Monitoring the impact of soil management on plant spectral reflectance and soil-borne disease resistance

Data
2016-11-10
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Resumo
O solo e a sua biodiversidade são o motor de todos os sistemas de produção terrestres e serviços de ecossistemas. A mudança na produção agrícola de extensiva para intensiva tem um efeito negativo profundo nos solos e na sua biodiversidade. A perda de biodiversidade resulta em comunidades do solo menos complexas. Com o aumento da procura dos serviços dos ecossistemas, como o solo, existe a necessidade da melhoria da gestão dos solos e das produções agrícolas. Esta melhoria pode trazer vantagens a nível do desenvolvimento de práticas mais sustentáveis que contribuem para um desenvolvimento económico sustentável. A gestão sustentável de qualquer ecossistema requer, entre outras informações, uma compreensão completa da interação solo-planta para tentar descrever padrões naturais. As plantas produzem substância orgânica através da fotossíntese. A fotosíntese depende da absorção de luz pelos pigmentos fotossintéticos presentes na folha. Portanto, as propriedades óticas da folha são influenciadas pela concentração dos pigmentos fotossintéticos e metabolitos, do seu teor em água e da estrutura e anatomia da folha. A reflectância hiperspectral tem ganho importância comercial e científica, contudo, permanece ainda subdesenvolvida apesar do seu potencial. A deteção remota da vegetação é uma boa ferramenta, pois pode extrapolar escalas de tempo, e é cada vez mais utilizada para perceber interações planta-solo. Sabe-se que o sinal de reflectância é sensível a mudanças abióticas e bióticas, mas ainda há um longo caminho a percorrer. Consequentemente, foi realizado durante nove semanas um bioensaio com duas culturas diferentes, a Beterraba (Beta vulgaris) e o Milho (Zea mays). Foram plantadas em três diferentes tipos de gestão do solo e aplicados seis tipos de tratamentos. Os tratamentos aplicados foram: o fungo Rhizoctonia solani, o nemátode Pratylenchus penetrans, a radiação gama, os nutrientes, e o fungo R. solani com nutrientes e um controlo. Os tipos de gestão que foram aplicados foram o solo Biológico, os fertilizantes artificiais e Fertelizantes orgânicos. No total foram consideradas 3650 plantas. Os dados da refletância espetral foram obtidos com um espectrómetro de campo ASD plant-probe e clip-foliar. Um objetivo deste estudo consistiu em monitorizar a refletância espetral das folhas das duas espécies durante o período experimental. Os dados espetrais foram analisados utilizando índices de vegetação. Os efeitos do biota do solo foram analizados numa análise multivariada ANOVA com os fatores, espécie de planta, tipos de solo e tratamentos. A biomassa total de patogénicos tende a aumentar quanto mais intensiva for a prática agricola. No solo Biológico observou-se uma intensificação da cor verde da planta nas duas espécies, com o aumento da disponibilidade de nutrientes. A adição de fertelizante pode ter influenciado a resistência das plantas às doenças do solo. A menor biomassa foi encontrada no tratamento com radiação gama (estéril), sugerindo que o biota do solo influenciou o desempenho da planta. O melhor tipo de gestão do solo teve um efeito positivo no crescimento das plantas. As melhores práticas agricolas permitem uma supressão das doenças inoculadas. Foi demonstrado que o espetro da planta difere quando é induzido stresse e também consoante o tipo de gestão do solo. A melhor gestão agrícola foi considerada a Biológica.
Soil and soil biodiversity are the driving force of all the terrestrial production systems and ecosystem services. The intensification of agriculture production and shifts from extensive crop rotation have, regularly, a profound negative effect on soils and their biodiversity. Biodiversity losses result in less complex soil communities. The increasing demand of soil ecosystem implies the improvement of soil and crop management, and it’s a key opportunity for supporting sustainable economic development. The sustainable management of any ecosystem requires, amongst other information, a thorough understanding of plant-soil feedback attempting to describe natural patterns and relations between the plants and their environment. Plants produce organic substances by photosynthesis. Photosynthesis depends upon the absorption of light by pigments, as chlorophyll-a among other accessory pigments, in the leaves of the plants. Therefore, leaf optical properties are influenced by the concentration of the photosynthetic pigments, metabolites, water content, leaf structure and leaf anatomy. Hyperspectral reflectance in remote sensing has gained scientific and commercial importance but still remains underdeveloped despite its potential. Vegetation remote sensing is a great tool, as it can extrapolate to synoptic scales and time sequences can be acquired. It is increasingly used for measurements of agricultural crop condition and also for plant-soil interactions. It is known that reflectance signal is sensitive to abiotic changes, but concerning biotic changes, there are still several limitations. Therefore, was conducted a 9 weeks greenhouse bioassay with two different crops, Sugar beet (Beta vulgaris) and Corn (Zea mays), three different types of soil management and six different treatments were applied. The treatments applied were: the fungus Rhizoctonia solani, the nematode Pratylenchus penetrans, the Gamma radiation, the nutrients, the R. solani with nutrients and a control treatment. The types of management were the Biologic, the Artificial Fertilizer and the Manure. In total were 3650 plants. Spectral reflectance data were collected with an ASD Fieldspec 3 spectrometer with an ASD plant-probe and leaf-clip device attached. One of the objectives of the measurement was to monitor the differences between leaf reflectance over time. The spectral data was analyzed using vegetation indices. The effects of soil biota were analyzed in a multivariate ANOVA analysis with plant species, soil regime and soil treatment. The total biomass of the pathogens increase with a more intensive agriculture and shoot biomass in both plant species increased with disposal of the nutrient supply in the Biologic soil. The application of manure compost that is rich in nitrogen may have reduced soil-borne diseases. The lowest biomass was found in the sterilized treatments suggesting that the soil biota has influenced the plant performance. The best soil management had positive effect in growth of the plants. Disease suppression can be influenced by management practices. It was demonstrated that plant spectral signatures changes due induced stress and soil type. The best soil regime overall in this study case was considered the Biologic type.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Gestão dos Recursos Naturais
Palavras-chave
Solo , Biodiversidade , Gestão sustentável , Refletância hiperspetral , Interações planta-solo
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