AVALIAÇÃO DO USO DA ÁGUA EM REGADIO: APLICAÇÃO DO MODELO SIMDualKc A CEVADA, MILHO E OLIVAL *

E OLIVAL

Paula Paredes1_{, Teresa A. Paço}1_{, Ricardo G. Rosa}1_{, Isabel Pôças}1, 2_, Manuela Neves3, Luis S. Pereira1

Resumo

O uso da água em cevada, milho e olival de regadio foram estudados para representar culturas de inverno, e verão e lenhosas perenes. Para o efeito utilizou-se o modelo SIMDualKc que adota a aproximação dual para o cálculo e partição da evapotranspiração das culturas nas componentes de transpiração das culturas e evaporação do solo. O modelo foi calibrado e validado condições climáticas contrastantes, anos secos e anos húmidos; no caso dos cereais utilizaram-se medições de humidade do solo e no olival utilizaram-se medições da transpiração pelo método do fluxo de seiva. Foi também observada a ET pelo método das flutuações instantâneas. O modelo simulou a água disponível no solo, a ET e o balanço hídrico com erros de estima pequenos e elevada eficiência de modelação. Assim, foram derivados os coeficientes culturais de base a ser utilizados na geração de calendários de rega e no aconselhamento aos agricultores.

Abstract

Water use by barley, maize and olive irrigated crops were assessed with the SIMDualKc model, which adopts the dual crop coefficient approach to compute and partition crop evapotranspiration into crop transpiration and soil evaporation. The model was calibrated and validated using observations of the soil water content for cereals and transpiration derived from sap flow measurements. In addition, ET was observed with eddy covariance. The model simulated the available soil water, ET, transpiration and the terms of the water balance with low estimation errors and high modeling efficiency. Basal crop coefficients and depletion fractions for no stress were derived for further use to support irrigation scheduling under drought conditions.

1 _{LEAF, Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa, Tapada da Ajuda 1349-017} Lisboa, Portugal

2 _{Centro de Investigação em Ciências Geo-Espaciais (CICGE), Rua do Campo Alegre, 4169-007} Porto, Portugal

3 _{Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa, e CEAUL, Centro de Estatística e} Aplicações, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Portugal

1. Introdução

A gestão da rega das culturas em condições de seca abrange um conjunto de medidas que incluem o uso de métodos de rega adequados à cultura e ao ambiente, a melhoria do desempenho dos sistemas de rega e a adoção de calendários de rega adaptados às disponibilidades de água, às necessidades das culturas e aos métodos de rega utilizados (Pereira et al., 2002, Pereira, 2004). Nestas condições torna-se possível adotar práticas de poupança de água e controlar os efeitos da rega deficitária sobre a produção e o rendimento dos agricultores (Pereira et al., 2009).

Focando a programação e a condução da rega, o uso de modelos de simulação é particularmente importante, tanto para estabelecer calendários previsionais como para apoiar a decisão de regar no dia a dia de forma a minimizar efeitos da seca e maximizar o uso eficiente da água pelas culturas e a minimizar os usos não-benéficos (Pereira et al., 2012). Existem numerosos modelos de simulação do balanço hídrico que constituem ferramentas preciosas para o apoio á decisão na condução da rega, e.g., os modelos ISAREG (Teixeira e Pereira, 1992; Liu et al., 1998), BUDGET (Raes et al., 2006), PILOTE (Khaledian et al., 2009), HYDRUS (Ramos et al., 2011) e SIMDualKc (Rosa et al., 2012a).

No presente estudo selecionou-se o modelo SIMDualKc dado que este adota a metodologia dos coeficientes culturais duais para o cálculo e partição da evapotranspiração das culturas (ETc, mm) nas suas componentes de evaporação do solo (Es = Ke ETo) e transpiração da cultura (Tc = Kcb ETo) onde ETo é a evapotranspiração de referência, Ke é o coeficiente de evaporação da água do solo e Kcb é o coeficiente cultural de base (Allen et al., 1998; Pereira, 2004; Rosa et al., 2012a). A metodologia dos coeficientes culturais duais permite uma melhor perceção das frações de água, provenientes da precipitação ou da rega, que são efetivamente utilizadas pela cultura e permite avaliar as efeitos de várias práticas agrícolas sobre o uso da água pelas culturas, tanto para maximizar Tc como para minimizar Es. A aproximação dual é mais adequada para regas de alta frequência, como é o caso da microrrega, para culturas com cobertura parcial do solo, como sejam os pomares e as hortícolas, assim como para regiões com precipitação frequente (Allen et al., 2005). O modelo SIMDualKc, por realizar a partição da ETc, adequada conjugação com modelos simplificados de “água-produção” para a predição da produção em cereais como se apresenta em Paredes et al. (2015). O presente estudo inclui uma cultura C3 de primavera (cevada), uma cultura C4 de verão (milho) e uma lenhosa perene (oliveira), culturas estas que foram selecionadas pela sua representatividade e valor estratégico para a agricultura Portuguesa. A utilização de culturas tão distintas como estas permitiu a perceção do impacto das secas e das soluções para mitigar os seus efeitos.

Os objetivos do presente estudo, tendo por base os dados observados em campos de agricultores (Paço et al., 2014; Paredes et al., 2014; Pereira et al., 2015), são: (1) calibração e validação do modelo SIMDualKc, incluindo a derivação dos coeficientes culturais de base (Kcb) e das frações de esgotamento da água do solo

em conforto hídrico (p) para as culturas da cevada, milho e olival; (2) análise das dinâmicas da transpiração e evaporação das mesmas culturas em anos de precipitação contrastante, húmidos e secos; e (3) análise do uso da água pelas referidas culturas e determinação dos termos do balanço hídrico no caso dos cereais.

2. Estudos de campo

2.1. Cevada e milho em Alpiarça

Os estudos foram efetuados durante os anos de 2010 a 2013 nos campos da Quinta da Lagoalva de Cima, localizada em Alpiarça, e tiveram como objetivo melhorar a informação sobre água-produção das culturas, nomeadamente cereais. Foram acompanhadas uma cultura de primavera, cevada dística para malte, e uma cultura de primavera/verão, milho. A Quinta tem uma área regada total de cerca de 500 ha dos quais 60 ha são cultivados com cevada para malte e 200 ha são cultivados com milho. A informação apresentada abaixo foi descrita com melhor detalhe por Paredes et al. (2014) e por Pereira et al. (2015).

Os dados climáticos foram obtidos de uma estação automática localizada na Quinta (39.16o N, 8.33oW e 24 m de elevação). Segundo a classificação de Köppen (Kottek et al., 2006) o clima da região é Csa, um clima quente temperado, com invernos moderadamente chuvosos e verões quentes e secos, ou seja com características típicas de clima Mediterrânico. A caracterização climática dos anos de estudo é apresentada na Fig. 1 relativamente à precipitação e evapotranspiração de referencia (ETo), calculada pela equação FAO-PM (Allen et al., 1998; Pereira, 2004).

Fig. 1. Precipitação mensal acumulada ( ) e evapotranspiração de referência (ETo) ( )

para os anos de estudo 2010 (a), 2011 (b), 2012 (c) e 2013 (d).

0 50 100 150 200 250 300

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ag Set Out Nov Dez

P recipit ação , ET o (m m ) (a) 0 50 100 150 200 250 300

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ag Set Out Nov Dez

Pr ecip it aç ão , ET o (m m) (b) 0 50 100 150 200 250 300

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ag Set Out Nov Dez

P recipit ação , ET o (m m ) (c) 0 50 100 150 200 250 300

Jan Fev Mar Abr Maio Jun

Pr ecip it aç ão , ET o (m m) (d)

0

50

100

150

200

250

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Dec

Jan

Feb

Mar

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ec

ip

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ati

on,

ET

(mm)

Series1

Series2

0

50

100

150

200

250

300

Dec

Jan

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Pr

ec

ip

it

ati

on,

ET

(mm)

Series1

Series2

A cevada dística para malte (Hordeum vulgare L. var. Publican) foi estudada nas campanhas de 2012 e 2013, a primeira em ano de seca e a segunda em ano chuvoso (Fig.1c e d), extremamente contrastantes. Em ambos os anos as parcelas monitorizadas tinham cerca de 30 ha, A cevada foi semeada com uma densidade de 200 kg ha-1 e um espaçamento entrelinhas de 0.15 m. A densidade média observada antes do afilhamento era de 342 e 319 plantas por m2 _{nas campanhas de} 2012 e 2013, respetivamente. A data de sementeira da variedade utilizada pode variar entre meados de Novembro e meados de Janeiro. Foi utilizada sementeira direta e os impactos desta prática sobre a redução da evaporação do solo foram considerados no modelo SIMDualKc seguindo a aproximação testada no estudo de Martins et al. (2013).

Os estudos relativos ao milho (Zea mays L. var. PR33Y74) efetuaram-se nos anos de 2010 a 2012. A campanha de 2010 foi a mais seca e a de 2011 a mais húmida (Fig. 1). Durante as campanhas de rega de 2010 e 2012 foram monitorizadas duas parcelas desde a sementeira até à colheita, respetivamente as parcelas 1 e 2 e as parcelas 2 e 3; em 2011 apenas foi monitorizada a parcela 1. As parcelas monitorizadas tinham área aproximada de 30 ha cada. As parcelas 1 e 2 são contíguas e a parcela 3 encontra-se a aproximadamente 5 km de distância. As parcelas foram semeadas utilizando sementeira direta com uma densidade aproximada de 82000 plantas ha-1.

Os solos das parcelas 1 e 2 apresentam uma textura franco-arenosa em que a maioria da areia é fina. Os solos caracterizam-se por terem uma água disponível total (TAW, mm) de 171 e 149 mm m-1 respetivamente na parcela 1 e 2. A parcela 3 tem um solo com textura limo-argilosa, com TAW = 209 mm m-1. A Tabela 1 apresenta as propriedades físicas e hidráulicas dos solos das 3 parcelas de Alpiarça. A toalha freática é profunda e por isso a sua influência no balanço hídrico foi considerada nula.

Tabela 1. Propriedades texturais e hidráulicas dos solos das parcelas de Alpiarça

(Paredes et al., 2014).

Camada do solo (m) Areia (%) Limo (%) Argila (%) θFC (m3 _m-3_{) θWP (m}3 _m-3₎ Parcela 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 0.0-0.10 85 86 37 11 10 40 4 4 23 0.32 0.25 0.35 0.08 0.08 0.22 0.10-0.20 84 88 35 10 8 42 6 4 24 0.25 0.17 0.36 0.06 0.05 0.24 0.20-0.40 85 87 35 9 8 41 6 5 23 0.22 0.17 0.36 0.06 0.04 0.20 0.40-0.60 86 81 60 8 12 25 6 8 15 0.22 0.26 0.37 0.04 0.09 0.12 0.60-0.80 85 86 62 9 8 24 6 6 14 0.22 0.16 0.36 0.05 0.04 0.10 0.80-1.00 85 83 53 9 10 31 7 6 16 0.17 0.32 0.37 0.04 0.14 0.12 A monitorização do conteúdo de água no solo foi efetuada nos anos de 2011, 2012 e 2013, para ambas as culturas utilizou-se uma sonda do tipo DIVINER 2000 (Sentek Technologies, Austrália), com a qual se efetuaram medições a cada 0.10 m até á profundidade máxima de 0.90 m tendo sido utilizados 16 pontos de observação em cada cultura. Em 2010, para a cultura do milho, utilizaram-se duas sondas do tipo EnviroSCAN (Sentek Technologies, Austrália) em cada parcela; uma das sondas foi colocadas na linha de plantas e a outra na entrelinha. Os

sensores de humidade foram colocados a diferentes profundidades e as medições, automáticas, eram efetuadas a cada 15 minutos. As sondas foram previamente calibradas para os solos de cada campo utilizando uma elevada gama de valores de teor de água no solo, desde valores próximos do coeficiente de emurchecimento até próximo da saturação. As observações da água no solo foram realizadas entre eventos de rega. Estas observações foram efetuadas tomando em consideração as recomendações de precisão propostas por Allen et al. (2011) para uso no cálculo da ET. Os valores do conteúdo de água no solo (θ) observados às várias profundidades foram integrados para a profundidade radicular e convertidos em água disponível no solo (ASW = 1000 (θ – θWP) Zr, mm).

Todas as parcelas são regados por aspersão sendo as parcelas 1 e 2 regadas por um sistema de rampa pivotante e a parcela 3 por uma rampa de deslocação linear. Os calendários de rega aplicados foram decididos pelo agricultor. As dotações de rega variaram ao longo do ciclo das culturas; no caso da cevada a dotação de rega variou entre 5 e 10 mm por evento de rega e no caso do milho de 3 a 16 mm. As dotações mais baixas foram praticadas nas fases de desenvolvimento vegetativo das culturas. A Tabela 2 apresenta as dotações líquidas de rega acumuladas por fases do desenvolvimento da cultura. No caso da cevada, as dotações de rega foram observadas por pluviómetros colocados ao nível do solo enquanto para o milho os pluviómetros foram colocados a 0.20 m acima do copado. Em ambos os casos a localização dos pluviómetros foi próxima dos tubos de acesso das sondas utilizadas na monitorização da água no solo. Foram efetuadas 3 avaliações de desempenho dos sistemas em cada campanha de rega utilizando a metodologia proposta por Merriam e Keller (1978).

Tabela 2. Dotações líquidas de rega (mm) por períodos de desenvolvimento das culturas,

Alpiarça (adaptado de Paredes et al., 2014 e Pereira et al., 2015).

Cultura Ano Parcela

Dotação de rega (mm) Rega total (mm) Período Vegetativo Período intermédio Período final Cevada* 2012 2 94 40 10 144 Milho 2010 1 211 336 77 624 2 191 296 101 588 2011 1 99 329 30 458 2012 2 144 381 60 585 3 201 294 38 533

* a cevada não foi regada em 2013 dada a abundância de chuva

No caso do milho, em 2010 a primeira rega foi atrasada intencionalmente pelo agricultor com o objetivo de permitir um bom desenvolvimento das raízes; adicionalmente, antes da floração, devido a dificuldades com o sistema de rega, foram efetuados poucos eventos de rega e com dotações baixas. Em 2011, a calendarização da rega foi melhorada, aumentando a frequência dos eventos de modo a que a água do solo tivesse sido mantida acima do limiar de stresse. No ano de 2012 o calendário de rega na parcela 2 foi projetada de modo a garantir a plena satisfação das necessidades da cultura e por isso foram adotadas regas mais

frequentes. Na parcela 3, foram adotadas regas menos frequentes uma vez que o solo tem uma maior capacidade de armazenamento de água.

As observações/medições de campo incluíram: a) as datas de início de cada fase de desenvolvimento da cultura (Tabela 3); b) a altura da cultura (h, m); c) a fração do solo coberta pela cultura (fc, adimensional) e o índice de área foliar (LAI, cm2 cm-2_{); e d) a profundidade das raízes.}

Tabela 3. Datas e acumulação térmica (AGDD) para os períodos de desenvolvimento da

cevada e milho, Alpiarça (adaptado de Paredes et al., 2014 e Pereira et al., 2015).

Cultura Ano/Parcela Sementeira

Início do período de crescimento rápido Início do período intermédio Início do período final Colheita Cevada 2012 2 Data 16/01/2012 07/02 03/04 20/05 26/06 AGDD 210 896 1552 2315 2013 2 Data 06/12/2012 04/01 10/03 29/04 06/06 AGDD 302 984 1671 2331 Milho 2010 1 e 2 Data 25/05/2010 26/06 18/07 03/09 13/10 AGDD 310 684 1448 1810 2011 1 Data 20/04/2011 18/05 29/06 18/08 20/09 AGDD 297 716 1490 1955 2012 2 Data 16/04/2012 09/05 25/06 21/08 20/09 AGDD 252 687 1457 1902 3 Data 30/05/2012 16/06 17/07 13/09 12/10 CGDD 257 680 1416 1785

Na cevada, o LAI foi medido em 3 locais por campo, semanalmente, ao longo do ciclo cultural, utilizando um septómetro AccuPAR LP-80 (Decagon Devices, EUA). A Tabela 4 apresenta os valores medidos de LAI (cm2 _cm-2_{) para as duas} campanhas estudadas. Os resultados mostram que o valor mais elevado de LAI foi observado em 2012, com LAI = 4.84 cm2 cm-2 enquanto em 2013 o valor mais elevado foi de 3.55 cm2 _cm-2_{. As diferenças entre os anos podem ser explicadas} pela menor densidade de plantas e pelo menor desenvolvimento das plantas no ano húmido de 2013 quando às fortes chuvadas se associou menor radiação solar.

Tabela 4. Índice de área foliar medido (LAI, cm2 _cm-2_{), cevada dística.}

Datas LAI (cm2 _cm-2_{) Datas LAI (cm}2 _cm-2₎ 07/02/2012 0.24 05/02/2013 1.54 04/04/2012 2.68 19/02/2013 2.53 01/05/2012 3.37 25/02/2013 2.77 07/05/2012 3.82 13/03/2013 3.47 13/05/2012 4.84 23/04/2013 3.55 29/05/2012 3.88 22/05/2013 3.16 31/05/2012 3.75 04/06/2013 2.19 14/06/2012 2.45

As medições de h foram efetuadas 2 vezes por semana até á floração e as observações de fc foram efetuadas a cada 2 semanas. A observação das raízes foi efetuada recorrendo a amostragens de solo até á profundidade de 1 m; verificou-se que a maior densidade de raízes se encontrava nos primeiros 0.30 m do solo mas que raízes de menor diâmetro atingiam 0.90 m assumindo-se ser esta a profundidade efetiva das raízes; os dados de fc e h para a cevada e o milho constam da Tabela 5.

Tabela 5. Altura média da cultura (h) e fração do solo coberta ou sombreada pela

cultura (fc) da cevada e do milho, Alpiarça.

Cultura Ano Parcela Sementeira

Início do período de crescimento rápido Início do período intermédio Início do período final Colheita Cevada 2012 2 h (m) 0 0.20 0.80 0.80 0.75 fc ( ) 0.01 0.10 0.70 0.90 0.65 2013 2 h (m) 0 0.20 0.75 0.75 0.72 fc ( ) 0.01 0.10 0.80 0.85 0.60 Milho* 2010 1 h (m) 0 0.30 2.10 2.30 2.10 fc ( ) 0.01 0.10 0.70 0.84 0.76 2 h (m) 0 0.36 1.93 2.20 2.00 fc ( ) 0.01 0.10 0.80 0.69 0.66 2011 1 h (m) 0 0.40 2.50 2.70 2.60 fc ( ) 0.01 0.10 0.91 0.95 0.91 2012 2 h (m) 0 0.34 2.20 2.80 2.70 fc ( ) 0.01 0.10 0.83 0.93 0.90 3 h (m) 0 0.32 2.52 2.72 2.65 fc ( ) 0.01 0.10 0.81 0.93 0.92

* adaptado de Paredes et al. (2014) e de Pereira et al. (2015)

2.2. Olival super-intensivo em Viana do Alentejo

O olival estudado localiza-se perto de Viana do Alentejo (38˚ 24’ 46’’ N, 7˚ 43’ 40’’ O, 143 m a.n.m.). O sistema de produção do olival (propriedade da empresa "Olivais do Sul") baseava-se na plantação de alta densidade de árvores da cultivar Arbequina (1,35 m × 3,75 m, 1975 árvores ha-1), realizada em 2006. A informação apresentada a seguir foi mais detalhada em Paços et al. (2014)

O clima segundo a classificação de Köppen (Kottek et al., 2006) é Csa, tipicamente do tipo Mediterrânico, sub-húmido seco, com uma precipitação média anual entre 600 e 800 mm e uma temperatura média anual entre 9.6 ºC em Janeiro e 24.1 ºC em Agosto. A Tabela 6 apresenta um resumo das condições climáticas durante a realização do trabalho experimental, em 2011 e 2012. A evapotranspiração de referência (ETo) foi calculada de acordo com Allen et al. (1998) utilizando dados de uma estação próxima, localizada a Este da parcela experimental (estação automática de Viana do Alentejo, 38˚ 21’ 42’’ N, 08˚ 07’ 29’’ O, 138 m a.n.m.).

Tabela 6. Médias das temperaturas mínimas e máximas mensais (˚C), da precipitação

(mm) e da evapotranspiração de referência (ETo, mm) para 2011 e 2012 (Paço et al.,

2014). Mês Temperatura máxima média [ºC] Temperatura mínima média [ºC] Precipitação [mm] ETo [mm] 2011 2012 2011 2012 2011 2012 2011 2012 Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro 14.1 17.1 17.9 24.6 27.6 30.1 31.8 31.7 30.7 28.1 17.7 15.4 15.8 16.0 21.3 18.0 26.5 29.9 32.8 32.7 30.3 23.3 16.6 15.9 5.4 4.8 6.5 10.7 13.1 12.6 13.8 14.9 13.7 122 8.5 4.3 2.8 0.0 5.7 6.9 11.2 13.5 13.9 15.0 14.9 11.4 7.9 6.5 76.1 62.5 39.3 94.6 101.7 46.0 1.0 7.8 49.7 44.8 141.1 12.5 15.0 0.6 25.1 39.1 16.9 0.3 0.6 3.9 41.5 95.1 227.6 61.6 29.0 44.2 67.0 109.3 134.9 166.3 198.2 167.1 127.2 104.1 36.8 25.7 32.8 58.8 92.3 76.7 135.8 169.6 205.6 182.7 134.4 72.4 31.7 26.0 O olival era regado com uma frequência próxima da diária durante a Primavera e o Verão, com um sistema gota-a-gota (gotejadores com espaçamento de 0,75 m), originando uma área molhada após a rega de cerca de 23% da área total. Em 2011 a rega teve início em Maio e decorreu até Outubro, com uma dotação total de 327 mm, enquanto em 2012 decorreu entre Março e Outubro, com uma dotação total de 354 mm. A fração de solo coberto pela vegetação variou entre 0,30 e 0,35 e a altura das árvores era em média cerca de 3.5 m (Tabela 7). A parcela experimental encontrava-se integrada numa área total de aproximadamente 78 ha.

Tabela 7. Datas para os períodos de desenvolvimento, altura e grau de cobertura do solo

no olival, Viana do Alentejo (adaptado de Paço et al., 2014).

Períodos de desenvolvimento da cultura Altura da cultura (m) Fração de cobertura do solo [fc] Ano Início do ciclo Período de crescimento Período

intermédio Período final

Final do ciclo

2011 1/1 1/3 a 1/5 1/5 a 15/10 15/10 a 31/12 31/12 3.6 – 4.0 0.35 2012 1/1 15/4 a 15/5 15/5 a 15/10 15/10 a 31/12 31/12 3.0 – 3.5 0.30 O solo do olival tem uma textura franco-arenosa, com teores médios de argila, limo e areia iguais a 17%, 6% e 77%, respetivamente. O teor de água, determinado a partir da curva de retenção de água do solo, apresentou os valores médios de 0.24 (cm3 cm-3) e 0.12 (cm3 cm-3) para a capacidade de campo e para o coeficiente de emurchecimento, respetivamente. A água disponível no solo (TAW) considerada na modelação foi igual a 144 mm para uma profundidade de 1.2 m. A transpiração das plantas foi avaliada através da medição do fluxo de seiva pelo método de Granier (Granier, 1985). Um conjunto de 6 sensores foi instalado em Maio de 2011 em árvores selecionadas, de acordo com a frequência de classes de diâmetro do tronco, obtidas a partir de uma amostra de plantas mais alargada. As médias das observações referentes a períodos de 30 minutos foram armazenadas

num sistema de aquisição de dados (modelo CR1000, Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, EUA). Os gradientes naturais de temperatura do tronco foram corrigidos usando dados de um sensor sem aquecimento.

Durante períodos curtos da estação de rega, a evapotranspiração (ET) foi medida pelo método micrometeorológico das flutuações instantâneas (eddy covariance na terminologia anglo-saxónica, EC), utilizando um anemómetro sónico tridimensional e um higrómetro de Krypton (Modelos CSAT3 e KH20, Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, EUA) conectados a um datalogger (Modelo CR1000, Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, EUA). Os sensores foram colocados numa torre metálica a uma altura de medição de 4.8 m. Os dados brutos foram recolhidos com uma frequência de 10 Hz e posteriormente analisados com o Software TK3 (Universidade de Bayreuth, Alemanha) para a correção e cálculo de médias para 30 minutos. A correção dos dados foi realizada de acordo com Foken et al. (2011) e os dados brutos foram submetidos a uma rotação de coordenadas usando o método de rotação duplo (Kaimal e Finnigan, 1994) dadas as condições não planas do terreno. A representatividade espacial das medições foi examinada através de uma análise da pegada (Schuepp et al., 1990). Os dados obtidos pelo método EC foram utilizados para a calibração dos dados de fluxo de seiva, como descrito em Ferreira et al. (2004), Silva et al. (2008) e Paço et al. (2014). Este procedimento consistiu em utilizar os dados EC diários (n=209 em 2011 e n=366 em 2012) para estabelecer uma equação de calibração entre a ET e as suas componentes (transpiração e evaporação do solo), obtendo séries temporais longas de valores diários de transpiração calibrados (Tsf). A componente evaporação do solo foi simulada com o modelo de Ritchie (Ritchie, 1972), tal como detalhado em Paço et al. (2014).

3. O modelo SIMDualKc 3.1. Descrição do modelo

O modelo SIMDualKc é um modelo de simulação do balanço hídrico do solo à escala da parcela cultivada e com um passo de tempo diário (Rosa et al., 2012a) para calendarização da rega das culturas. O modelo permite gerar e avaliar alternativas de gestão da rega e já foi calibrado/validado para várias culturas e condições ambientais, nomeadamente para culturas anuais como o milho (Rosa et al., 2012b; Martins et al., 2013; Zhao et al., 2013; Paredes et al., 2014; Wu et al., 2015), cevada para malte (Pereira et al., 2015), trigo (Rosa et al., 2012b; Zhao et al., 2013), algodão (Rosa et al., 2012b), soja (Wei et al., 2015), lúpulo (Fandiño et al., 2015) e pimentão (Qiu et al., 2015). Para culturas lenhosas, foi calibrado/validado para um pomar de pessegueiros, para vinha e para olival (Paço et al., 2012; Fandiño et al., 2012; Paço et al., 2014).

O modelo SIMDualKc utiliza a aproximação dual para o cálculo diário da evapotranspiração cultural ETc (mm d-1) separando as suas componentes relativas à evaporação do solo (Es, mm) e à transpiração das culturas (Tc, mm) conforme descrito por Allen et al. (1998, 2005), Pereira (2004), Allen e Pereira (2009) e Rosa et al. (2012a). A ETc é calculada como:





c

K

K

ET

ET





onde Kcb é o coeficiente cultural basal [ ] e Ke é o coeficiente de evaporação da água do solo [ ] e ETo (mm d-1) é a evapotranspiração de referencia. Para o coeficiente cultural resulta pois Kc = Kcb + Ke. O coeficiente Kcb representa a razão entre a ETc e a ETo quando a camada superficial do solo se encontra seca, mas o teor em água do solo na zona radicular é adequado para manter a plena transpiração da cultura. A curva dos coeficientes culturais e a correspondente definição dos períodos de desenvolvimento das culturas apresentam-se na Fig. 2. Resulta assim que a curva se descreve recorrendo aos Kc ou Kcb dos períodos inicial, intermédio e no final do ciclo, i.e., Kc ini, Kc mid e Kc end (ou Kcb ini, Kcb mid e Kcb end).

Fig. 2. Coeficiente cultural basal, Kcb, relativo à transpiração da cultura e Ke relativo à

evaporação a partir do solo (Pereira, 2004).

De salientar que a equação 1 se refere a condições potenciais de ET, i.e., quando não ocorre stresse que afete a cultura. Nestas condições ETc é designada evapotranspiração cultural potencial e Kcb designa-se por coeficiente cultural potencial de base. Quando ocorra stress, como se descreve abaixo (Eq. 8 e 9) ter-se-á a evapotranspiração cultural real ETc act < ETc a que corresponde o Kcb real Kcb act < Kcb. O ajustamento dos valores de Kcb mid e Kcb end é realizado internamente pelo modelo quando da sua calibração.

O modelo realiza sempre o ajustamento dos valores de Kcb mid e Kcb end às condições ambientais quando os valores médios nos períodos intermédio e final da humidade relativa mínima (RHmin) e da velocidade de vento (u2) diferem, respetivamente, de 45% e de 2 m s-1 (Allen et al., 1998), como segue:

 













onde Kcb(Tab) é o valor de Kcb tabelado (Allen et al., 1998, Allen e Pereira, 2009) e h é a altura média da cultura durante os mesmos períodos de desenvolvimento, intermédio ou final.

A evaporação a partir da camada superficial do solo húmido é representada pelo coeficiente de evaporação do solo (Ke) o qual é calculado através de um balanço hídrico diário da camada superficial do solo. A evaporação a partir da camada superficial do solo é limitada pela energia disponível à superfície do solo em conjunto com a energia consumida pela transpiração da cultura (Allen et al., 1998, 2007). A camada de evaporação é caracterizada pela sua espessura (Ze, m), pelo total de água evaporável (TEW, mm) que representa a quantidade máxima de água que pode ser evaporada da camada superficial do solo quando está completamente húmida, e pela água facilmente evaporável (REW, mm) que representa a quantidade máxima de água que pode ser evaporada sem restrições das disponibilidades de água, sendo apenas limitada pela energia disponível à superfície do solo (Allen et al., 1998, 2007). O Ke atinge o seu valor máximo no período imediatamente a seguir a uma rega ou a uma precipitação fortes na condição de o solo estar exposto á radiação solar direta, i.e., quando o ensombramento do solo pela cultura é mínimo, ou seja no período de desenvolvimento inicial em culturas anuais. Ke está limitado a Kc max - Kcb, onde Kc max é o valor máximo de Kc, i.e., da razão ETc/ETo, pelo que esta condição traduz a partição de energia solar entre a cultura e a superfície do solo O Ke é mínimo quando a cultura cobre completamente o solo e por isso a energia disponível para a evaporação do solo é mínima. Á medida que a camada superficial do solo seca ocorre uma redução da água disponível para a evaporação e o Ke reduz-se progressivamente facto que se representa recorrendo a um coeficiente de redução da evaporação (Kr), vindo portanto:





r

e

K

K

K

K







f

K

onde Kr é o coeficiente de redução da evaporação (≤ 1.0), Kc max é o valor máximo de Kc (i.e., de Kcb + Ke) a seguir a um evento de rega ou precipitação, e few é a fração do solo humedecida quer pela rega quer pela precipitação e exposta à radiação solar, a qual depende da fração do solo coberta ou sombreada pela cultura (fc).

O SIMDualKc adota a metodologia proposta por Ritchie (1972) para o cálculo do Kr dividindo o procedimento em duas fases: na primeira Es fase é apenas limitada pela energia disponível enquanto na segunda Es é limitada pela água disponível na camada superficial do solo de onde provem a água evaporável. Assim, a evaporação diminui á medida que a água na camada evaporativa diminui para além de REW (Allen et al., 1998). Assim, Kr = 1 quando a depleção acumulada de água da camada superficial (De, mm) é inferior a REW; diferentemente, quando De, supera REW resulta Kr < 1 dado por

K_r = TEW− De

A evaporação a partir da superfície do solo é reduzida quando existem mulches, quer de resíduos orgânicos, filmes de plástico ou gravilha. Os mulches, ao cobrirem parcial ou totalmente o solo, reduzem a quantidade de energia disponível á superfície do solo para a evaporação; além disso ajudam a controlar a erosão, a aumentar a infiltração e no controlo de infestantes. O modelo SIMDualKc considera os impactos dos mulches na diminuição do Ke e consequentemente na evaporação do solo através das mudanças na fração fc da superfície do solo sombreada ou não exposta à radiação solar (Rosa et al., 2012a).

Em cobertos descontínuos e/ou incompletos, Kcb, (ou Kc) pode ser estimado em função da densidade e da altura da cultura. Allen e Pereira (2009) recorreram a um coeficiente de densidade, Kd estimado por

K_d = min (1, M_L f_{c eff}, f_{c eff}(1+h1 )) ₍₅₎

onde fc eff é a fração da superfície do solo efetivamente coberta ou sombreada pela vegetação [0.01 - 1] próximo do meio-dia solar, h é a altura da cultura (m), e ML é um multiplicador de fc eff que descreve o efeito da densidade do copado no sombreamento e no valor máximo da ET por fração de solo sombreado, que varia geralmente entre 1.5 e 2.0. Resulta então





K

K

K

K

K







onde Kd [] é o coeficiente de densidade, Kcb full é o valor de Kcb estimado durante o pico de crescimento da cultura supondo condições de cobertura total, e Kc min é o valor de Kcb na ausência de vegetação, cujo valor é aproximadamente 0.15 em condições agrícolas típicas.

No caso de existência de coberturas vegetais ativas cobrindo parcial ou totalmente o solo sob o copado da cultura, como acontece em pomares e vinhas durante a estação chuvosa para proteção contra a erosão do solo, aquelas competem com a cultura pela água disponível no solo e contribuem para a evapotranspiração total da cultura. Nestas condições tem-se

                  2 K K , K K max K K

K_{cb cbcover d cbfull cbcover} cbfull cbcover (7)

onde Kcb cover é o Kcb da cobertura vegetal ativa calculado para a fração do solo não sombreada pela cultura, Kd é o fator de densidade, e Kcb full é o valor de Kcb da cultura sob condições de cobertura total e corrigido para o clima. O segundo termo da função máximo reduz o Kcb estimado para metade da diferença entre Kcb full e Kcb cover quando essa diferença é negativa. Assim, a transpiração do sistema é ajustada utilizando o coeficiente de densidade conforme testado por Fandiño et al. (2012, 2015)

O limiar, específico para cada cultura e correspondente complexo solo-clima, a partir do qual a disponibilidade de água no solo é limitante da evapotranspiração é definido recorrendo ao conceito de fração de água do solo facilmente utilizável (RAW) ou de fração de água do solo que pode ser extraída sem produzir quebra

de rendimento, p 0.05 - 0.95 (Allen et al., 1998, 2005). Assim, em condições de stresse hídrico o valor de Kcb é reduzido pelo coeficiente de défice de humidade do solo, ou de stresse hídrico (Ks), calculado por:

RAW D se TAW ) p 1 ( D -TAW RAW TAW D -TAW Ks  _ r  _ r r (8a)

RAW

D

se

1

K





onde TAW [mm] é a água disponível total na zona radicular do solo, RAW [mm] é a quantidade de água facilmente disponível para as plantas na mesma zona, p [ ] é a fração de esgotamento da água do solo em conforto hídrico e Dr é a depleção de água disponível na zona radicular.

Deste modo a evapotranspiração da cultura em condições de stresse é





act

c

K

K

K

ET

ET





Ks é calculado no SIMDualKc através do balanço hídrico diário da zona radicular. É esse balanço que permite avaliar o uso diário de água pela cultura e os respetivos termos de entradas e saídas como se sumariza na Fig. 3. O modelo calcula o balanço hídrico diário do solo na zona radicular, expresso em termos de depleção de água do solo:

i i , act c i i i 1 i , r i , r

D

(

P

RO

)

I

CR

ET

DP

D















onde Dr,i é a depleção de água na zona radicular no fim do dia i [mm], Dr,i-1 é a depleção de água na zona radicular no fim do dia i-1 [mm], Pi é a precipitação no dia i [mm], ROi é o escoamento superficial no dia i [mm], Ii é a altura de rega infiltrada no solo no dia i [mm], CRi é a ascensão capilar de água a partir de uma toalha freática no dia i [mm], ETc,i é a evapotranspiração cultural no dia i [mm], e DPi é a perda de água por percolação profunda no dia i [mm].

A ascensão capilar (CRi) e a percolação profunda (DPi) são estimadas pelo SIMDualKc usando as equações paramétricas propostas por Liu et al. (2006). Bons exemplos de seu uso são apresentados por Rosa et al. (2012b), Fandiño et al. (2015) e Wu et al. (2015). O escoamento superficial (ROi) é estimado pelo método Curve Number (CN) descrito por Allen et al. (2007).

O SIMDualKc utiliza défice de gestão admitido (MAD). Toma-se MAD < p quando se pretende diminuir o risco de ocorrência de stress ou as incertezas ligadas à gestão da rega e toma-se MAD > p quando se assume a rega deficitária. Assim, o modelo determina a data de rega (dia i) quando:







MAD

i







1



MAD











Fig. 3. Fluxograma do modelo SIMDualKc (adaptada de Rosa et al., 2012a).

O modelo permite várias opções:

1. Calibração e validação do modelo usando dados observados no campo relativos a regas e a água do solo, ET ou transpiração.

2. Cálculo simplificado das necessidades líquidas de rega (NIR) para todos os anos de uma série meteorológica (precipitação e ETo) do que resulta uma série de NIR.

3. Determinação de calendários de rega para maximização da produção, portanto visando aplicar a quantidade de água necessária a suprir as necessidades da cultura ao longo de todo o seu ciclo, sem que ocorra stresse hídrico.

4. Determinação de calendários de rega deficitária, em que as culturas são deliberadamente sujeitas a défice de água e a diminuição da produção.

5. Avaliação de calendários de rega observados no campo.

Os dados de entrada do modelo SIMDualKc (vd. Fig. 3, Rosa et al., 2012a) são: 1) dados meteorológicos - temperatura mínima e máxima diárias (ºC); velocidade do vento a 2 m de altura (m s-1 ou km h-1); humidade relativa mínima diária (%), evapotranspiração de referência (mm) e precipitação (mm);

2) características da cultura – datas limites dos períodos do ciclo cultural (Fig. 2); valores calibrados, tabelados ou estimados de Kcb ini, Kcb mid e Kcb end; valores calibrados, tabelados ou estimados da fração de esgotamento p ao longo do ciclo

Ajustamento do Kcbao stress hídrico Calcular ETo Dados climáticos Dados de ETo disponíveis? Sim Não ETo D a d o s m et eo ro ló g ic o s M ó d u lo s d e re g a D a d o s a g ro n ó m ic o s

BALANÇO HÍDRICO DO SOLO (zona radicular) Cálculo das necessidades de rega Calendarização da rega Avaliação de um dado calendário de rega E x te n sõ es Escoamento Ascensão capilar Percolação profunda Coberturas vegetais activas Mulches RHmin u2 Prec Dados cultura Kcb, Zr, p h, fc, ML Dados solo θFC, θWP, profundidade TEW, REW Opções de rega Restrições hídricas Representação do campo

Kcb ini, Kcb mid, Kcb end

Cálculo diário do Ke Sistema de rega

Calibração/validação

(Dinâmicas da água no solo, transpiração das culturas,

evaporação do solo, evapotranspiração cultural

Balanço hídrico na camada evaporativa Cálculo diário dos Kcb

Termos balanço hídrico

ET actual, escoamento, percolação, ascensão capilar, teor de água no solo Ajustamento do Kcb ao clima

(рini, pdev, pmid, pend); valor mínimo de Kc para solo nu ou descoberto (Kc min); profundidade radicular (Zr, m), altura da cultura (h, m), fração de cobertura (fc) em várias datas ao longo do ciclo.

3) características do solo – número de camadas do solo e, para cada camada, a sua profundidade da camada e o teor de água à capacidade de campo (FC, m3 _m-3_{) e} ao coeficiente de emurchecimento (WP, m3 _m-3_{). ii) o total de água disponível ;} 4) características da camada evaporativa do solo - profundidade (Ze, m), a água facilmente evaporável (REW, mm) e água evaporável total (TEW, mm).

5) características do calendário de rega utilizado ou que se pretende desenvolver – fração de solo humedecida pela rega (fw e few), limiares da água do solo, dotações, datas das regas ou intervalos mínimos ou máximos, bem como a opção de sequeiro; adicionalmente, podem incluir-se dados sobre restrições da água disponível por períodos.

6) escoamento superficial - parâmetro CN, que pode ser selecionado dos valores tabelados por Allen et al. (2007);

7) percolação profunda – parâmetros aD e bD da equação paramétrica proposta por Liu et al. (2006);

8) ascensão capilar – parâmetros das equações paramétricas propostas por Liu et al. (2006) cujos valores de referencia são referidos por estes autores, LAI e profundidade da toalha freática vários dias ao longo do ciclo da cultura.

9) características das coberturas vegetais ativas quando ocorram;

10) características dos mulches de palha ou plástico, incluindo os resíduos em sementeira direta;

11) salinidade do solo e/ou da água de rega - condutividade elétrica do extrato de saturação do solo (ECe, dS m-1_{) no início e no fim do ciclo cultural e limites de} tolerância da cultura à salinidade do solo (ECe limite e parâmetro b);

12) culturas consociadas – frações de cobertura do solo pela cultura dominante e pela cultura secundária.

Constituem dados de entrada obrigatórios do modelo os descritos de 1 a 5. A descrição detalhada do modelo é dada por Rosa et al. (2012a).

3.2. Calibração e validação do modelo e indicadores de ajustamento

A calibração do modelo SIMDualKc é entendida neste estudo como sendo o processo pelo qual os parâmetros que influenciam o modelo são ajustados, dentro de limites razoáveis, de modo a que as estimativas produzidas pelo modelo sejam realistas e consistentes com as observações (Moriasi et al., 2007; Wang et al., 2012). A validação do modelo é o processo de avaliação da precisão do modelo utilizando um conjunto adicional e independente de dados observados e utilizando o conjunto de parâmetros calibrados (Pereira et al., 2015).

O modelo SIMDualKc foi calibrado e validado usando dados de teor de água do solo no caso da cevada e milho relativos às campanhas de 2012 e de 2011, respetivamente, e dados de transpiração da cultura obtidos a partir de medições do fluxo de seiva no caso do olival em 2011.

O processo de calibração consistiu em ajustar os parâmetros não observados relativos á cultura (Kcb, p), á camada de evaporação do solo (Ze, TEW, REW), ao escoamento superficial (CN) e à percolação profunda (aD e bD) de forma a minimizar as diferenças entre os valores de ASW ou da transpiração observados e simulados pelo modelo. As simulações de calibração usaram valores iniciais dos parâmetros escolhidos a partir de valores tabelados (e.g. Allen et al., 1998, 2007; Liu et al., 2006).

A calibração foi efetuada com um procedimento de tentativa-erro focando inicialmente os parâmetros Kcb e p; quando os erros de estima se tornaram suficientemente pequenos, e variavam pouco de uma simulação para outra, o procedimento foi aplicado aos parâmetros relativos à percolação profunda, à evaporação do solo e ao escoamento superficial. Depois disso, o procedimento foi aplicado de novo a todos os parâmetros até estabilização dos erros de estima. A validação do modelo consistiu na utilização dos valores calibrados (Kcb, p, TEW, REW, Ze, aD, bD, e CN) para as condições de 2013 no caso da cevada, de 2010 e 2012 para o caso do milho e de 2012 para o olival. O processo de calibração-validação foi considerado satisfatório quando os indicadores de ajustamento relativos à validação não excederam um máximo de 20% de variação relativamente á calibração (Moriasi et al., 2007; Wang et al., 2012).

Para avaliar a precisão do modelo SIMDualKc na predição dos valores de ASW ou Tc act observados foram utilizadas estratégias qualitativas e estatísticas. De modo a ter uma boa perceção das tendências e/ou enviesamentos da modelação optou-se por efetuar, para cada corrida do modelo, a representação gráfica dos valores simulados e observados ao longo do ciclo das culturas. Adicionalmente, utilizou-se um conjunto de indicadores de ajustamento (vd. Pereira et al., 2015) incluindo:

1) o coeficiente de regressão (b0) da regressão linear forçada à origem (Eisenhauer, 2003) entre os valores simulados (Pi) e os observados (Oi), onde um valor próximo de 1.0 significa que os valores simulados pelo modelo estão estatisticamente próximos dos observados;

2) o coeficiente de determinação (R2) da regressão por mínimos quadrados ordinários entre valores Pi e Oi, o valor de 1.0 significa que a maior parte da variância dos valores observados é explicada pelo modelo.

3) a raiz (quadrada) do erro quadrático médio (RMSE),

4) o rácio da RMSE pelo desvio padrão das observações (RSR), 5) o viés percentual (PBIAS),

7) a eficiência da modelação (EF, Nash e Sutcliff, 1970) que toma valores próximos de 1.0 quando o erro quadrático médio (MSE = RMSE2_{) é muito} pequeno relativamente à variância das observações.

4. Uso da água em cevada

4.1. Dinâmica da água do solo. Calibração e validação do modelo SIMDualKc

A dinâmica da água do solo disponível simulada ao longo das duas campanhas em comparação com os valores de ASW medidos é apresentada na Fig. 4. Os resultados mostram que no ano de 2012 ocorreu stresse hídrico durante a maturação/enchimento do grão (ASW observados abaixo do limite RAW) devido á suspensão da rega 30 dias antes da colheita. Em 2013, pelo contrário, não ocorreu qualquer stresse hídrico devido à chuva abundante que ocorreu ao longo do ciclo cultural. Os resultados mostram que no ano seco, 2012, a água do solo se manteve sempre em teores baixos, bastante abaixo de TAW, enquanto no ano húmido, 2013, ASW esteve frequentemente acima de TAW, i.e., o teor de água do solo esteve frequentemente acima da capacidade de campo. Porém, como o solo tem boa drenagem interna, não ocorreu encharcamento senão por períodos curtos após chuvadas.

a)

b)

Fig. 4. Variação diária da água disponível no solo (ASW) simulada ( ̶̶ ) e observada (x)

para (a) 2012 e (b) 2013 (adaptado de Pereira et al., 2015).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 ASW (mm) TAW RAW 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 ASW (mm) TAW RAW

A Fig. 4 mostra que o modelo SIMDualKc simulou muito satisfatoriamente a ASW mas com um ligeiro viés durante o período mais húmido de 2013, quando ASW > TAW sendo que a sua calibração (Fig. 4a) conduziu a uma parametrização adequada como o mostra a simulação realizada para validação (Fig. 4b) e validação. A Tabela 8 apresenta os valores iniciais e calibrados relativos aos parâmetros culturais (Kcb, p) bem como aos parâmetros que caracterizam a camada evaporativa (TEW, REW, Ze), o escoamento superficial (CN), e a percolação (aD e bD). Os valores iniciais de Kcb e p correspondem aos valores tabelados por Allen et al. (1998); os valores iniciais de TEW, REW, Ze foram obtidos utilizando as características texturais e de retenção de água dos solos da camada evaporativa conforme proposto por Allen et al. (1998); os valores iniciais de aD e bD basearam-se nos valores propostos no estudo de Liu et al. (2006) e os valores iniciais de CN eram os propostos por Allen et al. (2007).

Tabela 8. Coeficientes culturais de base da cevada (Kcb), fração de esgotamento da água

do solo em conforto hídrico (p), e parâmetros relativos à evaporação do solo (TEW,

REW e Ze), ao escoamento e à percolação profunda (Pereira et al., 2015).

Parâmetros Valor inicial Valor calibrado

Cultura

Kcb ini 0.15 0.15

Kcb mid 1.10 1.10

Kcb end 0.15 0.10

pini, pdev, pmid, pend 0.55 0.55

Evaporação do solo REW (mm) 11 7 TEW (mm) 18 28 Ze (m) 0.10 0.10 Escoamento superficial (CN) 72 75 Percolação profunda aD (mm) 360 300 bD -0.017 -0.020

Os valores de Kcb calibrados são semelhantes aos propostos por Allen et al. (1998) com exceção do valor do Kcb end, o qual depende da gestão da cultura; o seu valor é mais baixo devido à adoção de uma colheita tardia. Os valores calibrados de p são iguais aos sugeridos por Allen et al. (1998) e aos reportados por De Ruitter (1999). Os valores calibrados de REW e TEW são próximos dos tabelados em Allen et al. (1998) para solos de textura média. O valor calibrado de CN também está próximo do valor proposto por Allen et al. (2007) para solos de textura media e uso da terra por cereais. O valor calibrado de aD foi ajustado tendo em consideração a capacidade de armazenamento do solo á saturação e á capacidade de campo, enquanto o valor de bD depende das características de drenabilidade do solo (Liu et al., 2006). Os valores calibrados de aD e bD são próximo dos valores iniciais (Tabela 8).

Os valores dos indicadores de precisão dos ajustamentos ("goodness-of-fit”) relativos às simulações utilizando os valores dos parâmetros calibrados são

apresentados na Tabela 9. Os resultados mostram que, tanto para a calibração como para a validação, os coeficientes de regressão b0 são próximos de 1.0 e que os coeficientes de determinação (R2) são elevados, 0.95 e 0.86 respetivamente para a calibração e a validação. Os coeficientes de regressão próximos de 1.0 indicam que os valores estimados e observados são estatisticamente semelhantes e os valores elevados de R2 _{indicam que a maior parte da variância total dos valores} observados de ASW são explicados pelo modelo. Os erros de estima com o SIMDualKc são baixos, com RMSE de apenas 7.1 e 13.2 mm respetivamente para os anos de calibração e validação; igualmente, os AAE foram baixos (< 11 mm) tal como os ARE, qual exprimem o tamanho relativo dos erros de estima, inferiores a 10%. Os valores de PBIAS mostraram que o modelo apresenta um pequeno viés de sobrestima dos valores observados no ano da calibração e um ligeiro viés de subestima no ano da validação. A eficiência de modelação foi elevada (EF > 0.85) indicando que o erro quadrático médio (RMSE2) é muito menor do que a variância dos dados observados. Em conclusão os resultados após calibração do modelo mostram que este é adequado para a predição das dinâmicas da água no solo.

Adicionalmente os resultados mostram que Quando os valores iniciais dos parâmetros foram utilizados em vez dos valores calibrados, o modelo mostrou uma razoável precisão como mostra a Tabela 9 onde se podem comparar os indicadores de ajustamento relativos a ambos os anos. Constata-se que os resultados para o ano seco (2012) são bons, próximos dos que se referem à calibração, sendo porém menos bons no ano húmido, o que se deve à menor adequação dos parâmetros estimados para a percolação profunda.

Tabela 9. Indicadores de ajustamento relativos à calibração e validação do modelo

SIMDualKc para a cultura da cevada, Alpiarça (adaptado de Pereira et al., 2015). Valores dos

parâmetros

Ano Indicadores de ajustamento

b0 () R2 () RMSE (mm) RSR () PBIAS (%) AAE (mm) ARE (%) EF () Calibrados 2012 1.00 0.96 7.6 0.07 1.8 6.6 10.0 0.91 2013 1.00 0.85 13.6 0.09 -1.2 11.0 6.6 0.85 Iniciais 2012 0.98 0.96 8.4 0.07 4.2 6.9 11.1 0.89 2013 0.83 0.80 34.0 0.21 17.9 28.4 20.1 0.05

b0 - coeficiente de regressão da regressão linear forçada à origem; R2 _{- coeficiente de determinação;} RMSE - raiz (quadrada) do erro quadrático médio; RSR – rácio da RMSE pelo desvio padrão das observações; PBIAS – viés percentual; AAE - erro médio absoluto; ARE - erro médio relativo; EF – eficiência de modelação.

4.2. Dinâmica dos coeficientes culturais e de evaporação do solo

Analisando a variação sazonal simulada dos coeficientes de evaporação (Ke) e do coeficiente cultural de base (Kcb), os resultados mostram que o coeficiente cultural de base atual (Kcb act) se encontra abaixo da curva do Kcb potencial nos períodos em que ocorreu stresse no ano de 2012 (Fig. 5a). Em 2013 como não ocorreu stresse hídrico, as curvas de Kcb act e Kcb são coincidentes.

a)

b)

Fig. 5. Variação diária simulada do coeficiente cultural de base potenciais (Kcb, ),

coeficiente cultural de base ajustado ao stress hídrico (Kcb act, ), coeficiente de

evaporação (Ke, …..) e coeficiente cultural médio atual (Kc act, - .- .-), respetivamente em

2012 (a) e 2013 (b), encontra-se adicionalmente representados os eventos de precipitação ( ) e de rega ( ) (adaptado de Pereira et al., 2015).

O Ke apresenta numerosos picos, em ambos os anos, relacionados com os eventos de humedecimento do solo pela rega e pela precipitação. O Ke é mais elevado nas fases iniciais do ciclo cultural, quando a cultura oferece pequena cobertura ao solo e diminui à medida que a cultura cresce atingindo valores mínimos no período intermédio quando a fc é máxima e, consequentemente, a energia disponível á superfície do solo para a evaporação é reduzida. No ano húmido, 2013, os picos de Ke ocorreram tanto nos períodos iniciais como no período final da cultura, neste caso porque a fc decresceu com a senescência da cultura, conjugada com um elevado teor de humidade do solo devido à abundância de chuva.

4.3. Termos do balanço hídrico

Os resultados da simulação do balanço hídrico do solo (Tabela 10) mostram que as frações de água não consumidas, i.e. escoamento superficial e percolação profunda foram negligenciáveis no ano seco representaram respetivamente 10% e 30% da precipitação no ano húmido, 2013.

0 10 20 30 40 50 60 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Pr ec ipi ta ção, rega (mm) Kc ac t , K e , K cb , K cb act 0 10 20 30 40 50 60 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Pr ec ipi ta ção (mm) Kc ac t , K e , K cb , K cb act 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16/01 03/02 21/02 10/03 28/03 15/04 03/05 21/05 08/06 26/06 Pr ecipit ation, irr ig ation (mm) Ke , K cb , K cb ad j , K c act

pre rega kcbadj Ke kcact kcb

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16/01 03/02 21/02 10/03 28/03 15/04 03/05 21/05 08/06 26/06 Pr ecipit ation, irr ig ation (mm) Ke , K cb , K cb ad j , K c act

pre rega kcbadj Ke kcact kcb

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.0 0. 2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16/01 03/02 21/02 10/03 28/03 15/04 03/05 21/05 08/06 26/06 Precipitation, irrigation (mm) Ke, Kcb, Kcb adj, Kc act pre rega kcb adj Ke kca ct kcb 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0.0 0. 2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 16/01 03/02 21/02 10/03 28/03 15/04 03/05 21/05 08/06 26/06 Precipitation, irrigation (mm) Ke, Kcb, Kcb adj, Kc act pre rega kcb adj Ke kca ct kcb

Tabela 10. Balanço hídrico simulado para a cevada para malte relativos a 2012 e 2013. Ano P (mm) I (mm) ΔASW (mm) DP (mm) RO (mm) Es (mm) Tc act (mm) Tc (mm) Tc act/Tc (%) ETc act (mm) Es/ETc act (%) 2012 121 142 101 0 2 74 289 332 87 363 21 2013 578 0 13 182 57 83 270 270 100 353 23

P = precipitação, I = rega, ΔASW = variação da água disponível no solo, DP= percolação profunda, RO = escoamento superficial; Es = evaporação do solo, Tc act = transpiração atual da cultura; Tc = transpiração

máxima da cultura; ETc act = evapotranspiração atual da cultura

Quanto à transpiração, verifica-se que a Tc act foi ligeiramente superior no ano seco relativamente ao ano húmido. Porém, tendo a procura climática sido superior, ocorreu algum stresse com Tc act/Tc de 87%, em contraste com Tc act/Tc = 100% no ano húmido. Como seria de esperar a evaporação do solo foi mais elevada no ano húmido, com a razão Es/ETc act = 23% enquanto tal razão foi de 21% no ano seco. A pequena diferença deve-se ao facto de no ano seco ter sido utilizada rega frequente por rampas pivotantes pelo que a superfície do solo estava frequentemente humedecida.

Os resultados relativos á Es/ET em termos sazonais (Tabela 10) são semelhantes aos valores obtidos em estudos efetuados para o trigo de inverno, o qual tem um comportamento semelhante à cevada em termos de desenvolvimento e de cobertura do solo. Assim, os valores de Es/ET observados neste estudo são comparáveis com os de Angus e Herwaarden (2001), que variaram de 20 a 26%, de Yu et al. (2009), de 21 a 28%, de Chen et al. (2010), que referiram 19 a 28%, mas inferiores aos de Zhao et al. (2013), com uma média de 29%. De salientar que os valores de Es obtidos no presente estudo foram mais baixos do que os de outros estudos na fase inicial do ciclo da cultura porque foi adotada sementeira direta.

5. Milho

5.1. Dinâmica da água do solo. Calibração e validação do modelo SIMDualKc

Como anteriormente referido, a calibração do modelo SIMDualKc para o milho foi realizada mediante a minimização das diferenças entre os valores observados e simulados da ASW relativa á parcela 1 em 2011 e a validação foi efetuada com o conjunto de dados relativos a 2010 e 2012. Todos os valores calibrados dos parâmetros do modelo anteriormente descritos estão listados na Tabela 11 incluindo os valores utilizados para iniciar o procedimento de calibração. Verifica-se que os valores calibrados de todos os parâmetros são relativamente semelhantes aos valores iniciais, visto que estes se basearam nos valores propostos por Allen et al. (1998, 2007) no que respeita aos Kcb, p, e CN, TEW e REW, e por Liu et al. (2006) relativamente aos parâmetros de percolação profunda.

O valor de Kcb para o período inicial (Kcb ini) é típico de condições climáticas em que existem eventos de precipitação relativamente pouco frequentes, é igual ao proposto por Allen et al. (1998, 2007) assim como aos obtidos por Rosa et al. (2012b) em Portugal e por Zhao et al. (2013) na China. O Kcb mid = 1.15 (Tabela

11) é igual ao proposto Allen et al. (1998, 2007), ao obtido por Zhao et al. (2013) e é comparável com o valor relatado por Martins et al. (2013). Wu et al. (2015) referiu um valor de Kcb mid = 0.95 mas para um milho de sequeiro e dependente da ascensão capilar proveniente da toalha freática, valor este mais baixo dado o menor desenvolvimento da cultura. Como discutido por Allen et al. (1998) e por Pereira (2004), o valor do Kcb end depende da gestão da cultura em termos de momento da colheita, sendo esperados valores mais elevados quando a colheita é efetuada logo após a maturação fisiológica, e valores mais baixos quando a colheita é tardia e o teor de água do grão é mais baixo. O valor obtido no presente estudo, Kcb end = 0.30, deve-se a colheita tardia do milho e encontra-se no intervalo de valores propostos por Allen et al. (1998). Os valores calibrados de p = 0.50 são comparáveis aos recomendados por Allen et al. (1998, 2007).

Tabela 11. Cultura do milho: coeficientes culturais de base (Kcb), fração de esgotamento

da água do solo em conforto hídrico (p), parâmetros de evaporação do solo (TEW, REW

e Ze) e parâmetros da percolação profunda (adaptado de Paredes et al., 2014).

Parâmetro Valor inicial Valor calibrado

Cultura Kcb ini 0.15 0.15 Kcb mid 1.15 1.15 Kcb end 0.50 0.30 pini 0.55 0.50 pdev 0.55 0.50 pmid 0.55 0.50 pend 0.55 0.50

Evaporação do solo Parcela 1 Parcela 2 Parcela 3 Parcela 1 Parcela 2 Parcela 3

REW (mm)* 11 11 11 7 7 10 TEW (mm)* 18 18 18 28 21 24 Ze (m) 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Escoamento superficial CN 72 70 75 75 70 77 Percolação profunda aD* (mm) 310 300 430 300 270 400 bD* -0.017 -0.017 -0.017 -0.020 -0.025 -0.015

* Estes parâmetros dependem das características do solo e variam entre parcelas

A Fig 6 apresenta resultados selecionados da comparação entre os valores observados e simulados da ASW ao longo do ciclo cultural do milho. Verifica-se que no ano de 2010 o calendário de rega não foi adequado às necessidades da cultura uma vez que se verificou elevado stresse hídrico (ASW abaixo do limiar RAW) nas fases do ciclo cultural mais sensível ao stresse, i.e. floração e formação do grão (Fig. 6a). Em contraste, nos anos subsequentes os calendários de rega foram adequados às necessidades de água da cultura e deste modo a ASW manteve-se sempre acima da RAW, i.e. sem stresse hídrico (Fig. 6b, c).

a) b)

c)

Fig. 6. Variação diária da água disponível no solo (ASW) simulada ( ̶̶ ) e observada (x)

para (a) parcela 2, 2010, (b) parcela 1, 2011 (calibração) e (c) parcela 2, 2012 (adaptado de Paredes et al., 2014)

Os indicadores de precisão do ajustamento relativos á calibração e validação do modelo são apresentados na Tabela 12, incluindo os resultados quando utilizando os valores iniciais dos parâmetros do modelo.

Tabela 12. Indicadores de precisão do ajustamento relativos à calibração e validação do

modelo SIMDualKc para a cultura do milho, Alpiarça (adaptado de Paredes et al., 2014).

Parâmetros Ano Parcela Indicadores de ajustamento

b0 () R2 () RMSE (mm) RSR () PBIAS (%) AAE (mm) ARE (%) EF () Calibrados 2010 1 1.01 0.92 4.8 0.03 -0.7 3.9 5.9 0.91 2 1.00 0.94 4.0 0.03 0.2 3.2 7.2 0.92 2011 (calibração) 1 0.99 0.85 6.3 0.08 1.3 5.5 4.6 0.84 2012 2 0.98 0.79 5.7 0.09 2.2 4.7 5.4 0.74 3 0.99 0.85 6.5 0.08 1.5 5.7 4.1 0.80 Iniciais 2010 1 0.94 0.91 6.6 0.04 6.1 5.5 8.8 0.84 2 1.08 0.92 5.8 0.04 -7.3 4.2 8.6 0.83 2011 1 1.16 0.83 20.4 0.25 -16.1 19.3 16.7 -1.61 2012 2 1.03 0.81 7.1 0.11 -3.2 5.1 5.7 0.60 3 1.07 0.84 12.3 0.16 -7.2 10.5 7.3 0.28 b0 - coeficiente de regressão da regressão linear forçada à origem; R2 _{- coeficiente de determinação;} RMSE - raiz (quadrada) do erro quadrático médio; RSR – rácio da RMSE pelo desvio padrão das observações; PBIAS – viés percentual; AAE - erro médio absoluto; ARE - erro médio relativo; EF – eficiência de modelação. 0 20 40 60 80 25/05 01/06 08/06 15/06 22/06 29/06 06/07 13/07 20/07 27/07 03/08 10/08 17/08 24/08 31/08 07/09 14/09 21/09 28/09 05/10 12/10 ASW (mm) TAW RAW 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 27/ 04 04/0 5 11/0 5 18/0 5 25/ 05 01/ 06 08/ 06 15/ 06 22/ 06 29/ 06 06/ 07 13/ 07 20/ 07 27/ 07 03/ 08 10/ 08 17/0 8 24/0 8 31/0 8 07/ 09 14/ 09 ASW (mm) TAW RAW 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 16/04 23/04 30/04 07/05 14/05 21/05 28/05 04/06 11/06 18/06 25/06 02/07 09/07 16/07 23/07 30/07 06/08 13/08 20/08 27/08 03/09 10/09 17/09 ASW (mm) TAW RAW

Os resultados utilizando parâmetros calibrados (Tabela 12) mostram bom ajustamento dos valores de ASW simulados relativamente aos observados com b0 próximo de 1.00 para todos os casos estudados e R2 a variar entre 0.79 e 0.93. Estes resultados indicam que não são observáveis enviesamentos na estimação e que a variação observada da ASW é adequadamente explicada pelo modelo. Os erros de estima são baixos, com RMSE a variar entre 4.1 e 6.5 mm, AAE inferiores a 6 mm e ARE < 8%. O PBIAS é também pequeno mostrando uma ligeiro viés de subestimação dos valores observados. A eficiência de modelação é elevada, variando entre 0.74 e 0.91, portanto indicando que o erro médio quadrático é muito inferior à variância dos dados observados, pode concluir-se que o modelo é um bom preditor da dinâmica da água do solo.

Analisando os resultados quando os valores iniciais dos parâmetros são utilizados em lugar dos valores calibrados, verifica-se que os indicadores são relativamente aceitáveis com exceção do ano escolhido para calibração, 2011, devendo comparar-se os indicadores quando se usam parâmetros calibrados ou não (Tabela 12). Neste caso, sendo um ano húmido, ocorreu um desajuste significativo quando os teores de água do solo estavam próximos de TAW (Fig. 6b), assim denotando a ausência de calibração dos parâmetros da equação de cálculo da percolação.

5.2. Dinâmica dos coeficientes culturais e de evaporação do solo

A Figura 7 apresenta, para casos selecionados, a variação sazonal dos coeficientes culturais de base potenciais e reais (Kcb e Kcb act), de evaporação do solo (Ke) assim como os coeficientes culturais médios reais (Kc act). Os resultados mostram que nos casos dos exemplos relativos a 2011 e 2012 as curvas de Kcb act e Kcb são coincidentes (Fig. 7b e c) para a quase totalidade do ciclo do milho visto não ocorrer stresse ou este ser negligenciável; contrariamente, em 2010 a curva do Kcb act ficou abaixo da curva do Kcb durante 17 dias, coincidente com a ocorrência de stresse no período de floração e formação do grão (Fig. 7a).

De modo semelhante a curva do Kc real, Kc act, dado o stresse ser muito pronunciado, encontra-se também abaixo da curva de Kcb. A Fig. 7 mostra a ocorrência de numerosos picos de Ke resultantes de eventos de rega, ocasionalmente também de precipitação, sendo estes maiores nos períodos iniciais do ciclo quando a cobertura do solo pela cultura (fc) era pequena e mais energia se encontrava disponível na camada superficial para a evaporação. As diferenças de fc entre os anos (Tabela 5) são bem evidentes nos picos de Ke, sendo estes maiores em 2010 (Fig. 7a) relativamente a 2011 e 2012 porque as dotações de rega por rampa pivotante eram superiores às de 2011 e 2012 (Fig. 7). Consequentemente, os picos de Kc act são maiores em 2010 (Fig. 7a) relativamente aos outros dois anos (Fig. 7b e c), particularmente nos períodos intermédio e final.