Estimation of leaf nitrogen levels in sugarcane using hyperspectral models / Modelagem hiperespectral na quantificação de nitrogênio foliar em cana-de-açúcar

Sugarcane is a good source of renewable energy and helps reduce the emission of greenhouse gases. Nitrogen has a critical role in plant growth; therefore, estimating nitrogen levels is essential, and remote sensing can improve fertilizer management. This field study selects wavelengths from hyperspectral data on a sugarcane canopy to generate models for estimating leaf nitrogen concentrations. The study was carried out in the municipalities of Piracicaba, Jaú, and Santa Maria da Serra, state of São Paulo, in the 2013/2014 growing season. The experiments were carried out using a completely randomized block design with split plots (three sugarcane varieties per plot [variety SP 81-3250 was common to all plots] and four nitrogen concentrations [0, 50, 100, and 150 kgha-¹] per subplot) and four repetitions. The wavelengths that best correlated with leaf nitrogen were selected usingsparse partial least square regression. The wavelength regionswere combinedby stepwise multiple linear regression. Spectral bands in the visible (700-705 nm), red-edge (710-720 nm), near-infrared (725, 925, 955, and 980 nm), and short-wave infrared (1355, 1420, 1595, 1600, 1605, and 1610 nm) regions were identified. The R² and RMSE of the model were 0.50 and 1.67 g.kg-¹, respectively. The adjusted R² and RMSE of the models for Piracicaba, Jaú, and Santa Maria were 0.31 (unreliable) and 1.30 g.kg-¹, 0.53 and 1.96 g.kg-¹, and 0.54 and 1.46 g.kg-¹, respectively. Our results showed that canopy hyperspectral reflectance can estimate leaf nitrogen concentrations and manage nitrogen application in sugarcane.

A cana-de-açúcar se destaca como uma das fontes de energia renovável frente às estratégias para reduzir a emissão de gases causadores do efeito estufa. O nitrogênio é um dos mais significativos devido ao seu impacto no crescimento de folhas e colmos. Portanto, o monitoramento eficiente do nitrogênio aplicado é essencial e o sensoriamento remoto se apresenta como uma alternativa na melhoria do gerenciamento da adubação. O presente trabalho teve por objetivo selecionar comprimentos de onda a partir de dados hiperespectrais de dossel da cana-de-açúcar para geração de modelos na predição da concentração de Nitrogênio. O estudo foi realizado em experimentos de campo instalados nos municípios de Piracicaba, Jaú e Santa Maria da Serra, estado São Paulo, na safra 2013/2014. Cada experimento foi alocado em blocos ao acaso, com parcelas subdivididas e quatro repetições, com variedades de cana-de-açúcar na parcela (três variedades por local, sendo a SP 81-3250 comum à todos) e doses de nitrogênio (0, 50, 100 e 150 kg.ha-1) na subparcela. Na seleção dos comprimentos de onda que melhor se correlacionam com o TFN foi utilizada a metodologia sPLS. Posteriormente, foi realizada a combinação linear dos comprimentos de onda selecionados pela metodologia sPLS, por meio de Regressão Linear Múltipla por Stepwise (SMLR). Foram identificadas bandas importantes nas regiões do visível (700 a 705 nm), red-edge(710 a 720 nm), infravermelho próximo (725, 925, 955 e 980 nm) e infravermelho de ondas curtas (1355, 1420, 1595, 1600, 1605 e 1610 nm). O modelo de predição de TFN teve valores de R² de 0,50 e o RMSE de 1,67 g.kg-¹. Os modelos gerados para Piracicaba, Jaú e Santa Maria obtiveram R² ajustados e RMSE, respectivamente, de 0,31 considerado não confiável (1,30 g.kg-¹), 0,53 (1,96 g.kg-¹) e 0,54 (1,46 g.kg-¹). Os sensores hiperespectrais de dossel podem ser utilizados para predição do TFN e monitoramento de aplicação de nitrogênio em cana-de-açúcar.

ECONOMIC EVALUATION, STRATEGY AND PREDICTION STUDIES OF RESULTS INTO BEEF CATTLE PRODUCTION USING DIFFERENT SCENARIOS

A pecuária de corte brasileira tem sido pressionada no sentido de cada vez obter melhores resultados, o que força os proprietários a utilizar práticas e manejos específicos, os quais possibilitarão a manutenção dentro da atividade. Este estudo teve como objetivos avaliar o uso de inteligência artificial, mais especificamente redes neurais artificiais (RNA), para predizer resultados futuros tanto da produção de pasto quanto animal. Determinar dentre diversos cenários de recria e terminação de bovinos de corte em pastagens tropicais, qual foi o melhor cenário no que diz respeito aos resultados econômicos. Avaliar dentre diferentes doses de adubação nitrogenada, qual foi aquela que retornou melhores índices econômicos. As RNA se mostraram melhores que as regressões normalmente utilizadas para predizer as produções de pastagem (valores médios obtidos pelo uso das RNA foram 0,84; 0,78 e 0,75 para massa de forragem, porcentagens de folha e colmo, versus 0,74; 0,39 e 0,50 obtidos usando regressão linear múltipla) e animal (0,72 [RNA] e 0,67 regressão). No estudo referente aos cenários, os melhores resultados foram obtidos quando utilizado apenas sal mineral (lucratividade de 26,3%; período de payback simples igual à 11 ciclos e taxa interna de retorno de 9,30%) na recria dos bovinos de corte e na terminação, quando as variáveis climáticas possibilitaram via manejo de pastagem o uso de maior taxa de lotação (3,18 UA ha-1) na área. Quando avaliados os efeitos das doses de adubação nitrogenada sobre os resultados econômicos foi possível observar que houve um incremento linear dos custos, assim como da receita bruta à medida que mais nitrogênio foi aplicado por hectare. O tratamento 180 kg N ha-1 ano-1 obteve bons índices econômicos em comparação aos demais, sendo lucratividade igual à 17,76% e valor presente líquido, com taxas de 12% em dez anos de avaliação, R$6.174,99. Concluímos que as RNA podem ser utilizadas para a predição de resultados da pecuária de corte com adequada acurácia; dentre os cenários recomendam-se práticas de manejo adequado das pastagens, o que resulta em forragem de qualidade e consequentemente o uso de sal mineral durante o período de recria dos bovinos de corte se torna viável economicamente frente à suplementação, esse mesmo manejo das pastagens, quando bem desenvolvido e com condições climáticas ideais, resultou em maior quantidade de forragem remanescente para o período de terminação, o que possibilitou maior taxa de lotação, elevando assim as receitas da atividade. Com relação às doses de nitrogênio a serem utilizadas na adubação de pastagens, recomenda-se a dose de 180 kg N ha-1 ano-1, a qual obteve bons índices econômicos, os quais se associados a respostas de outras pesquisas (eficiência de uso do nitrogênio) desenvolvidas na área, durante o mesmo período, validam tal recomendação.

Brazilian beef cattle has been under pression to obtain better results, which drives owners to use specific practices and management, which will allow the maintenance within livestock. This study aimed to evaluate use of artificial intelligence, specifically artificial neural networks (ANN), to predict future results both forage and animal productions. Determine between a lot of rearing and finishing phase scenarios of beef cattle production using tropical pastures, how was the best scenario considering economic results. Evaluate between different nitrogen fertilizers levels, how was there obtained best economic indexes. The ANN was better than regressions normally used to predict forage production (mean values obtained by ANN use were 0.84, 0.78 and 0.75 for forage mass, leaf and stem percentages, versus 0.74, 0.39 and 0.50 obtained using multiple linear regression) and animal (0.72 [ANN] and 0.67 regression). Into study about scenarios, the best results were obtained when used mineral mix just (profitability of 26.3%, simple payback period equal to 11 cycles and internal return ratio of 9.30%) during rearing phase of beef cattle. During finishing phase, the best results occurred when weather variables allowed by pasture handled, the use of higher stocking rate (3.18 AU ha-1) into area. The evaluation of economic results caused by different nitrogen fertilizer levels. Allowed to say that was possible to observe that there was linear increase both on costs, and gross revenue, caused by added of nitrogen per hectare. The treatment 180 kg N ha-1 year -1 obtained good economic indexes when compared to other. The profitability was 17.76%, and net present value, with 12% taxes during ten years of evaluation, US$ 1,854.35 were results of this treatment. Concluded that ANN can be used to predict livestock results with fitting accuracy; between different scenarios we recommend correct pasture handled practices, what results in forage with high quality and consequently the mineral mix use during rearing phase of beef cattle is enough and it is economic practicable compared to supplementation. This pasture handled, if correctly developed and with great weather conditions, could result higher forage quantity residual to be used during finishing phase. This higher availability resulted higher stocking rate, increasing the activity revenues. About nitrogen fertilizer levels used on pastures fertilization, it is recommended the level 180 kg N ha-1 year-1, which obtained best economic indexes. These indexes if associated to responses of other researches (nitrogen efficiency use) developed into same area, during the same period, authenticate the recommendation.

Testes de nitrato no solo como indicadores complementares no manejo da adubação nitrogenada em milho

Recently, nitrogen fertilization recommendation has had an expressive advance in Southern Brazil, when it began to take into account the contribution of the previous cover crop for the soil nitrogen (N) availability, in addition to organic matter and yield goal. Improvement of N management is constantly aimed. In this respect, there is a high potential to include soil and plant parameters as complementar indicators of soil N level, mainly in high yield systems and with high rates of N application. Within the soil parameters considered, one of the most impartant is the nitrate tests, which represent the readily available N and are known as intensity tests. According to the time of soil sampling, nitrate tests can be classified as: preplant soil nitrate test (PPNT), pre-sidedress soil nitrate test (PSNT), and post-harvest soil nitrate test (PHNT). Within these tests, one of the most important is the TPNC, which have been more studied and used, mainly in the EUA, because it allows the evaluation of the soil N availability during the crop development. It makes possible the management of nitrogen fertilization in specific situations. This review has the purpose of discussing the potential use of soil nitrate tests to evaluate N availability during crop development and to predict N requirements in maize. The hypothesis is that nitrate tests utilization result in higher flexibility of N fertilization management in this crop.

A recomendação de nitrogênio (N) para a cultura do milho teve um avanço expressivo recentemente na região Sul do Brasil, quando passou a considerar a cultura anterior em adição ao teor de matéria orgânica do solo e a expectativa do rendimento de grãos. A busca de otimização do sistema de recomendação é constante e, nesse sentido, há grande potencial da inclusão de parâmetros de solo e de planta como indicadores complementares da disponibilidade de N no solo, principalmente em sistemas altamente produtivos e com aplicação de altas doses de N. Dentre os parâmetros de solo destacam-se os testes de nitrato, os quais indicam a quantidade de N disponível e são denominados testes de intensidade. Em função da época de realização, os testes de nitrato podem ser divididos basicamente em (i) teste de pré-semeadura - TPS ("preplant soil nitrate test" - PPNT), (ii) teste de pré-aplicação de N em cobertura - TPNC ("pre-sidedress soil nitrate test" - PSNT), e (iii) teste de pós-colheita - TPC ("post-harvest soil nitrate test" - PHNT). Dentre estes testes, destaca-se o TPNC, o qual tem sido mais estudado e difundido, principalmente nos EUA, pois permite avaliar a variação da disponibilidade de N do solo durante o ciclo da cultura, possibilitando o manejo da adubação nitrogenada em situações específicas. Esta revisão visa abordar o potencial dos testes de nitrato na avaliação da disponibilidade de N no decorrer do ciclo do milho e sua utilização na predição da necessidade de N a ser suplementado. A hipótese é de que a utilização dos testes de nitrato resultem em maior flexibilidade no manejo da adubação nitrogenada em milho.

Testes de nitrato no solo como indicadores complementares no manejo da adubação nitrogenada em milho

Recently, nitrogen fertilization recommendation has had an expressive advance in Southern Brazil, when it began to take into account the contribution of the previous cover crop for the soil nitrogen (N) availability, in addition to organic matter and yield goal. Improvement of N management is constantly aimed. In this respect, there is a high potential to include soil and plant parameters as complementar indicators of soil N level, mainly in high yield systems and with high rates of N application. Within the soil parameters considered, one of the most impartant is the nitrate tests, which represent the readily available N and are known as intensity tests. According to the time of soil sampling, nitrate tests can be classified as: preplant soil nitrate test (PPNT), pre-sidedress soil nitrate test (PSNT), and post-harvest soil nitrate test (PHNT). Within these tests, one of the most important is the TPNC, which have been more studied and used, mainly in the EUA, because it allows the evaluation of the soil N availability during the crop development. It makes possible the management of nitrogen fertilization in specific situations. This review has the purpose of discussing the potential use of soil nitrate tests to evaluate N availability during crop development and to predict N requirements in maize. The hypothesis is that nitrate tests utilization result in higher flexibility of N fertilization management in this crop.

A recomendação de nitrogênio (N) para a cultura do milho teve um avanço expressivo recentemente na região Sul do Brasil, quando passou a considerar a cultura anterior em adição ao teor de matéria orgânica do solo e a expectativa do rendimento de grãos. A busca de otimização do sistema de recomendação é constante e, nesse sentido, há grande potencial da inclusão de parâmetros de solo e de planta como indicadores complementares da disponibilidade de N no solo, principalmente em sistemas altamente produtivos e com aplicação de altas doses de N. Dentre os parâmetros de solo destacam-se os testes de nitrato, os quais indicam a quantidade de N disponível e são denominados testes de intensidade. Em função da época de realização, os testes de nitrato podem ser divididos basicamente em (i) teste de pré-semeadura - TPS ("preplant soil nitrate test" - PPNT), (ii) teste de pré-aplicação de N em cobertura - TPNC ("pre-sidedress soil nitrate test" - PSNT), e (iii) teste de pós-colheita - TPC ("post-harvest soil nitrate test" - PHNT). Dentre estes testes, destaca-se o TPNC, o qual tem sido mais estudado e difundido, principalmente nos EUA, pois permite avaliar a variação da disponibilidade de N do solo durante o ciclo da cultura, possibilitando o manejo da adubação nitrogenada em situações específicas. Esta revisão visa abordar o potencial dos testes de nitrato na avaliação da disponibilidade de N no decorrer do ciclo do milho e sua utilização na predição da necessidade de N a ser suplementado. A hipótese é de que a utilização dos testes de nitrato resultem em maior flexibilidade no manejo da adubação nitrogenada em milho.