Fertilização de Precisão Passo a Passo para Quantificar o Acúmulo e Partição de Nutrientes em Sistemas de Batata-Doce de Dupla Estação

Summary

Esse protocolo detalha um método de fertilização de precisão passo a passo, sincronizado com estágios fisiológicos de crescimento, para otimizar o fornecimento de nutrientes em sistemas de batata-doce de dupla estação. Inclui procedimentos para quantificar o acúmulo de nutrientes específicos de órgãos, ajustar modelos dinâmicos não lineares às trajetórias de absorção e calcular balanços aparentes de nutrientes para mitigar riscos ambientais.

Abstract

A produção de batata-doce fresca em dupla estação frequentemente apresenta um desajuste entre o fornecimento de nutrientes do solo e a demanda agrícola, levando a rendimento subótimo e uso ineficiente de recursos. A fertilização tradicional frequentemente depende de aplicações basais que não atendem às necessidades dinâmicas da cultura sob condições meteorológicas distintas de primavera e outono. Este artigo apresenta um protocolo abrangente para uma estratégia de fertilização de precisão em etapas que sincroniza as entradas de nitrogênio, fósforo e potássio com nós fenológicos críticos. O método divide as entradas totais de nutrientes em cinco eventos distintos correspondentes a estágios específicos de crescimento: estabelecimento da muda, expansão da videira, início do tubérculo, volume rápido e maturação. O protocolo descreve ainda um regime rigoroso de amostragem destrutiva para dissecar a partição de nutrientes de plantas inteiras. Ao empregar modelos de regressão logística não linear, os pesquisadores podem quantificar a capacidade máxima de acumulação, a duração da fase rápida de absorção e os pontos de inflexão da absorção de nutrientes. Essa abordagem permite a identificação precisa de janelas críticas de absorção e avaliação dos balanços aparentes de nutrientes. A aplicação desse protocolo facilita a otimização dos regimes de fertilização, melhorando tanto o rendimento radicular de armazenamento quanto a qualidade comercial, ao mesmo tempo em que reduz os riscos associados a déficits ou excedentes de nutrientes em sistemas intensivos de duplo cultivo.

Introduction

A batata-doce (Ipomoea batatas. L.) evoluiu de uma cultura de subsistência para uma fonte alimentar funcional de alto valor e matéria-prima^{industrial 1,2}. Em regiões agrícolas intensivas, sistemas de dupla cultura — onde duas culturas são colhidas anualmente da mesma terra — são cada vez mais adotados para maximizar as proporções equivalentes à terra e os retornos^{econômicos 3}. No entanto, a sustentabilidade desses sistemas de alta intensidade é frequentemente comprometida por estratégias ineficientes de manejo de nutrientes que ignoram a variabilidade temporal na demanda por nutrientes das culturas e as variações climáticas^{sazonais 4,5}.

O desafio fundamental no cultivo em estações duplas está nos contextos meteorológicos distintos das estações de crescimento da primavera e outono⁶. As culturas de primavera se desenvolvem sob aumento das temperaturas e do tempo de duração, enquanto as de outono enfrentam uma diminuição gradual da energia térmica e da radiação^solar. Essas disparidades ambientais alteram significativamente a progressão fenológica, as taxas de acúmulo de biomassa e as eficiências de translocação fonte-sumidouro da^{cultura 5,8}. Práticas convencionais de fertilização, que normalmente envolvem uma aplicação basal intensa de fertilizantes compostos seguida de um revestimento irregular, frequentemente resultam em um descompasso entre oferta e demanda². Esse descompasso se manifesta como consumo de luxo durante a fase vegetativa inicial, levando ao crescimento excessivo de videiras às custas da formação dos tubérculos, ou fome oculta durante a fase tardia de volume, onde a senescência precoce limita o potencial final^{de produção 2,9}.

O manejo do nitrogênio (N) apresenta um desafio específico na produção de batata-doce devido aos seus duplos efeitos^{fisiológicos 2}. Embora essencial para o estabelecimento do dossel e capacidade fotossintética, a disponibilidade excessiva de nitrogênio antes do início dos tubérculos suprime significativamente o desenvolvimento de raízes de armazenamento, deslocando a partição dos assimilados para a folhagem em vez de órgãos de armazenamento^{subterrâneos} 10,11,12. Por outro lado, a deficiência de nitrogênio durante os estágios finais de crescimento acelera a senescência das folhas e reduz o período fotossintético efetivo. Meta-análises recentes indicam que otimizar as taxas e o momento de aplicação de nitrogênio é o fator mais influente para estabilizar os rendimentos em diversos tipos de solo ^6,13.

As dinâmicas do fósforo (P) e do potássio (K) apresentam requisitos igualmente complexos de manejo. O fósforo é fundamental para a iniciação dos primórdios radiculares e os processos de transferência de energia, mas frequentemente é aplicado em excesso na fertilização inicial, levando ao acúmulo do solo e ao potencial escoamento ambiental ^1,14. O potássio, frequentemente referido como elemento de qualidade para as plantações de raízes, é necessário em quantidades substanciais durante a fase de aumento rápido das raízes para facilitar a carga e o transporte do floema da sacarose das folhas para os órgãos de^{afundação 15,16}. A deficiência de potássio durante essa janela crítica compromete não apenas o rendimento total, mas também a comercialização comercial dos tubérculos, levando a um estado ruim e redução no teor de^{amido 17,18}.

Para enfrentar essas complexidades agronômicas, há uma necessidade urgente de uma metodologia padronizada e quantificável que vá além da fertilização empírica. A agricultura de precisão exige protocolos que vinculem ações específicas de manejo a respostas fisiológicas. Avanços recentes na modelagem de trajetórias de absorção de nutrientes usando funções logísticas não lineares forneceram novos insights sobre os padrões temporais das necessidades nutricionais^{das culturas19}. Ao ajustar esses modelos aos dados de campo, os pesquisadores podem determinar matematicamente o início e a cessação das fases de absorção rápida, identificando assim as janelas precisas onde a intervenção de fertilização gera o maior retorno^{marginal 20}.

Especificamente, enquanto aplicações tradicionais de divisão dependem de dias de calendário, o FPS determina eventos de fertilização com base em pontos de inflexão fisiológicos quantificáveis. Ao extrair parâmetros como a taxa máxima de acumulação (R_max) e o tempo do ponto de inflexão (t₀) dos modelos logísticos, os profissionais podem identificar a janela biológica exata para a intervenção. Isso minimiza o excedente de nutrientes e vincula diretamente as estratégias de aplicação temporal à qualidade comercial aprimorada.

Este artigo apresenta um protocolo de Fertilização de Precisão em Etapas (SPF) projetado para sincronizar a entrega de nutrientes com o ritmo fisiológico das batatas-doces de dupla estação. Ao contrário da fertilização estática, o FPS emprega uma estratégia dinâmica de alocação que distribui nutrientes em cinco estágios-chave de crescimento. Esse método integra rigorosos quadros de amostragem e análise para quantificar a partição específica de nutrientes por órgão e as trajetórias de acúmulo de plantas inteiras. O objetivo é fornecer um fluxo de trabalho reproduzível e cientificamente robusto que permita a pesquisadores e profissionais avançados otimizar a eficiência do uso de nutrientes, aumentar o rendimento comercial e manter a fertilidade do solo em sistemas de cultivo^{intensivo 21,22}.

Modelos tradicionais de fertilização frequentemente estimam o conteúdo de nutrientes usando suposições lineares estáticas ou dias de calendário fixos, que diferem fundamentalmente da nossa abordagem. Tais métodos convencionais não levam em conta os ritmos biológicos dinâmicos e não lineares do crescimento das culturas e das restrições de eficiência de utilização de nutrientes²³ . Consequentemente, permanece uma lacuna significativa de pesquisa na sincronização precisa do fornecimento de nutrientes com demandas fisiológicas reais e variáveis no tempo, especialmente em sistemas de dupla estação onde primavera e outono apresentam desafios meteorológicos e de desenvolvimento distintos²⁴. Nosso protocolo de Fertilização de Precisão Escalonada (SPF) aborda essa lacuna integrando o modelo de crescimento logístico para estimar dinamicamente o acúmulo de nutrientes. Ao contrário dos métodos estáticos, o SPF utiliza pontos de inflexão quantificáveis para acompanhar mudanças temporais nos níveis de nutrientes. Com base nesse método, fornecemos uma recomendação crítica: os profissionais devem fazer a transição de aplicações arbitrárias de divisão para intervenções orientadas fisiologia, ajustando dinamicamente os pesos dos nutrientes em nós fenológicos específicos para otimizar a partição sazonal e minimizar o excedente^{ambiental 25}.

Especificamente, enquanto aplicações tradicionais de divisão dependem de dias de calendário, o SPF determina os eventos de fertilização com base em pontos de inflexão fisiológicos quantificáveis. Ao extrair parâmetros como a taxa máxima de acumulação (R_max) e o tempo do ponto de inflexão (t₀) dos modelos logísticos, os profissionais podem identificar a janela biológica exata para a intervenção. Isso minimiza o excedente de nutrientes e vincula diretamente as estratégias temporais de aplicação à qualidade comercial aprimorada. Seguindo esse protocolo, os usuários podem gerar conjuntos de dados de alta resolução que elucidam as ligações mecanicistas entre o momento do fertilizante, o status fisiológico das plantas e os resultados agronômicos finais.

Protocol

1. Preparação e projeto experimental do local

1. Selecione um local experimental com terreno plano, drenagem eficiente e fertilidade homogênea do solo para minimizar a heterogeneidade espacial.
2. Colete amostras compostas de solo da camada superior de 0–20 cm usando um parafuso Edelman. Pegue amostras de cinco pontos aleatórios dentro de cada parcela e as combine em um único saco plástico antes da preparação para cada estação de crescimento (primavera e outono).
3. Seca ao ar livre as amostras de solo em temperatura ambiente, moa-as mecanicamente e passa-as por uma peneira de aço inoxidável de 2 mm para analisar propriedades fisicoquímicas básicas, incluindo pH, matéria orgânica, nitrogênio total, fósforo disponível (Olsen-P) e potássio disponível (K extraíbel NH4OAc).
4. Estabeleça um desenho randomizado em blocos para o experimento com no mínimo quatro réplicas por tratamento. Estabeleça quatro tratamentos: Fertilização Convencional (CON), Fertilização de Precisão Gradual (FPS), Focado em Nitrogênio (NF) e Potenciado em Potássio (KB). Mantenha exatamente as mesmas alocações de parcelas para as estações da primavera e outono para considerar possíveis efeitos legados.
5. Demarque parcelas individuais com uma área de aproximadamente 25^m2 (densidade de plantio de 40.000 plantas por hectare), garantindo a inclusão de fileiras tampão (mínimo de 1 m de largura) entre as parcelas para evitar contaminação cruzada por fertilizantes e migração lateral das raízes.
6. Exclua as duas linhas externas de cada parcela como linhas de borda para minimizar o viés espacial. Designe as próximas 10 plantas consecutivas estritamente como a Zona de Amostragem Destrutiva. Deixe o núcleo central restante do lote (mínimo 20 plantas) completamente intocado como Zona de Colheita, garantindo que a amostragem durante a estação não comprometa a densidade populacional final da planta ou a integridade do rendimento.

2. Cálculo e implementação da fertilização em etapas

1. Determine a dosagem alvo total sazonal calculando a diferença entre a necessidade de nutrientes para um rendimento regional pré-definido e o suprimento de nutrientes do solo indígena. Por exemplo, buscando um rendimento radicular de armazenamento alvo de 35 t/ha, os valores-alvo absolutos aplicados neste estudo foram 150 kg·ha^⁻1 para N, 75 kg·ha^⁻1 para_P2O⁵ e 225 kg·ha^⁻1 para_K2O.
2. Divida a entrada total de nutrientes em cinco eventos distintos de aplicação (m = 5) correspondentes aos seguintes nós fenológicos: aplicação basal (no transplante); fase de expansão da videira (diagnosticada quando começa o rápido alongamento do entrenódo e a sobrevivência das mudas é estabilizada); fase de iniciação do tubérculo (diagnosticada após o primeiro inchaço visível das raízes adventícias em primórdios brancos); fase rápida de volume (diagnosticada quando o fechamento do dossel atinge ≥80% e as raízes primárias apresentam espessamento rápido); fase tardia de volume/maturação (diagnosticada quando as folhas basais iniciam o amarelamento fisiológico precoce).
3. Calcule a dosagem específica para cada evento de aplicação usando a fórmula da razão
   F_x,t = F_x × R_t (1)
   Onde F_x é a quantidade total sazonal de nutriente x, e R_t é a proporção de alocação para o evento t^.
   NOTA: Para fornecer uma justificativa fisiológica, o N de luxo precoce deve ser evitado para evitar a supressão da tuberização, enquanto o K deve ser mantido durante o enchimento para apoiar a translocação de amido. As proporções exatas de _{R t} recomendadas para o FPS nos cinco estágios são: Basal (N: 20%, P: 50%, K: 10%), Expansão da Videira (N: 20%, P: 20%, K: 10%), Iniciação do Tubérculo (N: 20%, P: 20%, K: 20%), Bulking Rápido (N: 30%, P: 10%, K: 40%) e Maturação (N: 10%, P: 0%, K: 20%).
4. Pese a quantidade específica de fertilizante para cada parcela individualmente usando uma balança eletrônica precisa.
5. Aplique o fertilizante.
   1. Para aplicação de sulcos: Abra uma vala rasa (10 cm de profundidade) ao longo do lado da cumeeira, distribua o fertilizante uniformemente e cubra imediatamente com terra.
   2. Para sistemas de fertigação por gotejamento: Dissolva completamente o fertilizante calculado até uma concentração máxima de 2 g/L para evitar o entupimento do emissor. Injete a solução em um volume padronizado de 150 L por parcela. Faça o sistema funcionar com água pura por 15 minutos antes e depois da injeção para lavar as linhas, evitando salinização e garantindo uma distribuição espacial uniforme.
6. Registre a data exata, as condições meteorológicas e o estado de umidade do solo no momento de cada aplicação.

3. Amostragem destrutiva e partição de órgãos

1. Programe oito pontos de amostragem por temporada para capturar toda a trajetória de crescimento: sobrevivência das mudas, alongamento da videira, fechamento da copa, início dos tubérculos, volume precoce, volume intermediário, volume tardio e pré-colheita.
2. Usando um método de amostragem aleatória estratificada, selecione três plantas estritamente dentro da Zona de Amostragem Destrutiva de 10 plantas, contornando continuamente as linhas de borda.
3. Escave cuidadosamente toda a planta, usando uma pá para soltar o solo em um raio de 30 cm, preservando o sistema radicular fino e os pequenos tubérculos em desenvolvimento.
4. Lave as plantas colhidas com água da torneira para remover toda a terra e detritos aderentes.
5. Separe a planta imediatamente em quatro frações distintas de órgãos: folhas (incluindo lâminas), pecíolos, caules (cipós) e raízes de armazenamento (tubérculos).
   NOTA: Separe raízes fibrosas finas das raízes de armazenamento com base no diâmetro (>5 mm para raízes de armazenamento).
6. Pese imediatamente a massa fresca de cada fração de órgão para evitar perda de umidade.
7. Corte as amostras do caule e dos tubérculos em pequenos cubos (<1 cm) para facilitar a secagem uniforme; mantenha as folhas e pecíolos intactos, mas separados.
8. Coloque cada amostra de órgão em um saco de papel rotulado.

4. Determinação de matéria seca e análise química

1. Coloque os sacos de amostra em um forno de ar forçado.
2. Desative as enzimas aquecendo a 105 °C por 30 minutos.
3. Reduza a temperatura para 75 °C e seque as amostras até que um peso constante seja atingido (tipicamente 48–72 horas).
4. Pese as amostras secas para determinar o acúmulo de matéria seca (DMA) de cada órgão.
5. Moa as amostras secas usando uma fábrica de aço inoxidável e passe o pó por uma peneira de 0,25 mm.
6. Digerir 0,2 g das amostras em pó usando uma mistura 5:1 (v/v) de ácido sulfúrico concentrado (_H2SO₄) e 30% de peróxido de hidrogênio (_H2O₂) a 350 °C para extração de nutrientes.
7. Analisar o nitrogênio total para digestão usando o método de Kjeldahl ou um analisador elementar automático; fósforo total usando o método colorimétrico amarelo de molibdato de vanádio; potássio total usando fotometria por chama.
8. Calcule o acúmulo de nutrientes ($NA$, kg·^ha-1) usando a fórmula:
   NA = (2)

5. Análise de dados e ajuste de modelos

1. Calcule o Índice de Colheita (HI) e o Coeficiente de Partição Radicular para quantificar a alocação de biomassa aos órgãos econômicos.
2. Ajuste os dados de acumulação de nutrientes radiculares de planta inteira e armazenamento à equação de crescimento logístico usando a função de mínimos quadrados não lineares ('nls') no software R:
   Y = (3)
   Onde Y é a acumulação, A é a acumulação teórica máxima, k é o coeficiente de taxa de crescimento e t₀ é o tempo do ponto de inflexão.
3. Derive parâmetros secundários programaticamente: duração da fase rápida (T_rápido) e a taxa máxima (R_máx) usando as fórmulas derivadas: t₁₀ =_{t 0} – ; t₁₀ =_{t 0} + ; T_rápido =_{t 90} –^{t 10}; R_máximo = 
4. Calcule o Equilíbrio Aparente de Nutrientes (B) para cada parcela, onde a 'Remoção Total da Cultura' é definida estritamente como a massa total de nutrientes permanentemente exportada do campo por meio das raízes de armazenamento comercial e não comercial colhidas (excluindo as videiras deixadas no campo):
   B = Entrada total – Remoção total de culturas (4)
   NOTA: "Remoção Total de Culturas" é estritamente definida como a massa total de nutrientes exportada permanentemente do campo por meio de raízes comerciais e não comerciais de armazenamento. Brotos acima do solo deixados no campo como resíduos de cultura são excluídos do cálculo da remoção.
5. Realize análise estatística usando um Modelo Linear de Efeitos Mistos (LMM) em R (por exemplo, pacote 'lme4') para considerar os dois fatores (tratamento × estação) e medidas repetidas ao longo do tempo (8 coleções), definindo 'Tratamento' e 'Estação' como efeitos fixos, e 'Plot' como efeito aleatório.

Results

Características básicas do solo e variações sazonais

A Tabela 1 apresenta as propriedades fisicoquímicas do solo superficial (0–20 cm) determinadas antes do transplante tanto na primavera quanto no outono. A análise revela que características fundamentais do solo, incluindo pH (mantido dentro de uma faixa fracamente ácida de 6,38–6,42), teor de matéria orgânica e densidade a granel, permaneceram estatisticamente estáveis entre...

Discussion

A implementação do protocolo de Fertilização de Precisão em Etapas (SPF) demonstra que a formação de alto rendimento em sistemas de batata-doce de dupla estação depende fortemente da sincronização da entrega de nutrientes com a demanda fisiológica das^{culturas 26,27}. Os resultados confirmam que o ritmo de fornecimento é tão crítico quanto a dosagem total. Ao utilizar o protocolo passo a passo, mitigamos efetivamente o equilíbrio c...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Peneira analítica (0,25 mm)	Retsch	AS200	Padronização do tamanho das partículas
Superfosfato de cálcio	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 12% P2O5	Fonte de fósforo
Fertilizante composto (N– P2O5– K2O)	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	Formulação personalizada	Usado para fertilização de precisão em etapas
Sistema de blocos de digestão	Gerhardt	Kjeldatherm	Digestão ácida de material vegetal
Sistema de irrigação por gotejamento e fertigação	Netafim	Sistema agrícola padrão	Tratamento opcional de fertigação
Forno de secagem (ar forçado)	Memmert	UF110	Secagem da amostra a 75– 105 & deg; C
Balanço eletrônico	Mettler Toledo	MS204S	Usado para pesagem precisa de fertilizantes
Fotômetro de chama	Sherwood Scientific	Modelo 420	Determinação do potássio
Analisador de nitrogênio Kjeldahl	Foss	Kjeltec 8400	Determinação do nitrogênio total
Sacolas de amostras de papel	Whatman	Grau 1	Secagem e armazenamento de amostras de plantas
Sulfato de potássio	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 50% K2O	Fonte de potássio para o estágio de volume
Sem-fin do solo	Eijkelkamp	Arato Edelman	Amostragem de solo (0– 20 cm de profundidade)
Pá e ferramentas manuais	Fornecedor agrícola local	—	Amostragem destrutiva de plantas inteiras
Esmerilhadora de usina de aço inoxidável	Retsch	ZM200	Moagem de amostras secas de plantas
Software de análise estatística	Fundação R	R versão 4.3.0	Ajuste de modelos logísticos e ANOVA
Material de plantio de batata-doce (Ipomoea batatas L.)	Fornecedor local certificado de sementes	—	Cultivar uniforme usado para experimentos de campo em dupla estação
Ureia (fertilizante de N)	Sinofert Holding Co., Ltd. (China)	≥ 46% N	Fonte de nitrogênio para aplicação dividida
UV– Espectrofotômetro Vis	Shimadzu	UV-1800	Análise colorimétrica de fósforo