Balanço hídrico agrícola provável para as culturas milho e soja no Estado do Paraná

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Teve-se por objetivo no presente trabalho calcular o balanço hídrico agrícola provável para as culturas milho e soja, no Estado do Paraná.

Autores: GURSKI, B.C.1; SOUZA J.L.M.2; XAVIER, A.C3; GRABARSKI, F.A.P.1; UMLAUF, C.R.4

Trabalho publicado nos Anais do evento e divulgado com a autorização dos autores.

RESUMO

Teve-se como objetivo no presente trabalho calcular o balanço hídrico agrícola (BHA) provável no Estado do Paraná, para as culturas milho e soja. A série de dados climáticos teve 34 anos (1980 a 2013) e 189 pontos de coleta. Os dados climáticos foram espacializados com o melhor interpolador, obtido por validação cruzada, em grid regular de 0,25º x 0,25º, gerando 279 pontos para análise, cobrindo todo o Estado do Paraná. A evapotranspiração de referência (ETo) foi calculada diariamente com o método de Penman-Monteith. O BHA foi calculado diariamente com o programa AquaCrop, que forneceu como dados de saída: evapotranspiração real (ETr), deficiência hídrica (Def) e armazenamento de água no solo (S). Os dados diários de saída foram somados e agrupados em dez dias (decêndios) totalizando 37 decêndios por ano. Foram realizadas distribuições de frequência e aplicados testes de aderência de Kolmogorov-Smirnov a 5% de probabilidade aos valores decendiais para realizar o ajustamento a funções densidade de probabilidade (fdp’s) para cada localidade. Determinouse os valores decendias prováveis de S a 50%, 75% e 90% de probabilidade (S50%, S75%, S90%), ETr e Def a 50%, 25% e 10% (ETr50%, ETr25%, ETr10%, Def50%, Def25%, Def10%), respectivamente. De modo geral, as fdp’s Normal e Gama são as que melhor se ajustam às componentes de saída do BHA. Por outro lado, a distribuição Uniforme teve baixa frequência de ocorrência, podendo ser descartada para ajustes futuros. As componentes do BHA médias nem sempre são iguais aos valores prováveis a 50%, visto que as componentes hídricas decendiais estudadas ajustaram-se melhor à fdp diferente da Normal.

Palavras-chave: função densidade de probabilidade; evapotranspiração; armazenamento de água no solo; deficiência hídrica; Aquacrop

INTRODUÇÃO

O ciclo hidrológico está mudando sensivelmente nos últimos anos. O Brasil tem a agricultura como uma de suas maiores atividades econômicas, mas vem sofrendo com secas extremas, relacionadas principalmente com baixas precipitações, resultando no esgotamento da umidade do solo. A redução de 20% na precipitação durante um período prolongado de três anos (2013 a 2015) foi suficiente para causar sérias condições de escassez de água no País, o que ocasionou sérios problemas sociais e econômicos (Famiglietti e Rodell, 2013; Getirana, 2016).

O balanço hídrico agrícola (BHA) é essencial para obtenção das condições reais da água no sistema solo-planta-atmosfera para diferentes locais e períodos. Suas componentes podem ser medidas diretamente em campo ou estimadas, a partir de dados climatológicos, utilizando modelos específicos (Khazaei e Hosseini, 2015).

No entanto, Yan et al. (2012) enfatizaram a dificuldade da mensuração em campo, a qual é extremamente onerosa do ponto de vista econômico e prático, além da grande variabilidade espacial intrínseca de suas componentes. Por isso, o modelo AquaCrop, disponibilizado pela Food and Agriculture Organization of the United Nations – FAO, vem se destacando na literatura, pois não necessita de medidas diretas.

O AquaCrop se destaca também pela facilidade de uso, necessidade de poucos dados de entrada, possibilitando acurácia na estimativa de componentes hídricas e produtividades de várias culturas agrícolas, inclusive no Brasil (Raes et al., 2016). No entanto, diversos autores consideram que o simples cálculo do BHA não é suficiente, sendo necessário estudos mais aprofundados para grandes regiões, considerando a variabilidade espacial e a probabilidade de ocorrência das componentes hídricas, uma vez que o uso de valores médios pode resultar em erros (Silva et al., 2015).

Por sua vez, o estudo probabilístico da distribuição das componentes hídricas demonstra que suas ocorrências consistem em fenômenos aleatórios influenciados pela localização geográfica. Por isso, muitos trabalhos se limitam a estudar pequenas regiões, como cidades, o que não contribui para macroplanejamentos, como vem ocorrendo inclusive no Estado do Paraná. Outra dificuldade encontrada está na obtenção de séries históricas consistentes, que sejam longas, sem falhas ou oscilação no número de anos, e que apresentem o mesmo padrão instrumental de mensuração (Souza et al., 2013; Jerszurki et al., 2015).

Dessa forma, estudos em grandes regiões, que minimizem os problemas mencionados devem ser priorizados e valorizados. Com isso, é possível aumentar as aplicações do BHA: melhorar a acurácia das estimativas; planejamento das operações da atividade agropecuária; manejo de irrigação; previsão de safras; definição de zoneamentos agrícolas; entre outros (Stagge et al., 2015).

Diante das considerações dispostas, teve-se por objetivo no presente trabalho calcular o balanço hídrico agrícola provável para as culturas milho e soja, no Estado do Paraná.

MATERIAL E MÉTODOS

Caracterização da área de estudo e dados meteorológicos

O Estado do Paraná está localizado na região Sul do Brasil e sua área é de 199.307,922 km² (Maack, 2012). No Estado predominam dois tipos climáticos distintos, de acordo com a classificação de Köppen: Cfa e Cfb. O clima Cfa é subtropical, tem boa distribuição de chuvas, temperatura média anual de 19 °C e pluviosidade de 1500 mm anuais. O clima Cfb é subtropical, tem boa distribuição de chuvas durante o ano e verões amenos. A média anual das temperaturas é de 17 °C e a pluviosidade é superior a 1200 mm (Alvares et al., 2013).

O conjunto de dados meteorológicos incluiu dados observados recolhidos diariamente a partir de pluviômetros (em média 151), bem como estações meteorológicas convencionais e automáticas (em média 38), no período de 01 de janeiro de 1980 a 31 de Dezembro 2013 (34 anos). As fontes dos dados foram o “Instituto Nacional de Meteorologia” (INMET) e “Agência Nacional de Águas” (ANA). Os dados da ANA foram limitados à precipitação pluviométrica (P). Os dados do INMET foram constituídos de: temperaturas máxima (Tmax; °C), mínima (Tmin; °C) e média (Tmed; °C) do ar, umidade relativa do ar (UR; %), velocidade do vento a 2 m de altura (U2, m s-1), precipitação pluviométrica (P; mm), brilho solar diário (n; horas) de estações meteorológicas convencionais, e radiação solar diária (Rs, MJ m-2) a partir de estações automáticas.

Vários interpoladores foram testados para espacializar os dados meteorológicos: ponderação da distância inversa; krigagem ordinária; spline; interpolação natural; média aritmética. O melhor interpolador foi obtido por meio de validação cruzada, e os dados meteorológicos foram espacializados em grid regular de 0,25º x 0,25º, cobrindo todo o Estado do Paraná (Xavier et al., 2016). Como resultado obteve-se os dados meteorológicos (P, Tmáx, Tmín, Tmed, UR, U2, n, Rs) diários (34 anos) para o grid regular contendo 279 pontos (Figura 1).

Figura 1 – Grid regular de 0,25º x 0,25º do Estado do Paraná, em que foram analisados os valores diários das componentes de saída do balanço hídrico agrícola.

Cálculo do balanço hídrico agrícola (BHA)

O cálculo do BHA foi realizado para as culturas milho e soja com o modelo AquaCrop, versão 5.0, disponibilizado pela Food and Agriculture Organization of the United Nations – FAO (Raes et al., 2016). Não foram considerados estresses decorrentes de salinidade e fertilidade. O BHA foi realizado com periodicidade diária, resultando em séries de 34 anos de dados de saída. Os dados de entrada foram divididos em categorias: climáticos (dispostos no item anterior), de solo e da cultura. A ETo (dado climático) foi calculada com o método de Penman-Monteith (Allen et al., 1998).

Os parâmetros de solos consideraram a classificação de solos e texturas predominantes na localidade do Estado do Paraná, onde os dados climáticos foram obtidos (Figuras 1 e 2).

Figura 2 – Mapa de solos do Estado do Paraná (Bhering et al, 2007).

Os parâmetros das culturas milho e soja (Tabela 1) consideraram quatro períodos de desenvolvimento, sendo que o período II (crescimento vegetativo a florescimento) foi estendido ao longo de todo o ano. Portanto, nos períodos I, III e IV as culturas tiveram apenas 1 dia. Assim, o período II, que é o de maior demanda hídrica, perdurou ao longo de todo o ano, nos 34 anos de BHA simulados.

Tabela 1. Parâmetros das culturas agrícolas utilizados no Aquacrop para o cálculo do balanço hídrico agrícola para soja e milho.

As componentes de saída diárias do BHA (série de 34 anos) utilizadas foram armazenamento de água no solo na zona da raiz (S), evapotranspiração real (ETr) e deficiência hídrica (Def), pois são as componentes que mais contribuem para o BHA.

Balanço hídrico agrícola provável para o Estado do Paraná

Considerando os procedimentos metodológicos de Souza et al. (2013), foram realizados os seguintes passos:

a) Agrupamento dos valores diários das componentes do BHA (ETr, Def e S) em períodos de dez dias (decêndios);

b) Estabelecimento das distribuições de frequência com os dados das séries observadas;

c) Cálculo dos parâmetros estatísticos das funções densidade de probabilidade (fdp) Exponencial, Gama, Normal, Triangular e Uniforme, com as séries de valores decendiais;

d) Verificação da aderência dos valores decendiais às cinco fdp’s com o teste de KolmogorovSmirnov a 5% de probabilidade;

e) Escolha da fdp que melhor se ajustou a cada decêndio observado;

f) Determinação dos valores prováveis para diferentes níveis de probabilidade de ocorrência.

Os valores diários das componentes de saída do BHA (S, ETr, Def) foram organizados em 37 decêndios por ano. O trigésimo sétimo decêndio de cada ano foi composto pelos cinco ou seis (ano bissexto) últimos dias do ano.

A aderência dos valores decendias às fdp’s foi obtida por meio do teste de Kolmogorov-Smirnov a 5% de probabilidade. O teste avalia por meio de um valor Dmax, o ajuste entre a distribuição de frequência acumulada teórica F’(x) e outra, F(x), proveniente dos dados amostrados.

Depois de testada a aderência da fdp que melhor se ajustou às séries de dados de S, ETr e Def, para cada decêndio, determinou-se os valores decendias prováveis de S a 50%, 75% e 90% de probabilidade, bem como, ETr e Def, a 10%, 25% e 50% de probabilidade, para cada localidade, respectivamente:

Logo, para cada decêndio, o S75% refere-se ao valor de S que tenha 75% de probabilidade de ser igualado ou superado, o que corresponde à probabilidade do armazenamento Si ocorrer três vezes a cada quatro anos ou com tempo de retorno T = 1,33 anos, em média. Para cada decêndio, a Def25% refere-se ao valor de deficiência Defi que tenha 25% de probabilidade de ser igualado ou superado, o que corresponde à probabilidade da deficiência Defi ocorrer uma vez a cada quatro anos ou com tempo de retorno T = 4 anos, em média.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Funções densidade de probabilidade Várias distribuições de probabilidade têm sido utilizadas para ajustar as componentes de saída do balanço hídrico agrícola (BHA), apresentando variabilidade quanto à adequação às séries históricas. No entanto, não houve diferença entre os ajustes obtidos para as culturas milho e soja. Logo, a natureza do fenômeno não se modificou, por isso, não será tratado a diferença na frequência de ocorrência entre as culturas, sendo abordados apenas aspectos em relação às componentes hídricas (Tabela 2).

Tabela 2. Frequência das funções densidade de probabilidade (N – Normal; G – Gama; T – Triangular; E – Exponencial; U – Uniforme) de melhor ajuste para evapotranspiração real (ETr), déficit hídrico (Def) e armazenamento de água no solo (S), para milho e soja no Estado do Paraná.

A fdp Uniforme não obteve bom ajuste às componentes de saída do BHA (S, ETr e Def). Como apresentou baixa frequência de melhor ajuste, acredita-se que a fdp Uniforme pode ser descartada para ajustes futuros envolvendo o estudo das relações.

Pruitt et al. (1972) consideram que as fdp’s mais utilizadas para o ajuste da ETr são a Normal, Gama, Beta e Gumbel, confirmando com os ajustes obtidos, principalmente para as distribuições Normal e Gama. No entanto, Blain e Brunini (2007) testando as melhores fdp’s para se ajustar à ETr no Estado de São Paulo, obtiveram melhores resultados para a fdp Beta, seguida da Normal, Log-normal e Gama. No entanto, o problema da fdp Beta está no fato de que ela é restrita ao intervalo de valores compreendidos entre o menor e maior valor da série utilizada para o cálculo de seus parâmetros.

Silva et al. (2008) comentam que a distribuição de frequência dos dados de deficiência hídrica do solo se assemelha à distribuição dos dados de precipitação, porém, ocorrendo concentração de frequência para os valores próximos de zero. Essa constatação torna a distribuição dos dados de deficiência hídrica do solo tendendo mais à forma das fdp’s Lognormal, seguidas da Exponencial e Gama.

O ajuste melhora para as fdp’s Exponencial e Gama quando são realizadas transformações nos dados pela raiz cúbica e raiz quadrada, respectivamente. De forma geral, os resultados encontrados por Silva et al. (2008) para o Sul do Rio Grande do Sul não concordam com os obtidos no presente trabalho. Contudo, os autores não utilizaram a metodologia da distribuição mista para a função Gama, o que pode ter diminuído consideravelmente seu ajuste aos valores de Def. Contrariamente, talvez por esse motivo, Nied et al. (2005) concluíram que a melhor fdp para a Def em Santa Maria-RS foi a Gama, bem como Stagge et al. (2015), que destacaram os bons resultados da fdp Gama após testarem as fdp’s Gama, Gumbel, Logística, Log-Logística, Lognormal, Normal e Weibull para toda a Europa.

Não teve nenhum decêndio de S que se ajustou à distribuição Exponencial, devido à natureza do fenômeno. Para Liu e Shao (2014) a fdp que melhor se ajusta aos dados de S é a Normal. Tal afirmativa foi confirmada por Siqueira et al. (2008), em Campinas-SP, e com os ajustes obtidos no presente trabalho.

Componentes hídricas prováveis do balanço hídrico agrícola

As componentes de saída do BHA (ETr, Def e S) no Estado do Paraná tiveram grande variação ao longo do ano. A Evapotranspiração Real (ETr) média nem sempre foi igual ao valor da ETr50%, decendial, principalmente quando a componente se ajustou melhor à função densidade de probabilidade (fdp) diferente da Normal (Tabela 3). Esse aspecto é importante, visto que são casos em que a média não reflete o valor provável a 50% de probabilidade. Nessa situação, a obtenção de melhor ajustamento com outras fdp’s, diferente da Normal, possibilita a obtenção de valores prováveis mais confiáveis.

Tabela 3. Valores prováveis médios decendiais de evapotranspiração real (ETr; mm decêndio1), para diferentes níveis de probabilidade, para as culturas milho e soja no Estado do Paraná.

Verificou-se, em média, que a cultura do milho teve consumo hídrico provável maior que a cultura da soja, confirmando com os resultados obtidos por Doorenbos e Pruitt (1977), que estabeleceram metodologia para determinar o consumo hídrico de diversas culturas agrícolas em várias regiões do mundo.

Farias et al. (2001), considerando todo o Estado do Paraná, verificaram que o período de plantio entre 21 a 31 de dezembro proporcionam menor Def para a cultura da soja. Os autores realizaram cenários de simulações considerando Def a 80% de probabilidade de ocorrência, cultivar precoce (120 dias) e solo com média retenção de água (50 mm). Assim, comparando os valores da soma entre Def média e Def50% verificou-se diferença de mais de 65 mm, para as culturas milho e soja, concordando com os resultados obtidos no presente trabalho (Tabela 4). Os resultados concordam também com Nied et al. (2005) e Stagge et al. (2015), que consideraram que a fdp Normal, e consequentemente a sua média, não reflete bem a tendência e estudos de valores prováveis da Def. Por outro lado, não se verificou para o S divergência entre Def média e Def50% (Tabela 5)

Tabela 4 – Média da deficiência hídrica (Def) decendial provável (mm decêndio1), para diferentes níveis de probabilidade, para as culturas milho e soja no Estado do Paraná.

Tabela 5. Armazenamento provável médio de água no solo (S), para período decendial (mm decêndio-1), obtido para diferentes níveis de probabilidade, para as culturas milho e soja no Estado do Paraná.

No entanto, é importante observar que valores médios de S podem variar bastante, dependendo do clima, solo e cultura cultivada no local. Liu e Shao (2014) encontraram valores médios de S de 166,7 mm para soja na China, em solo com 1,0 m de profundidade, textura franca (classificação textural da USDA, com 45-51% de areia, 30-45% de silte e 11-14% de argila), massa específica de 1500 kg m-3 e condutividade hidráulica da camada superior do solo (0,0-0,2 m) de 0,94 mm min-1. Os autores também encontraram valores médios de S de 255,40 mm para milho irrigado na China, em diferentes tipos de solo (Inceptosols e Aridsols), com 1,0 m de profundidade.

CONCLUSÕES

As funções densidade de probabilidade (fdp’s) Normal e Gama se ajustam melhor às componentes de saída (ETr, Def e S) do balanço hídrico agrícola. A fdp Uniforme não é adequada para realizar ajustes às componentes hídricas (ETr, Def e S) de saída do balanço hídrico agrícola.

Os valores decendiais médios das componentes de saída do balanço hídrico agrícola (ETr, Def e S) não são iguais aos valores prováveis a 50%, devido às séries de valores decendiais das componentes se ajustarem melhor à fdp’s (Exponencial, Gama, Triangular e Uniforme) diferentes da Normal;

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Informações dos autores:  

1Pós-Graduando em Ciência do Solo, UFPR;

2Professor, DSEA/SCA/UFPR;

3Professor UFES;

4Graduando em Agronomia.

Disponível em: Anais do VI Congresso Online  – Agronomia, 2018.

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