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Espacios. Vol. 37 (Nº 31) Año 2016. Pág. 26

Estimativa da cobertura de gramíneas invasoras em área degradada de cerrado por meio do Software Imagej

Estimating cover of invasive grasses in savanna degraded area through the Imagej Software

Leonardo Palhares da SILVEIRA 1; Danielle PIUZANA 2; Israel Marinho PEREIRA 3; Marcio Leles Romarco de OLIVEIRA 4; José Barbosa dos SANTOS 5

Recibido: 08/06/16 • Aprobado: 30/06/2016

Conteúdo

1. Introdução

2. Histórico do uso do software ImageJ

3. Materiais e Métodos

4. Resultados e Discussão

5. Conclusão

Agradecimentos

Referências

1. Introdução

A progressiva perda da biodiversidade dos ecossistemas por processos antrópicos tem gerado preocupações, sendo, portanto, necessário utilizar práticas a fim de recuperar áreas  degradadas (ALMEIDA et al, 2011). Em algumas situações, o desmatamento não ordenado deu lugar a pastagens que, pela falta de manejo, evoluíram para áreas pouco produtivas, com forrageiras em baixa produção, mas suficiente para impedir o desenvolvimento de nova vegetação (PERON, EVANGELISTA, 2004). Por outro lado, espécies da família das gramíneas (Poaceae) têm sido recomendadas em processos iniciais de recuperação de tais áreas, uma vez que exercem um papel fundamental na cobertura do terreno, assim como na reconstituição de características físicas, químicas e biológicas do substrato (NOVÁK; PRACH, 2003; FAGERIA et al ,1991).

É comum o uso de espécies conhecidas popularmente como braquiária em processos de recuperação de áreas degradadas por serem perenes, resistentes, possuírem elevada produção de biomassa e adaptabilidade aos mais diversos ambientes (JAKELAITIS et al, 2004). Possuem elevada habilidade competitiva comparadas a espécies nativas, sobrevivendo e reproduzindo nas mais diversas condições de estresse ambiental. Além disso são de fácil disseminação e rápido crescimento (BRIGHENTI, 2001).

Tais características incorporam em uma área degradada a necessidade de um controle eficaz ao longo do tempo uma vez que dificultam o estabelecimento  de plantas nativas e competição direta de espécies vegetais mais exigentes (BAGGIO; CARPANESSI, 1987).

A análise da cobertura do substrato e/ou solo é empregada no processo de recuperação de uma área, seja quanto à dosagem adequada de aplicações de defensivos seja para controle de erosão acelerando quando o solo apresenta-se exposto ou, ainda, quanto à competição entre plantas daninhas e espécies presentes  (WILHELM et al, 2000). Tal análise deverá levar em consideração, para sua execução, o tamanho da área e objetivo da pesquisa, disponibilidade de material (plantas, mão-de-obra, equipamentos necessários, dentre outros) e o tipo e histórico de degradação, com o intuito de evitar transtornos no comprometimento do trabalho realizado. 

Estimativas do percentual de cobertura de um substrato podem ser obtidas por diferentes métodos, sendo os mais usuais divididos em duas classes: métodos destrutivos e não destrutivos. O primeiro utiliza-se de amostras coletadas em campo e tem como características principais a rapidez e precisão. O segundo não necessita de amostras físicas do material e demandam de acompanhamento do crescimento e desenvolvimento das espécies in loco, tratando-se, portanto, de uma vantagem ao se manter a integridade dos indivíduos analisados ao longo do tempo (MARTIN et al, 2013).

Há várias formas de quantificar as variáveis que influenciam a cobertura de um substrato e faz-se necessário comparações entre os diversos métodos avaliativos visando uma melhor precisão para resultados. Softwares de análise de imagem constituem importantes ferramentas auxiliares neste sentido (DIAS, 2008). Imagens digitais têm sido adquiridas com boa resolução de maneira fácil e rápida, por meio de câmeras digitais disponíveis no mercado (RICHARDSON et al, 2001). Tais imagens utilizadas em softwares permitem quantificação de variáveis, que consiste em obter informações numéricas da imagem que vem fornecendo resultados precisos e com relativa facilidade nas mais diversas áreas de conhecimento (TAVARES-JÚNIOR et al, 2002).

O software Image Processing and Analysis In Java (ImageJ) é uma ferramenta para processamento e análise de imagens. Com o software é possível editar, exibe e analisa em diversos formatos (extensões) e tem apresentado resultados satisfatórios em diversos tipos de análises (LAURECEN; CHROMY, 2010). Para a análise de cobertura do substrato por gramíneas é interessante utilizar métodos não destrutivos, pois há necessidade de acompanhamento de crescimento e proliferação de espécies sem necessidade da retirada de indivíduos.

Neste trabalho a aplicação de um método não destrutivo, com uso de imagens digitais analisadas pelo software ImageJ, objetivam auxiliar no entendimento do comportamento de gramíneas em área de Cerrado degradada no município de Diamantina, Minas Gerais, permitindo a avaliação de diferentes tipos de capina entre manual, mecânica e química.

2. Histórico do uso do software ImageJ

A utilização de ferramentas/softwares voltados para a análise de imagens científicas é comumente utilizada em diversas áreas da ciência, muitos deles de acesso livre e/ou uso gratuito, que proporcionam um menor custo final à pesquisa.

O ImajeJ é um destes softwares gratuitos, criado por Wayne Rasband (National Institutes of Health, EUA), utilizado em diversas áreas de conhecimento tais como astronomia, ciência de materiais, pedologia, climatologia, imagiologia médica e cristalografia (SCHNEIDER et al, 2012).  Seu uso nas Ciências Agrárias resume-se à análise foliar (RAMOS et al, 2015; SOUSA et al, 2015; MARTIN et al, 2008; SOMAVILLA et al, 2001) e a sua aplicação para estimativa de  cobertura do solo por gramíneas, realizada neste trabalho, é uma inovação do software para este fim.

A eficácia de suas análises tem demostrado que o ImajeJ pode se inserido nas mais diversas áreas científicas, promovendo novas técnicas e produção de conteúdo (SCHNEIDER et al, 2012). Uma vantagem é sua capacidade de  utilizar imagens em variados formatos de arquivo, tais como TIFF, GIF, JPEG, BMP, DICOM e FITS amplamente utilizados como imagens científicas.  O software ImageJ é, portanto, um dos pioneiros como ferramentas abertas para a análise de imagens científicas que utiliza de plataforma de processamento de imagem moderna em interface simples, permitindo ao usuário uma facilidade no entendimento dos recursos disponíveis. O programa possui uma única barra de ferramentas para o processamento de análises e manipulação das imagens (SCHNEIDER et al, 2012). 

3. Materiais e Métodos

3.1 Localização e caracterização da área de estudo

O estudo foi realizado em uma área em processo de recuperação localizada na Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Campus JK, a 18º12’15,4’’ – 18°12’17,54’’ S e 43º34’12,7’’ – 43°34’08,85’’ W. A área está situada no município de Diamantina, estado de Minas Gerais e inserido na mesorregião do Alto Jequitinhonha, Serra do Espinhaço Meridional (figura 1). A altitude média é de 1.296 m e temperatura média anual de 18,1ºC. O regime climático da região é tipicamente tropical, de acordo com a classificação de Köppen, como Cwb (temperado úmido), com inverno seco e chuva no verão e precipitação média anual de 1.400 mm (NEVES et al, 2005).

Figura 1
a)   Localização de Diamantina no estado de Minas Gerais.
b) Plano Diretor de Diamantina com Macrozonas Municipais referentes a possibilidades de uso.
Fonte: TECHNUM, 2009
c) fotografia aérea do Campus JK da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri.
Fonte: UFVJM.

Entre 1999 a 2002 a área em estudo foi destinada como aterro controlado (depósito de resíduos sólidos) da cidade de Diamantina. A partir de 2003 foi isolada e teve início plantio de espécies exóticas visando sua recuperação (MACHADO, 2009). Nos anos seguintes, espécies consideradas invasoras tais como Urochloa decumbes (Stapf) RD, Wabster (braquiária) e Melinis minutiflora P. Beauv. (capim gordura) ocupam grande parte da área. Para a execução desta pesquisa foi necessário fazer o controle das gramíneas por meio da aplicação de diferentes capinas: capina química, manual, mecânica e um tratamento duplo (mecânico+ químico) em 4 blocos, subdivididos em parcelas e sub-parcelas com predominância de Urochloa decumbes e Melinis minutiflora. Cada bloco é composto por 16 parcelas de 4m x 10m (40 m²) nos quais foram definidos, com a ajuda de uma moldura em ferro com dimensões de 0,05m X 1m X  1m, 3 áreas de 1 m2 cada dentro de cada parcela caracterizando as 48 sub-parcelas (Figura 2). Esta parte inicial do experimento ocorreu em Agosto de 2015.

Figura 2. Detalhamento de um dos 4 blocos experimentais. Cada bloco contem 16 parcelas e
48 sub-parcelas nas quais encontram-se demarcados os quadros de 1m x1m nos quais foram obtidas
as fotos deste trabalho. As cores dos círculos definem o tipo de capina realizado em cada
parcela: amarelo (capina química + mecânica); vermelho (capina mecânica);
azul (capina manual) e branco (capina química).

A capina química foi efetuada com auxílio de um pulverizador costal pressurizado a CO2 de 20l modelo Jacto-PJH para a aplicação do herbicida glyphosate (Roundup Original®, contendo 36% de glyphosate), na dosagem recomendada de 4,0 l/ha, com volume de solução de aproximadamente 7,5 litros de água por bloco (120 l/ha). O herbicida foi aplicado com as gramíneas estabelecidas no local que apresentavam cerca de 1m de altura em agosto de 2015. Para capina mecânica, foi utilizado roçadeira modelo KAWASHIMA TEKNA AL330TH motorizada à gasolina e para capina manual, enxada e rastelo.

A eliminação dos indivíduos de Urochloa decumbes e Melinis minutiflora  ocorreu no mês de agosto de 2015. Todos os indivíduos presentes na área em estudo foram retirados na capina manual, deixando o solo totalmente exposto (figura 3a).   Os materiais provenientes da capina mecânica e da capina química foram mantidos no local com intuito de não expor o solo (figura 3b, 3c).

Figura 3. Aplicação das diferentes capinas na área de estudo: a- Capina Manual; b- Capina Mecânica; c- Capina química.
Coleta de Dados

As imagens foram obtidas cerca de 100 dias após a intervenção na área por meio das capinas, em Dezembro de 2015. Imagens digitais foram registradas sob iluminação solar, a uma altura de aproximadamente 1 metro do solo, com uso de câmera digital Samsung, 13.0 mega pixels. Foram obtidas 192 imagens, sendo 3 imagens por parcela em cada bloco experimental as quais foram transferidas para o computador. Posteriormente, foi utilizado o software ImageJ© versão 1.49, de linguagem Java, disponível no site http://rsbweb.nih.gov/ij.

Pelo ImageJ© utilizou-se as partes verdes das folhas provenientes das espécies invasoras para mensuração e foram executados procedimentos para que a imagem mantivesse a escala adequada com o intuito de diminuir as incertezas e aumentar a precisão dos dados obtidos. Por meio das análises foram determinadas estimativas de porcentagem de área total ocupada pelas gramíneas (em preto) e salvas no formado TIFF (Tag Image File Format), ambiente usado no processo de binarização e análise das imagens (figura 4).

Figura 4: Interface do software ImajeJ para a estimativa de cobertura do substrato por gramíneas invasoras na área de pesquisa.

Os valores encontrados de percentagem de cobertura nas diferentes parcelas inseridas nos 4 blocos (1, 2, 3 e 4) foram submetidos à análise de variância. Para a separação dos contrastes de médias utilizou-se o teste de Tukey. Todas as análises estatísticas foram realizadas com o auxílio do software R© Version 3.2.3.

4. Resultados e Discussão

A análise das imagens pelo software ImageJ© realizadas nas parcelas do blocos experimentais nos quais se aplicou os diferentes tipos de capina (manual, mecânico, químico e químico+mecânico) analisados após 100 dias resultou em estimativa da percentagem de cobertura do solo por Urochloa decumbes e Melinis minutiflora , conforme Tabela 1 e Figura 5.

Tabela 1: Cobertura de Área Total por  Urochloa decumbes (Stapf) RD, Wabster e Melinis minutiflora P. Beauv,
nos Blocos 1, 2, 3 e 4 nos 4 tipos de tratamento (manual, mecânico, químico e químico+mecânico) após 100 dias
do início do experimento

O tratamento com capina química (herbicida glyphosate) proporcionou a menor percentagem de cobertura do solo, média de 5,9%, comprovando sua eficácia no controle de gramíneas invasoras quando comparados aos outros tratamentos executados nesse trabalho (Tabela 1, figuras 5,  6e, f).

Figura 5. Percentagem de cobertura do solo por Urochloa decumbes (Stapf) RD, Wabster e Melinis minutiflora P. Beauv referentes às parcelas em todos os blocos experimentais.

A eficiência desse tipo de capina foi demonstrada por Machado et al. (2012), em área próxima à desta pesquisa, na qual o uso de glyphosate diminuiu a germinação das espécies exóticas mais encontradas além de ter proporcionado o aparecimento de duas novas espécies (Sida rhombifolia e Spermacoce latifolia) não observadas em sua área de estudo antes da aplicação do herbicida. Em função de ser bastante sistêmico e sem ação no solo para vegetais em sucessão, associado ao baixo custo, o glyphosate tem sido o herbicida mais indicado para o controle de gramíneas em área para recuperação ou na renovação de pastagens (Santos et al, 2007).

 A capina manual proporcionou, após 100 dias, 9% de cobertura do solo pelas gramíneas invasoras (Tabela 1, figuras  5, 6a, b). A capina mecânica (Figuras 5, 6c, d)  e a correspondente ao  tratamento químico + mecânico (figuras 5, 6g, h) possibilitaram maiores percentuais de cobertura da área, com 13,6% e 12,8%, respectivamente.

A média da cobertura do solo após 100 dias dos diversos tipos de capina na área foi 11,5%, sendo que os resultados variaram de 0,1% a 45,4%, (Tabela 1).

Em estudo semelhante, na mesma área, utilizando o método de Braun-Blanquet (avaliações visuais a cada 14 dias por 96 dias) Machado et al, (2012) obtiveram médias de percentagem de cobertura de gramíneas que variou entre 73,33% em um primeiro ambiente e 57,00% em outro.

Figura 6:
À esquerda, imagens obtidas após 100 dias do início do experimento contendo a moldura utilizada para obtenção das imagens mensuradas nas parcelas nas quais foram aplicadas:  a)  capina manual; c) capina mecânica ; e) capina química  e g) aplicação da capina mecânica + química. À direita, imagens processadas no software ImageJ no formato TIFF (Tag Image File Format) correspondentes as diferentes capinas (b, d, f, h).

A análise de variância dos dados foi realizada pelo Teste F, cujos valores encontrados apontam para  uma diferença significativa entre a percentagem de cobertura nos tratamentos no período estudado (Tabela 2).

Tabela 2. Valores de F referentes à variável de percentagem de cobertura.

FV: Fonte de Variação; GL: Graus de Liberdade; CV: Coeficiente de Variação;  * Diferença significativa a 5% de significância.

No teste de comparação de médias usando Tukey a 5% de probabilidade de erro observa-se que o tratamento com maior média de percentagem de cobertura do substrato pelas gramíneas invasoras foi aquele submetido às capina mecânica + química, com valor de 14,8%,  semelhante ao encontrado para a as áreas com capina mecânica (14,5%). Valor encontrado para as áreas com capina química foi o que apresentou a menor média, 7,4% seguido do tratamento manual  com 9,0 % de cobertura (Tabela 3).

Tabela 3. Médias da percentagem de cobertura por meio do teste de Tukey a 5%.

Médias seguidas por mesma letra, não diferem entre si pelo teste de Tukey, a 5% de significância.

Machado (2009) em área adjacente à área deste trabalho comprovou que o estabelecimento de gramíneas exóticas causa diminuição nos processos de regeneração natural por serem essas plantas mais agressivas e inibirem a chegada e o desenvolvimento de espécies nativas. Espécies regenerantes encontradas por esse autor foram Acacia  mangium , Albizia lebbeck, Aloysia virgata, Baccharis dracunculifolia, Bauhimia variegata, Byrsonima guilleminiona, Caesalpinea pluviosa, Campomaneesia ssp., Casearia sylvestris, Cedrela fissilis , Ceiba speciosa , Clitoria fairchildiana , Copaifera langsdorffii, Cupania vernalis, Dalbergia miscolobium, Eremanthus erythropappus, Erythroxylum cuneifolium, Erythroxylum tomentosum, Ficus benjamina, Ficus microcarpa, Jacaranda caroba, Jacaranda mimosifolia  , Joannesia , Kielmeyera coriacea  , Melia ,Psidium guajava , Qualea dichotoma,Samanea tubulosa, Senna ssp, Solanum lycocarpum, Solanum paniculatum, Sterculia apétala, Handroanthus impetiginosus, Handroanthus serratifolius, Tibouchina granulosa, Vernonanthura phosphorica, Vernonia polyanthes. Nas parcelas propostas na pesquisa, quando a porcentagem de gramíneas presente foi superior a 75%, o autor verificou menor ocorrência de espécies, indivíduos regenerantes e área basal presentes no ambiente. Quando a porcentagem foi inferior à 50%, houve aumento na representatividade de indivíduos, espécies e área basal.

As informações sobre possível recuperação da área degradada em estudo tendo por base os resultados deste trabalho vão ao encontro de conclusões de Machado et al (2013). Indicam que o banco de sementes em grande parte do aterro controlado desativado é constituído principalmente por espécies herbáceas de caráter invasor. Sugere-se a necessidade de estudos visando o controle de espécies invasoras e sua substituição por espécies nativas usadas convencionalmente no processo de recomposição da vegetação, garantindo manutenção da flora e fauna nativas.

A dificuldade encontrada na obtenção de sementes de espécies nativas  perpassa atualmente por tópicos tais como: (i) dificuldade de  obtenção de sementes de boa qualidade, (ii) multiplicação quase sempre executada de forma vegetativa, (iii) maior mão-de-obra para propagação em grandes áreas e consequentemente custos mais elevados. Estes fatores  limitantes indicam o quão necessário é investir em pesquisas visando a obtenção de técnicas mais viáveis à obtenção e utilização de sementes nativas como propagação em áreas degradadas.

As análises de Variância (teste t) e Tukey para confiabilidade estatística ao experimento. Estudos dessa natureza podem contribuir para o planejamento de estratégias de controle e conservação em áreas degradadas, assim como observar o comportamento das gramíneas sob o efeito dos tratamentos.

5. Conclusão

Imagens de substrato de área degradada recoberta por gramíneas exóticas e processadas pelo software ImageJ permitem concluir que a capina química e manual apresentam os menores percentuais de cobertura pelas espécies invasoras após os 100 dias de tratamento. Os dados adquiridos demonstram que o software mostrou-se adequado para as avaliações de cobertura de substrato, sendo o seu uso, para este fim, uma inovação de um método não destrutivo.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais - FAPEMIG, ao Programa de Pós Graduação em Ciência Florestal da UFVJM, Brasil e ao Núcleo de Estudo em Recuperação de Áreas Degradadas- NERAD -  LPS agradece a CAPES pela bolsa de mestrado.

Referências

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1. Engenheiro Florestal, Mestrando em Ciência Florestal pela Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri - UFVJM. leopalhares.cc@hotmail.com
2. Geóloga,Prof. Adjunta da Faculdade Interdisciplinar em Humanidades, UFVJM. dpiuzana@yahoo.com.br
3. Engenheiro Florestais, Professores Associados do Departamento de Engenharia Florestal, UFVJM

4. Engenheiro Florestais, Professores Associados do Departamento de Engenharia Florestal, UFVJM

5. -Engenheiro Agrônomo, Professor Associado do Departamento de Agronomia, UFVJM