Precision agriculture in sugar cane: instrumentation of a harvester, yield and soil attributes mapping

Orientador: Paulo Sergio Graziano MagalhaesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia AgricolaResumo: A presente pesquisa visa instrumentar uma colhedora de cana-de-açúcar para obtenção de mapas de produtividade da cultura e ao mesmo tempo, avaliar e correlacionar os atributos físicos e químicos do solo com os dados de produtividade. Os mapas foram elaborados para uma área de 42 ha da Usina São João Açúcar e Álcool localizada em Araras, SP. O sistema de mapeamento de produtividade de cana-de-açúcar desenvolvido (SIMPROCANA) utiliza células de carga como instrumento de determinação do peso do material colhido e é capaz de mensurar o fluxo de rebolos que passa pela esteira antes de serem lançados ao veículo de transbordo. Estes dados, juntamente com as informações obtidas por um Sistema de Posicionamento Global (GPS) instalado na colhedora, permitem, com o auxilio de um Sistema de Informação Geográfica ¿ SIG, a elaboração de mapa digital que representa a superfície de produção para a área colhida. Este sistema foi testado em laboratório e em campo. O SIMPROCANA representou satisfatoriamente a variabilidade espacial da produtividade da cultura. O peso obtido por esse sistema, comparado com o da carga de cana na balança da usina, apresentou um erro médio de 0,96% com um máximo de 6,4%. O resultado deixa de ser satisfatório quando se compara o peso obtido pelo SIMPROCANA com aquele proveniente do transbordo pesado no campo. O erro médio associado nesse caso é aproximadamente dez vezes maior quando se faz a associação com o peso na balança da usina. Os mapas dos atributos físicos e químicos do solo (granulometria, macro e micronutrientes, acidez, densidade e resistência à penetração) foram confeccionados com base em duas amostragens em anos consecutivos. Na primeira, com o auxílio de um veículo amostrador, foram coletadas 170 amostras na área de 42 ha em uma malha regular de 50 x 50 m. Na segunda, coletou-se 49 amostras em malha de 100 x 100 m definida em base nos alcances máximos obtidos pela análise geoestatística da primeira amostragem. Os resultados da primeira amostragem foram correlacionados com a produtividade da cana-de-açúcar obtida pela pesagem dos transbordos em campo. Esse método alternativo de avaliação permitiu a utilização dos resultados da primeira amostragem, uma vez que a colhedora não estava devidamente instrumentada. Os dados da segunda amostragem foram relacionados ao mapa de produtividade obtido pelo SIMPROCANA. Os resultados das análises físicas e químicas usados para a construção dos modelos dos semivariogramas se ajustaram melhor para a malha de 50 x 50 m do que à de 100 x 100 m. As correlações entre produtividade e atributos do solo apresentaram valores baixos. Os maiores índices ocorreram para as variáveis cobre (0,55), altitude (-0,47%) e teor de argila (0,51%). Apesar dessas baixas correlações, foi possível recomendar uma aplicação variada de insumos baseando-se exclusivamente nas informações dos atributos químicos do solo. Simulações mostraram que os custos de aplicação em taxa variada de fertilizantes fosfatados e potássicos são praticamente 50% menores do que o valor calculado para a taxa fixa. Em relação à calagem não houve variação significativa nos custos de aplicação do calcário pelas duas maneirasAbstract: The present research aims to instrument a sugarcane harvester in order to obtain the crop yield maps and, at the same time, evaluate and correlate the physical and chemical attributes of the soil using the yield data. In order to obtain these maps, an area measuring 42 ha located at São João Sugar and Alcohol Mill in Araras, São Paulo, Brazil. The yield mapping system of sugarcane crop developed (SIMPROCANA) uses load cells as an instrument to weighing the harvested material and it is capable to measure the flow passing by the matting before being launched to the transport vehicle. These data, together with the information obtained by a Global Positioning System (GPS) installed on the harvester, allow the elaboration of a digital map with the help of a Geographical Information System - GIS that represents the production on the surface for the harvested area. This system was tested under laboratory and field conditions. SIMPROCANA represented satisfactorily the spatial variability of the crop yield. The weight obtained by this system compared with that of sugarcane load in a mill's scale presented an average error of 0.96%, with a maximum of 6.4%. The result is not satisfactory anymore when it compares the weight obtained by using SIMPROCANA with that from the transportation vehicle weighed in the field. The average error associated in this case is around ten fold higher, when the association with the weight obtained in the mill's scale is performed. In relation to the making of map of physical and chemical attributes of soil (granulometry, macro and micronutrients, acidity, density, and resistance to penetration), two samplings were made in consecutive years. In the first sampling, 170 samples were collected in a 42 ha area in a regular grid of 50 x 50 m, helped by a sampler vehicle. In the second one, 49 samples in a 100 x 100 m grid defined by the maximum reaching obtained by geostatistics analysis performed at the first sampling. The results of the first sampling were correlated with the sugarcane yield obtained by means of weighing the transport vehicle in the field. This alternative method allowed the using of the results from the first sampling once the harvester was not properly instrumented. The data from the second sampling were related to the yield mapping obtained by using SIMPROCANA. The results of the physical and chemical analyses used for the construction of semivariograms models adjusted better at the 50 x 50 m grid when compared to that of 100 x 100 m. the correlations between the yield and the soil attributes presented lower values. The higher indexes occurred for the variable altitudes (- 0.47%), clay rate (0.51%), and copper (0.55). Despite these low correlations, it was possible to recommend a varied rate application of inputs based exclusively on the information obtained from the chemical attributes of the soil. Simulation tests showed that the application costs under a varied rate of phosphated and potash fertilizers are practically half of the value calculated for a fixed rate. In relation to the liming, there was not significative variation in the prices of lime application spread by both methodsDoutoradoMaquinas AgricolasDoutor em Maquinas Agricola

Comparison of Elastic Constants of Wood Determined by Ultrasonic Wave Propagation and Static Compression Testing

In Brazil, most reports on the elastic properties of wood include only the elastic modulus in the longitudinal direction. This is because of the difficulty in determining other properties through static testing. The purpose of this study was to evaluate the methodology for determining the three Young's moduli (EL, ER, ET), the three shear moduli (GLR, GLT, GRT), and the six Poisson ratios (VLR, VLT, VRL, VRT, VTL, VTR) using ultrasonic technology. For testing, we used specimens in the form of cubic prisms from the following species: Garapeira (Apuleia leiocarpa), Cupiuba (Goupia glabra), and Sydney Blue gum (Eucalyptus saligna). The ultrasonic tests were performed with plane transducers of longitudinal and transverse waves, both with a 1-MHz frequency. For comparison, the same specimens were tested by static compression. Based on the confidence intervals of the means, the results of the ultrasonic test produced values of longitudinal elasticity moduli (EL, ER, and ET) and shear moduli (GTR, GTL, and GLR) statistically equivalent to those obtained with static compression. In the case of the Poisson ratio, the results, using the confidence intervals, indicated that VRL, VLR, and VLT were not statistically equivalent to those obtained in static tests for any of the species. Conversely, VTL, VTR, VRT, were statistically equivalent to those obtained in static tests for all the species. In conclusion, the ultrasonic test for determining the Young's and shear moduli of wood was found to be simpler and less expensive than the static compression test, and the results are equally useful

Estoques de carbono e nitrogênio no solo devido a mudança do uso da terra em áreas de cultivo de café em minas gerais

The type of previous land use to the coffee cultivation and the adopted management practices of coffee pruning may affect the dynamics of soil carbon (C) and nitrogen (N). Thus, the aim of this study was to quantify soil C and N stocks in the three main coffee production regions of Minas Gerais State, evaluating different management systems and coffee cultivation time compared to cultivated pastures. For the calculation of C and N stocks, soil samples were collected to determine the content of C and N, in addition to soil density at different depths. Evaluated situations included management of coffee areas with and without pruning, and the type of previous land use to the coffee crop currently in the areas (i.e. pasture or coffee). The results indicated that coffee cultivation under grazing areas along with the adoption of good agricultural practices such as proper management of pruning and good weed control led to the maintenance of soil C and N stocks over time. Through this fact, it is possible to state that coffee cultivation positively affects soil health.O tipo de uso da terra anterior ao plantio de café e o manejo de podas adotado no cafezal podem condicionar a dinâmica do carbono (C) e do nitrogênio (N) no solo. Desta forma, o objetivo neste trabalho foi quantificar os estoques de C e N do solo nas três principais regiões produtoras de café de Minas Gerais, avaliando diferentes sistemas de manejo e cultivo do café em comparação com pastos cultivados. Para o cálculo dos estoques foram coletadas amostras de solo para determinação dos teores de C e N, além da densidade em diferentes profundidades. As avaliações incluem manejo das áreas com e sem podas, e o tipo de uso da terra anterior ao cultivo do café. Os resultados indicam que o cultivo do café sobre áreas de pastagem, com adoção de boas práticas agrícolas como um manejo adequado de podas e bom controle do mato, propicia a manutenção dos estoques de carbono e nitrogênio do solo. Através deste fato pode-se mencionar que a cafeicultura reflete positivamente na saúde do solo

Development of a variable rate lime application system.

As distribuidoras de calcário convencionais existentes no mercado são projetadas para distribuir o calcário em doses constantes, sem levar em consideração a variabilidade espacial existente no terreno. A presente pesquisa teve como objetivo, projetar e construir um sistema de aplicação localizada de calcário a taxas variáveis. Este sistema, possibilita a distribuição diferenciada de calcário no solo. Isto é possível porque as coordenadas geográficas da distribuidora de calcário são obtidas através do Sistema de Posicionamento Global Diferencial - ("Differential Global Positioning System" - DGPS) e, essas coordenadas, juntamente com as informações de velocidade da máquina e um mapa de prescrição da quantidade de calcário para cada ponto da área, são transferidas para um microcomputador que regula automaticamente a máquina, para aplicar a quantidade adequada de calcário que o terreno deve receber. A distribuição deste insumo no solo foi regulada por um dispositivo dosador, controlado por um motor de passo. Este recebe os impulsos elétricos provenientes de uma interface de potência, controlada pelo microcomputador. A confirmação do posicionamento do dispositivo dosador foi feita através de um sensor potenciométrico. Utilizou-se a linguagem de programação C++ para confeccionar o programa de controle do sistema, o qual foi submetido a ensaios para avaliar sua acurácia. No ensaio para determinação do tempo de resposta pode-se observar que transições de maior dosagem para menor, o tempo de resposta foi menor do que para transições de menor dosagem para maior. Nos ensaios de verificação da quantidade de calcário efetivamente aplicada no solo, o erro observado entre quantidade desejada e a realmente aplicada não ultrapassou 3%. Através dos resultados obtidos nos ensaios, pode-se concluir que o sistema está funcionando de acordo com o proposto.Most of the conventional lime spreaders available in the Brazilian market distribute lime at fixed rates without considering the spatial variability feature of the field. The purpose of this study was to design and build a variable rate lime application system. The developed system calculates the geographic coordinates of the lime spreader position obtained by a Differential Global Positioning System (DGPS). These coordinates, information on the machine speed and a prescription map of the quantity of lime needed for each area within the field are transferred to a computer. The program in the computer automatically adjusts the position of the machine metering device using a step motor driven by electric impulses generated by an electronic interface. The metering device position was checked through potentiometric sensors. The C++ programming language was used to write the control program for the system, which was tested to evaluate its accuracy. The tests demonstrated a shorter response time when changing from larger to smaller application rates than when changing from smaller to larger rates. In the test to verify the amount of lime effectively applied on the soil, the observed error between the desired amount and the real amount applied did not exceed 3%. The results of the tests indicate that the system operates according to the established goals

Correlação de atributos físicos e químicos do solo com a produtividade de cana-de-açúcar

O objetivo deste trabalho foi avaliar as correlações entre a produtividade da cana‑de‑açúcar e alguns atributos físicos e químicos do solo. Para isso, uma área de 42 ha, em Araras, SP, foi selecionada. As propriedades do solo foram determinadas a partir de amostras coletadas no início da safra 2003/2004, por meio de uma graderegular de 100x100 m. A produtividade foi avaliada por meio de um monitor de produtividade (Simprocana). Análises de correlação foram realizadas entre a produtividade da cana‑de‑açúcar e as seguintes propriedades do solo: pH, pH CaCl2, N, C, índice de cone, teor de argila, matéria orgânica, P, K, Ca, Mg, H + Al, capacidadede troca catiônica e saturação por bases. Os coeficientes de correlação foram respectivamente de ‑0,05, ‑0,29, 0,33, 0,41, ‑0,27, 0,22, 0,44, ‑0,24, traço, ‑0,06, 0,01, 0,32, 0,14 e 0,04. As correlações de atributos químicos e físicos do solo com a produtividade da cana‑de‑açúcar são baixas, por si mesmas, e não são capazes deexplicar a variação na produtividade da cana‑de‑açúcar, o que indica que, além das propriedades do solo, outras variáveis devem ser analisadas

Correlação de atributos físicos e químicos do solo com a produtividade de cana-de-açúcar

The objective of this work was to evaluate the correlation between sugarcane yield and some physical and chemical attributes of soil. For this, a 42‑ha test area in Araras, SP, Brazil, was used. Soil properties were determined from samples collected at the beginning of the 2003/2004 harvest season, using a regular 100x100 m grid. Yield assessment was done with a yield monitor (Simprocana). Correlation analyses were performed between sugarcane yield and the following soil properties: pH, pH CaCl2, N, C, cone index, clay content, soil organic matter, P, K, Ca, Mg, H+AL, cation exchange capacity, and base saturation. Correlation coefficients were respectively ‑0.05, ‑0.29, 0.33, 0.41, ‑0.27, 0.22, 0.44, ‑0.24, trace, ‑0.06, 0.01, 0.32, 0.14, and 0.04. Correlations of chemical and physical attributes of soil with sugarcane yield are weak, and, per se, they are not able to explain sugarcane yield variation, which suggests that other variables, besides soil attributes, should be analysed.O objetivo deste trabalho foi avaliar as correlações entre a produtividade da cana‑de‑açúcar e alguns atributos físicos e químicos do solo. Para isso, uma área de 42 ha, em Araras, SP, foi selecionada. As propriedades do solo foram determinadas a partir de amostras coletadas no início da safra 2003/2004, por meio de uma grade regular de 100x100 m. A produtividade foi avaliada por meio de um monitor de produtividade (Simprocana). Análises de correlação foram realizadas entre a produtividade da cana‑de‑açúcar e as seguintes propriedades do solo: pH, pH CaCl2, N, C, índice de cone, teor de argila, matéria orgânica, P, K, Ca, Mg, H + Al, capacidade de troca catiônica e saturação por bases. Os coeficientes de correlação foram respectivamente de ‑0,05, ‑0,29, 0,33, 0,41, ‑0,27, 0,22, 0,44, ‑0,24, traço, ‑0,06, 0,01, 0,32, 0,14 e 0,04. As correlações de atributos químicos e físicos do solo com a produtividade da cana‑de‑açúcar são baixas, por si mesmas, e não são capazes de explicar a variação na produtividade da cana‑de‑açúcar, o que indica que, além das propriedades do solo, outras variáveis devem ser analisadas.613620Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq

Assessing the greenhouse gas emissions of Brazilian soybean biodiesel production.

Soybean biodiesel (B100) has been playing an important role in Brazilian energy matrix towards the national bio-based economy. Greenhouse gas (GHG) emissions is the most widely used indicator for assessing the environmental sustainability of biodiesels and received particular attention among decision makers in business and politics, as well as consumers. Former studies have been mainly focused on the GHG emissions from the soybean cultivation, excluding other stages of the biodiesel production. Here, we present a holistic view of the total GHG emissions in four life cycle stages for soybean biodiesel. The aim of this study was to assess the GHG emissions of Brazilian soybean biodiesel production system with an integrated life cycle approach of four stages: agriculture, extraction, production and distribution. Allocation of mass and energy was applied and special attention was paid to the integrated and non-integrated industrial production chain. The results indicated that the largest source of GHG emissions, among four life cycle stages, is the agricultural stage (42-51%) for B100 produced in integrated systems and the production stage (46-52%) for B100 produced in non-integrated systems. Integration of industrial units resulted in significant reduction in life cycle GHG emissions. Without the consideration of LUC and assuming biogenic CO2 emissions is carbon neutral in our study, the calculated life cycle GHG emissions for domestic soybean biodiesel varied from 23.1 to 25.8 gCO2eq. MJ-1 B100 and those for soybean biodiesel exported to EU ranged from 26.5 to 29.2 gCO2eq. MJ-1 B100, which represent reductions by 65% up to 72% (depending on the delivery route) of GHG emissions compared with the EU benchmark for diesel fuel. Our findings from a life cycle perspective contributed to identify the major GHG sources in Brazilian soybean biodiesel production system and they can be used to guide mitigation priority for policy and decision-making. Projected scenarios in this study would be taken as references for accounting the environmental sustainability of soybean biodiesel within a domestic and global level

Schematic representation of the four pathways for distribution of final B100.

<p>Schematic representation of the four pathways for distribution of final B100.</p

Main inputs and yield per hectare of soybean in Mato Grosso state, Brazil (growing season of 2007/08, 2008/09 and 2009/10).

<p>Main inputs and yield per hectare of soybean in Mato Grosso state, Brazil (growing season of 2007/08, 2008/09 and 2009/10).</p