entre as particulas e o de materia organica esta relacionado a agregacao e a estruturacao do solo (Sa & Santos Junior, 2005).

Com base nessas interacoes desenvolveram-se diversos modelos que correlacionam RP e alguns desses atributos do solo. Entre esses pode-se citar os propostos mais recentemente por Silva et al. (2008), que estabelecem relacoes entre RP e o teor de argila, densidade do solo e conteudo de agua, e por Almeida et al. (2008), que relacionam RP ao conteudo de agua do solo.

Dexter et al. (2007) propuseram, em estudo com solos de clima temperado, um modelo composto por dois termos principais: o primeiro esta baseado no grau de compactacao e na estruturacao do solo e o segundo e atribuido ao conteudo de agua no solo. O primeiro termo e a reciproca do indice S de qualidade fisica do solo proposto por Dexter (2004) e o segundo e o estresse efetivo devido a pressao da agua dos poros. Conforme esses autores, o modelo proposto e logico, tem significado fisico e e aplicavel a todas as classes de solo e texturas, sem nenhuma mudanca nos parametros da equacao.

Whalley et al. (2005) constataram que, sozinho, o estresse efetivo pode ser usado na predicao de RP em solos de baixa densidade mas nao em solos de alta densidade. A equacao proposta por Dexter et al. (2007) vai justamente neste sentido. Em baixas densidades o indice S e alto e o termo do estresse efetivo domina, contudo, em altas densidades, o indice S e baixo e o estresse efetivo sozinho nao e suficiente para a predicao de RP.

Objetivou-se neste trabalho verificar se a equacao proposta por Dexter et al. (2007) para calculo da resistencia do solo a penetracao e aplicavel aos solos do cerrado mediante o estabelecimento de correlacoes entre os valores calculados e os atributos do solo e de comparacao com valores criticos estabelecidos na literatura e dados de campo.

MATERIAL E METODOS

O estudo foi realizado com 2242 amostras de solo, das quais constavam informacoes sobre classificacao textural, densidade do solo (Ds) e retencao da agua do solo, registradas nos bancos de dados dos Laboratorios de Solo da Embrapa Arroz e Feijao e Embrapa Cerrados. Essas amostras abrangiam solos sob cerrado das regioes centro-oeste, norte e nordeste do Brasil.

Os dados de retencao da agua do solo foram ajustados a uma curva pela equacao de Genuchten (1980), que e dada por:

[theta] = ([theta]s - [theta]r) [1 + [[([alpha]h).sup.n].sup.-m] + [theta]r (1)

em que:

[theta], [theta]s e [theta]r sao, respectivamente, os conteudos de agua do solo correspondentes a tensao h, a saturacao e a umidade residual, em kg [kg.sup.-1]

h--tensao matricial da agua do solo, em hPa, n e m (m = 1 - 1/n) sao parametros empiricos adimensionais de ajuste e [alpha] e um parametro expresso em h Pa-1

O ajuste foi feito com o auxilio do programa Soil Water Retention Curve--SWRC (Dourado Neto et al., 2001).

Determinou-se, com base nos parametros obtidos, o indice S, tangente a curva caracteristica de agua no solo no ponto de inflexao, segundo a equacao (Dexter, 2004):

S = -n ([theta]s - [theta]r) [[1 + 1/m].sup.-(1+m)] (2)

A resistencia do solo a penetracao (RP), em kPa, foi calculada com base na equacao desenvolvida por Dexter et al. (2007) para solos temperados:

RP = 328 + 37,39 (1/S) + 1,615 [sigma] (3)

em que:

[sigma]--estresse efetivo, em hPa, correspondendo a contribuicao da agua dos poros para a resistencia do solo a penetracao

O estresse efetivo foi calculado com base no grau de saturacao do solo ([THETA]) e na tensao da agua dos poros (h) prevalecente:

[sigma]' = [theta] h (4)

sendo:

[THETA] = ([theta] - [theta]r)/([theta]s - [theta]r) (5)

A tensao da agua dos poros foi calculada pela explicitacao do h da Eq. 1:

h ([THETA]) = 1/[alpha] [[[THETA].sup.-1/m] - 1].sup.l/n] (6)

Verifica-se que a equacao proposta por Dexter et al. (2007) para estimativa da resistencia do solo a penetracao e a soma de dois termos simples: um representa o grau de compacidade do solo enquanto o outro representa o efeito da agua do solo.

Considerou-se o conteudo de agua do solo correspondente a capacidade de campo (0cc) para estimar a resistencia do solo a penetracao, o qual foi determinado mediante a equacao desenvolvida por Andrade & Stone (2011):

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em que:

[gamma] = 2,5 + [2/(n - 1)] e p e uma porcentagem da condutividade hidraulica saturada, no caso considerado igual a 0,01.

A resistencia do solo a penetracao foi relacionada ao indice S segundo uma equacao do tipo potencial:

S = [cRP.sup.d] (8)

Com base na Eq. 8 foram determinados valores de RP correspondentes a valores de S citados por Andrade & Stone (2009) como indicadores de solo de boa qualidade estrutural e de solos inteiramente degradados fisicamente. Os valores obtidos foram comparados com valores de RP tidos como criticos na literatura, para verificar a aplicabilidade da Eq. 3 a solos tropicais.

Valores da densidade do solo foram relacionados com RP para seis classes texturais, muito argilosa, argilosa, argiloarenosa, franco-argilo-arenosa, franco/franco-arenosa e areia-franca/arenosa. Adotando-se os teores medios de argila de 660, 500, 410, 300, 190 e 110 g [kg.sup.-1], respectivamente, para essas classes texturais estabeleceram-se equacoes potenciais relacionando-se a Ds com o teor de argila para diversos valores de RP. Os valores de Ds obtidos foram confrontados com valores da literatura considerados criticos para diferentes texturas do solo e com os correspondentes valores de RP para verificar, de outra forma, a aplicabilidade da Eq. 3 a solos tropicais.

Ajustaram-se tambem equacoes potenciais a RP em funcao da umidade gravimetrica do solo para as classes texturais argilosa (argila > 350 g [kg.sup.-1]), media (350 g [kg.sup.-1] > argila > 150 g [kg.sup.-1]) e arenosa (argila < 150 g [kg.sup.-1]) as quais foram comparadas com dados da literatura de umidades consideradas criticas para determinado valor de resistencia do solo a penetracao, no intuito de tambem validar a Eq. 3.

Finalmente, compararam-se dados de RP obtidos em campo na Embrapa Arroz e Feijao, em Santo Antonio de Goias, em 2007 (Cunha et al., 2011) e pelos autores em 2011, usando a mesma metodologia, com os valores estimados pela Eq. 3.

RESULTADOS E DISCUSSAO

Considerando o valor de S = 0,045 como adequado a divisao entre solo de boa qualidade estrutural e solo com tendencias a se tornar degradado e S [less than or equal to] 0,025 como indicativo de solos inteiramente degradados fisicamente (Andrade & Stone, 2009) verifica-se, pela Figura 1, que esses valores correspondem, respectivamente, a RP = 1260 kPa e RP [greater than or equal to] 1900 kPa.

[FIGURE 1 OMITTED]

O valor de RP correspondente a S [less than or equal to] 0,025 esta proximo de 2000 kPa, valor que tem sido considerado limitante ao crescimento e desenvolvimento de sistemas radiculares, por diversos autores (Taylor et al., 1966; Tormena et al., 1998; Lapen et al., 2004), sinalizando que a equacao para estimativa de RP proposta por Dexter et al. (2007) pode ser usada para solos tropicais.

Estabelecendo a correspondencia entre S e RP pode-se afirmar que valores de RP [less than or equal to] 1260 kPa indicam ausencia de restricao a penetracao do solo pelas raizes e valores de RP [greater than or equal to] 1900 kPa sao indicadores de solos compactados. Esses valores sao da mesma ordem de grandeza dos observados por Moreira (2009), que considerou solo com indice S igual a 0,053 como nao impeditivo ao crescimento de raizes e com indice S igual a 0,021 como restritivo a esse crescimento. Pela equacao de Dexter et al. (2007) esses indices correspondem, respectivamente, a valores de RP de 1123 e 2147 kPa.

A partir das equacoes ajustadas da Figura 2 foram determinados valores de densidade do solo para RP = 2000 kPa, em razao dessa RP normalmente corresponder a situacoes criticas de Ds. Esses valores foram comparados com densidades criticas apresentadas na literatura para diferentes teores de argila (Tabela 1).

Observa-se que os valores calculados de densidade do solo se situaram proximos dos estabelecidos como criticos por Dias Junior & Miranda (2000) com base em ensaios de Proctor normal para solos de textura argilosa, media e arenosa (Tabela 1). Apenas para o teor de argila de 370 g [kg.sup.-1] os valores se afastaram mais. Da mesma forma, as densidades calculadas se aproximaram das densidades consideradas criticas por Reinert et al. (2001), Michelon (2005) e Silva et al. (2008).

Apenas na comparacao com os dados de Silva (2003) e Almeida et al. (2008) os valores calculados de Ds foram menores. Silva (2003) observou reducoes na produtividade do trigo em solo muito argiloso e argiloso com densidades do solo de, respectivamente, 1,53 e 1,62 Mg [m.sup.-3]. Almeida et al. (2008) estabeleceram, apos compactacao do solo em laboratorio, as densidades de 1,70 e 1,54 Mg [m.sup.-3] como criticas, respectivamente, para solos de textura arenosa e argilosa.

[FIGURE 2 OMITTED]

Ao se ajustar equacoes potenciais a RP em funcao da umidade gravimetrica (Figura 3) verificou-se, para o valor de RP = 2000 kPa, que os teores de umidade considerados criticos, foram 0,074; 0,177 e 0,225 kg [kg.sup.-1], respectivamente, para solo de textura arenosa, media e argilosa.

Santana et al. (2006) encontraram, considerando a resistencia do solo a penetracao de 2000 kPa, valores entre 0,020 a 0,110 kg [kg.sup.-1] como umidades consideradas criticas para quatro horizontes arenosos e de 0,110 a 0,170 kg [kg.sup.-1] para solos de textura media. Para o mesmo valor de RP Silveira et al. (2010) verificaram que o intervalo de umidade critica se situou entre 0,062 e 0,096 kg [kg.sup.-1] para solo arenoso. Almeida et al. (2008) constataram, apos compactacao de solo em laboratorio, variacoes de umidade de 0,020 a 0,140 kg [kg.sup.-1] e de 0,140 a 0,320 kg [kg.sup.-1], respectivamente, para solos arenosos e argilosos. Dias Junior & Miranda (2000) tambem encontraram, em laboratorio, umidades otimas para compactacao de 0,200 a 0,300 kg [kg.sup.-1] para solos argilosos. Com o uso das equacoes estabelecidas por Silva et al. (2008) para calculo de RP em funcao da umidade e densidade do solo, se encontraram as umidades criticas de 0,132 a 0,184 kg [kg.sup.-1] para solos de textura media e de 0,225 a 0,309 kg [kg.sup.-1] para solos de textura argilosa, para RP = 2000 kPa. Ao confrontar todos esses dados com os limites criticos de umidade do solo estabelecidos a partir das equacoes apresentadas na Figura 3, constata-se que eles estao dentro ou muito proximos dos intervalos de umidade medidos por esses diversos autores, o que fortalece a possibilidade de se utilizar, em solos tropicais, a equacao para estimativa de RP proposta por Dexter et al. (2007).

[FIGURE 3 OMITTED]

Na comparacao dos dados observados em campo com os estimados pela Eq. 3 verificou-se que essa equacao subestimou os valores observados em cerca de 10%; contudo e de acordo com o coeficiente de determinacao ([R.sup.2]), ela foi capaz de explicar 62% da variabilidade da RP. E interessante que valores de RP obtidos com a equacao proposta sejam comparados com dados de campo de uma grande faixa de classes e texturas de solo.

[FIGURE 4 OMITTED]

O valor de [R.sup.2] nao foi maior devido, possivelmente, a variacao espacial das propriedades do solo. A resistencia a penetracao e a umidade foram medidas no campo enquanto as caracteristicas de retencao de agua foram determinadas utilizando-se diferentes amostras de solo indeformadas. Adicionalmente, valores da tensao da agua dos poros, h([THETA]), sao estimados a partir dos conteudos medidos da agua do solo em combinacao com a forma invertida da equacao de Genuchten (1980) (Eq. 6), cujos parametros tambem estao associados a erros de medida e variabilidade espacial.

CONCLUSOES

1. Na regiao do cerrado valores de resistencia do solo a penetracao iguais ou maiores que 1900 kPa, determinados no conteudo de agua do solo equivalente a capacidade de campo, podem ser considerados indicadores de solos compactados.

2. A equacao proposta por Dexter et al. (2007) para estimativa da resistencia do solo a penetracao e adequada para os solos do cerrado, embora deva ser mais testada para determinar seu poder de predicao.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao ex-pesquisador da Embrapa Cerrados, Dr. Euzebio Medrado da Silva, pelas informacoes referentes as analises fisico-hidricas de amostras de solo armazenadas no banco de dados dessa instituicao.

LITERATURA CITADA

Almeida, C. X.; Centurion, J. F.; Freddi, O. da S.; Jorge, R. F.; Barbosa, J. C. Funcoes de pedotransferencia para a curva de resistencia a penetracao. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.32, p.2235-2243, 2008.

Andrade, R. da S.; Stone, L. F. Indice S como indicador da qualidade fisica de solos do cerrado brasileiro. Revista Brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental, v.13, p.382-388, 2009.

Andrade, R. da S.; Stone, L. F. Estimativa da umidade na capacidade de campo em solos sob cerrado. Revista Brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental, v.15, p.111-116, 2011.

Busscher, W. J.; Bauer, P. J.; Camp, C. R.; Sojka, R. E. Correction of cone index for soil water content differences in a Coastal Plain soil. Soil & Tillage Research, v.43, p.205-217, 1997.

Cunha, E. de Q.; Stone, L. F.; Moreira, J. A. A.; Ferreira, E. P. de B.; Didonet, A. D.; Leandro, W. M. Sistemas de preparo do solo e culturas de cobertura na producao organica de feijao e milho. I--Atributos fisicos do solo. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.35, p.589-602, 2011.

Dexter, A. R. Soil physical quality. Part I. Theory, effects of soil texture, density, and organic matter, and effects on root growth. Geoderma, v.120, p.201-214, 2004.

Dexter, A. R.; Czyz, E. A.; Gate, O. P. A method for prediction of soil penetration resistance. Soil & Tillage Research, v.93, p.412-419, 2007.

Dias Junior, M. S.; Miranda, E. E. V. Comportamento da curva de compactacao de cinco solos da regiao de Lavras (MG). Ciencia e Agrotecnologia, v.24, p.337-346, 2000.

Dourado Neto, D.; Nielsen, D. R.; Hopmans, J. W.; Reichardt, K.; Bacchi, O. O. S.; Lopes, P. P. Programa para confeccao da curva de retencao de agua no solo, modelo van Genuchten. Soil water retention curve, SWRC (version 3,00 beta). Piracicaba: USP, 2001.

Genuchten, M. Th. van. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal, v.44, p.892-898, l980.

Imhoff, S; Silva, A. P; Tormena, C. A. Aplicacoes da curva de resistencia no controle da qualidade fisica de um solo sob pastagem. Pesquisa Agropecuaria Brasileira, v.35, p.1493-1500, 2000.

Lapen, D. R.; Topp, G. C.; Gregorich, E. G.; Curnoe, W. E. Least limiting water range indicators of soil quality and corn production, Eastern Ontario, Canada. Soil & Tillage Research, v.78, p.151-170, 2004.

Michelon, C. J. Qualidade fisica dos solos irrigados do Rio Grande do Sul e do Brasil Central. Santa Maria: UFSM, 2005. 92p. Dissertacao Mestrado

Moreira, N. B. Qualidade fisica de um Argissolo Amarelo em areas cultivadas com laranja no nordeste paraense. Belem: UFRA, 2009. 55p. Dissertacao Mestrado

Ralisch, R; Miranda, T. M.; Okumura, R. S.; Barbosa, G. M. de C.; Guimaraes, M. de F.; Scopel, E.; Balbino, L. C. Resistencia a penetracao de um Latossolo Vermelho Amarelo do Cerrado sob diferentes sistemas de manejo. Revista Brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental, v.12, p.381-384, 2008.

Reinert, D. J.; Reichert, J. M.; Silva, V. R. Propriedades fisicas de solos em sistema de plantio direto irrigado. In: Carlesso, R.; Petry, M. T.; Rosa, G. M.; Ceretta, C.A. (ed.). Irrigacao por aspersao no Rio Grande do Sul. Santa Maria: Imprensa Universitaria, 2001. p.114-133.

Ribon, A. A.; Tavares Filho, J. Models for the estimation of the physical quality of a Yellow Red Latosol (Oxisol) under pasture. Brazilian Archives of Biology and Technology, v.47, p.25-31, 2004.

Sa, M. A. C.; Santos Junior, J. D. G. Compactacao do solo: consequencias para o crescimento vegetal. Planaltina: Embrapa Cerrados, 2005. 26p. Documentos, 136

Santana, M. B.; Souza, L. da S.; Souza, L. D.; Fontes, L. E. F. Atributos fisicos do solo e distribuicao do sistema radicular de citros como indicadores de horizontes coesos em dois solos de tabuleiros costeiros do estado da Bahia. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.30, p.1-12, 2006.

Silva, A. P; Tormena, C. A.; Fidalski, J.; Inhoff, S. Funcoes de pedotransferencia para as curvas de retencao de agua e de resistencia do solo a penetracao. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.32, p.1-10, 2008.

Silva, V. R. Propriedades fisicas e hidricas em solos sob diferentes estados de compactacao. Santa Maria: UFSM, 2003. 171p. Tese Doutorado

Silveira, D. C.; Melo Filho, J. F.; Sacramento, J. A. A. S.; Silveira E. C. P. Relacao umidade versus resistencia a penetracao para um Argissolo Amarelo distrocoeso no reconcavo da Bahia. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.34, p.659-667, 2010.

Taylor, H. M.; Roberson, G. M.; Parker Junior, J. J. Soil strength-root penetration relations for medium- to coarse-textured soil materials. Soil Science, v.102, p.18-22, 1966.

Tormena, C. A.; Friedrich, R.; Pintro, J. C.; Costa, A. C. S.; Fidalski, J. Propriedades fisicas e taxa de estratificacao de carbono organico num Latossolo Vermelho apos dez anos sob dois sistemas de manejo. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.28, p.1023-1031, 2004.

Tormena, C. A.; Roloff, G.; Sa, J. C. M. Propriedades fisicas do solo sob plantio direto influenciadas por calagem, preparo inicial e trafego. Revista Brasileira de Ciencia do Solo, v.22, p.301-309, 1998.

Whalley, W. R.; Harrison, P. B. L.; Clark, L. J.; Gowing, D. J. G. Use of effective stress to predict the penetrometer resistance of unsaturated agricultural soils. Soil & Tillage Research, v.84, p.18-27, 2005.

Rui da S. Andrade (1), Luis F. Stone (2) & Sinnara G. de Godoy (3)
Tabela 1. Valores de densidade do solo (Ds) criticos obtidos na
literatura para diferentes teores de argila e calculados pela formula
da Figura 2 referente a resistencia do solo a penetracao de 2000 kPa

Argila             Ds literatura
(g [kg.sup.-1])   (Mg [m.sup.-3])            Referencia

570                    1,43         Dias Junior & Miranda (2000)
370                    1,57         Dias Junior & Miranda (2000)
300                    1,53         Dias Junior & Miranda (2000)
130                    1,64         Dias Junior & Miranda (2000)
> 550                  1,45         Reinert et al. (2001)
200-550                1,55         Reinert et al. (2001)
< 200                  1,65         Reinert et al. (2001)
600                    1,53         Silva (2003)
500                    1,62         Silva (2003)
0-200                  1,60         Michelon (2005)
200-300                1,55         Michelon (2005)
300-400                1,50         Michelon (2005)
400-500                1,45         Michelon (2005)
500-600                1,40         Michelon (2005)
120                    1,70         Almeida et al. (2008)
310                    1,54         Almeida et al. (2008)
220                  1,46-1,98      Silva et al. (2008)
310                  1,40-1,79      Silva et al. (2008)
390                  1,38-1,70      Silva et al. (2008)
480                  1,36-1,64      Silva et al. (2008)
580                  1,34-1,58      Silva et al. (2008)

Argila             Ds calculada
(g [kg.sup.-1])   (Mg [m.sup.-3])

570                    1,39
370                    1,46
300                    1,50
130                    1,64
> 550                  1,40
200-550              1,57-1,40
< 200               1,69 *-1,57
600                    1,38
500                    1,41
0-200               1,69 *-1,57
200-300              1,57-1,50
300-400              1.50-1,45
400-500              1,45-1,41
500-600              1,41-1,38
120                    1,66
310                    1,49
220                    1,55
310                    1,49
390                    1,45
480                    1,42
580                    1,39

* Teor de argila menor que 200 g [kg.sup.-1] ou no intervalo de 0 a
200 g [kg.sup.-1] foi considerado como sendo 100 g [kg.sup.-1]
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Author:Andrade, Rui da S.; Stone, Luis F.; de Godoy, Sinnara G.
Publication:Revista Brasileira de Engenharia Agricola e Ambiental
Date:Sep 1, 2013
Words:3556
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