Capítulo 1 Relações solo, água, planta e atmosfera

Para realizar irrigações de forma correta deve-se analisar conjuntamente vários aspectos referentes ao solo, clima, planta e a própria irrigação. Avaliar a inter-relação entre irrigação e outras práticas culturais, tais como: variedades, densidade de plantio, fertilizantes, plantas daninhas, colheita, etc., com uma abordagem mais ampla, objetiva alcançar a máxima eficiência econômica e o menor impacto ambiental possível.

Uma forma simples de resolver o problema e obter a informação desejada é a de lançar mão dos princípios básicos do balanço hídrico, muito utilizado em estudos de agrometeorologia. Deve-se ter o cuidado de definir, de forma precisa e objetiva, todos os parâmetros envolvidos. Tal procedimento utiliza as variáveis climáticas que também são importantes para outras aplicações, como nos estudos fisiológicos, controle fitossanitário, previsão de safra etc.

No caso específico de definição da lâmina e data de irrigação, consideram-se no balanço hídrico as entradas e as saídas. Como entradas, têm-se as chuvas, irrigações e contribuição da água armazenada no solo e pelo lençol freático. Como saídas, a evapotranspiração (transpiração da cultura e evaporação direta da superfície do solo e da planta), incorporação na planta (desprezível, da ordem de 1% ou menos), escoamento superficial para fora da área (deve ser sempre evitado, controlando-se a erosão) e percolação (infiltração da água abaixo do sistema radicular, que é evitada em um plano de manejo, controlando-se essa fonte de contaminação de águas subterrâneas).

Para isso, a proposta é discutir a teoria necessária para que o profissional tenha possibilidade de implantação de um programa de manejo.

1.1 Água no solo

O solo é constituído, basicamente, pelas frações sólida, líquida e gasosa. Para o pleno desenvolvimento das plantas, é necessário que haja equilíbrio entre essas porções. A parte sólida é constituída por minerais e matéria orgânica e a parte gasosa compreende os espaços porosos ocupados pelo ar. A parte líquida é conhecida como solução do solo, e contém nutrientes dissolvidos em água.

A água do solo é responsável por participar do processo de absorção dos nutrientes pela planta, visto que se comporta como um veículo para que este processo seja possível. Assim, a manutenção de níveis adequados de água no solo é fundamental para garantir a hidratação e a absorção de nutrientes indispensáveis ao crescimento vegetal.

1.1.1 Disponibilidade de água no solo

A água pode ser fornecida à cultura por meio da irrigação ou da chuva. Ao atingir a superfície do solo, pode seguir dois caminhos: infiltrar ou escoar. No primeiro caso, a água penetra no solo, sendo armazenada na zona radicular, estando, assim, disponível para absorção pelas raízes das plantas. Caso haja excesso na quantidade de água aplicada, esta poderá ser perder por percolação. Em alguns casos, a água pode escoar, devido a alguns fatores do solo, do sistema de irrigação, ou da chuva. Na Figura 3, observa-se um esquema com os possíveis destinos da água, ao atingir o solo, via chuva ou irrigação.

Infiltração: É o processo em que a água penetra no solo. O modo como isso ocorre, depende de vários fatores, que serão abordados mais adiante.

Escoamento superficial: Quando a intensidade de aplicação de água é superior à capacidade que o solo possui em absorvê-la, ocorre o escoamento superficial. Em irrigação, este é um problema relacionado à falta dimensionamento dos equipamentos (ausência de projetos) ou à falta de conhecimento das propriedades do solo. Os problemas que podem decorrer do escoamento são: erosões do solo, lixiviação de nutrientes, contaminação e assoreamento de águas superficiais (rios, lagos etc.), perdas de água e solo, dentre outros.

Percolação: Esse processo ocorre quando a quantidade de água destinada à cultura é superior à capacidade de armazenamento pelo solo. Com isso, a água continua seu movimento gravitacional, no sentido vertical, indo para profundidades abaixo das raízes das plantas. Geralmente, decorre de tempos de irrigação excessivos, desconhecimento das propriedades físicas do solo, etc. Os principais problemas decorridos com a percolação são: lixiviação de nutrientes e agroquímicos, perdas de água, contaminação de águas subterrâneas, etc.

1.1.2 Armazenamento de água no solo

O solo funciona como um reservatório de água para as plantas. Nele é retida a água que precipita durante as chuvas ou irrigações, que será absorvida pelas plantas, posteriormente. Na Figura 4 é apresentada, esquematicamente, a capacidade de armazenamento de água nos poros do solo, evidenciando a capacidade de campo (CC), a umidade de segurança (US), o ponto de murcha (PM) ou ponto de murcha permanente (PMP), a capacidade total de água (CTA) e a capacidade real de água (CRA) que representa a água facilmente disponível para a cultura.

Quando esse reservatório-solo está cheio significa que todos os poros estão preenchidos com água e se diz que o solo está saturado ou com umidade de saturação. Se a reposição de água ao solo não for contínua, aquela contida nos macroporos, com tensão matricial menor que a gravitacional, vai se movimentar no sentido descendente e o reservatório-solo irá depletir, até atingir um nível de equilíbrio dessas forças. Essa água é conhecida como gravitacional e é facilmente drenada do perfil do solo. Nesse ponto de equilíbrio, com tensão entre -0,1 atm (solos arenosos) e -0,33 atm (solos argilosos), o solo atinge a umidade de Capacidade de Campo (CC), quando o movimento descendente da água no perfil é sensivelmente reduzido. Tais valores podem variar muito, como é o caso dos solos argilosos do Cerrado, nos quais a tensão é de aproximadamente -0,05 atm.

Existindo um extrator de água nesse solo, tal como as raízes das plantas, a sua umidade também vai depletir, em função da tensão que as raízes das plantas exercem, para absorver a água do solo. Isso ocorrerá até que as plantas não mais consigam absorver água em quantidade suficiente para atender à demanda das plantas e estas murchem de forma irrecuperável, embora o solo ainda contenha água. Nesse estádio, quando o valor da tensão da água retida é de, aproximadamente, 15 atm, o solo apresenta uma umidade que é denominada Ponto de Murchamento Permanente (PMP). A água absorvida pelas plantas e que está retida, com tensão entre -0,1 e -15 atm (solos arenosos) e entre -0,33 e -15 atm (solos argilosos), é conhecida como disponível. Aquela contida no solo e retida com tensão superior a -15 atm é conhecida como água fortemente retida ao solo ou inativa. Tais limites variam com o tipo de solo e não devem ser to­mados como um ponto inflexível de referência, pois o dinamismo da interação solo-água-clima-planta e as variabilidades espacial e temporal do solo os afetam.

Mesmo assim, os conceitos de CC e PMP são amplamente utilizados como referência para o cálculo da disponibilidade de água, levando-se em consideração que as três fases do solo (sólido, líquido e gasoso) devem conviver dentro de limites aceitáveis. Por exemplo, o excesso de água nas regiões baixas, como as várzeas, ocasiona a ocupação de todo o espaço gasoso do solo, e a impossibilidade ou demora na remoção natural dessa água caracteriza um problema de drenagem. Por outro lado, a falta de água, no período seco, implica num aumento da fase gasosa, que vai ocupar uma grande parte do espaço poroso do solo e diminuir a disponibilidade de água para as plantas, o que indica necessidade de irrigação.

A determinação da CC e do PMP pode ser feita diretamente no campo ou em laboratórios, a partir de amostras do solo. Para se determinar a CC em campo, é necessário saturar-se uma porção do solo, represando-se a água em uma “bacia” formada por camalhões de terra de 0,15 a 0,20 m de altura, conforme apresentado na Figura 5A. Após a saturação, cobre-se a bacia com uma lona plástica (Figura 5B) e a cada 24 horas retira-se uma amostra de cada profundidade que se deseja determinar a CC e determina-se a sua umidade, geralmente, pelo método padrão de estufa. As coletas são repetidas diariamente, até que a umidade do solo se estabilize (Figura 6).

A cobertura da bacia é feita a fim de se evitar a evaporação do solo. Desse modo, a única perda de água, da porção do solo saturado, ocorrerá pela sua movimentação em sentido descendente, até que a força de retenção da interação água-solo se iguale à força gravitacional. Neste momento, se diz que o solo está com umidade equivalente à capacidade de campo. Na Figura 6 se pode observar a curva de umidade do solo, com indicação do valor de capacidade de campo atingida nos últimos três dias de teste, em que a umidade do solo se tornou estável. Segundo o gráfico, a umidade referente à capacidade de campo para o solo avaliado está em torno de 31,5%.

Para determinação da CC em laboratório, são utilizadas amostras do solo retiradas nas profundidades desejadas. As amostras são secas ao ar, destorroadas e colocadas em placas porosas de cerâmica (Figura 7A) onde são saturadas com água durante 24 horas. Posteriormente, são levadas à câmara de pressão de Richards ou câmara de extração de água do solo (Figura 7B), onde são submetidas à pressão equivalente à CC, ou seja, 0,33 atm para solos argilosos ou 0,1 atm para solos arenosos.

Este equipamento permite determinar, além da capacidade de campo, a curva de retenção de água no solo (Figura 8). Para isso, as amostras são submetidas, geralmente, às tensões de 0,1; 0,3; 1,0; 5,0 e 15,0 atm, em câmaras separadas, e levadas à estufa para determinação de sua umidade. Relaciona-se cada valor de tensão com sua respectiva umidade e desenha-se o gráfico da curva de retenção, que possui, na abscissa, a tensão de água no solo e, na ordenada, a umidade do solo (%) em peso.

Os valores de CC e PMP são expressos em porcentagem de água no solo (umidade do solo). A transformação de valores de umidade do solo de porcentual (%) para lâmina de água (mm) é feita multiplicando-se a porcentagem de umidade em peso pela densidade aparente (d_a) e pela profundidade efetiva das raízes. A d_a representa o peso do solo seco contido dentro de um volume unitário de solo (g cm^-3).

A Tabela 1 fornece as propriedades físicas usuais dos solos. Esses valores devem ser utilizados com muito critério e somente quando não existir outra fonte. Vale lembrar que o fato de utilizar tais informações, não exime o usuário da responsabilidade de tal utilização.

Tabela 1. Características físico-hídricas dos diferentes tipos de solos.

Para o cálculo da capacidade de armazenamento de água no solo (Capacidade Total de Água - CTA), pode-se aplicar a Equação 1. A profundidade efetiva das raízes é definida como a profundidade onde se concentram, aproximadamente, 80% das raízes absorventes, ou seja, não é a profundidade total atingida pelo sistema radicular. É importante observar que a profundidade do sistema radicular aumenta do início do ciclo da cultura até um valor máximo quando as plantas se encontram já desenvolvidas.

Para que a produtividade da cultura não seja afetada significativamente, somente parte do total de água disponível pode ser utilizada pela cultura, conforme a Equação 2

O fator de disponibilidade hídrica ou o fator de risco define a umidade mínima do solo ou umidade de segurança (US), que a cultura pode ser submetida sem afetar significativamente a sua produção. Muitos fatores influenciam os limites efetivos do fator ƒ e afetam o desenvolvimento e a produtividade da cultura. Recomendam-se valores menores para culturas sensíveis ao déficit hídrico ou que sejam comercializadas em peso verde, como as hortaliças folhosas. Os valores de fator ƒ são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2. Valores do fator de disponibilidade hídrica ƒ.

Uma vez conhecida a capacidade real de água no solo, pode-se determinar a Irrigação Real Necessária (IRN) ou lâmina líquida, em milímetros, utilizando-se a Equação 3.

Em muitos casos não se considera a precipitação efetiva, igualando seu valor a zero. Nesse caso, se considera que toda água será fornecida via irrigação. Isso torna o projeto mais caro, assim, é importante avaliar a realidade local e definir se é viável a irrigação na região.

Em função de haver perdas durante a aplicação de água, principalmente nos sistemas de aspersão, adiciona-se um adicional na lâmina de irrigação. Assim, calcula-se a Irrigação Total Necessária (ITN) com a Equação 4.

1.1.3 Determinação da umidade do solo

1.1.3.1 Métodos eletrométricos

A umidade do solo pode ser determinada por diversos métodos. Atualmente, com a disponibilização de diversos tipos de sensores, a umidade do solo pode ser facilmente acompanhada, até mesmo em tempo real, com a programação das leituras em intervalos de tempo feita pelo usuário.

Alguns exemplos de sensores de umidade são apresentados na Figura 9.

1.1.3.2 Método padrão de estufa

É um método gravimétrico, direto, bastante preciso, considerado padrão para determinação da umidade do solo. Consiste em retirar amostras do solo da área de interesse, nas profundidades que se deseja saber a umidade, colocá-las em recipientes fechados e previamente pesados em balança de precisão. Os recipientes com as amostras são também pesados e colocados abertos numa estufa a 105–110°C por 24 horas. Após este período, retira-se a amostra da estufa, pesando-a novamente. Tendo o peso do recipiente, do solo úmido e solo seco, pode-se calcular a porcentagem de umidade do solo em peso e em base seca.

Assim, para o cálculo da umidade do solo, em peso, pode-se utilizar as Equações 5 ou 6.

O método padrão de estufa proporciona a determinação direta da umidade em peso. Para converter para porcentagem de umidade em volume, é necessário multiplicar pela densidade aparente do solo, utilizando-se a Equação 7. A determinação da densidade do solo é abordada no item 1.1.4.

Considerações a respeito do método padrão de estufa

• A principal vantagem deste método é a precisão alcançada.
• Este método é tido como referência, serve para calibrar os métodos indiretos ou avaliar a precisão de qualquer outro direto.
• O resultado só é obtido após 24 horas, o que dificulta decisões de manejo de irrigação em tempo real.

1.1.3.3 Método do microondas

Uma maneira prática de se determinar a umidade do solo, na ausência de métodos mais precisos, é utilizando-se um forno micro-ondas e uma balança de precisão. O procedimento é bastante similar ao método padrão de estufa, no entanto, como o micro-ondas é comumente encontrado em residências, este substitui a estufa.

Para pesagem das amostras, recomenda-se uma balança digital portátil, com precisão de 0,1 g, que pode ser encontrada facilmente em lojas virtuais.

O procedimento consiste em se fazer a pesagem da amostra úmida, acondicionada em recipiente apropriado (não pode ser de metal), anotando-se a massa M₁ (água + solo + recipiente), levando-se a amostra para o micro-ondas durante aproximadamente três minutos. Retira-se a amostra do aparelho e deixa fora por 10 minutos, para evaporação da água. Retorna-se a amostra ao aparelho por mais dois a três minutos e retira-se novamente, deixando mais 10 minutos de descanso.

A amostra é pesada novamente, obtendo-se a massa M₂ (solo + recipiente). Descarta-se o solo e pesa o recipiente, obtendo-se a massa M₃. O cálculo da umidade é feito utilizando-se a mesma equação utilizada para o método padrão de estufa (Equação 5).

Este método apresenta como benefícios o custo reduzido e a rapidez na obtenção do resultado. Como ponto negativo, pode-se afirmar que a precisão é inferior à do método padrão de estufa.

1.1.4 Denterminação da densidade do solo

A densidade aparente do solo é a relação entre a massa (g) de uma amostra de solo seco e o seu volume (cm³). Para o cálculo da densidade aparente do solo, aplica-se a Equação 8.

A massa de solo seco é obtida por pesagem da amostra após secagem em estufa, a 105°C, por 24 horas. O volume de solo é igual ao volume interno do anel usado para a retirada da amostra. O cálculo do volume do anel é feito pelas Equações 9 ou 10.

Na Figura 11 é apresentado uma representação de um anel para retirada de amostra indeformada.

Para determinação da densidade do solo, é necessário que a amostra de solo seja retirada preservando-se sua estrutura, ou seja, indeformada. Para isso, pode-se usar o trado de anéis, também conhecido como tipo Uhland (Figura 12).

Na indisponibilidade de um trado Uhland, pode-se utilizar segmentos de tubos de PVC (Figura 13) para a retirada de amostras indeformadas, sendo o diâmetro de 50 mm o mais utilizado. A amostragem é feita introduzindo-se um anel de PVC (segmento de tubo) no solo, batendo-se com marreta de borracha sobre uma placa de madeira (Figura 13A) até que esta atinja o nível do solo (Figura 13B). Escava-se os arredores do anel e, com auxílio de uma espátula (Figura 13C), retira-se a amostra (Figura 13D).

Este método possui as vantagens de ser mais acessível, devido ao seu baixo custo. É importante salientar que, quando se introduz o anel, ocorre compactação do solo em seu interior (Figura 13B), no entanto, se o solo do exterior estiver nivelado com as bordas do anel, isso não será problema, visto que, o que interessa, é o volume de solo medido no interior do anel.

1.1.5 Infiltração da água no solo

O processo de infiltração de água no solo (I) é o processo pelo qual a água penetra no perfil do solo. É geralmente expresso em Litros ou centímetros. Na irrigação um termo que temos que levar em consideração é a velocidade de infiltração de água no solo (VI), expressa em cm/h; mm/h. Esse parâmetro que vai nos indicar qual o comportamento de uma lâmina de água sobre o solo em relação ao seu tempo para infiltrar no mesmo.

Em irrigação mais importante do que VI é a VIB (Velocidade de Infiltração Básica), é ela quem vai nos dizer se o solo suporta a intensidade de aplicação imposta pelo sistema de irrigação. Ela é mais importante e deve ser levada em conta na escolha do emissor, principalmente nas irrigações por aspersão.

Para os métodos de irrigação localizada, ou seja, microaspersão e gotejamento, a determinação da VIB não constitui um aspecto tão importante e referencial como é para a aspersão. Isto porque, em irrigação localizada a intensidade de aplicação da lâmina de irrigação é bastante reduzida, dificilmente se aproximando da VIB do solo.

Existem vários métodos de determinação da VI de um solo. O tipo mais comumente usado é o infiltrômetro de anéis, que pode ser observado na Figura 14A.

O infiltrômetro de anéis é um equipamento composto por dois anéis (50 e 25 cm de diâmetro e 30 cm de altura) confeccionados em chapa metálica, que são instalados de forma concêntrica (vista superior) e enterrados 15 cm no solo (Figura 14). As medidas de infiltração são feitas no anel interno, pois o anel externo tem a finalidade de bordadura, impedindo que a infiltração se processe no sentido lateral do solo.

Depois de instalados os anéis colocam-se uma régua graduada na parede do anel interno e acrescenta-se água até uma altura de 5 cm, como apresentado na Figura 14A e 14B. Iniciando-se a infiltração devemos ir repondo a água permitindo uma variação máxima de 2 cm na régua e marcando o abaixamento do nível da água e o tempo decorrido. O teste é finalizando quando a lâmina de água adicionada em função do tempo estabilizar-se. Nesse ponto se diz que o solo atingiu a velocidade de infiltração básica (VIB).

Na falta do infiltrômetro de anéis, é possível determinar a VI pelo método do poço seco ou bacia de infiltração (Figura 14B), que consiste em se cavar um “buraco” no solo, inserir uma régua em seu interior, para medição da lâmina infiltrada, e seguir o mesmo procedimento adotado para o infiltrômetro de anéis. É de se esperar que os valores de velocidade de infiltração (mm h^-1) encontrados sejam superestimados, visto que a infiltração ocorrerá não somente no sentido vertical (como ocorre no infiltrômetro de anéis), mas também horizontalmente e em múltiplas direções.

1.2 Evapotranspiração e dimensionamento agronômico da irrigação

O dimensionamento agronômico da irrigação possui o objetivo de calcular a quantidade de água necessária para atender às necessidades hídricas da cultura durante seu ciclo. Para isso é necessário conhecer a época de plantio, a evapotranspiração de referência (ET₀), a duração (em dias) e os coeficientes das diferentes fases da cultura (k_c).

A demanda hídrica do feijoeiro pode ser determinada utilizando a metodologia proposta por Doorenbos; Pruitt (1977) e Allen et al. (1998), segundo a Equação 11.

O método de estimativa de ET₀ padrão é o de Penman-Montheith FAO (ALLEN et al., 1998) que utiliza uma maior quantidade de dados meteorológicos, que são as variáveis climáticas envolvidas no processo da evapotranspiração (temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e radiação solar). Existem outras equações de estimativa que requerem uma menor quantidade de dados e possuem uma precisão adequada, com destaque para a equação de Hargreaves (HARGREAVES; ALLEN, 2003).

Os valores de ET₀ podem ser obtidos em servidores de institutos como o INMET (https://sisdagro.inmet.gov.br/) e, para localidades do estado do Espírito Santo, no sistema Satdes do Incaper, por meio do link https://satdes.incaper.es.gov.br/.

Os valores de coeficiente de cultura, bem como a duração dos estádios estão nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

Tabela 3. Duração dos estádios de desenvolvimento para diversas culturas.

Tabela 4. Duração dos estádios de desenvolvimento para diversas culturas.

1.3 Turno de rega e período de irrigação

Os conceitos de turno de rega e período de irrigação são de grande importância para o dimensionamento de um sistema de irrigação.

O turno de rega (TR) é o intervalo de tempo, quase sempre em dias, entre duas irrigações. Pode-se calculá-lo relacionando a lâmina líquida de irrigação (irrigação real necessária) com a evapotranspiração diária, como apresentado na Equação 12.

O turno de rega deve ser ajustado para um valor de dia inteiro, para fins de facilitar o manejo operacional da irrigação. Geralmente, se arredonda o valor calculado para baixo, visto que, se o valor for arredondado para cima, isso implicará no decréscimo do valor de umidade do solo para valores abaixo da umidade de segurança.

É importante analisar essa situação com bom senso, afinal, valores muito próximos à unidade inteira superior, podem ser arredondados para cima, pois o pequeno decréscimo da umidade do solo abaixo da umidade de segurança não implicaria em aumento significativo nas perdas de rendimento das culturas. Por exemplo, se o valor calculado de turno de rega for igual a 4,9 (quatro vírgula nove), pode-se arredondar para cinco.

O período de irrigação (PI) (Equação 13) é o tempo efetivo em que haverá operação do equipamento. Por segurança, costuma-se adotar um valor menor do que o turno de rega, prevendo uma folga para o sistema, que eventualmente pode ser usado para manutenções preventivas ou reparos.