Constituição do DSSAT-CSM

Jones et al. (2003) e Hoogenboom et al. (2003b) referiram as principais vantagens do DSSAT-CSM, nomeadamente, a simplificação que a estrutura modular apresenta em relação à abertura a novas componentes, à possibilidade de diferentes linguagens e cooperação de distintos grupos de desenvolvimento de modelos.

Como se pode observar na Figura 3.8, o DSSAT-CSM é constituído por um programa principal, um módulo unidade solo52_{, e pelos módulos primários (Jones et al., 2003). O programa principal}

controla a duração de cada simulação, enquanto que o módulo unidade solo regula os processos de simulação que interferem com a unidade solo. Os módulos primários simulam todos os processos que influenciam a unidade solo como os dados meteorológicos, processos edáficos, crescimento das plantas, a interface da relação solo-planta-atmosfera, e as técnicas culturais. As diferentes componentes do DSSAT-CSM possibilitam simular a evolução das características edáficas e da cultura de uma dada unidade solo, ao longo do tempo. A arquitectura da nova versão do DSSAT permite simular mais facilmente os sistemas de rotação de culturas do que as versões anteriores, uma vez que os processos edáficos se desenrolam sucessivamente e as datas de sementeira e de colheita das várias culturas sequenciais, bem como as técnicas culturais são definidas como dados de entrada do sistema (Hoogenboom et al., 2003b).

Cada módulo é executado em seis passos operacionais: (1) inicialização da corrida; (2) inicialização sazonal; (3) cálculo de taxas; (4) integração53_{; (5) saídas diárias; (6) resumo das saídas. O programa}

principal controla a activação de cada um destes passos, e a entrada em funcionamento dos diferentes módulos. Assim, assegura-se que cada módulo seja independente na leitura dos seus dados de entrada, na sua inicialização, no cálculo das taxas, na integração das suas variáveis de estado, e no registo das suas saídas (Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b).

O tipo de aplicações do DSSAT-CSM depende da forma como é chamado o módulo unidade solo, permitindo: (1) efectuar uma análise de sensibilidade e comparar os valores simulados com os observados; (2) simular com dados meteorológicos de uma série de anos, mas sempre com as mesmas condições iniciais do solo; (3) simular sucessões de culturas (rotações); ou (4) simular uma

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Land unit module.

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A integração consiste na actualização das variáveis estado com base nos resultados dos cálculos das taxas (Jones et al., 2001; Porter e Jones, 2003; ICASA, 2005c). Por sua vez, as variáveis de estado consistem em quantidades que caracterizam as condições das componentes do sistema (Jones e Luyten, 1998).

ou mais culturas em função do espaço, como por exemplo estudos de agricultura de precisão ou de outras aplicações dependentes do local. O modo de chamada do módulo é definido numa linha de comando quando se corre o modelo. O módulo unidade solo estabelece a interface entre o programa principal e as outras componentes que interagem num determinado local. O módulo unidade solo é o único que está ligado ao programa principal (Jones et al., 2003) (Figura 3.8).

Progama principal Main program Inicialização da corrida Run initialization Inicialização sazonal Seasonal initialization

Cálculo das taxas Rate calculations Integração Integration Saídas Output Sumário Summary Fim End Início Start C ic lo s a zo n a l Se a so n a l lo o p C ic lo d iá ri o D a il y lo o p Módulo unidade solo Land Unit Module (este módulo é chamado pelo programa principal para executar todos os passos do processamento, e vai sucessivamente chamando cada um dos módulos primários) Meteorologia Weather Módulos Primários Primary modules Técnicas culturais Management Solo Soil Solo-Planta-Atmosfera Soil-Plant-Atmosphere CROPGRO CROPGRO Plant Template

Sementeira Planting Colheita Harvesting Rega Irrigation Fertilização Fertilizer application Colocação de resíduos Residue placement Dinâmica do solo Soil dynamics Água do solo Soil water Azoto e carbono do solo

Soil nitrogen & carbon

Modelos de culturas Template crop models

Soja Soybean Amendoim Peanut Feijão Dry bean Tomate Tomato Módulos planta Plant modules CERES-Maze CERES-Wheat Outras culturas Other crops CERE-Rice SUBSTOR-Potato Planta Plant Modificações ambientais Environmental modifications Outras culturas Other crops Prejuízos de pragas e doenças

Pest & disease damage

Figura 3.8 – Resumo das componentes e da estrutura modular do DSSAT-CSM. (adaptada de Jones et al., 2003 e de Hoogenboom et al., 2003b)

As variáveis de interface, aquelas que estabelecem ligação entre os diferentes módulos, possibilitam que um módulo seja desligado e substituído por outro. Apenas é exigido que o novo módulo apresente as mesmas variáveis de interface, podendo as suas variáveis de estado, os seus parâmetros e os seus ficheiros de entrada ser diferentes (Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b) (ANEXO 4). As variáveis de interface de cada módulo primário apenas ficam disponíveis para os outros módulos, se passarem pelo módulo unidade solo (Jones et al., 2003).

O DSSAT-CSM é constituído por módulos primários e por submódulos. Estes últimos têm o mesmo modo de funcionamento dos módulos primários, executando dois ou mais dos seis passos anteriormente referidos. Os submódulos podem ser substituídos por outros, desde que os novos

submódulos exijam e produzam as mesmas entradas e saídas que os submódulos anteriores. Os submódulos podem também apresentar diferentes níveis de complexidade. Assim por exemplo, ao submódulo CERES-Maize pode ser adicionado um novo submódulo fenologia, sem ter que se sujeitar a alterações as outras partes do submódulo CERES-Maize. Cada submódulo poderá também ter ou não outras subrotinas (Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b).

Os cinco módulos primários são: (1) o módulo solo; (2) o módulo CROPGRO (CROPGRO plant growth template module); (3) a interface do módulo plantas, que permite introduzir modelos individuais de culturas que não estejam incluídos no CROPGRO; (4) o módulo condições meteorológicas; (5) o módulo Solo-Planta-Atmosfera (Porter et al., 2003) (Tabela 3.6).

Outra inovação no DSSAT-CSM é a hipótese de introduzir uma nova cultura. Uma das formas é estabelecer ligação entre a nova rotina de crescimento da planta e o módulo plantas. Exemplo disto é a inclusão dos modelos CERES no DSSAT-CSM, e de outros modelos independentes, denominados stand-alone no DSSAT v3.5 (ex. batata, girassol e cana-do-açúcar). Nesta situação, a introdução faz- -se definindo o código do novo módulo, que irá estabelecer ligação com o módulo plantas. A outra alternativa será utilizar a abordagem crop template. Nesta modalidade utiliza-se o submódulo CROPGRO e apenas é necessário que se modifique a informação no ficheiro das espécies (FILEG)54. É importante ressalvar que podem existir algumas dificuldades na modelação de culturas com ciclos de vida distintos dos pré-definidos na abordagem CROPGRO, sendo esta a maior desvantagem da introdução de uma nova cultura deste modo (Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b). Na Tabela 3.6 encontram-se sucintamente descritos o comportamento dos módulos e dos submódulos do DSSAT-CSM (Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b). O ANEXO 5 refere quais são os métodos de cálculo escolhidos por defeito.

Para uma informação mais completa deverá consultar-se os manuais do software (DSSAT v3.0 e DSSAT v4.0) que acompanham o DSSAT v4.0 (pasta …\DSSAT4\Documentation) (Hoogenboom et al., 2004), no sítio do ICASA (http://www.icasa.net/index.html) e outras fontes (Tsuji et al., 1998; Batchelor, 2003; Jones et al., 2003; Porter et al., 2003).

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84 Tabela 3.6 – Descrição dos módulos do DSSAT-CSM

(adaptada de Jones et al., 2003 e de Hoogenboom et al., 2003b) Módulos Modules Submódulos Sub Modules Comportamento Behavior Programa principal (DSSAT-CSM) Main Program

Controla a duração dos ciclos, em função das opções do utilizador decide quais os módulos que são chamados, controla o avanço da simulação do desempenho de todos os módulos. Chama o módulo de entrada (MINPT030.EXE) para a leitura dos ficheiros FILEX, do solo (FILES), da cultivar (FILEC), e escreve as saídas num ficheiro temporário de entrada (DSSAT40.INP).

Unidade solo Land Unit

Interface única entre o comportamento dos sistemas de cultura e as aplicações que controlam o uso dos sistemas de cultura. Utilizada como um ponto comum para as componentes que interactuam num determinado local homogéneo. Meteorologia

Weather

Lê ou gera os dados meteorológicos diários utilizados pelo modelo. Ajusta os valores diários, no caso de ser pedido, e calcula os valores horários. O módulo permite ainda alterar os dados diários fornecidos pelo ficheiro de entrada de dados meteorológicos, em estudos de alteração climática ou em situações em que se mantiveram constantes ou se aumentaram ou reduziram os dados meteorológicos de entrada. A alteração dos dados diários é particularmente importante em estudos de alteração climática. A geração de dados diários pode ser efectuada pelos geradores meteorológicos WGEN (Richardson, 1981; Richardson, 1985 cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b) ou SIMMETEO (Geng et al., 1986; Geng et al., 1988 cit. In Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b).

Solo Soil

Dinâmica do solo Soil Dynamics

Calcula as características da estrutura do solo, por horizonte. Actualmente, este módulo lê os valores a partir de um ficheiro, mas nas versões futuras poder-se-á alterar as propriedades do solo como resposta à mobilização, etc.

85 Tabela 3.6 (continuação) Módulos Modules Submódulos Sub Modules Comportamento Behavior Solo Soil

Módulo água do solo Soil Water Module

Refere-se ao cálculo do balanço hídrico. O modelo do balanço hídrico é idêntico aos dos modelos individuais de culturas do DSSAT v3.5 (Ritchie e Otter, 1985 cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b). Determina os processos de água no solo, incluindo a acumulação e a fusão da neve, escoamento, infiltraçãoa, movimento de água em solo saturado e profundidade da toalha freática. O teor volumétrico de água é actualizado diariamente para todos os horizontes do solo. A drenagemb do solo é calculada segundo uma abordagem de cascata. Como explicou Braga (2000), a água permanece num horizonte se o seu teor de água se encontra abaixo da capacidade de campo (SDUL). Se o teor de água é superior à SDUL, devido à drenagem, a água é perdida para o horizonte seguinte. A quantidade de água drenada de cada horizonte pode ser calculada de duas formas: ou com base na condutividade hidráulica saturada (SSKS), ou por SLDR, uma percentagem diária da diferença entre a saturação (SSAT) e a SDUL.

A infiltração diária calcula-se subtraindo o escoamento à precipitação e à rega, se esta existir, de um dia. O método SCS modificado é o utilizado pelo DSSAT- -CSM para calcular a infiltração (William et al., 1984 cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b). O método SCS divide a precipitação em escoamento e infiltração, considerando a curve number (Ritchie, 1998; Jones et al., 2003; Hoogenboom et al., 2003b). Esta curva é função da textura, declive e mobilização do solo.

Módulo N e C do solo

Soil Nitrogen and Carbon Module

Calcula os processos de C e de N, considerando a aplicação de fertilizantes orgânicos e inorgânicos, e de resíduos, taxas de decomposição, fluxos de nutrientes entre várias reservatórios e horizontes do solo. O NO3- e o NH4+ do

solo são actualizados diariamente para cada horizonte. O cálculo da matéria orgânica do solo (SOMc) e do balanço de N pode ser efectuado, ou recorrendo ao modelo original SOM existente no DSSAT v3.5 mas adaptado a uma forma modular (Godwin e Jones, 1991 cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b; Godwin e Singh, 1998) ou utilizando um outro modelo SOM, incorporado no DSSAT, mas desenvolvido (Gijsman et al., 2002) a partir do modelo CENTURY (Parton et al., 1987; Parton et al., 1994). Esta última opção permite avaliar a SOM do solo em sistemas de rotação de culturas, para longos períodos de tempo, após se ter inicializado, apenas uma vez, no início da simulação, o C e as outras variáveis.

86 Tabela 3.6 (continuação) Módulos Modules Submódulos Sub Modules Comportamento Behavior

Determina a competição entre os recursos no sistema solo-planta-atmosfera. A versão actual calcula a partição da energia e os processos do balanço energético para a evaporação do solo, para a transpiração, e para a absorção de água pelas raízes.

Este módulo calcula a intercepção da luz pelo coberto vegetal, a evapotranspiração potencial (ETP), a evaporação real do solo e a transpiração real das plantas. Permite ainda determinar a absorção de água pelas raízes, nos vários horizontes do solo Os métodos disponíveis para o cálculo da ETP são o de Priestley e Taylord _{(1972) (cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al.,}

2003b), Penman-FAO (FAO-24 e FAO-56) (Doorenbos e Pruitt, 1984; Allen et al., 1998), e de Penman-Monteith (Monteith, 1986 cit. in Jones et al., 2003 e Hoogenboom et al., 2003b). O método de Priestley e Taylorc _{apenas exige a}

radiação solar diária e a temperatura. No caso de zonas áridas ou ventosas, o método de Penman-FAO pode ser preferencialmente utilizado, exigindo dados de vento e de humidade. O método de Penman-Monteith permite calcular a ETP diária, e utilizar dados horários de balanço energético. Os resultados da absorção de água pelas raízes (transpiração) e da evaporação da superfície são enviados, por horizonte, para o submódulo água do solo.

Solo-Planta-Atmosfera (SPAM) Soil-Plant-Atmosphere

Módulo temperatura do solo Soil Temperature Module

Calcula a temperatura do solo por horizonte. A temperatura do solo afecta a emergência das plantas e a decomposição da SOM.

Módulo CROPGRO Crop Template Module

Para as culturas modeladas pelo modelo CROPGRO, este módulo calcula os processos de crescimento e desenvolvimento das culturas, incluindo a fenologia, a fotossíntese, as necessidades de N e de C, a partição do crescimento e os prejuízos de pragas e doenças. As culturas em causa são a soja, amendoim, feijão, grão-de-bico, feijão-frade, fava, fava-coceirae (Mucuna pruriens), tomate, Brachiaria e Bahiagrassf.

CERES-Maize CERES-Wheat/Barley CERES-Rice

CERES-Sorghum CERES-Millet Módulos individuais do crescimento

das plantas (módulo plantas) Individual Plant Growth Modules (Plant Module)

SUBSTOR-Potato

Módulos que simulam o crescimento e a produtividade de espécies individuais. Cada um é um módulo independente que simula, por exemplo, a fenologia, o crescimento diário e a partição, as necessidades de N e de C, e a senescência.

Outros (futuros) modelos de plantas Other (future) plant models

87 Tabela 3.6 (continuação) Módulos Modules Submódulos Sub Modules Comportamento Behavior Sementeira Planting

Determina a data de sementeira considerando um valor fornecido ou simulado. Quando simula utiliza uma janela temporal para a sementeira, e as condições edáficas e meteorológicas.

Colheita Harvesting

Determina a data de colheita, considerando a data de maturação, um valor fornecido, ou uma janela temporal para a colheita. Esta última juntamente com as condições edáficas e meteorológicas.

Rega Irrigation

Determina a rega diária, considerando um valor fornecido, ou aplicações automáticas, em função do esgotamento de água do solo.

Módulo técnicas culturais Management Operations Module

Fertilização Fertilizer

Determina a fertilização, considerando um valor fornecido, ou condições automáticas.

Resíduos Residue

Aplicação de resíduos e de outros materiais orgânicos (de plantas ou de animais) correspondentes a valores fornecidos, ou simulados em rotações de culturas.

a _{A infiltração consiste na penetração no solo da água recebida na sua superfície (precipitação e rega) (Costa, 1985).}

b _{Quando a velocidade de infiltração atinge um valor relativamente estável, considera-se que esse valor é uma medida da drenagem interna do solo (Costa, 1985).}

c _{No ANEXO 1 encontram-se listadas algumas variáveis calculadas/utilizadas pelos modelos CERES.}

d n PT R ET _×      + ∆ ∆ × × = γ α 408 , 0 0 (Villalobos et al., 2002)

ET0 - evapotranspiração de referência (mm d-1); αPT - constante de Priestley-Taylor, varia entre 1,08 a 1,60; ∆ - declive da curva de relação da tensão de vapor de saturação e da

temperatura (kPa K-1_{); γ- constante psicométrica (kPa K}-1_{); R}

n – radiação líquida (MJ m-2 d-1).

e _{Velvet bean; Mucuna pruriens.}