Comparação de técnicas para a medição da evapotranspiração em
vinha.
José SILVESTRE1; Nuno CONCEIÇÃO1, Marta FABIÃO2; Luís BOTETA2, Isabel FERREIRA3
(1) Instituto Nacional de Recursos Biológicos, IP – INIA – Dois Portos, Quinta da Almoínha, 2565-191 Dois Portos. evn.jose.silvestre@mail.net4b.pt
(2) Centro Operativo e de Tecnologia do Regadio, Quinta da Saúde, Apartado 354, 7801-904 Beja
(3) Instituto Superior de Agronomia, Tapada da Ajuda, 1349-017 Lisboa
Resumo
A medição ou a estimação da evapotranspiração é uma ferramenta fundamental para o estudo das relações hídricas da vinha, para uma utilização mais eficiente da água e para o estabelecimento das dotações de rega. A medição da evapotranspiração em cobertos esparsos ou estruturados em linhas e com um forte desenvolvimento radicular em profundidade, como é o caso da vinha, é complexa existindo poucos métodos disponíveis para a fazer.
Neste trabalho compara-se as estimativas da evapotranspiração recorrendo a técnicas de detecção remota (coeficientes culturais obtidos em função do NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) com o método micrometeorológico das flutuações instantâneas. Este último é considerado como método de referência porque permite uma estimativa directa da evapotranspiração sem recorrer a hipóteses sobre a forma dos perfis do vento ou sobre as difusividades turbulentas. É também o mais directo para a medição da evapotranspiração em culturas esparsas ou com elevado grau de anisotropia e apresenta ainda a vantagem de os seus resultados poderem ser validados por testes independentes.
A adequabilidade das técnicas em comparação é avaliada e as suas vantagens e limitações na óptica da gestão da água em vinha serão discutidas.
Palavras-chave: Vitis vinifera, métodos micrometeorológicos, flutuações instantâneas, detecção remota, rega, NDVI.
1 – INTRODUÇÃO
A quantificação ou estimativa da evapotranspiração (ET) constitui uma informação, fundamental para a gestão da rega em vinha e para a optimização da eficiência do uso da água. Entre os métodos disponíveis para a sua medição salientam-se i) o balanço hídrico do solo; ii) os métodos micrometeorológicos e iii) a medição da transpiração (T) e da evaporação do solo (Es) (componentes da ET). Enquanto que a primeira apresenta uma baixa resolução temporal e se encontra limitada pelas características do sistema radicular da vinha (forte desenvolvimento em profundidade e heterogeneidade espacial), as outras abordagens apresentam uma elevada resolução temporal podendo os valores de ET serem integrados para a obtenção dos valores diários.
Nos últimos anos tem crescido o interesse pelas técnicas de detecção remota. Uma revisão sobre as suas aplicações em viticultura pode ser encontrada em Hall et al. (2002). Entre as suas aplicações encontra-se a estimativa da ET. Esta pode ser efectuada baseada em modelos do balanço de energia, estimando-se a ET como termo residual na equação do balanço de energia (Allen et al., 2005;. Bastiaanssen et al., 1998) ou, baseada na metodologia da FAO (Allen et al., 1998) para a estimativa da evapotranspiração da cultura (ETc), sendo os coeficientes culturais derivados de índices de vegetação multiespectrais, como é o caso do NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) (Calera et al., 2005; González-Dugo e Mateos, 2006; Hunsaker et al. 2003). Estas técnicas apresentam a vantagem de se poder obter informações com uma grande cobertura espacial com custo e esforço reduzido.
Com este trabalho pretende-se avaliar duas técnicas para a medição da evapotranspiração em vinha. Em particular procura-se comparar os dados de
detecção remota com dados de campo robustos. Para tal será avaliada a precisão dos resultados da medição da ET com o método das flutuações instantâneas e os dados confrontados com as estimativas baseadas no NDVI.
2 - MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. – Localização e caracterização da parcela experimental
O ensaio decorreu na Herdade de Monte Novo e Figueirinha, Beja (38º02’59’’N, 7º55’15’’) durante o ciclo vegetativo de 2008. A parcela em estudo, cultivar Aragonez, enxertada em 1103P, foi instalada em 2002 com um compasso de 2.8 por 1 m, ocupa uma área de cerca de 6 ha. O sistema de condução é monoplano ascendente, podado em cordão bilateral com uma carga média de oito olhos por cepa.
Segundo a classificação de Koppen, o clima é do tipo Mediterrânico ou subtropical seco (Cs). A precipitação média anual e a temperatura média do ar são cerca de 605 mm e 16.1 ºC, respectivamente (INMG, 1991). O ano hidrológico de 2007 - 2008 caracterizou-se por uma temperatura próxima do normal e precipitação próxima de 420 mm, dos quais cerca de metade ocorreram durante o ciclo vegetativo.
O solo apresenta uma textura argilosa, com algum saibro, cascalho e bastante pedra de gabro-dioritos; apresenta uma profundidade variável entre 50 e 70 cm abaixo da qual se faz a transição para rocha com um grau de alteração que permite a passagem de algumas raízes médias a grossas. A capacidade utilizável é próxima de 10 % (V/V).
2.2. – Caracterização meteorológica
Na parcela foram instalados sensores meteorológicos a 3,2 m da superfície do solo para medir a direcção do vento (catavento modelo W200P, Vector Inst., Reino Unido), a temperatura e a humidade do ar (modelo HMP45C, Campbell Sci., EUA). Também foram usados dados da estação meteorológica do Centro Operativo e de Tecnologia do Regadio (Quinta da Saúde, Beja), em períodos com ausência de medições no local do delineamento. Estes dados foram usados para o cálculo da evapotranspiração de referência (ETo) segundo a metodologia preconizada pela
FAO (método de Penman-Monteith com os parâmetros estabelecidos para a cultura de referência) (Allen et al., 1998).
2.3. – Medição da evapotranspiração da cultura pelo método das flutuações instantâneas
Como método de referência para a medição da evapotranspiração (ET) utilizou-se o método micrometeorológico das flutuações instantâneas (flutuações da componente vertical da velocidade do vento, da temperatura e da humidade absoluta). Neste método, proposto inicialmente por Swinbank (1951) a evapotranspiração é calculada como o produto do calor latente de vaporização da água e a covariância entre a componente vertical da velocidade do vento e as flutuações de humidade. Para além da ET mediu-se o fluxo de calor sensível (H) pelo mesmo método. Os sensores (anemómetro sónico tridimensional mod. CSAT3 e higrómetro de crípton mod. KH20, da Campbell Sci,) foram colocados numa torre a uma altura de 3,2 m. Os dados foram recolhidos a uma frequência de 10 Hz por um sistema de aquisição de dados CR23X (Campbell Sci.) que procedeu ao cálculo das covariâncias e ao armazenamento dos fluxos em intervalos de 30 min. Posteriormente foram efectuadas correcções para a densidade do ar, flutuações de temperatura (Webb et al,, 1980) e de absorção da luz ultravioleta pelo oxigénio (Tanner et al., 1993). Os fluxos semi-horários foram integrados para obter a evapotranspiração diária da vinha. Para verificação do fecho da equação do balanço de energia (Rn-G=H+ET) foi medido o fluxo de calor sensível para o solo (G) e o balanço da radiação (Rn). O Rn foi medido com um pirradiómetro (mod. NR2, Kipp & Zonen, Holanda). Para a medição de G usaram-se 7 placas de fluxo de calor (HFT-3.1, Rebs, USA). Estas foram colocadas no solo a 0,05 m de profundidade, numa posição perpendicular à direcção do fluxo e dispostas em duas perpendicular à direcção das linhas de cepas. Para quantificar a quantidade de calor armazenada na camada de solo que se situa entre a superfície e a profundidade considerada (0,05 m), foram usados termopares de cobre-constantan instalados a 0,025 m. Os dados recolhidos foram armazenados num sistema de aquisição de dados mod. CR10 com um multiplexer mod. AM416 (Campbell Sci.).
2.4. – Estimativa da evapotranspiração da cultura por detecção remota
O método mais expedito para estimar o coeficiente cultural (Kc) a partir de imagens de satélite baseia-se na aproximação que considera a existência de uma relação linear entre o Kc e o Índice de Vegetação NDVI. Neste trabalho, foram utilizadas imagens Landsat 5 TM, as quais funcionaram como imagens de referência para estimar o NDVI. As características básicas das imagens são: campo de visão: 185 x 185 Km2; resolução temporal: 16 dias; resolução espacial: 30 m nas bandas do óptico. Os intervalos de comprimento de onda nas bandas nas quais se estima a reflectividade para calcular o NDVI são [0.63, 0.69 µm] no vermelho (Banda 3 do Landsat 5 TM) e [0.76, 0.90 µm] no infravermelho próximo (banda 4 do Landsat 5 TM).
O cálculo do NVDI foi feito mediante a equação (1) (Rouse et al., 1973):
NDVI = (IRC - R) / (IRC + R) (1)
Onde: IRC é a reflectividade no infravermelho próximo e R é a reflectividade no vermelho.
Foram efectuadas correcções geométricas e atmosféricas de acordo com Calera et al. (2001). A construção de mapas de Kcb foi efectuada recorrendo à relação entre o NDVI e Kcb segundo metodologia desenvolvida no âmbito do Projecto Demeter (Calera et al. 2001). Tendo por base os mapas de Kcb foi possível determinar os mapas de transpiração cultural – T, usando a metodologia da FAO (Allen et al. 1998).
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. – Medição da evapotranspiração real
Os avanços tecnológicos e científicos das últimas décadas permitem medir directamente a evapotranspiração actual da vinha usando o método das flutuações instantâneas. A principal limitação associada a método é que necessita áreas extensas e uniformes para que os seus pressupostos teóricos sejam válidos.
A validade das medições efectuadas pelo método das flutuações instantâneas foi avaliada por um teste independente: fecho da equação do balanço de energia. As medições das flutuações foram previamente relacionadas com a área que origina os fluxos pela análise de “pegada” de acordo com Schuepp et al. (1990).
3.1.1.1. Análise de pegada
Para uma interpretação adequada dos fluxos medidos pelo método das flutuações instantâneas é necessário conhecer a composição e extensão da área fonte / sorvedouro na direcção do vento. Para tal foi efectuada uma análise de pegada de acordo com Schuepp et al. (1990). Devido à reduzida informação existente na bibliografia sobre os parâmetros de rugosidade de um coberto de vinha optámos pelos valores sugeridos por Brutsaert (1982) (estabelecidos para cobertos vegetais homogéneos). Foi então possível estimar o fluxo normalizado acumulado em função da distância horizontal ao ponto de medição, bem como a contribuição relativa das várias áreas para o fluxo vertical medido (Fig. 1)
Figura 1. Estimativa do fluxo normalizado acumulado em função da distância horizontal ao ponto de medição e estimativa da contribuição relativa das áreas localizadas a diferentes distâncias do ponto de medição.
Conforme se pode verificar na Fig. 1, 90% dos fluxos medidos têm origem nos 200 m a montante dos sensores das flutuações instantâneas. A contribuição relativa mais
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 x (m) F lu x o n o rm a li z a d o a c u m u la d o 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 F lu x o r e la ti v o F.N.A. F.R.
elevada ocorreu a uma distância muito próxima do ponto de medição (12 m). Esta análise permitiu seleccionar os dados em função da direcção do vento e do feetch exigido (uma área homogénea com um raio de 200m), o que levou a que se considerassem apenas períodos com direcções do vento dos quadrantes Norte, Noroeste, Oeste e Nordeste.
3.1.1.2. Verificação do fecho da equação do balanço de energia
Apesar de o método de flutuações instantâneas fornecer estimativas directas da densidade dos fluxos de calor sensível e de calor latente, estas devem ser confrontadas com a energia disponível para verificação da sua qualidade. Para tal, procedeu-se à avaliação do fecho da equação do balanço de energia. Este teste, ao comparar os fluxos medidos (ET e H) com os outros termos da equação do balanço de energia de uma superfície (Rn e G), permite de forma independente avaliar a exactidão das medições. Nesta situação (Fig. 2), o balanço de energia da superfície mostrou um erro de fecho de 4% que está acima dos limites (10 to 30 %) frequentemente encontrados com o método das flutuações instantâneas (Twine et al., 2000), validando assim de forma clara os valores de ET medidos.
y = 0.96x - 11.14 R2 = 0.90 -200 0 200 400 600 800 -100 100 300 500 700 Rn-G [W.m-2] E T + H [W .m -2 ]
Figura 2. Fecho da equação do balanço de energia. 3.1.2. Evapotranspiração medida e evolução sazonal.
A medição da evapotranspiração foi efectuada desde o fim de Junho a inícios de Setembro. Como referido anteriormente, apenas se seleccionaram os dias com a direcção do vento mais favorável. A evapotranspiração medida variou entre 1.0 e 3.2
mm/dia (vide figura 3). Estes valores são comparáveis aos medidos numa situação de vigor elevado (cv Trincadeira, Vale do Tejo) (Silvestre et al., 1999).
3.2. Evapotranspiração estimada por detecção remota.
Com base em imagens submetidas a correcção geométrica e atmosférica foram calculados os diversos mapas de NDVI, Kcb e T para as datas 15-06-2008, 01-07-2008, 17-07-01-07-2008, 02-08-2008 e 18-08-2008. Assim, com base na detecção remota obtiveram-se os valores de Kcb e T que se apresentam no Quadro I.
Quadro I. Valores de NDVI, Kcb, ETo e T na parcela experimental ao longo da campanha de rega.
Data NDVI Kcb ETo (mm) T (mm)
15-06-2008 0,629 0,80 6,3 5,0
01-07-2008 0,527 0,66 7,7 5,1
17-07-2008 0,594 0,75 7,2 5,4
02-08-2008 0,586 0,74 6,5 4,8
18-08-2008 0,581 0,73 5,8 4,2
3.4. Comparação das metodologias em estudo
Na Fig. 3 apresenta-se a evolução sazonal da ETo, ET e T estimada por detecção remota. Face à reduzida reserva utilizável do solo, durante o período de medições a vinha já se encontrava em situação de stress pelo que não foi possível medir a ET em condições de conforto hídrico (ETc). A evolução da ET durante o período de medições (Fig. 3) revela o efeito das regas efectuadas, com o respectivo aumento da ET. Durante grande parte do período de rega foi aplicada uma estratégia de rega deficitária com regas de alta frequência e baixa dotação, cujo efeito se fez sentir nos dois dias seguintes às regas, com um aumento significativo da ET. Ao início do pintor foram aplicadas dotações mais elevadas que tiveram como efeito triplicar as taxas de ET. Estas mantiveram-se constantes durante cerca de uma semana pelo que se poderá admitir que nessa altura a vinha estaria a transpirar a uma taxa próxima da
máxima. Neste período, a T estimada a partir do NDVI foi significativamente mais elevada o que pode indicar uma sobrestimativa deste método.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 Dia do ano T , E T , E T 0 [m m .d ia -1 ]
ET Inicio rega ETo T NVDI
Figura 3. Evolução da ETo, ET e T, bem como datas das regas ao longo da campanha de rega de 2008. Herd. Monte Novo e Figueirinha, Cv. Aragonez.
Apesar de o valor do NDVI poder ser afectado por alguns factores como a sombra do coberto vegetal, a humidade da superfície do solo (molhada) e o desenvolvimento de vegetação espontânea (Montero et al., 1999; González-Dugo e Mateos, 2006), vários trabalhos têm revelado uma forte relação linear entre o NDVI e o índice de área foliar (IAF) (Montero et al., 1999; Johnson et al.; 2003), permitindo monitorizar o crescimento do coberto vegetal para efeitos da gestão da rega (Johnson, 2003). Os valores Kcb (Quadro I e respectiva transpiração cultural (Fig. 3) estimados a partir do NDVI são mais elevados do que os valores de referência indicados no manual da FAO (Allen et al., 1998). Os últimos foram deduzidos para vinhas com elevado vigor (Índice de área foliar ≥ 3). Por outro lado, os valores de Kcb tabelados permitem desenhar uma curva em que o Kcb atinge um máximo (0.65) entre sensivelmente as fases de bago de ervilha e pintor e depois decresce de forma linear até ao fim do ciclo vegetativo (onde atinge 0.4). Este comportamento não é observado neste caso. Este facto sugere que uma relação directa entre o NDVI e o Kcb pode não reflectir o que ocorre durante a fase de maturação, pelo que pode ser necessário proceder a ajustamentos no procedimento de cálculo dos Kcb. Uma alternativa poderá passar pela utilização da relação entre NDVI e IAF, estimando-se os Kcb segundo as recomendações do capítulo 9 do manual da FAO (Allen et al., 1998).
Para situações de rega deficitária, a utilização do NDVI pressupõe que se conheçam os valores de stress a impor. Isto poderá ser feito com recurso a medições no terreno de indicadores do stress hídrico da cultura (Silvestre, 2003). A utilização da detecção remota (T estimada pela relação com o NDVI e ET estimada pela resolução da equação do balanço de energia da superfície) apresenta potencial para a estimativa da intensidade do stress hídrico a grande escala. Face às relações conhecidas entre stress hídrico e qualidade da produção, a aplicação conjunta destas duas metodologias pode fornecer informação importante não só para a gestão da rega como também na previsão do potencial qualitativo da produção.
4 – CONCLUSÕES
Durante quase todo o período de medições a vinha esteve submetida a stress hídrico, facto que impossibilitou a comparação directa das técnicas em estudo. Apenas num pequeno período após o pintor e face às dotações de rega mais elevadas efectuadas, foi possível comparar os dados de detecção remota com os dados de evapotranspiração medidos in situ, tendo-se verificado uma sobrestimativa da transpiração estimada por detecção remota. Por outro lado, a relação linear entre o NDVI e o Kcb não é a mais adequada para traduzir o comportamento da curva dos Kcb para o período após o pintor. Isto salienta a necessidade de confirmação futura da relação entre o NDVI e Kcb e eventual utilização de outro tipo de relação para a fase final do ciclo da videira.
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