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9.11: Nitrogênio e Nutrientes - Geociências


O nitrogênio é o gás mais abundante na atmosfera e, como os outros gases atmosféricos, ele se dissolve nas camadas superficiais do oceano. Mas a maioria dos organismos marinhos não pode utilizar diretamente o nitrogênio dissolvido na forma em que existe no ar (N2), por isso deve primeiro ser convertido em outros produtos nitrogenados. Essas conversões são realizadas por bactérias marinhas, que tomam o N dissolvido2 e convertê-lo em amônio (NH4+), nitrito (NO22-) ou nitrato (NO3) O nitrato é o principal composto nitrogenado utilizado pelos produtores primários no oceano; é um importante nutriente necessário para a fotossíntese. Geralmente são encontrados em pequenas quantidades nos oceanos porque são rapidamente consumidos pelos produtores primários.

Como o nitrato é um dos nutrientes mais importantes, por enquanto vamos nos concentrar apenas no nitrato ao discutirmos os padrões gerais de nutrientes no oceano. Outros nutrientes importantes, como fosfato e sílica, apresentam padrões semelhantes aos do nitrato e serão discutidos na seção sobre produção primária (capítulo 7).

Um perfil representativo de nutrientes (nitrato) é mostrado abaixo (Figura ( PageIndex {1} )). As concentrações de nutrientes são baixas na superfície, porque é onde os produtores primários estão localizados; os nutrientes são consumidos rapidamente e não têm chance de se acumular. Os níveis de nutrientes aumentam em profundidade, pois não são mais consumidos pelos produtores, e estão sendo regenerados por meio da decomposição de matéria orgânica por bactérias.

Comparações de perfis de nutrientes e oxigênio dissolvido entre os oceanos Pacífico e Atlântico revelam algumas diferenças interessantes (Figura ( PageIndex {2} )). Em geral, o Atlântico tem mais oxigênio dissolvido, mas menores concentrações de nutrientes do que o Pacífico. No Atlântico Norte, formam-se massas de água que são muito frias e densas, de modo que a água desce para o fundo. Essa água então passará os próximos mil anos ou mais movendo-se ao longo do fundo do mar, do Atlântico para o Índico e, finalmente, para o Oceano Pacífico (ver seção 9.8). Esta água é inicialmente água de superfície rica em oxigênio e, à medida que afunda, leva oxigênio para o fundo do mar. À medida que a água do fundo se move pelas bacias oceânicas, o oxigênio é removido por meio da respiração e da decomposição e, quando chega ao Pacífico, grande parte de seu oxigênio já está esgotado. Ao mesmo tempo, a decomposição da matéria orgânica que afunda adiciona nutrientes às águas profundas à medida que se movem pelos oceanos, de forma que os nutrientes se acumulam e a água do Pacífico se torna rica em nutrientes. A comparação das proporções de oxigênio e nutrientes em águas profundas pode, portanto, fornecer uma indicação da idade da água, ou seja, quanto tempo se passou desde que inicialmente afundou da superfície no Atlântico Norte. Água com alto teor de oxigênio e baixo teor de nutrientes é relativamente jovem, enquanto a água mais velha terá menos oxigênio, mas concentrações mais altas de nutrientes.


Compreendendo os números de fertilizantes

Os profissionais de agronomia podem falar o dia todo sobre uma variedade de aspectos técnicos envolvidos na agricultura e no cultivo. E muitos deles fazem, até eu, ou pelo menos foi o que me disseram. E ao fazer isso, a maioria presumir que o público conheça os princípios básicos sobre os quais as palestras são construídas. Mas isso nem sempre é o caso. Recentemente, eu estava conversando com alguns produtores e comerciantes sobre a análise de uma mistura de produtos fertilizantes, quando percebi que havia alguma confusão sobre o que exatamente esses números significavam.

Olhe para qualquer saco, jarro ou rótulo de fertilizante e você verá três números separados por hífens. Esses números representam o conteúdo de nitrogênio, fósforo e potássio. Alguns fertilizantes têm mais de três números e, nesses casos, os números extras representam outros nutrientes. Não importa se é fertilizante líquido ou seco, pois os números representam o por cento de peso de cada nutriente que o produto contém.

As coisas ficam um pouco complicadas com o segundo e o terceiro números, que representam não apenas o potássio e o fósforo, mas também os óxidos desses elementos. Isso remonta ao tempo em que os fertilizantes eram aquecidos com ar para converter o fosfato e o potássio em óxidos - especificamente o P2O5 e K2O - e esses números foram usados ​​para a análise de nutrientes. (Isso foi referido como Análise Gravimétrica.) Embora técnicas analíticas modernas sejam usadas para determinar a análise de fertilizantes hoje, os números ainda são em termos de óxidos para continuidade histórica. Mas esses próprios óxidos são Nunca encontrado em fertilizantes. É como o sistema americano de usar milhas e acres em vez de quilômetros e hectares - é difícil mudar.

Ok, vamos colocar esse conhecimento para funcionar. As palavras escritas em um rótulo para os elementos dos três números são: nitrogênio total - fosfato disponível - potássio solúvel. Lembre-se de que esses números são para por cento em peso por isso é fácil para materiais secos. Cem libras de fertilizante seco 18-46-0 tem 18 libras de nitrogênio total (0,18 x 100 libras), 46 libras de fosfato disponível (0,46 x 100 libras) e 0 libras de potássio solúvel (0 x 100 libras). Se você tiver uma mistura de quantidades iguais de 18-46-0 e 0-0-60, a mistura resultante terá uma análise de 9-23-30. Você apenas pega a proporção de cada vez que a análise é somada. Como a mistura é a metade de cada produto fertilizante, a nova análise é 0,5 vezes o número da análise. Em seguida, adicione-os. Se o produto misturado for 75% 18-46-0 e 25% 0-0-60, então tome 0,75 vezes 18-46-0 e 0,25 vezes 0-0-60 e some, que é 13,5-34,5-15. As regras de fertilizantes de acordo com a Associação Americana de Oficiais de Controle de Alimentos de Plantas (AAPFCO) permitem que o número de nitrogênio seja listado como 14%. Isso seria aplicável se essa mistura for vendida comercialmente.

Os cálculos do produto seco são fáceis. Mas e quanto a misturas de líquidos com pesos diferentes por galão? Isso pode ser um desafio, mas é fácil depois de ler. Pergunta: qual é a análise de uma mistura de fertilizantes que é 75% 9-24-3 e 25% 20-0-0 UAN? Primeiro examine o rótulo 9-24-3:

De acordo com o rótulo, este produto pesa 11,2 libras por galão. Multiplicando as porcentagens de nutrientes (9% de nitrogênio, 24% de fosfato e 3% de potássio) por esse peso, descobrimos que cada galão contém: 1 libra de nitrogênio, 2,7 libras de fosfato e 0,3 libra de potássio. Para misturas de líquidos, façamos as contas para um galão da mistura. Como a mistura é de 75% 9-24-3, é necessário multiplicar as quantidades de nutrientes em um galão do produto por 75%. Isso dá 0,75 libras de nitrogênio, duas libras de fosfato e 0,225 libras de potássio. E 0,75 galão pesaria 8,4 libras (0,75 x 11,2 libras por galão). Agora temos os números necessários para a parte 9-24-3 da mistura. Agora faremos o mesmo com o outro produto da mistura, que é 20-0-0.

Este produto pesa 10,53 libras por galão. Ele também diz que contém 2,11 libras de nitrogênio por galão, economizando uma etapa de multiplicação (que seria 20% ou 0,2 x 10,53). O produto misturado é 25% 20-0-0. Isso dá 0,5275 libras de nitrogênio (25% ou 0,25 x 2,11). O peso deste produto no produto misturado a 25% é de 2,6325 libras (0,25 x 10,53). Agora temos as contribuições de ambos os produtos na mistura. É hora de colocar tudo junto.

Peso de um galão desta mistura: 8,4 (75% 9-24-3) + 2,635 (25% 20-0-0) = 11,035 libras por galão.

Pesos de N: 0,75 (de 9-24-3) + 0,5275 (de 20-0-0) = 1,2775 libras-nitrogênio por galão.

Pesos de P2O5 e K2O são apenas de 9-24-3: 2 e 0,225 libra por galão, respectivamente.

Esses são pesos que devem ser convertidos em porcentagens, que é como os rótulos são expressos. Portanto, divida esses números pelo peso do novo produto misturado, 11,035.

N: 1,2775 / 11,035 = 0,116, ou 11,6% N. Agora, de acordo com as regras de rotulagem de fertilizantes da AAPFCO, podemos chamar isso de 12%.

Fosfato: 2 / 11,035 = 0,18 ou 18% P2O5.

Potassa: 0,225 / 11,035 = 0,02 ou 2% K2O.

Portanto, o novo produto combinado teria uma análise de 12-18-2.

Certamente, existem vários outros caminhos matemáticos ou de programa de computador para essa resposta, mas é assim que ela pode ser determinada à mão. Esta é a porcentagem de nutrientes de nitrogênio, fosfato e potássio em uma taxa aplicada de fertilizante. O mesmo processo se aplica a outros nutrientes, como enxofre, que estão no rótulo. Para calcular as libras reais por acre aplicado: multiplique o número de galões por acre pelo peso por galão (neste caso 11,035) para obter libras por acre de produto aplicado. Em seguida, multiplique esse número pelas porcentagens de nutrientes, na forma decimal. São quilos reais de nutrientes aplicados por acre. Alguns produtos são promovidos como sendo formulações de alta eficiência para fornecer mais nutrientes em uma base equivalente. Mas esses números costumam ser baseados na resposta da planta e não são libras reais de nutrientes.


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Quando e onde

  • Sempre que possível, altere com os fertilizantes corretos antes de plantar para que você crie uma dieta rica e variada para suas plantas diretamente no solo.
  • Use aditivos orgânicos de liberação lenta que se quebram gradativamente e alimentam a planta conforme ela precisa, ao invés de todos de uma vez.
  • Use fertilizantes químicos para grama e arbustos com moderação e para emergências, mas reconheça que esta é uma “xícara de café” e não um “café da manhã saudável” para as plantas.
  • Enfeite as plantas com fertilizantes orgânicos e composto na zona da raiz em fevereiro-março e novamente em agosto-setembro. A primeira aplicação deve ser mais alta em nitrogênio, o que estimula o crescimento superior no momento em que as plantas estão dando novos brotos. O segundo deve ser mais alto nas últimas categorias, pois as safras estão produzindo frutos, endurecendo a madeira e produzindo crescimento de raízes com a aproximação do outono. A fertilização eficiente funciona em harmonia com os ciclos de crescimento das plantas.
  • Os gramados podem ser fertilizados três vezes ao ano. Fertilize levemente no Dia dos Namorados, Dia do Memorial e Dia do Trabalho. Isso irá encorajar um crescimento moderado, minimizar o escoamento e alimentar o solo durante os horários de pico de demanda. Ventile antes da primeira dose, cubra com sapê antes da segunda e aplique qualquer controle de ervas daninhas antes da última para maximizar o uso de fertilizantes nessas áreas maiores.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Coleta e análise de amostras

Para esta avaliação, 334 amostras de solo foram coletadas de quatro estudos diferentes em todo o sul de Idaho. A maioria dos solos foi classificada como argila silte. A precipitação regional varia de 180 a 305 mm e as temperaturas médias anuais variam de 5 a 13 ° C. Uma descrição dos estudos está incluída abaixo. O número de amostras incluídas na análise de cada estudo está incluído na Tabela 1. Os Estudos 1 e 2 seguiram o protocolo regional padrão para amostragem de solo (0-61 cm), enquanto os Estudos 3 e 4 seguiram o protocolo específico para o SHT (0 –15 cm) além dos protocolos padrão.

Número de amostras de cada estudo usado na análise
Estudar Disponível N Mineralização de N P disponível Recomendações de fertilizantes Produção Qualidade
1 192 95 189 188 184 129
2 42 42 42
3 47 47 47
4 30 30 30
Total 311 95 308 307 184 129

O foco do Estudo 1 foi avaliar os efeitos da taxa de aplicação de esterco de leite (18, 36 e 52 Mg ha -1 peso seco) e do tempo (esterco aplicado repetidamente anualmente ou bienalmente), ou aplicações de fertilizantes sintéticos na ciclagem de nutrientes do solo , rendimento da colheita e qualidade da colheita. Os tratamentos também incluíram uma testemunha que não recebeu aplicação de nutrientes. O estudo foi iniciado no outono de 2012 e consistiu em dois campos adjacentes que foram tratados de forma idêntica, com a exceção de que a rotação de culturas foi alternada entre os dois campos. A rotação da cultura consistia em cevada (Hordeum vulgare L.) - beterraba sacarina (Beta vulgaris L.) - trigo (Triticum aestivum L.) - batata (Solanum tuberosum EU.). O Campo 1 iniciou a rotação com trigo em 2013, enquanto o Campo 2 iniciou a rotação com cevada em 2013. Amostras de solo foram coletadas no final de março de 2013, 2014 e 2015 com 10 subamostras coletadas e compostas por parcela para 0 a 30 cm profundidade, e cinco subamostras coletadas e compostas para a profundidade de 30 a 61 cm. Os solos foram completamente misturados e subamostrados para análise. As subamostras foram armazenadas em um refrigerador durante a noite e, em seguida, enviadas para o Laboratório de Ciências Analíticas da Universidade de Idaho (Moscou, ID) no dia seguinte para análise de NO3–N e NH4–N, usando uma extração de KCl 2 M com análise via injeção em fluxo (OI Flow Solution 3000 FIA, Xylem Inc.) e Olsen P (Olsen, Cole, Watanabe e Dean, 1954). Subamostras adicionais foram secas e armazenadas (até abril de 2015) e enviadas para a unidade ARS em Temple, TX, para análise via SHT (Haney et al., 2018).

A produção de trigo e cevada foi determinada com uma colheitadeira de parcela Almaco (plataforma de 1,5 m, ,26 m 2 por parcela). A produção de tubérculos foi determinada para cada parcela usando um escavador de batata de linha única (Grimme) com 33,5 m de linha (1 m de largura) dentro de cada parcela colhida. A beterraba sacarina foi colhida mecanicamente para rendimento (21 m de linha, 1,2 m de largura) com uma colhedora de beterraba de duas linhas. As amostras de plantas foram analisadas quanto à qualidade, incluindo proteína (cevada), densidade específica (batata), porcentagem de sacarose (beterraba) e NO de brei3 (beterraba sacarina). A proteína da cevada foi determinada por espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) em um Foss NIR 6500 em uma subamostra de grão inteiro. A gravidade específica da batata foi determinada em aproximadamente 4,5 kg de tubérculos por meio do método de peso em ar / peso em água (Kleinkopf, Westermann, Wille, & Kleinschmidt, 1987). Amostras de beterraba sacarina (duas amostras de oito beterrabas por parcela) foram enviadas ao Laboratório de Tare da Snake River Sugar Company em Paul, ID. A porcentagem de sacarose foi determinada usando um polarímetro Autopol 880 (Rudolph Research Analytical) e uma diluição de amostra de meio-peso normal e método de clarificação de sulfato de alumínio (Método ICUMSA GS6-3 1994) e NO3 foi medido usando um multímetro modelo 250 (Denver Instruments) com sondas Orion 900200 e 9300 BNWP (Krackler Scientific, Inc.).

A liberação de N disponível para a planta durante a estação de crescimento a partir de tratamentos no Campo 2 foi avaliada usando uma incubação aeróbia de laboratório de ∼100-d para determinar N potencialmente mineralizável e uma incubação aeróbia in situ (em campo) para determinar os padrões de liberação de N influenciados por as mesmas temperaturas que afetaram o crescimento das plantas em condições de campo. Amostras de solo coletadas na pré-planta, conforme descrito acima, foram utilizadas para a incubação aeróbia em laboratório. Amostras de solo de 0 a 30 cm de profundidade foram incubadas a 22 ° C por 100-112 d (107 d para 2013, 112 d para 2014, 100 d para 2015) em sacos de polietileno resseláveis ​​de 0,05 mm de espessura (15 por 23 cm) na umidade do campo existente. O teor de umidade gravimétrico dos solos amostrados variou entre 16 e 22%, dependendo do ano e da taxa de esterco. Os níveis de umidade do solo foram mantidos pesando-os semanalmente e adicionando água destilada a sacos individuais para trazê-los de volta ao teor de umidade original.

Além de uma incubação laboratorial controlada, incubações in situ também foram conduzidas usando o método de bolsa enterrada, conforme descrito por Westermann e Crothers (1980). Amostras de solo para a incubação in situ foram coletadas 1-2 semanas após o plantio no Campo 2, para evitar a destruição do saco durante as operações de preparo do solo e de plantio. Amostras de solo foram coletadas de 0 a 30 cm de profundidade, com 10 a 13 subamostras compostas de cada parcela. Os solos foram incubados aerobicamente em condições de campo, colocando as amostras compostas de solo de cada parcela em tubos de polietileno com uma espessura de 0,10 mm e 5,7 cm de diâmetro, com a porção do tubo contendo solo tendo 30 cm de comprimento depois de ser atada em ambas as extremidades. Os sacos de solo fixados foram colocados de volta nos orifícios da broca em cada parcela onde a amostra de solo foi retirada, até uma profundidade de 30 cm. Sacos enterrados foram instalados em 12 de abril de 2013, 3 de maio de 2014 e 13 de abril de 2015. Os solos foram incubados por 153 d em 2013, 159 d em 2014 e 182 d em 2015. Os sacos foram sequencialmente removidos e amostrados de forma destrutiva ao longo do decurso da estação de crescimento. Para ambos os estudos de incubação, os solos foram analisados ​​para NO3-N e NH4Conteúdo -N no Dia 1 e no dia final (e em meados de julho [18 de julho de 2013, 17 de julho de 2014 e 20 de julho de 2015] antes da colheita de grãos para medições in-situ) do experimento de incubação, usando extrações de KCl e análise de injeção de fluxo , como descrito acima. A mineralização do N líquido foi calculada subtraindo o N inorgânico (NO3–N + NH4–N) concentrações do primeiro dia de laboratório ou incubação in situ a partir das concentrações de N inorgânico medidas no último dia.

No Estudo 2, as amostras (42) foram coletadas de campos produtores em todo o sul de Idaho que tinham um histórico de aplicação de fertilizantes sintéticos. Quatro subamostras foram coletadas em cada local usando uma broca de caçamba de 7,6 cm de uma profundidade de 0-30 e 30-61 cm e compostas. Após a coleta, as amostras de solo foram secas a 40 ° C em estufa de convecção forçada e posteriormente trituradas e homogeneizadas para passagem por peneira de 2 mm. Solo NÃO3–N e NH4–N foram determinados por meio de extração de 2 M KCL e analisados ​​por meio de análise de injeção em fluxo. Olsen P foi determinado usando o método citado anteriormente. As subamostras secas (0–30 cm) foram enviadas para um laboratório comercial para análise através do teste SHT.

No Estudo 3, as amostras (47) foram coletadas de 15 campos de produtores em toda a área de cultivo de Fort Hall no sudeste de Idaho na primavera de 2015. Os campos tinham um histórico de aplicação de fertilizantes sintéticos e / ou esterco. Em cada local de amostra, 15 subamostras em uma área de 7,3 m 2 foram coletadas usando uma sonda push de 1,9 cm de uma profundidade de 0-15 cm e compostas. Ao mesmo tempo e locais, um núcleo profundo (4,1 cm de diâmetro) foi coletado usando uma sonda AMS 9110-AG (AMS Inc.) a uma profundidade de 61 cm. Os testemunhos foram divididos em duas profundidades (0-30 e 30-61 cm) e compostos.

No Estudo 4, as amostras (30) foram coletadas de um estudo de pesquisa anterior no USDA-ARS Northwest Irrigation and Soils Laboratory perto de Kimberly, ID, na primavera de 2013 (Robbins, Mackey, & Freeborn, 1997). Na primavera de 1991, o estudo de pesquisa do USDA-ARS consistiu na aplicação de estrume (44 Mg seco ha -1) e fertilizante comercial (245 kg N ha -1, 135 kg P ha -1) em ambos os solos erodidos e não erodidos. Desde 1991, toda a área de pesquisa tem recebido fertilizantes comerciais uniformemente com base em testes de solo publicados e recomendações de nutrientes para as culturas. A coleta de amostra de solo foi a mesma do Estudo 3. Para os Estudos 3 e 4, as amostras de solo foram secas a 40 ° C em um forno de convecção forçada e, subsequentemente, moídas e homogeneizadas para passar por uma peneira de 2 mm. Solo NÃO3–N e NH4–N e Olsen P foram determinados usando o método citado anteriormente. Subamostras secas (0–15 cm) foram enviadas a um laboratório comercial para análise por meio do teste de SHT.

2.2 Comparações de teste de solo e recomendações de fertilidade

O SHT foi comparado ao método regional padrão para determinar recomendações de fertilizantes no sul de Idaho, assumindo uma safra de trigo irrigado na primavera, seguindo as diretrizes da Universidade de Idaho (UI) (Brown et al., 2001). As diretrizes da IU são baseadas em vários anos de dados de campo na região e usam a produção projetada junto com uma medida de teste de solo N e P, bem como um crédito para mineralização de N para determinar as taxas de aplicação de N e P. Para esta comparação, os valores de N disponível e as recomendações de N e P necessários foram retirados diretamente da análise SHT fornecida pelo laboratório, assumindo uma safra de trigo com um rendimento esperado de 7400 kg ha -1 (114 bu acre -1) . Isso fornece uma comparação de qual recomendação um produtor receberia com base no SHT versus as recomendações regionais.


Crostas microbióticas no solo, rocha e plantas: atores importantes negligenciados nos ciclos globais de carbono e nitrogênio?

Abstrato. Crostas microbióticas consistindo de bactérias, fungos, algas, líquenes e briófitas colonizam a maioria das superfícies terrestres e são capazes de fixar carbono e nitrogênio da atmosfera. Aqui, mostramos que crostas microbióticas provavelmente desempenham papéis importantes nos ciclos biogeoquímicos globais de carbono e nitrogênio, e sugerimos que elas devem ser caracterizadas e levadas em consideração em estudos e modelos do sistema terrestre e do clima.

Para a absorção líquida global anual de carbono por crostas microbióticas, apresentamos uma primeira estimativa de

3,6 Pg a & menos1. Esta captação corresponde a

6% da absorção líquida global estimada de carbono pela vegetação terrestre (produção primária líquida, NPP:

60 Pg a & menos1), e é da mesma magnitude que o volume de negócios anual global de carbono devido à queima de biomassa. A taxa estimada de fixação de nitrogênio por crostas microbióticas (

40% da estimativa global de fixação biológica de nitrogênio (107 Tg a & menos1). No que diz respeito à dinâmica do sistema terrestre e à mudança global, a grande contribuição das crostas microbióticas para a fixação de nitrogênio é provavelmente importante também para o sequestro de CO.2 por plantas terrestres (CO2 fertilização), porque o último é limitado pela disponibilidade de nitrogênio fixo.


Reconhecimentos

Agradecemos D. Moran (NTNU, Noruega), A. Alsamawi e S. Juraszek (Univ. De Sydney) pela assistência técnica, J. Shindo (Yamanashi Univ.) E N. Kaneko (Yokohama National Univ.) Por suas discussões sobre emissões de nitrogênio e C. Jarabak pela ajuda na coleta de dados. A.O. foi apoiado pela bolsa de pesquisa da Universidade Nacional de Yokohama. S.N. e A.O. foram apoiados pelo Fundo de Desenvolvimento Tecnológico e Pesquisa Ambiental (S9 e S14) do Ministério do Meio Ambiente do Japão. M.L., K.K., A.G. e A.M. foram apoiados financeiramente pelo Australian Research Council por meio de seus Projetos de Descoberta DP0985522 e DP130101293. K.K. também foi apoiado financeiramente pelo Grant-in-Aid for Young Scientists (nº 15H05341).


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5. CONCLUSÃO

Benefício suficiente e estatisticamente significativo para a aplicação de fertilizante N ou tratamento de sementes com inoculante não foi encontrado neste estudo, embora pesquisas anteriores tenham mostrado um benefício da inoculação quando a soja foi plantada tarde. A menos que a aplicação de fertilizantes de N seja possível em conjunto com P e K, para diminuir as taxas de aplicação de N, os produtores não são encorajados a fertilizar soja com N. Historicamente, a maioria dos produtores não aplica fertilizantes de N e quando o faziam, as taxas historicamente relatadas são muito mais altas que N * taxas estimadas dentro de. A pesquisa confirmou a vantagem de rendimento do plantio antecipado e a vantagem de rendimento dos cultivares MG IV sobre o MG V para datas de plantio em junho para essas localidades do centro-sul dos Estados Unidos em Arkansas.