Evapotranspiração da Cultura-Conceitos e Metodologia

18082022 EVAPOTRANSPIRAÇÃO DA CULTURA Prof Marcelo Rossi Vicente ENGENHARIA FLORESTAL CONCEITOS DE EVAPOTRANSPIRAÇÃO ETo ou ETP Evapotranspiração Potencial de Referência ou Evapotranspiração de Referência Foi inicialmente definida como a evapotranspiração de uma superfície extensiva totalmente coberta com grama de tamanho uniforme com 8 a 15 cm de altura e em fase de crescimento ativo em um solo com ótimas condições de umidade A partir de 1990 SMITH 1991 foi proposto um novo conceito de evapotranspiração de referência que foi amplamente adotado e se tornou o novo padrão FAO ALLEN et al1998 A ETo passou a ser a evapotranspiração de uma cultura hipotética que cobre todo o solo em crescimento ativo sem restrição hídrica nem nutricional ótimas condições de desenvolvimento com altura média de 012 m albedo de 023 e resistência da superfície de 70 sm1 18082022 Método do PenmanMonteith FAO em que ETo evapotranspiração de referência mm d1 Rn saldo de radiação à superfície MJ m2d1 T temperatura do ar a 2 m de altura C G fluxo de calor no solo MJ m2d1 U2 velocidade do vento à altura de 2 m m s1 es pressão de saturação de vapor kPa ea pressão de vapor atual do ar kPa es ea déficit de pressão de vapor kPa declividade da curva de pressão de vapor de saturação kPa ºC1 γ constante psicrométrica kPa ºC1 Evapotranspiração de Cultura ETc É a evapotranspiração de uma cultura em dada fase de seu desenvolvimento sem restrição hídrica em condições ótimas de crescimento e com ampla área de bordadura para evitar a advecção de calor sensível H de áreas adjacentes Assim ETc depende das condições meteorológicas expressas por meio da ETo ou ETP do tipo de cultura maior ou menor resistência à seca e da área foliar Como a área foliar da cultura padrão é constante e a da cultura real varia o valor de Kc também irá variar 18082022 Evapotranspiração de Cultura ETc Coeficiente de cultura sob condições ideais de umidade do solo O coeficiente de cultura Kc integra os efeitos de várias características que diferenciam o cultivo da superfície de referência Pereira Angelocci Sentelhas 2002 A altura do cultivo h a qual tem uma influência importante na rugosidade da superfície e na resistência aerodinâmica O albedo da superfície evaporante que depende da porcentagem de cobertura do solo pela cultura pelo tipo de vegetação e pela umidade da superfície do solo o albedo é um parâmetro que influi na radiação solar absorvida e portanto na radiação líquida absorvida pelo dossel vegetativo Evapotranspiração de Cultura ETc Coeficiente de cultura sob condições ideais de umidade do solo A área foliar o número de estômatos a idade das folhas e suas condições assim como o grau de controle estomático já que afetam a resistência ao fluxo de vapor dágua da cobertura vegetal e desta forma afetam a resistência da superfície A área exposta de solo nu que depende da porcentagem de cobertura do solo e que determina a evaporação direta do solo a qual se relaciona com a umidade à superfície 18082022 Evapotranspiração de Cultura ETc Coeficiente de cultura determinados experimentalmente refletem A fisiologia da cultura A Área foliar O Estado da umidade da superfície do solo e na zona do radicular O manejo do solo Principalmente pelo grau de cobertura do solo mulch e plantio direto Clima embora a principal influência seja na ETo Evapotranspiração de Cultura ETc Observações Importantes Para a aplicação do Kc é importante conhecer como foi obtido já que representa a razão entre ETc e ET0 Inclui o efeito da evaporação da água no solo e da transpiração das plantas A contribuição da evaporação é fortemente dependente da exposição da superfície do solo molhado A transpiração é primariamente dependente da quantidade e natureza da água foliar e da disponibilidade de água na zona radicular O valor de Kc varia ao longo do ciclo de cultivo enquanto as plantas crescem desenvolvem alteram a porcentagem de cobertura do solo e senescem Por isso geralmente os valores de Kc variam conforme do índice de área foliar IAF 18082022 Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais O método FAO divide o ciclo das culturas em quatro fases Fase 1 Estabelecimento o componente de evaporação é mais importante Fase 2 Desenvolvimento Vegetativo a evaporação e a transpiração são importantes Fase 3 Florescimento e Frutificação o componente de transpiração é mais importante Fase 4 Maturação redução na evaporação do solo e da transpiração da planta fase de maturação da planta Observase que os valores de Kc acompanham basicamente a área foliar da cultura No caso das culturas anuais o Kc inicial varia de 03 a 05 Kc médio de 08 a 12 e o Kc final de 04 a 07 dependendo do tipo de cultura No caso de culturas perenes ou árvores os valores de Kc também irão variar de acordo com o IAF e o tipo de cultura Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais 18082022 Kc de espécies florestais bibliografia recomendada para espécies florestais httpwwwscielobrpdfcernev19n2a08v19n2pdf Alves 2009 Soares e Almeida 2001 e Soares et al 2001 Kc 10 Eucalipto na fase adulta Trabalho Recente África Descheemaeker et al 2011 CONCEITOS DE EVAPOTRANSPIRAÇÃO ETc ajustada Evapotranspiração da Cultura É a quantidade de água evapotranspirada por uma determinada cultura sob as condições normais de cultivo isto é sem a obrigatoriedade do teor de umidade permanecer sempre próximo à capacidade de campo o que leva a concluir que a ETc ajust é menor ou no máximo igual à ETc Etc ajustada ETc A relação entre as duas pode ser expressa pela seguinte equação ETc aj ETc x Ks em que Ks é o coeficiente que depende da umidade do solo 18082022 Estimativa de Ks coeficiente de umidade do solo Se Dr AFD então Ks é 10 Se Dr AFD então Ks será dado por Dr depleção da lâmina de água na região da rizosfera mm Kl por diferentes metodologias 18082022 Variação de Kc com o desenvolvimento de culturas anuais e perenes Fatores Determinantes da Evapotranspiração Fatores do Clima saldo de radiação temperatura do ar umidade relativa do ar e velocidade do vento Fatores da Cultura altura área foliar tipo de cultura albedo profundidade do sistema radicular Fatores de Manejo e do Solo espaçamento densidade de plantio orientação de plantio uso de cobertura morta plantio direto capacidade de armazenamento do solo impedimentos físicos químicos etc 18082022 DETERMINAÇÃO DA ETo Para a determinação da evapotranspiração potencial de referência ETo serão considerados na disciplina somente os métodos mais generalizados Didaticamente vamos dividilos em dois grandes grupos ou seja métodos diretos e métodos indiretos MÉTODOS DIRETOS Dentre os métodos diretos destacase o uso de lisímetros Outros métodos diretos parcelas experimentais no campo controle da umidade do solo e método da EntradaSaída em grandes áreas Lisímetros são tanques enterrados no solo dentro dos quais se mede a evapotranspiração É o método mais preciso para a determinação direta da ETo desde que instalados corretamente Pontos básicos na instalação de um lisímetro Deve ser suficientemente largo de modo que reduza o efeito da sua parede interna e tenha uma área de tamanho significativo segundo Peixoto JP 1968 a área mínima deve ser de 2m² Deve ser suficientemente profundo de modo que evite restringir o desenvolvimento do sistema radicular das plantas nele cultivadas De modo geral para as plantas de sistema radicular pouco profundo o volume mínimo de terra em um lisímetro deve ser de 2 m³ As condições físicas do solo dentro do lisímetro precisam aproximarse tanto quanto possível das condições do solo que lhe fica externo e deve se controlar o lençol freático dentro dele de modo que não torne as condições de umidade interna diferentes das do solo externo A vegetação plantada dentro do lisímetro deve ser da mesma espécie altura e densidade da vegetação externa Nunca se deve colocar um lisímetro dentro de uma área sem vegetação O lisímetro deve ser instalado em uma área plana homogênea em cultura e solo de dois hectares no mínimo 18082022 Lisímetro de Percolação Consiste em se enterrar um tanque com as dimensões mínimas de 15 m de diâmetro por 10 m de altura no solo deixando a sua borda superior 5 cm acima da superfície deste Do fundo do tanque sai um cano que conduzirá a água drenada até um recipiente Representação esquemática de um lisímetro de percolação I Irrigação do tanque L P Precipitação no tanque L D água drenada do no tanque L S área do tanque m² Lisímetro de Lençol Freático Constante Uma adaptação ao lisímetro de percolação que permite boa precisão na medida da evapotranspiração é o sistema de lençol freático constante Nesta utilização implementase um sistema de alimentação contínua de água através do sistema de drenagem ou de um sistema auxiliar instalado na superfície do lisímetro 18082022 Lisímetro de Pesagem Mecânica Como todo lisímetro pesável o de pesagem mecânica permite a determinação da ET em períodos curtos EThorária ou diária o que não acontece com os lisímetros nãopesáveis Consiste em um tanque apoiado sobre uma balança mecânica O conjunto fica dentro de um tanque externo O tanque interno é livre e apóiase somente sobre a balança a qual acusa toda variação de seu peso ou seja a perda da água evapotranspirada Representação esquemática de um lisímetro de pesagem mecânica P Variação de peso do tanque kg DETERMINAÇÃO DA ETo Como a medida da ETo métodos diretos é muito onerosa e trabalhosa servindo apenas para fins experimentais para fins práticos o mais comum é se lançar mão da estimativa da ETo Métodos Indiretos a partir de dados meteorológicos observados em estações agrometeorológicas convencionais ou automáticas Existem diversos métodos disponíveis para a estimativa da ETP Trataremos aqui dos que vem sendo mais empregados no Brasil entre eles os métodos de Thornthwaite ThornthwaiteCamargo com temperatura efetiva Camargo Hargreaves e Samani Tanque Classe A PriestleyTaylor e PenmanMonteith sendo este último o método padrão internacional de acordo com o Boletim Irrigation and Drainage N 56 da FAO FAO 56 18082022 ESTIMATIVA DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO DE REFERÊNCIA ETo SEGUNDO A EQUAÇÃO DE HARGREAVES Quando não há disponibilidade de dados meteorológicos tais como radiação solar umidade relativa e velocidade do vento a equação de Hargreaves poderá ser utilizada como uma alternativa para a estimativa da evapotranspiração de referência A desvantagem é sua limitação de uso para condições de clima úmido quando apresenta superestimativas Qo Radiação no topo de atmosfera mm dia1 Obs Para converter MJ m2 dia1 em mm dia1 multiplicase por 0408 Fao 56 Espanhol 18082022 Método do PenmanMonteith FAO Método físico baseado no método original de Penman O método de PM considera que a ETP é proveniente dos termos energético e aerodinâmico os quais são controlados pelas resistências ao transporte de vapor da superfície para a atmosfera As resistências são denominadas de resistência da cobertura rs e resistência aerodinâmica ra Para a cultura padrão rs 70 sm A rs é o conjunto das resistências dos estômatos cutícula e do solo e ra é o atrito do ar com as superfície da vegetação Método do PenmanMonteith FAO em que ETo evapotranspiração de referência mm d1 Rn saldo de radiação à superfície MJ m2d1 T temperatura do ar a 2 m de altura C G fluxo de calor no solo MJ m2d1 U2 velocidade do vento à altura de 2 m m s1 es pressão de saturação de vapor kPa ea pressão de vapor atual do ar kPa es ea déficit de pressão de vapor kPa declividade da curva de pressão de vapor de saturação kPa ºC1 γ constante psicrométrica kPa ºC1 Método do PenmanMonteith FAO Pressão atmosférica P 1013 293 00065z 293526 Em que P pressão atmosférica em kPa z altitude em m Método do PenmanMonteith FAO Constante psicrométrica A constante psicrométrica γ representa o balanço entre o calor sensível ganho pela passagem do fluxo de ar no termômetro de bulbo úmido e calor sensível transformado em calor latente calculada como γ Cp P ε λ 0665 x 103 x P γ constante psicrométrica em kPa ºC1 P pressão atmosférica em kPa λ calor latente de vaporização 245 MJ kg1 Cp calor específico a pressão constante 1013 x 103 MJ kg1 ºC1 ε razão de peso molecular de vapor de águaar seco 0622 18082022 Método do PenmanMonteith FAO Radiação extraterrestre por períodos diários Ra Em que Ra radiação extraterrestre em MJ m2 dia1 Gsc constante solar 0082 em MJ m2 min1 dr distância relativa inversa TerraSol ωs Ângulo de radiação ao pôr do sol rad φ latitude em rad δ declinação solar em rad J número do dia no ano entre 1 1 de janeiro e 365 31 de dezembro Ra 2460 π 0082 dr ωssen φ senδ cos φ cos δ senω dr10033 x cos 2π 365 J δ0409 x sen 2π 365 J139 ωsarccos tan φ tanδ 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠 𝜋 180 𝑔𝑟𝑎𝑢𝑠 𝑑𝑒𝑐𝑖𝑚𝑎𝑖𝑠 Método do PenmanMonteith FAO Fotoperíodo Radiação solar Global Rs Se não houver medições diretas da radiação solar Rs ela pode ser calculada através da aplicação da fórmula de Angstrom que relaciona a radiação solar com a radiação extraterrestre e a duração relativa da insolação Em que Rs radiação solar global em MJ m2 dia1 n Insolação em horas N Fotoperíodo em horas nN duração relativa da luz do sol Ra radiação extraterrestre em MJ m2 dia1 a constante de regressão que expressa a fração de radiação extraterrestre que atinge a Terra em dias muito nublados n 0 a b fração da radiação extraterrestre que atinge a Terra em dias claros n N a 025 e b 050 N 24 π ωs Rs ab n N Ra Método do PenmanMonteith FAO Temperatura do ar Umidade relativa do ar Pressão de vapor de saturação média Tmedia Tmax Tmin 2 ea UR 100 esTmedia esT 06108 exp1727 T T 2373 es eoTmax eoTmin 2 Tmedia temperatura média diária do ar em ºC Tmax temperatura máxima diária do ar em ºC Tmin temperatura mínima diária do ar em ºC UR Umidade Relativa em ea pressão de vapor real em Kpa es pressão de saturação de vapor em kPa Método do PenmanMonteith FAO Inclinação da curva de pressão de vapor de saturação Δ Δ 4098 06108 exp1727 T T 2373 T 23732 Em que Δ inclinação da curva de pressão de vapor de saturação em kPa C1 T temperatura do ar em ºC Método do PenmanMonteith FAO Radiação solar em um dia claro A radiação em dias claros Rso quando n N pode ser calculada da seguinte forma Nos casos em que os valores calibrados de as e bs não estão disponíveis Rso 075 2 105 ZRa Em que z elevação da estação acima do nível do mar em mn Insolação em horas Método do PenmanMonteith FAO Radiação solar líquida ou de ondas curtas BOC A radiação líquida de ondas curtas resultante do equilíbrio entre a radiação solar incidente e refletida é dada por Rns 1 α Rs Em que Rns radiação solar líquida ou de ondas curtas em MJ m2 dia1 α albedo ou coeficiente de reflexão da cultura que é 023 para a cultura de referência hipotética Rs radiação solar incidente em MJ m2 dia1 18082022 Método do PenmanMonteith FAO Radiação líquida de ondas longas Rnl BOL A quantidade de emissão de energia de ondas longas é proporcional à temperatura absoluta da superfície elevada à quarta potência Esta relação é expressa quantitativamente pela lei de StefanBoltzmann Devese levar em conta que o fluxo líquido de energia que sai da superfície da Terra é menor que o calculado e dado pela lei de StefanBoltzmann devido à absorção e radiação retornada do céu Vapor de água nuvens dióxido de carbono e poeira absorvem e emitem radiação de ondas longas Portanto suas concentrações devem ser conhecidas para determinar a vazão líquida Como a umidade e a nebulosidade desempenham um papel importante a lei de StefanBoltzmann é corrigida para esses dois fatores quando o fluxo líquido de radiação de onda longa é estimado Método do PenmanMonteith FAO Radiação líquida de ondas longas Rnl BOL Em que Rnl radiação líquida de ondas longas em MJ m2 dia1 σ constante de StefanBoltzmann igual a 4903 x 109 MJ K4 m2 dia1 TmaxK temperatura máxima absoluta durante um período de 24 horas em que K C 27316 TminK temperatura mínima absoluta durante um período de 24 horas em que K C 27316 ea pressão de vapor real kPa RsRso radiação relativa de ondas curtas valores 10 Rs radiação solar em MJ m2 dia1 Rso radiação em dia claro em MJ m2 dia1 Rnl σ TmaxK4TminK4 2 034 014 ea 135 RS RSO 035 Método do PenmanMonteith FAO Radiação líquida Saldo de Radiação A radiação líquida Rn é a diferença entre a radiação líquida de ondas curtas Rns e a radiação líquida de ondas longas Rnl Rn Rns Rnl Em que Rn Radiação Líquida em MJ m2 dia1 Rns radiação solar líquida ou de ondas curtas em MJ m2 dia1 Rnl radiação líquida de ondas longas em MJ m2 dia1 Método do PenmanMonteith FAO Velocidade do vento As velocidades do vento em várias alturas acima da superfície do solo têm valores diferentes O atrito superficial tende a reduzir a velocidade do vento que passa pela superfície A velocidade do vento é menor perto da superfície e aumenta com a altura Por esta razão os anemômetros são colocados a uma altura padrão escolhida 10 m em meteorologia e 2 ou 3 m em agrometeorologia u2 uz 487 ln678 z 542 Em que u2 velocidade do vento a 2 m acima da superfície em m s1 uz velocidade do vento medida a z m acima da superfície em m s1 z altura medida acima da superfície em m