SciELO - Brazil - Detecção do mofo-branco no feijoeiro, utilizando características espectrais Detecção do mofo-branco no feijoeiro, utilizando características espectrais
Fitossanidade • Rev. Ceres 61 (6) • Dez 2014 • https://doi.org/10.1590/0034-737X201461060004 copiar
Detecção do mofo-branco no feijoeiro, utilizando características espectrais
Detection of white mold in dry beans using spectral characteristics
Lorena Temponi Boechat
Daniel Marçal Queiroz
Neste trabalho, objetivou-se estudar a resposta espectral de plantas de feijoeiro à infecção por Sclerotinia sclerotiorum, fungo causador do mofo-branco. Foram conduzidos dois ensaios, no delineamento em blocos ao acaso, com cinco tratamentos e quatro repetições, no primeiro ensaio, e seis tratamentos e quatro repetições, no segundo. Medidas de reflectância espectral do dossel do feijoeiro, entre os comprimentos de ondas de 400 a 850 nm, foram tomadas aos 60, 71, 91 e 102 dias após a emergência (DAE), no primeiro ensaio, e aos 13, 27, 34, 56, 71 e 91 DAE, no segundo. Os dados espectrais foram transformados em índices de vegetação: da diferença normalizada (NDVI), da diferença de verde normalizado (GNDVI) e ajustado para o solo (SAVI). A severidade do mofo-branco foi avaliada, visualmente, aos 102 DAE, no primeiro ensaio, e aos 92 DAE, no segundo. Houve correlação significativa apenas no segundo ensaio, entre a severidade da doença e o NDVI, aos 71 DAE. A resposta espectral do feijoeiro pode ser utilizada para a detecção da ocorrência do mofo-branco e, consequentemente, como ferramenta no manejo integrado.
feijão (Phaseolus vulgaris L.); agricultura de precisão; índice de vegetação; sensoriamento remoto
The objective of this work was to study the spectral response of bean plants infected by Sclerotinia sclerotiorum, the causal agent of white mold. Two experiments were conducted using a randomized block design with five treatments and four replications in the first trial and six treatments and four replications in the second. Measurements of canopy spectral reflectance of wavelengths between 400 and 850 nm were taken at 60, 71, 91 and 102 days after emergence (DAE) in the first trial and at 13, 27, 34, 56, 71 and 91 DAE in the second. Spectral data were transformed into vegetation indices: the normalized difference (NDVI), the green normalized difference (GNDVI) and the soil adjusted (SAVI). The white mold severity was visually assessed at 102 DAE in the first trial and at 92 DAE in the second. A significant correlation between disease severity and NDVI was found only at 71 DAE in the second trial. The bean crop spectral response can be used to detect white mold occurrence and, consequently, as an integrated management tool.
dry bean (Phaseolus vulgaris L.); precision agriculture; remote sensing; vegetation index
Lorena Temponi BoechatI; Francisco de Assis de Carvalho PintoII; Trazilbo José de Paula JúniorIII; Daniel Marçal QueirozIV; Hudson TeixeiraV
IGraduada em Ciência da Computação, Doutora. Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, 36570-000, Viçosa, Minas Gerais, Brasil. lorena.boechat@ufv.br (autora para correspondência)
IIEngenheiro Agrícola, Doutor. Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, 36570-000, Viçosa, Minas Gerais, Brasil. facpinto@ufv.br
IIIEngenheiro Agrícola, Doutor. Departamento de Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Viçosa, Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, 36570-000, Viçosa, Minas Gerais, Brasil. queiroz@ufv.br
IVEngenheiro-Agrônomo, Doutor. Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais, Vila Giannetti 46, 36570-000, Viçosa, Minas Gerais, Brasil. trazilbo@epamig.br
VEngenheiro-Agrônomo, Doutor. Empresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais, Caixa Postal 176, Campus da UFLA, 37200-000, Lavras, Minas Gerais, Brasil. hudsont@epamig.br
Palavras-chave: feijão (Phaseolus vulgaris L.), agricultura de precisão, índice de vegetação, sensoriamento remoto.
Key words: dry bean (Phaseolus vulgaris L.), precision agriculture, remote sensing,vegetation index.
O feijoeiro é atacado por doenças causadas por fungos, bactérias, vírus e nematoides que, se não forem controladas a tempo, podem provocar grandes perdas na produção. Por essa razão, a procura por soluções tecnológicas para detecção de doenças e pragas, no estádio inicial de desenvolvimento da planta, pode auxiliar o produtor agrícola a alcançar a sustentabilidade econômica e ambiental na produção do feijão, realizando o controle, no momento adequado e no local necessário.
A ocorrência de doenças é uma das principais causas de redução da produtividade do feijoeiro, pois, dependendo das condições ambientais, podem causar perda total da produção, depreciar a qualidade do produto ou até inviabilizar determinadas áreas para o cultivo. As principais doenças que ocorrem na cultura do feijão, no Estado de Minas Gerais, são mofo-branco, antracnose, mancha-angular, ferrugem, murcha-de-fusarium e podridõesradiculares (Paula Júnior et al., 2006). A quantificação de danos é um ponto-chave na definição de qualquer estratégia de controle de doenças.
O mofo-branco, causado pelo fungo Sclerotinia sclerotiorum, é a doença do feijoeiro mais destrutiva, nas áreas irrigadas do Brasil, notadamente nos plantios realizados nas safras de outono-inverno, em que as perdas têm sido elevadas nos últimos anos (Paula Júnior et al., 2006). A crescente demanda por alimentos tem exigido maior eficiência das técnicas que aumentam a produtividade e é, cada vez mais, necessário desenvolver tecnologias que permitam produzir mais e com maior qualidade. No entanto, a produtividade e a qualidade do produto podem ficar comprometidas, aumentando também os custos de produção. Por isso, estudos que viabilizam o monitoramento e as estimativas de parâmetros biofísicos do feijoeiro são fundamentais para estimar o rendimento da cultura e auxiliar no manejo de doenças.
O uso conjunto de técnicas de sensoriamento remoto e de manejo localizado, com aplicação de defensivos em taxa variável, são exemplos de tecnologias que podem auxiliar a obtenção de alimentos de forma sustentável econômica e ambiental, com foco na maior eficiência de uso dos insumos agrícolas. O uso racional dessas tecnologias, utilizadas como ferramentas de acompanhamento, controle e análise, permite verificar as variações espaciais e temporais dos fatores limitantes à produção e orientar o processo de tomada de decisão, na aplicação localizada de insumos e no manejo diferenciado (Vargas, 2011).
Geralmente, as plantas afetadas por doenças apresentam crescimento reduzido e sintomas de amarelecimento, que proporcionam contraste na resposta espectral, em relação às plantas saudáveis (Brenchley, 1968). Dalla Pria & Silva (2010) relatam que é possível aplicar técnicas de sensoriamento remoto na avaliação de doenças, utili-zando-se a reflectância da radiação solar em certos comprimentos de onda, estimada por sensores especiais. Dessa maneira, a intensidade das doenças pode ser avaliada sem que haja contato físico com as plantas, por meio da aplicação de ferramentas de sensoriamento remoto, as quais se baseiam na medição da energia refletida ou emitida por um objeto, sem contato físico com ele. As medidas de reflectância espectral constituem o principal exemplo da aplicação dessas técnicas na fitopatologia, uma vez que existem diferenças entre as respostas espectrais de uma folha sadia e de uma folha doente (Silva et al., 2000; Gröll et al., 2008).
Diferenças na reflectância podem ser utilizadas para detectar alterações fisiológicas nas folhas, como perda de umidade e degradação da clorofila. Os dados obtidos com o espectrorradiômetro fornecem valores numéricos que são separados em faixas de comprimentos de onda, para o cálculo de índices de vegetação que estejam correlacionados à variável em estudo. Existem vários índices de vegetação que visam a explorar as atividades espectrais da vegetação nas regiões do visível e do infravermelho próximo (Ponzoni & Shimabukuro, 2007). Hikishima et al. (2010) verificaram que a ferrugem asiática da soja reduziu a reflectância característica da área foliar sadia, sendo que as parcelas infectadas apresentaram menores valores do Índice de Diferença Normalizada da Vegetação (NDVI). Por sua vez, Silva et al. (2009) verificaram que as medidas de reflectância em 810 nm apresentaram correlação com a produtividade da soja e a severidade da ferrugem asiática. Segundo esses auto-res, essa estratégia apresentou potencial para ser utilizada também na detecção de efeitos fitotóxicos ou tônicos de fungicidas.
Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi estudar a resposta espectral de plantas de feijoeiro, infectadas por S. sclerotiorum, utilizando técnicas de sensoriamento remoto, com vistas à detecção da ocorrência do mofo-branco.
Os estudos foram conduzidos na área experimental do Departamento de Fitotecnia, da Universidade Federal de Viçosa (UFV), localizada em Viçosa, MG (20º 45'14" S, 42º 52'53" W, em altitude média 649 m). O primeiro ensaio foi instalado no outono-inverno de 2009, com semeadura em 25 de maio, emergência em 31 de maio e colheita em 21 de setembro. O segundo ensaio foi instalado na safra de outono-inverno de 2010, com semeadura em 20 de maio, emergência em 26 de maio e colheita em 10 de setembro. As áreas desses experimentos têm sido cultivadas com feijão no outonoinverno, há vários anos, com histórico de ocorrência de S. sclerotiorum.
As parcelas experimentais do primeiro ensaio foram constituídas de quatro fileiras de 3,5 m, espaçadas de 0,45 m, totalizando 6,3 m2 de área, com densidade de 10 plantas por metro. Foi utilizado o delineamento em blocos casualizados, com cinco tratamentos e quatro repetições (Tabela 1). Os tratamentos consistiram em diferentes níveis de severidade da doença, obtidos por aplicações de diferentes fungicidas. Um dos níveis foi obtido simplesmente pela não realização do controle químico (T0). Os outros níveis foram obtidos com a aplicação dos fungicidas em 29/07, 07/08 e 17/08/2009.
As parcelas experimentais do segundo ensaio foram constituídas de quatro fileiras de 3,5 m, espaçadas de 0,45 m, totalizando 6,3 m2 de área, com densidade de 10 plantas por metro. Foi utilizado o delineamento em blocos casualizados, com seis tratamentos e quatro repetições (Tabela 1). Os diferentes níveis de severidade de mofo-branco foram obtidos como no primeiro ensaio. As aplicações dos fungicidas foram feitas em 16/07 e 23/ 07/2010.
As medidas dos fatores de reflectância espectral do dossel do feijoeiro foram feitas, utilizando-se um sistema "dual-fiber" (composto por duas fibras), com dois espectrorradiômetros intercalibrados (Modelo SD2000, Ocean Optics). Foram obtidos dados nos comprimentos de onda compreendidos entre 400 e 850 nm, com resolução espectral de 0,34 nm. O primeiro espectrorradiômetro, equipado com uma fibra óptica com campo de visão de 25º, foi apontado ao nadir para medir a radiância do dossel do feijoeiro. O segundo espectrorradiômetro, equipado com uma fibra óptica e um receptor com correção de cosseno (sensor que não mostra dependência no ângulo zênite ou azimute da radiação incidente), foi apontado verticalmente para cima para, simultaneamente ao primeiro sensor, medir a irradiância do sol. Os espectrorradiômetros foram instalados em uma estrutura, de forma que as medições foram feitas a 3 m de altura, compreendendo uma área de amostragem circular com um diâmetro de aproximadamente 1,35 m. A altura dos espectrorradiômetros sobre o feijoeiro foi mantida constante, durante todas as épocas de desenvolvimento. Todas as leituras foram feitas no mesmo período do dia, entre 10 e 14 horas, minimizando-se a influência das mudanças na geometria de iluminação. As medidas de reflectância espectral do dossel do feijoeiro foram tomadas, no primeiro ensaio aos 60, 71, 91 e 102 DAE (Dias Após a Emergência) (Figura 1) e, no segundo ensaio, aos 13, 27, 34, 56, 71 e 91 DAE (Figura 2). Para cada avaliação, foram realizadas três medições dos fatores de reflectância espectral, por parcela experimental, sobre a linha central da cultura, sendo que cada medição era representada pela média de dez leituras do equipamento. Com a finalidade de suavizar as curvas espectrais e, também por causa dos ruídos nas leituras do espectrorradiômetro, foram determinadas médias móveis a cada 50 valores de reflectância das medições espectrais.
As medições de radiância do dossel do feijoeiro e irradiância do sol foram intercaladas com as medidas de radiância de um painel padrão de reflectância branco (Modelo Spectralon, Labsphere), cujo espectro de reflectância era conhecido, simultaneamente com a irradiância do sol. Essa calibração foi realizada antes do início das medições e a cada 20 minutos, utilizando-se um tripé de altura próxima a três metros. Foi utilizado o programa de aquisição de dados espectrais OOIBase32, versão 2.0.5.5 (Ocean Optics), instalado em um computador que era levado para o experimento. O tempo de integração dos espectrorradiômetros foi modificado de acordo com as condições de iluminação, de forma que ambos os canais sempre estivessem distribuindo quantia suficiente de luz, para preencher a matriz do CCD, entre 75 e 95%. Conforme metodologia proposta por Gitelson et al. (2003), a partir dos dados obtidos, foi calculado o fator de refletância do dossel, para cada comprimento de onda (λ), utilizando-se a seguinte equação:
ρλ - fator de refletância do dossel no comprimento de onda λ, em %;
- fator de reflectância do painel, adimensional;
- radiância do feijoeiro, em W m-2sr-1;
- radiância do painel, em W m-2sr-1;
- irradiância no feijoeiro, em W m-2; e
- radiância no painel, em W m-2.
Com os valores médios das três medições dos fatores de reflectâncias para cada parcela, foram calculados os índices de vegetação (Tabela 2).
O índice de área foliar (IAF) foi determinado simultaneamente com a aquisição de medidas dos fatores de reflectância espectral, aos 91 e 102 DAE, no primeiro ensaio (Figura 3), e aos 49, 58, 71, 79, 84 e 91 DAE, no segundo ensaio (Figura 4), com medições realizadas no mesmo período do dia, entre 10 e 14 horas, utilizandose um ceptômetro Modelo AccuPAR - LP-80, Decagon. Em cada parcela, foram realizadas, ao acaso, seis repetições de medições de PAR, dentro e logo acima do dossel do feijoeiro, nos Experimentos, sendo duas medições dentro de cada círculo de medição espectral (Figura 5). As medições realizadas abaixo do dossel foram feitas diagonalmente entre as linhas do feijão, com objetivo de aumentar a cobertura da área (Figura 6).
Aos 102 DAE e aos 92 DAE, para o primeiro e segundo ensaios, respectivamente, a severidade do mofo-branco foi avaliada, utilizando-se a escala de notas de 0 a 4, proposta por Hall & Phillips (1996), em que 0 = ausência de sintomas; 1 = 1 a 25 % da planta, com sintomas de mofo-branco; 2 = 26 a 50 % de plantas com sintomas; 3 = 51 a 75 % da planta com sintomas; e 4 = 76 a 100 % da planta com sintomas. A Equação 2 mostra o cálculo do índice de severidade do mofo-branco da parcela.
Os valores de ISD foram submetidos à ANOVA e, as médias, comparadas pelo teste de Tukey a 5 % de probabilidade, utilizando-se o programa estatístico R.
Gráficos com valores da reposta espectral média do dossel, para cada tratamento e em cada data de coleta de dados, foram gerados, com a finalidade de estudar o comportamento espectral no progresso da doença. Os valores foram compreendidos entre 400 nm e 850 nm, abrangendo a região do visível e do infravermelho próximo. Gráficos de dispersão entre os índices de vegetação estudados e o IAF também foram gerados. Foi realizada uma análise de correlação de Spearman, entre os índices de vegetação ou valores de SPAD e a severidade da doença (Tabela 4).
Diferentes níveis de severidade de mofo-branco foram obtidos, com a aplicação ou não de fungicidas (Tabela 3). A intensidade da doença, em ambos os ensaios, foi relativamente baixa, provavelmente em razão do revolvimento do solo, feito antes do plantio, o que pode ter ocasionado a diminuição do inóculo. O mofo-branco desenvolve-se bem às temperaturas de 11 a 25 ºC, e culturas em solo compactado, com excesso de umidade (Prado & Araújo, 2011). De acordo com dados da Estação Meteorológica da UFV, em 2009 a temperatura média registrada durante o experimento foi de 17,9 ºC, a máxima de 18,6 ºC e a mínima de 17,3ºC. Dessa forma, outro fator que pode ter contribuído para a baixa severidade da doença foi o inverno relativamente ameno, nos dois anos.
Em todos os gráficos de reflectância vs. comprimento de onda (Figuras 1 e 2) foi possível observar uma resposta espectral típica de vegetação, ou seja, na faixa do visível, apresentando picos no comprimento de onda próximo de 550 nm (verde) e maiores valores de reflectância acima dos 700 nm (faixa do infravermelho próximo). Em plantas saudáveis, na região do visível, as quantidades de azul e vermelho do espectro são mais absorvidas pelos pigmentos clorofilados, enquanto a quantidade de verde é mais refletida.
A diferença nos tratamentos foi mais visível na região do IVP. Esta diferença entre os tratamentos na resposta espectral na região do IVP ficou menos visível com o desenvolvimento da planta. Os espectros apresentaram curvas características, de acordo com a fase de desenvolvimento da cultura do feijoeiro, tendo influência do solo de fundo, nas fases iniciais e finais da cultura, quando se observa uma menor absorção da radiação vermelha, por causa de menor concentração da clorofila.
No primeiro ensaio, dos 71 aos 102 DAE, as respostas espectrais demonstraram uma tendência de menor reflectância para o tratamento T0, principalmente na região do infravermelho próximo. No segundo ensaio, do início ao final do experimento, as respostas espectrais apresentaram comportamentos semelhantes: dos 13 aos 71 DAE observou-se, na região do IVP, uma tendência de menor reflectância, em T0, e maior reflectância, em T5. Apenas aos 91 DAE, já no final do ciclo, foi possível perceber, pela curva espectral, que houve influência do solo e da senescência da planta, sendo visível o aumento na reflectância do vermelho e a redução na reflectância do infravermelho próximo, alterando a resposta espectral do dossel.
Segundo Luiz et al. (2001), à medida que as plantas desenvolvem-se, há aumento de biomassa e, consequentemente, menor contribuição da porção do solo na reflectância. Na região do infravermelho próximo de folhas infectadas por fungos, a reflectância é menor do que em folhas sadias (Moraes, 1996), o que pode ser explicado pela destruição dos tecidos das plantas, promovida pela invasão do patógeno. Neste trabalho, também foi observada a redução da reflectância na região do infravermelho próximo. Nesta faixa, a resposta espectral é influenciada especialmente pela constituição física interna das folhas e do dossel. Assim, a infecção dos tecidos das plantas por S. sclerotiorum pode ter influenciado a resposta espectral das plantas. Naue et al. (2010) relata, em sua revisão de estudos de doenças, que plantas infectadas por patógenos, porém assintomáticas ao olho humano, podem ser diagnosticadas por meio de sensores que mostram mudanças no comportamento espectral da planta.
No segundo ensaio, houve correlações significativa (P < 0,1) e negativa entre os dados obtidos pelo espectrorradiômetro, aos 71 DAE, com o NDVI (Tabela 4). Esse é o estádio compreendido entre o enchimento de grãos e a maturação, quando a ocorrência da doença passou a ser detectada pelos índices, sendo observadas correlações significativas entre os índices de vegetação e a severidade de mofo-branco.
Marchiorato et al. (2002) relataram resultados semelhantes com a cultura do algodão, em que foi detectada correlação inversa entre população de nematoides e massa de matéria fresca e o NDVI. Asrar et al. (1984) verificaram que mudanças no valor do NDVI estavam, sobretudo, relacionadas com o IAF de plantas de trigo. A deterioração da superfície foliar, causada pela ocorrência de mofo-branco (Figuras 3 e 4), mostra que a relação entre NDVI, GNDVI e SAVI com o IAF é apresentada para cada medição. Em seu trabalho com índices de vegetação para a cultura da soja, Almeida et al. (2005) analisam os dados apresentados e mostram que os índices de vegetação testados apresentaram alta e significativa correlação com o índice de área foliar (IAF). Relatam, também, que um dos índices de vegetação com maiores coeficientes de correlação foi o NDVI, podendo ser utilizado como estimador remoto do IAF da cultura da soja e, portanto, pode ser extremamente útil em programas de monitoramento e previsão de safras.
A resposta espectral do feijoeiro pode ser utilizada para a detecção prévia da ocorrência do mofo-branco e, consequentemente, como ferramenta no manejo integra-do da doença.
Os autores agradecem à FAPEMIG, à Capes e ao CNPq pelo auxílio à pesquisa e pelas bolsas concedidas.
Recebido para publicação em 15/10/2012 e aprovado em 23/04/2014.
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