Acima de tudo, o impacto negativo no solo está a prejudicar a agricultura a tal ponto que já não é possível cultivar plantas. Isto representa um golpe para o abastecimento alimentar estável. É também essencial agir o mais rapidamente possível em relação ao solo negativamente afetado para alcançar uma agricultura sustentável.

O tsunami resultante do Grande Terramoto do Leste do Japão, em 2011, causou extensos danos nas terras agrícolas do Japão. Havia preocupações com os danos causados ​​pelo sal nas culturas devido à intrusão de água do mar. Por conseguinte, como parte do projecto de recuperação do desastre, foram realizados trabalhos de dessalinização nas terras agrícolas afectadas numa vasta área. Foi também conduzido um teste demonstrativo para monitorizar a salinidade utilizando sensores de solo nas terras agrícolas após a dessalinização. Qual o potencial das tecnologias de sensorização para contribuir para a agricultura? Estivemos à conversa com Hitoshi Kanno, antigo professor associado da Escola de Pós-Graduação da Universidade de Tohoku, para uma visão geral do trabalho de dessalinização e da utilização de tecnologias de deteção na agricultura inteligente.

Que danos causa o aquecimento global ao solo e aos produtos agrícolas?

Diz-se que os danos causados ​​pelo sal prejudicam gravemente a agricultura. Qual a importância do solo para a agricultura?

Alguns solos são adequados para o cultivo, enquanto outros não. Mesmo quando dizemos simplesmente "adequado para o cultivo", devem ser considerados diversos fatores. Em relação aos aspetos físicos, por exemplo, é importante que o solo tenha uma boa drenagem e que não haja problemas com o crescimento das raízes. Além disso, em termos de aspetos químicos, é importante que possa fornecer adequadamente os nutrientes necessários às culturas. Ademais, a diversidade de microrganismos e outros organismos vivos é crucial para evitar desequilíbrios nas propriedades do solo, garantindo que apenas agentes patogénicos específicos prosperam.

Na verdade, categorizar o solo desta forma não é simples. As propriedades do solo adequadas para a agricultura variam consoante o uso pretendido.

-- Diga-nos especificamente que tipo de investigação realiza na sua especialidade de ciência do solo.

A ciência do solo é uma disciplina que promove a investigação sobre como se forma o solo, a sua composição, as suas características e como utilizá-lo. Entre estes temas, a minha especialidade é a ciência da fertilização do solo. A minha investigação tem-se centrado principalmente na forma como o crescimento das plantas e a absorção de nutrientes se alteram através da interação entre o solo e as culturas.

As alterações climáticas estão a espalhar-se pelo mundo devido ao impacto do aquecimento global. Neste contexto, quais são os problemas enfrentados pela ciência do solo?

No Japão, os danos causados ​​pelas chuvas intensas e outros eventos climáticos são frequentemente atribuídos ao aquecimento global. No entanto, também existem regiões em todo o mundo preocupadas com a diminuição das chuvas devido ao impacto das alterações climáticas. A acumulação de sal no solo e os consequentes danos nas culturas tornaram-se problemas significativos nestas áreas.

Porque é que o sal causa danos quando chove pouco?

Nas zonas húmidas, onde chove durante todo o ano, a quantidade de chuva é superior à quantidade de água que evapora da superfície do solo. Isto significa que é menos provável que o sal permaneça no solo. No entanto, nas zonas semiáridas, a quantidade de água subterrânea que sobe à superfície e evapora é superior à quantidade de chuva. Como resultado, o sal contido na água subterrânea permanece junto à superfície do solo (acumulação de sal), e esta torna-se a causa dos danos nas culturas. A irrigação inadequada também pode causar a acumulação de sal nas terras agrícolas.

Quando ocorre dano por salinidade, as propriedades do solo alteram-se. Isto também afeta o crescimento dos produtos agrícolas.

Os principais efeitos dos danos causados ​​pelo sal nos produtos agrícolas são a inibição da absorção de humidade e a perturbação significativa do equilíbrio de nutrientes devido ao impacto da salinidade acumulada no solo. Consequentemente, as culturas não conseguem absorver adequadamente os nutrientes necessários.

As propriedades físicas e biológicas do solo também podem ser afetadas. Consequentemente, se houver acumulação de sal, o solo torna-se inadequado para o cultivo.

Utilização de sensores de solo para avaliar os danos causados ​​pelo sal em áreas afetadas pelo tsunami após o Grande Terramoto do Leste do Japão

-- As terras agrícolas localizadas principalmente ao longo da costa do Oceano Pacífico, na região de Tohoku, foram severamente danificadas pelo tsunami resultante do Grande Terramoto do Leste do Japão em 2011. Além dos danos causados ​​pela destruição das instalações de irrigação e drenagem, pelo influxo de detritos estrangeiros, como entulho, e pelo escoamento do solo, havia fortes preocupações de que a produção agrícola fosse afetada pela intrusão de água do mar (danos causados ​​pelo sal) (Fotografia 1).

Foto 1: Solo de um arrozal onde ocorreu erosão e acumulação de sal devido ao tsunami resultante do Grande Terramoto do Leste do Japão.

Este é um caso extremamente raro no Japão de danos causados ​​pela intrusão de água do mar numa vasta área. A salinidade do solo aumentou temporariamente, impossibilitando o cultivo. Por conseguinte, foi realizado um trabalho de dessalinização em grande escala como parte de um projeto de recuperação de desastres para permitir que a água doce penetrasse e removesse o sal do subsolo.

O procedimento básico para os arrozais consistia em esperar repetidamente que o nível da água baixasse alguns dias após o enchimento com água doce e, em seguida, medir a salinidade do solo antes de adicionar mais água doce, caso a salinidade ainda fosse demasiado elevada. Este procedimento reduzia a salinidade do solo para um nível (valor padrão) que não representava um problema para a produção agrícola.

O trabalho de dessalinização foi realizado principalmente ao longo de três anos, a partir de 2011, através de um projeto de recuperação de desastres. O primeiro ano concentrou-se nas regiões do interior afetadas pela intrusão de água do mar. O segundo e o terceiro anos mudaram, então, o foco para as regiões costeiras severamente danificadas pelo tsunami. No final, a dessalinização foi concluída em quase 99% das áreas de recuperação de desastres.

Os sensores de solo foram utilizados para medir a salinidade ao longo do tempo em terrenos agrícolas após a dessalinização, não foi?

A Universidade de Tohoku e a Murata Manufacturing realizaram conjuntamente o Experimento de Demonstração de Sensores Multimodais em Terras Agrícolas Afetadas pelo Tsunami em 2013, dois anos após o terramoto. Nesta experiência, os agricultores de três áreas afetadas pelo desastre na província de Miyagi foram convidados a realizar a monitorização inserindo sensores de solo em alguns dos seus arrozais onde os trabalhos de dessalinização tinham sido concluídos. Os sensores de solo foram enterrados a profundidades de 10 cm, 20 cm e 30 cm, respetivamente, em múltiplos pontos de um arrozal após a plantação. A experiência de demonstração prosseguiu utilizando um sistema de monitorização ambiental sem fios que continuou a recolher dados via comunicação sem fios durante toda a colheita.

Os sensores de solo que utilizámos na experiência de demonstração são capazes de monitorizar simultaneamente a temperatura e a condutividade elétrica (CE) do solo*1. Trata-se de um sensor de solo multimodal*2. Quanto maior for o teor de sal no solo, mais fácil é a condução da eletricidade. Com base neste conhecimento, utilizámos os valores de CE medidos como indicador de salinidade do solo e, de seguida, observámos as suas variações.

*1: Refere-se à condutividade elétrica. Indica a facilidade com que a eletricidade flui. A unidade é S/m (siemens por metro). O fluxo de corrente também varia devido às diferenças na concentração de iões na humidade do solo. Por isso, torna-se um indicador de salinidade.

*2: Este sistema permite o processamento simultâneo de múltiplos pontos de dados. Nesta experiência de demonstração foram utilizados sensores multimodais com funções de sensor de temperatura e condutividade elétrica.

-- Por favor, explique especificamente como mediu as alterações na salinidade utilizando sensores de solo na experiência de demonstração.

Inicialmente, os dados de temperatura e condutividade elétrica (CE) do solo, medidos por sensores a cada 30 minutos, eram transmitidos sem fios para a unidade base do sistema de monitorização ambiental sem fios instalado junto aos arrozais e armazenados num cartão de memória. De duas em duas semanas, íamos aos arrozais recolher os cartões de memória. Os dados eram importados para um computador e as alterações nos valores numéricos eram observadas. Além disso, durante a recolha dos cartões de memória, os valores de CE do solo eram medidos por um método convencional, com amostras recolhidas a diferentes profundidades. Estas amostras eram recolhidas através de um trado, inserido nas zonas onde estavam instalados os sensores. As medições eram também comparadas com os valores de CE obtidos pelos sensores (Foto 2).

Foto 2: Sistema de monitorização ambiental sem fios que recolhe dados sem fios dos sensores de solo [Canto superior esquerdo: sensor de solo multimodal / Canto superior direito: módulo sem fios da unidade de extensão instalada no arrozal em teste (três destes sensores estão enterrados no solo e ligados por cabo) / Canto inferior direito: sensores enterrados no solo / Canto inferior esquerdo: unidade base no canteiro do arrozal].

— Que tipo de possibilidades de utilização dos sensores descobriu com esta experiência de demonstração?

Podemos obter diversos dados em simultâneo e continuamente a partir de múltiplos pontos utilizando sensores de solo e o sistema de monitorização ambiental sem fios. Isto permite-nos também analisar os factores ambientais por detrás das flutuações, bem como as alterações na salinidade em cada local e profundidade. Acredito, por exemplo, que será possível observar com precisão os riscos de danos por salinidade devido ao impacto e outros efeitos das alterações climáticas e dos processos de trabalho agrícola, como após chuvas ou durante a drenagem de um arrozal em preparação para a colheita. Felizmente, não observámos qualquer aumento problemático da salinidade durante a estação de crescimento em nenhum dos arrozais que utilizámos nesta experiência de demonstração.

O desafio de utilizar sensores na agricultura inteligente: ligar dados a ativos históricos

-- Qual a sua opinião sobre a importância das tecnologias de deteção na agricultura inteligente do futuro?

Conseguir obter dados continuamente a cada 30 minutos na experiência de demonstração de 2013 foi uma experiência inédita para mim. O método convencional para medir a condutividade elétrica (CE) do solo envolvia a medição da CE da suspensão aquosa na amostra de solo recolhida. Tínhamos de ir ao local de medição a cada recolha. A frequência de medição era de uma vez por semana ou uma vez por mês. Era impossível medir o solo continuamente sem sensores. Por outras palavras, a utilização de sensores facilita a obtenção de grandes quantidades de dados agrícolas. Acredito que isto será extremamente importante para a agricultura inteligente no futuro.

No entanto, o método para medir a CE utilizando sensores do solo é, na realidade, ligeiramente diferente do método utilizado para medir a CE do solo na avaliação da salinidade na agricultura. Normalmente, medimos o valor da CE (valor da CE do solo) da suspensão aquosa, que é uma mistura de água e solo, e depois usamos este valor como guia para a salinidade do solo. Contudo, o valor da CE obtido por sensores de solo deriva de uma função complexa da salinidade da água dos poros e de diversas características do solo. Consequentemente, a relação entre o valor da CE do solo e o valor da CE obtido por um sensor de solo pode variar em função do tipo de solo e das diferenças no estado hídrico. Assim sendo, creio que o desafio reside em compreender detalhadamente a relação entre ambos.

-- Como é que esta lacuna na relação de dados será preenchida no futuro?

Em pesquisas futuras, precisaremos de ligar a grande quantidade de dados de solo recolhidos no passado com os dados recolhidos recentemente pelos sensores. A Experiência de Demonstração para a Análise dos Fatores que Afetam a Tolerância ao Sal do Arroz de Raízes Superficiais no Solo será realizada de junho de 2022 a março de 2023. Ouvi dizer que novos dados serão compilados e ligados aos dados anteriores utilizando os novos e avançados sensores de solo desenvolvidos em conjunto pela Universidade de Tohoku e pela Murata Manufacturing.

Abordar os desafios um a um levará também à concretização da transformação digital (TD) e da agricultura inteligente no setor agrícola, bem como a outros avanços.

O solo não se altera rapidamente. Por conseguinte, a análise do solo geralmente não exige a recolha de dados em tempo real a esta escala. No entanto, a investigação sobre modelos de crescimento das culturas requer dados diversos (temperatura, teor de humidade, radiação solar, direcção do vento e quantidade e teor de fertilizantes) para observar as diferenças que surgem na produtividade (a quantidade de colheita). Os modelos de produção agrícola são construídos há muito tempo utilizando valores médios de temperatura do ar, temperatura do solo e teor de humidade durante um período específico.

A utilização de dados observados através do sistema de monitorização ambiental, incluindo sensores de solo e outras tecnologias, contribuirá significativamente para esta investigação. Se conseguirmos obter uma grande quantidade de dados em tempo real utilizando múltiplos sensores, seremos capazes de fazer previsões de produtividade ainda mais precisas. Será também possível considerar medidas para corrigir modelos de crescimento anteriores, e acredito que isso impulsionará a nossa investigação.

AUTOR: Hitoshi Kanno, MURATA