Controle dos fatores ambientais em ambiente protegido

Profa. Simone da Costa Mello

Departamento de Produção Vegetal, ESALQ/USP

scmello@usp.br

19-3429-4190 r. 204

Microclima na casa de vegetação

Luminosidade

Temperatura

Umidade relativa do ar

Vento

Gases (CO2)

Porque controlar o microclima na casa de vegetação?

Qg

Reflexão

Absorção

Transmissão

Absorção

Radiação fotossinteticamente ativa (RFA)

• Processo quântico = quantidade de fótons absorvidos

• Em torno de 50% de Qg

RFA = 50% Qg

Curso diário da radiação fotossinteticamente

ativa (RFA) medido em cada condição nas casas

de vegetação em comparação com o pleno sol.

A: estação chuvosa (11/12/96); B: estação seca

(19/06/97). Pleno sol ( ); 50% sombra ( ); 70%

sombra ( ) e 90% sombra ( ).

Radiação solar global

Unidades:

J m-2 s-1

MJ m-2 dia-1

W m-2

Radiação fotossinteticamente ativa

Unidades:

W m-2

µmol m-2 s-1

Unidades de energia

• 1 cal = 4,18 J

• 1 mol de fótons = 6,02 x 1023 fótons

• 1 fóton = 3,581 x 10-19 J

• 1 mol = 21,56 104 J

• 1 J s-1 = 1 W

• 1 J m-2 s-1 = W m-2

• 1 W m-2 de RFA = 247 lux (unidade de fluxo luminoso)

• 1 cal cm-2 min-1 = 696,7 w m-2

Valores médios de Qg (MJ m-2 d-1)

Local J F M A M J J A S O N D

Pará 12,5 13,3 13,6 12,1 12,9 15,2 14,7 15,5 16,7 18,3 16,3 14,4

MG 17,6 17,5 16,8 14,7 13,1 12,3 12,7 15,1 16,1 15,7 16,1 16,9

SP 20,7 21,8 19,3 17,3 14,7 13,2 14,4 16,8 17,6 19,7 21,9 21,1

RS 21,3 19,5 15,7 12,5 9,7 8,3 9,0 11,1 13,0 16,4 20,2 22,1

Pereira et al. (2002)

Lei de Stefan-Boltzmann

E = ɛ x σT4

E = energia emitida (W m2-)

ɛ = poder emissivo do corpo

σ = constant de Stefan-Boltzmann = 5,67 108- W m2- k4-

T = Temperatura (K)

Balanço de ondas longas (BOL)

Emissão de energia radiante pelos corpos

Qa = fluxo de energia radiante emitida pela atmosfera em direção à superfície.

Qs = fluxo de energia radiante emitida pela superfície em direção à atmosfera, que depende da sua temperatura e da sua emissividade.

BOL = Qa - Qs

BALANÇO DE RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL

Rn = BOC + BOL

Rn = Saldo de radiação

BOC= Balanço de ondas curtas

BOL= Balanço de ondas longas

Balanço da radiação em ambiente protegido

Qg

tQg

a Qg

t( r2 (t Qg))

a (r2 (t Qg))

r1 (r2 (t Qg))

r2 (t Qg)

r1 Qg

BOC = tQg – r2tQg + r1(r2tQg) –r2(r1r2tQg)

BOC = tQg(1 – r2 + r1r2 – r2r1r2)

r1 = coeficiente de reflexão da cobertura

r2 = coeficiente de reflexão das plantas

tQg = entrada de ondas curtas

r2tQg = saída de ondas curtas da vegetação

r1(r2tQg) = entrada secundária de ondas curtas para as plantas

r2(r1r2tQg) saída de ondas curtas da vegetação

Balanço de ondas curtas (BOC)

Coeficiente de reflexão das superficies

Superficies Coeficiente de reflexão (%)

Areia úmida 20 a 30

Solo claro seco 25 a 45

Solo cinza 10 a 20

Gramado 20 a 30

Alface 22

Tomate 23

Material Transmissão da radiação solar

Reflexão/

absorção (%)

Transmissão direta (%)

Transmissão total (%)

Transmissão térmica (%)

Polietileno comum

11/(3 a 5) 76 89 71

Polietileno aditivado

12/(3 a 5) 74 88 65

Vidro 10/(0,5) 86 90 5

PVC transparente

9/(1,5) 85 91 12

Transmissão da radiação solar

• BOLint = f BOLext

Balanço de ondas longas (BOL)

Qs

tQs

tQa

Qa

Saldo de radiação (Rn)

Rn = tQg (1 – r2) + f BOLext

Processos

• Físicos: aquecimento do ar e das plantas (H) e do solo (G) e evaporação (LE)

• Bio-Físico: transpiração (LE)

• Bio- Químico: Fotossintese (F)

Saldo de radiação (Rn)

Rn = H + G + LE + F

Aproveitamento energético da fotossíntese < 3%

Rn = H + G + LE

Trocas de calor

Condução: estrutura, planta, cobertura e solo

Convecção: solo e ar (evaporação/condensação); planta e ar (transpiração); ar e aberturas (ventilação); ventilação artificial

Radiação

Transmissão de calor por condução obedece a lei de Fourier

Q = ʎ.S.Δt/d

Q = perda de calor por condução em W

ʎ = Coeficiente de condutividade térmica W/m°C

S = Superfície em m2

Δt = diferença de temperatura entre as

extremidades do material °C

d = espessura do material em m

Transmissão de calor por convecção é expressa pela lei de Newton

Q =αc.S.Δt

Q = perda de calor por convecção em Kcal/h

αc = Coeficiente de transmissão de calor Kcal/m2 h °C

S = Superfície em m2

Δt = diferença de temperatura entre o fluido e o material °C

Transmissão de calor por radiação

Q =αi.S.Δt

Q = perda de calor por radiação em Kcal/h

αi = Coeficiente de transmissão de calor por radiação

Kcal/m2 h °C

S = Superfície em m2

Δt = diferença de temperatura entre o fluido e o material °C

Transmissão de calor

Ventilação natural

• Ocorre por diferença de pressão pelo vento

• Ocorre por diferença de temperatura entre o ambiente interno e externo

Índice de ventilação

• IV = Superfície das aberturas/superfície coberta de solo (m2) x 100

• IV entre 15 e 30%

Por diferença de temperatura

Depende:

• Depende da diferença de temperatura entre o ambiente interno e externo

• Diferença de altura entre as aberturas de entrada e saída

Laternin

Ventilação artificial

Uso de ventiladores/exaustores

Hvent= hv(Ti – Te)

• Hvent = perda de calor sensível através da ventilação (w m-2)

• hv = coeficiente de perda de calor pela ventilação (W m-2 K-1)

• Ti = temperatura interna da estufa (°C)

• Te = temperatura externa (°C)

Perda de calor pela ventilação

hv = ρar.Cp.Qt/As

• hv = coeficiente de perda de calor pela ventilação (W m-2 K-1)

• ρar – massa específica do ar (kg m-3) 1,293 kg/m³ (0°C e 1 atm)

• Cp – calor sensível do ar (J kg-1 K-1)

• Qt = vazão total de ar pela ventilação em m3 s-1

• As = área do ambiente protegido em m2.

Nebulização

• Gotículas de 5 a 10 µm

• Vazão – 7 L h-1 = 2,5 a 4,2 L m-2 dia-1 com 6 horas de funcionamento e 0,06 a 0,1 m-2

• Q = m L

• L = calor latente de evaporação (J/Kg) = 2,45 106J/Kg

• m = massa de água fornecida pelo sistema (kg m-2 s-1)

• Q = perda de calor (J m-2 s-1 ou W m-2)

-Uso de exaustores: não devem ser espaçados mais do que 9 m

- Exaustor – 8,5 a 9,5 m3 s-1

- O painel e o exaustor não de vem distanciar mais do que 45 m

- 30 cm de altura de painel evaporativo é necessário para cada 6 m de painel distanciado do exaustor

-Para cada litro de água são absorvidos 1879,89 J.

-Volume água 30 a 40 L m-2 de parede

-Vazão do ar = 5 m3s-1

Sistema Pad and Fan

Painel evaporativo

Painel evaporativo de celulose

Painel evaporativo de manta

Exaustor

Cálculo da vazão de ar desejada

Va = Vt.N

• Va = vazão de ar desejada (m3 h-1)

• Vt = volume total de ar desejado (m3)

• N = número de trocas de ar desejado por hora (30 a 60)

Perda de calor sensível

• Hvent = perda de calor sensível através

da ventilação (w m-2)

• hv = coeficiente de perda de calor pela

ventilação (W m-2 °C-1)

• Ti = temperatura interna da estufa (°C)

• Te = temperatura externa (°C)

Hvent= hv(Ti – Te)

Fotossíntese

8% perda por reflexão e transmissão

8% perda por dissipação de calor

19% perda para manter o metabolismo

Somente 40% da radiação é absorvida

Somente 5% é usado no crescimento

Perda de energia pela planta

Perda de calor por condução

Perda de calor radiação

Perda de calor por evaporação da água (convecção)

6CO2 + 6H2O →C6H12O6 + 6O2 + energia

Crescimento da planta

Temperatura

Condições climáticas

Umidade do ar

• Concentração (kg vapor de água/kg de ar seco)

• Pressão de vapor de água (ea)

• Umidade relativa do ar (UR)

• UR = 100(ea/es)

• Déficit de pressão de vapor

• DPV = es - ea

Diferença de pressão de vapor entre o interior das folhas e o ambiente na estufa

Diferença de pressão de vapor de água

Déficit de pressão de vapor

(DPV)

• DPV= es – ea

• es = pressão de saturação de vapor (KPa)

• ea= pressão parcial de vapor (KPa)

es=0,6108exp[17,269T/T + 273,3]

es = KPa

T = C

Umidade relativa do ar

Baixo DPVAlto DPV

Ar seco

Vapor de

água

Pressão de saturação de vapor em função da

temperatura

Velocidade do ar

r3

r2

r1

Estado hídrico da planta

Fotossíntese

Propriedades da luz: qualidade, intensidade e duração;

Temperatura;

Gás carbônico

Água no solo

Fatores externos que influenciam a fotossíntese

Propriedades da luz

Comprimentos de onda na região do azul (400 a 500 nm)

Comprimentos de onda na região do vermelho e vermelho distante (600 a 700 e 700 a 760 nm)

Pigmentos: clorofila, fitocromo e β caroteno

Radiação fotossinteticamente ativa - PAR

Medição da radiação fotossinteticamente ativa

Intensidade

Nível de radiação para saturar o sistema fotossintético de muitas plantas C3: 400 µmol m-2 s-1

Fotossíntese: processo quântico

1µmol m-2 s-1 = 6,02 1017 fotons m-2 s-1

1 w m-2 = 4,6 µmol m-2 s-1

1 Klux = 4 w m-2

Temperatura

O AUMENTO DA TEMPERATURA EM TODAS

AS PLANTAS PROVOCA REDUÇÃO DA

FLUIDEZ DA MEMBRANA, AFETANDO A

CONFORMAÇÃO DAS PROTEÍNAS DE

MEMBRANA, RESULTANDO NA REDUÇÃO

DE SUA ATIVIDADE.

Taxa fotossintética

Retorno de prótons do lúmen para o estroma

Gás carbônico

Nível crítico de CO2: 200 ppm

Gás carbônico

• 3 a 4 g m-2 h-1

• Atmosfera: 0,04%

• Concentração: não exceder 1000 ppm

• Água de irrigação: 5,5 g de CO2 por litro (período de 100 dias)

• 365 mmolCO2/mol (atmosfera)

• 700 a 800 mmol/mol

Interceptação da radiação pela cobertura

I = Io.e-k(IAF)

I = radiação incidente na superficie de uma folha dentro da cobertura (J m-2s-1)

Io = Radiação incidente no topo da cobertura (J m-2s-1)

K = coeficiente de extinção da luz

IAF = índice de area foliar acima da folha considerada

Pn = RFA (Ei.Eb) – R

Pn = Produtividade liquida da planta g m-2

RFA = radiacao fotossinteticamente ativa incidente (MJ m-2)Ei = eficiencia da interceptacao da luz pelo cultivoEb = eficiencia de conversao da luz interceptada em biomassa (g MJ-

1)R = perda de biomassa pela respiracao (g m-2)

Produtividade liquida da planta

Fisiologia do tomateiro

FISIOLOGIA DO DESENVOLVIMENTO

Fases do desenvolvimento Temperatura ótima (ºC)

Germinação da semente 26 a 32

Emergência 16 a 20

Crescimento das mudas 25 a 26

Desenvolvimento vegetativo 20 a 30

Formação do pólen 20 a 26

Crescimento do tubo polínico 22 a 27

Fixação do fruto 18 a 20

Amadurecimento do fruto 24 a 28

Goto & Tivelli (1998)

Efeitos da temperatura

• Temperaturas elevadas

Abortamento de flores

Redução na taxa fotossintética

Redução na fixação de frutos

Distúrbios fisiológicos (maturação irregular,

rachaduras, lóculo aberto, podridão apical)

Fisiologia do tomateiro

Salinidade

dS/m Produção (g/planta)

0,26 253,3a

2,4 224,8b

4,8 149,2b

9,7 94,4c

Yurtseven et al. (2005)

Salinidade

• Na+; K+, Ca++; Mg++

• Cl-; SO4--; NO3

-

Nutrição mineral do tomateiro

Nitrogênio

Falta de NCrescimento vegetativo lento

Frutos pequenos

Excesso de NAltura elevada do primeiro cacho floral

Aparecimento de distúrbios fisiológicos (desequilíbrio na relação N/K)

Fósforo

Crescimento reduzido

Coloração arroxeada das folhas

Potássio

Cálcio

- Ca

Magnésio

Boro

-B

Zinco

Molibdênio

Competição entre os íons

Velocidade de absorção

• NO3- > Cl- > SO4- > H2PO4-

• NH4+ > K+ > Na+ > Mg++ > Ca++

Inibição competitiva

Íon Segundo íon presente

Mg2+; Ca2+ K+

Mg2+ K+

K+ Ca2+

Zn2+ Mg2+

Zn2+ Ca2+

Fe2+ Mn2+

MoO4- SO4

2-

Inibição não competitiva

Íon Segundo íon presenteH2PO4

- Al3+

Zn2+ H2BO3-

Zn2+ H2PO4-

Sinergismo

Íon Segundo íon presente

K+ Ca2+

MoO42- H2PO4

-

Assimilação do N

• NO3- + NAD(P)H + H+ + 2é NO2

- + NAD(P)+ + H2O

• NO2- + 6 Fdred + 8H+ + 6é NH4

+ + 6 Fdox + H2O

NH4+ + OH- NH3 NH3 + H+ NH4+

H+OH- H+

H+

H+

H+H+

OH-

OH-OH-

OH-

OH-

Membrana

VacúoloCitoplasma

pH

alto

pH baixo

Excesso de NH4+

Nitrogênio

Extração de nutrientes pela planta de tomateiro

Nutriente Acúmulo

máximo

(mg/planta)

Acúmulo no

fruto

(mg/planta)

Taxa diária

máxima de

absorção

(mg/planta/dia

)

N 10.288 5656 198,52

P 1.622 869 32,11

K 17.994 10.001 310

Ca 10.124 494 151

Mg 1.463 307 23

S 2.437 494 58,99

Zn 25 5 0,39

Cu 171 4 4,44

Fe 98,36 22,59 0,78

Mn 108,66 3,74 1,78

Quantidade de nutrientes na parte aérea e nos frutos do tomateiro e taxa diária máxima de absorção de nutrientes, cultivar Santa Clara. (Fayad et al., 2002).

Estimativa da demanda semanal de N em função do

estádio fisiológico da planta (Hartz et al. 1994).

Estádio da planta Kg/ha/di

a

Kg/ha/seman

a

Crescimento Vegetativo 0,8-1,6 5,6-11,2

Início do florescimento 2,4-3,2 16,8-22,4

Crescimento do fruto 1,6-2,4 11,2-16,8

Início da colheita 0,8-1,6 5,6-11,2

Marcha de absorção do tomateiro produzido em

estufa

0

100

200

300

400

500

600

15 45 75 105 135

Dias após transplantio

Ab

so

rçã

o (

mg

/pl.d

ia)

0

1

2

3

4

5

6

MS

(g

/pl.d

)

N K MS

Curva de resposta do tomateiro (Fontes et al.,

2000)

y = -4.41x10-4

x2 + 1.75x10

-1x + 69,12

R2 = 0,921

40

52

64

76

88

100

0 100 200 300 400

Taxa de K (kg/ha)

Pro

du

ção

to

tal

(t/

ha)

86,4 t/ha → 198 kg/ha de K

MANEJO DA CULTURA DO TOMATE

SISTEMAS DE CONDUÇÃO:

Vertical com 2 linhas:

Vertical com 1 linha:

Sistema V invertido

Capação e desbaste de frutos

Capação: corte da gema apical

Capação

Recomendação de adubação mineral (Trani et al., 1996)

Acrescentar 20 a 40 kg.ha-1 de S.

Cobertura: aplicar 200 a 300 kg.ha-1 de N e 120 a 140 kg.ha-1 de

K2O, parcelando de 4 a 6 vezes, com intervalos de 15 a 20 dias

entre as aplicações.

Manter a relação N:K de 1:1,5 a 1:2,0.

P resina, mg.dm - 3 K+ trocável, mmolc.dm - 3Nitrogênio

0-25 26-60 >60 0-0,15 1,6-3,0 >3,0

--------P2O5, kg.ha - 1-------- --------K2O, kg.ha -1--------N, Kg/ ha60 800 500 300 300 200 100

--------B, mg.dm-3-------- Zn, dm - 3

0-0,20 0,21-0,60 >0,60 0-0,5 0,5 -1,2 >1,2

B, kg.ha - 1 --------Zn, kg.ha -1--------

3 1,0 0 5 3 0

ADUBAÇÃO - SISTEMA CONVENCIONAL

Adubação fosfatada e

adição de matéria

orgânica no plantio

ADUBAÇÃO -FERTIRRIGAÇÃO

Conceito: aplicação simultânea de fertilizantes e água

no solo.

Vantagens:

• Economia de mão-de-obra e energia

• Diminuição da compactação do solo

• Distribuição do fertilizante e localização

• Eficiência do uso e economia dos fertilizantes

• Controle da profundidade de aplicação

• Flexibilidade de aplicação

Água

• Características físicas →

Sedimentos

Como resolver esse problema?

Filtragem da água de irrigação: Filtro

de areia e filtro de disco

• Características químicasParâmetros Símbol

oUnidade Valores

normaisConteúdo de saisCondutividade elétrica CE dS/m 0-3

Sais totais dissolvidos SDT mg/L 0-2000Cátions e ânionsCa Ca++ meq/L 0-20

Mg Mg++ meq/L 0-5Na Na+ meq/L 0-40Carbonatos CO3

- meq/L 0-0,1Bicarbonatos HCO3

- meq/L 0-10Cloreto Cl- meq/L 0-30Sulfatos SO4

-- meq/L 0-20NutrientesNitrato NO3- mg/L 0-10Amônio NH4

+ mg/L 0-5

Fosfato PO4--- mg/L 0-2Potássio K+ mg/L 0-2OutrosBoro B mg/L 0-2

Relação de adsorção de sódio

RAS (mmol/L)1/2 0-15

Acidez ou alcalinidade pH 6-8,5

• Características biológicas

Presença de algas e bactérias

Microrganismos patogênicos

Efeitos da qualidade da água

• Salinização

Cultura 100% 90% 75%

Tomateiro 2,5 3,5 5,0

Tolerância relativa à salinidade do solo(LORENZ &

MAYNARD, 1988)

Controle da luminosidade

• Controle manual através da abertura e fechamento de cortinas

Telas termo-refletoras

Radiação solar global e transmitância das

coberturas com malha termo-refletora externa

e interna.

Ciclo Qg (MJm-2d-1) Transmitâncias

(%)

Malha

externa

Malha

interna

Amb.

externo

Malha

externa

Malha

interna

1 5,1 3,3 15,2 33,6 21,7

2 4,7 3,1 17,3 27,2 17,9

Pandorfi (2006)

Aditivos em filmes plásticos Filmes aditivados Propriedades

Anti-UV Aumenta a vida útil do plástico

Leitoso Redução na intensidade de luz

Térmico Relativamente opaco às radiações

infravemelhos

Fotosseletivo Modificam a composição do

espectro de luz

Difusor de luz Aumenta a proporção de luz

difusa

Anti-gotejo Evita a condensação do vapor d’

água no plástico

Aplicações do plásticos na Olericultura

Polietileno difusor de luz 150 um (P150d)

ESTUFAS CLIMATIZADAS

Sensores Atuadores

ControladorEntrada Saída

Casa de vegetação

Sistema Pad-Fan

Nebulização

Controle da temperatura

• Aberturas (Janelas zenitais, lanternins laterais e frontais)

Exaustores