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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM METEOROLOGIA
IVENS BARBOZA LEÃO
CONSTRUÇÃO, CALIBRAÇÃO E ANÁLISE DE FUNCIONAMENTO DE
LISÍMETROS DE PESAGEM CULTIVADOS COM CANA-DE-AÇÚCAR
(Saccharum spp)
MACEIÓ-AL.
2011
IVENS BARBOZA LEÃO
CONSTRUÇÃO, CALIBRAÇÃO E ANÁLISE DE FUNCIONAMENTO DE
LISÍMETROS DE PESAGEM CULTIVADOS COM CANA-DE-AÇÚCAR
(Saccharum spp)
Dissertação apresentada a Universidade
Federal de Alagoas, para a obtenção do
título de Mestre em Meteorologia, Área de
concentração Processos de Superfície
Terrestres.
Orientador: Profº Dr. Manoel da Rocha Toledo Filho
MACEIÓ-AL.
2011
Catalogação na fonte
Universidade Federal de Alagoas
Biblioteca Central
Divisão de Tratamento Técnico
Bibliotecária Responsável: Helena Cristina Pimentel do Vale
L437c
Leão, Ivens Barboza.
Construção, calibração e análise de funcionamento de lisímetros de passagem
cultivados com cana-de-açúcar (Saccharum spp) / Ivens Barboza Leão. – 2011.
71 f. : il. grafs., tabs.
Orientador: Manoel da Rocha Toledo Filho.
Dissertação (mestrado em Meteorologia : Processos de Superfície Terrestre) –
Universidade Federal de Alagoas. Instituto de Ciências Atmosféricas.Maceió,
2011.
Bibliografia: f. 67-71.
1. Evaporação (Meteorologia). 2. Cana-de-açúcar – Evapotranspiração.
3. Lisímetro. 4. Célula de carga. I. Título.
CDU: 551.573
Aos meus pais Ilson Barboza Leão
e Maria de Fátima Duarte
Barboza pela educação, amor e
dedicação que sempre tiveram
comigo.
Dedico
AGRADECIMENTOS
À DEUS que me conduziu por toda essa caminhada, mesmo diante de todas
as tempestades, obrigado Senhor Jesus por tudo que alcancei.
À Universidade Federal de Alagoas, Instituto de Ciências Atmosféricas pela
oportunidade oferecida pela realização do curso.
Ao CNPq pela aprovação do projeto, intitulado: Determinação do Coeficiente
de Cultura (Kc) da Cana-de-Áçúcar (Saccharum SSP), no edital Universal (2007),
coordenado pelo Prof. Drº Márcio Aurélio Lins dos Santos.
Aos professores do Instituto de Ciências Atmosféricas, em especial ao Prof.
Dr. Manoel da Rocha Toledo Filho pela orientação e apoio, ao Profº Dr. Ricardo
Amorim pela amizade.
Ao Profº Drº Márcio Aurélio Lins dos Santos, Diretor do campus Arapiraca,
pela co-orientação, parceria e amizade. Aos Bolsistas do campus UFAL- Arapiraca,
Paulo Ferreira, Daniella Pereira, Míriam Paula.
A Usina Coruripe pela disponibilidade da área, assistência técnica, mão-deobra e oportunidade da realização do experimento e apoio. Ao Engº Agrônomo Drº
José Valdemir Costa, Coordenador do Departamento de Mecanização, Nutrição e
Desenvolvimento e ao Técnico Agrícola Eraldo Pereira, Supervisor de Pesquisa e
Desenvolvimento Agrícola, meus agradecimentos.
Aos meus pais Ilson Barboza Leão e Maria de Fátima, aos meus irmãos Ilson
Junior, Ielson Leão, José Neto e Ilza Fernanda e a toda minha família pelo apoio,
amor, e compreensão.
À Gabriela Azevedo pelo amor, carinho e paciência nos momentos difíceis
desta caminhada.
Aos meus Amigos do curso de Pós-graduação em Meteorologia: Fernanda
Casagrande, Diogo Brauner, Gabriel Brito, Alessandro Oliveira, Paulo e Deodato.
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas (FAPEAL), pela
concessão da bolsa de estudo.
Á todos que de alguma maneira contribuíram para realização desse trabalho.
RESUMO
O uso de lisímetros de pesagem serve como uma ferramenta padrão em estudos de
perda de água das culturas agrícolas, pois tais equipamentos medem diretamente a
evapotranspiração de culturas agronômicas que cobrem ou não totalmente o solo.
Este trabalho teve o objetivo de construir, calibrar e analisar o funcionamento de dois
lisímetros de pesagem com área de 2,7 m2, instalados na Usina Coruripe litoral sul
de Alagoas. Cada construção consiste de caixa interna de aço galvanizado instalado
sobre uma estrutura de alvenaria (caixa externa) com paredes 20 cm. Sobre essa
estrutura foram instalados duas bases de cantoneiras soldada e reforçada com
barras no sentido transversal para fixação das 3 células de cargas. Após esse
procedimento os lisímetros foram preenchidos com solo e interligados ao datallog. A
calibração do sistema foi obtida com adição e retirada de massas-padrão
previamente conhecidas. A análise de funcionamento foi realizada utilizando três
formas para a obtenção da evapotranspiração, a primeira ETc 1 - diferença de massa
do conjunto solo-caixa no início do dia (0 h) e a massa obtida no final do dia (24 h)
foi considerada como padrão conforme Champeche 2002, a segunda ETc 2 - consiste
no somatório de todas as diferenças de massa calculadas em cada intervalo de
integração ao longo de um dia, descontando apenas os valores de precipitações e
irrigações, a terceira ETc3 – diferença de massa do conjunto solo-caixa do período
de (06:00 às 19:30 h). Com base nos resultados, verificou-se que os lisímetros
construídos apresentaram boa performance, detectando as variações de massa ao
longo de um dia, inclusive dias com precipitações. Os lisímetros obtiveram um
coeficiente de determinação (R2) de 0,9962 e 0,9999 na calibração, estando ambos
aptos para a determinação da evapotranspiração. A forma para determinação da
evapotranspiração ETc2 somatório da diferença de massa ao longo de todo dia,
apresentou excelente coeficiente de determinação quando comparados com a
diferença de massas ao final do dia (ETc1), podendo ser utilizada para determinar a
evapotranspiração. A evapotranspiração da cana-de-açúcar determinada na fase
final intermediária do seu ciclo obtida pela forma padrão ETc 1 apresentou valores
menores do que a estimada pelo ETo-PM.
Palavras-chave: Evapotranspiração. Lisimetria. Célula de Carga.
ABSTRACT
The weighing lysimeters are used like a standard tool on agricultural crops water
losses,
because
such
equipments
directly
measure
the agronomic
crops
evapotranspiration which cover or not fully the soil. This work aimed to build,
calibrate and analyze the functioning of two weighing lysimiters with an area of 2,7
m2, installed in Coruripe plant, on the south coast of Alagoas. Each build consisted in
a internal cavity in galvanized steel installed above a masonry structure (internal
cavity) with walls 20 cm thick. On this structure were installed two bases of angles
welded and reinforced with rods in the cross direction for setting the 3 loading cells.
After this procedure the lysimeters were filled with soil and interconnected to the
datallog. The calibration of the system was obtained with the addition and removal of
mass-pattern previously known. The analysis of operation was carried out using
three forms for obtaining the evapotranspiration, The first ETc 1 - difference in mass of
the whole soil-box at the beginning of the day (0 h) and the mass obtained at the end
of the day (24 h) was considered as the standard as Champeche (2002); The second
ETc2 - consists of the sum of all the mass differences calculated in each interval of
integration over a day, discounting only the values of precipitation and irrigation; The
third ETc3 - difference in mass of the whole soil-box of the period (06:00 am the 7:30
pm - hours). On the basis of the results, it was found that the lysimeters constructed
showed a good performance, detecting changes in mass over a day, including days
with precipitation. The lysimeters were a coefficient of determination (R2) of 0.9962
and 0.9999 for calibration, who are both suitable for the determination of the
evapotranspiration. The form for the determination of the evapotranspiration ETc2,
sum of the difference in mass throughout the entire day, presented an excellent
coefficient of determination when compared with the difference in masses at the end
of the day (ETc1), which can be used to determine evapotranspiration. The
evapotranspiration of sugar-cane determined in the final stages of its intermediate
cycle obtained by standard form ETc1 values were lower than that estimated by EToPM.
Key words: Evapotranspiration. Lysimetry. loading cell.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Figura 11
Figura 12
Figura 13
Figura 14
Figura 15
Figura 16
Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Figura 23
Figura 24
Figura 25
Figura 26
Figura 27
Figura 28
Figura 29
Figura 30
Localização da Usina Coruripe – Alagoas
Disposição, distribuição e medidas dos lisímetros na área
experimental da Fazenda Capiatã, Usina Coruripe – AL
Croqui da área do experimental com o plantio da cana-de-açúcar
com a disposição dos seis lisímetros, variedades plantada em
cada parcela e em cada lisímetro
Separação do solo em camadas e escavação completa
Caixa externa e Caixa exrtena com acesso a caixa de visita
Cantoneiras para fixação das células de cargas
Instalação do suporte e das células de cargas
Caixa interna e Instalação do lisímetro
Manta de poliéster e camada de brita
Preenchimento do lisímetro com solo e compactação
Datalogger utilizado para armazenamento dos dados
Performance do lisímetro 1 no dia 162
Performance do lisímetro 2 no dia 162
Elementos do clima observados no dia 162
Velocidade média do vento no dia 162
Performance do lisímetro 1 e dia com ocorrência de precipitação
(dia 154)
Precipitação ocorrida no dia 154
Elementos do clima observados no dia 154
Velocidade média do vento no dia 154
Performance do lisímetro 2 em dia de ocorrência de precipitação
(dia 124)
Precipitação ocorrida no dia 124
Elementos do clima observados no dia 124
Velocidade média do vento no dia 124
Resultado da calibração do lisímetro de pesagem 1
Resultado da calibração do lisímetro 2
Elementos do clima observados durante a calibração
Variação da evapotranspiração medida no lisímetro 1 em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-deaçúcar, medida pela três formas (Etc1, Etc2, Etc3)
Variação da evapotranspiração medida no lisímetro 2 em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-deaçúcar, medida pela três formas (Etc1, Etc2, Etc3)
Variação da umidade relativa do ar e velocidade do vento no dia
06/10/2010
Variação da velocidade do vento no dia 06/10/2010 em CoruripeAL
33
35
35
36
37
38
38
39
40
40
41
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46
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49
49
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52
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58
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60
Figura 31
Valores de evapotranspiração medido no lisímetro 1 pelo método
de valores de massa inicial e final (ETc1) comparado pelo método
de somatório negativo de massa (ETc2)
61
Figura 32
Valores de evapotranspiração medidos no lisímetro 1 pelo
método de valores de massa inicial e final (ETc1) comparado com
o método valores de massa de 06:00 a 19:30h (ETc3)
Valores de evapotranspiração medidos no lisímetro 2) pelo
método de valores de massa inicial e final (ETc1) comparado pelo
método de somatório negativo de massa (ETc2)
Valores de evapotranspiração medidos no lisímetro 2 pelo
método de valores de massa inicial e final (ETc1) comparado com
o método valores de massa de 06:00 a 19:30h (ETc3)
Variação da evapotranspiração medida no lisímetro 1 em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-deaçúcar, comparado com o método estimado de Penman-Monteith
Variação da evapotranspiração medida no lisímetro 2 em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-deaçúcar, comparado com o método estimado de PenmanMonteith.
Figura 33
Figura 34
Figura 35
Figura 36
61
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64
65
LISTA DE ABREVIATURAS e SÍMBOLOS
CONAB – Companhia Nacional de Abastecimento.
PIB- Produto Interno Bruto.
DIEESE – Departamento Intersindical de Estatísticas e Estudos Econômicos.
ETo – Evapotranspiração Potencial.
ETp - Evapotranspiração Referência.
ETr - Evapotranspiração real
ETc – Evapotranspiração da Cultura.
b = (N/12) (fator de ajuste do comprimento do dia).
N: máxima insolação diária.
I : índice de calor.
Tm: Temperatura média diária.
Tmin = temperatura mínima do ar
Tmax = temperatura máxima do ar.
Tmed= Temperatura média diária do ar a 2m de altura.
Ra = radiação solar no topo da atmosfera.
G = Densidade de fluxo de calor no solo.
U2 = Velocidade do vento média diária a 2m de altura.
es = Pressão de saturação do vapor média diária.
ea = Pressão atual de vapor média diária.
s = Declividade da curva de pressão de vapor no ponto de Tmed.
γ = é a constante psicrométrica (0,063 kPa/ ºC).
SÚMARIO
1.
1
1.1
1.11
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.3
2.4
2.5
3
3.1
3.1.1
3.2
3.3
4
INTRODUÇÃO
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Cana-de-açúcar
Necessidade hídrica da cana-de-açúcar
Evapotranspiração
Métodos de determinação da evapotranspiração
Métodos Indiretos
Método Direto
MATERIAL E MÉTODOS
Descrição da Área Experimental
Construção e instalação dos lisímetros
Escavação dos lisímetros
Estrutura das caixas externas
Instalação das Células de cargas
Construção das caixas internas
Preenchimento dos lisímetros com solo
Instrumentação
Calibração
Análise de funcionamento
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Construção
Perfomance
Calibração
Análise de Funcionamento
CONCLUSÕES
REFERÊNCIAS
Pag.
14
16
16
17
18
22
22
29
33
33
36
36
37
38
39
39
41
41
43
45
45
45
54
57
66
67
14
INTRODUÇÃO
O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, com uma área
cultivada superior a sete milhões de hectares e uma produção na safra 2009/2010
de 612.211,20 mil toneladas (cana colhida) que são destinados principalmente à
fabricação de açúcar e álcool (CONAB, 2009). O Estado de São Paulo continua
sendo o maior produtor com 54 % da área colhida, seguido por Minas Gerais com
8%, Paraná com 7,5%, Goiás com 7,4%, Alagoas com 5,74%, Mato Grosso do Sul
com 4,2% e Pernambuco com 4,1%.
A demanda crescente no mercado interno e externo por combustíveis
renováveis, especialmente o etanol, atrai novos investimentos para a formação de
novas áreas de cultivo de cana-de-açúcar para indústria, com destaque para o
nordeste brasileiro em especial o Estado de Alagoas com uma área 447 mil hectares
de cana colhida na safra 2009/2010 (CONAB, 2009), representando a cultura com
maior expressão econômica no Estado.
A cana-de-açúcar é uma das culturas com maior consumo de água,
apresentando uma alta demanda evapotranspirativa ao longo do seu ciclo. Em
Alagoas mesmo sendo cultivada em regiões considerada úmidas (Litoral, Tabuleiros
Costeiros e Zona da Mata), sofre déficit hídrico em determinadas fase do cultivo por
essas regiões apresentarem distribuição da precipitação irregular.
Os rendimentos das atividades agrícolas são determinados, a princípios,
pelas características edafoclimáticas da região, tais como: temperatura, precipitação
pluvial, fertilidade do solo. Esses são fatores ambientais que exercem maiores
influências sobre as culturas entre elas a cana-de-açúcar. O conhecimento dos
15
fatores que limitam os rendimentos de um cultivo é fundamental para que novos
incrementos sejam conseguidos.
A precipitação pluviométrica é o principal fator limitante das produtividades
agrícolas no Nordeste brasileiro, que devido à irregularidade chuvas causa
deficiências de água no solo. Tal problema pode ser solucionado com o manejo
adequado de irrigação e a determinação da real necessidade hídrica das plantas,
são fatores essenciais para a economia de água nos projetos de irrigação, visto que
a mesma é um recurso natural um tanto escasso.
Na determinação da necessidade hídrica das plantas quase sempre são
utilizados equações que estimam a ETo a partir de dados meteorológicos, esses
métodos indiretos muitas vezes superestimam os resultados, levando ao produtor a
perdas nos custos de produção e ambiental com o desperdício de água.
Como método padrão para a determinação da evapotranspiração, os
lisímetros equipados com mecanismos de pesagem por células de carga são os
mais modernos, permitindo a realização de medidas automatizadas com células de
carga instaladas sob a caixa impermeável acopladas a um sistema de aquisição de
dados, fornecendo resultados mais confiáveis, e possibilitam a obtenção de medidas
em escala horária, representando grande vantagem em relação aos demais tipos de
lisímetros.
Este trabalho tem como objetivos (a) Construção de dois lisímetros de
pesagem, baseados em células de cargas e sistema de redução de massa, (b)
Calibração dos lisímetros cultivados com cana-de-açúcar, por adição e retirada de
massas em condições de campo, (c) Analisar o funcionamento dos lisímetros.
16
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Cana-de-açúcar
A cana-de-açúcar é uma das principais culturas agrícolas do Brasil, tendo
uma grande importância sócio-econômica, visto que pode ser atribuída a múltipla
utilização como matéria prima na indústria sucroalcooleira para a produção de
etanol, açúcar e também atuando como fonte de energia, para a geração de
bioeletricidade (DALRI; CRUZ, 2008).
Segundo a CONAB, (2009) a área de cana colhida destinada à atividade
sucroalcooleira, na safra (2009/2010), está estimada em 7.531 mil hectares,
distribuída em todos Estados produtores. A maior concentração está em: São Paulo
– 4.101,4 mil ha; Paraná – 590,1 mil ha; Minas Gerais – 587,1 mil ha; Goiás – 520,3
mil ha e Alagoas – 448 mil ha. A produtividade média brasileira está estimada em
81.293 kg/hectare, 0,4% maior que a da safra 2008/2009, mostrando um certo
equilíbrio nas duas safras. O centro-sul puxa as médias para cima devido às
condições de produção, tamanho de lavoura, tipo de solo, topografia e tecnologia
aplicada.
A previsão do total de cana moída é de 612.211,20 mil toneladas, volume
superior em 7,1% ao colhido na safra 2008/2009. Do total da cana esmagada,
276.007,1 mil toneladas (45,08%) foram destinadas à produção de açúcar,
produzindo 34.636,9 mil toneladas e 336.204,1 mil toneladas (54,9992%) destinadas
à produção de álcool, gerando um volume total de 25.866,06 milhões de litros de
17
álcool, deste total, 7.652,3 milhões de litros são de álcool anidro e 18.213,76 bilhões
de litros são de álcool hidratado (CONAB, 2009).
O setor sucroalcooleiro é de grande relevância no contexto sócio-econômico
do País, visto que a cultura da cana-de-açúcar é uma das mais importantes espécies
agrícolas exploradas no Brasil. Cerca de R$ 40 bilhões por ano é movimentado pelo
mercado sucroalcooleiro, com faturamentos diretos e indiretos, o que corresponde a
2,35% do PIB brasileiro. É, também, um dos setores que mais empregam no país,
com mais de 3,6 milhões de empregos diretos e indiretos, e reúne mais de 72.000
agricultores (DIEESE, 2007).
1.1.1 Necessidade hídrica da cana-de-açúcar
A necessidade hídrica da cana-de-açúcar varia com o estádio vegetativo em
que a cultura se encontra e a cultivar utilizada (AUDE, 1993) sendo, portanto função
da área foliar, estádio fisiológico e densidade radicular. Segundo Doorenbos e
Kassam (1979), a necessidade hídrica da cana-de-açúcar é de 1500 a 2500 mm por
ciclo vegetativo e o manejo da irrigação deve ser feito de acordo com as tensões de
água no solo, recomendadas para cada período do ciclo fenológico.
O déficit hídrico afeta vários aspectos do crescimento vegetal; os efeitos mais
óbvios do estresse hídrico se referem à redução do tamanho das plantas, de sua
área foliar e da produtividade da cultura (TAIZ; ZEIGER, 2002). O grau de injúria
causado pelo déficit hídrico depende consideravelmente do estádio fenológico em
que ele ocorre na planta e da duração do estresse. Conforme Farias et al. (2008), o
crescimento vegetal depende da divisão celular, do crescimento e da diferenciação
18
celular e todos esses processos são afetados por déficits hídricos, mas não
necessariamente na mesma proporção.
Na cana-de-açúcar durante a fase inicial, brotação e estabelecimento, quando
ocorre o enraizamento e o crescimento inicial da planta é importante que não haja
déficit hídrico para que não ocorra falha na brotação ou até morte das soqueiras. O
mesmo acontecendo com o período de crescimento vegetativo, fase em que ocorre
o desenvolvimento das folhas, surgimento de brotos e alongamentos dos colmos,
estresse hídrico nessa fase atrapalha o perfilhamento da planta (GOUVÊA, 2008).
Wiedenfeld, (2000) relata um decréscimo na produtividade da cana quando
submetida a um déficit hídrico na fase de crescimento. Mas quando esse déficit
ocorre na maturação é benéfica, pois provocar desidratação forçando a cana a
transforma todos os açucares em sacarose.
Vários autores relatam que a suplementação da irrigação no inicio do estádio
de crescimento é muito importante, confirmando que o estádio de estabelecimento
mais o estádio vegetativo para a cana-de-açúcar é o mais sensível a deficiências
hídricas (SANTOS, 2005).
1.2 Evapotranspiração
A evaporação é um fenômeno de natureza física no qual as moléculas de
água passam do estado líquido para o estado gasoso. Ocorrem nas superfícies
líquidas de reservatórios, lagos e rios, na superfície úmida (solos e plantas)
(REICHARDT, 1985).
19
O processo físico da evaporação é função principalmente da temperatura e
umidade do ar, sendo influenciada ainda pela pressão atmosférica, velocidade
média do vento na região, sólidos solúveis, umidade e natureza do solo.
Porto e Filho, (2000) relatam que os métodos de obtenção da evaporação
potencial são divididos em dois grupos: Diretos (Evaporímetros, Atmômetros,
Evapógrafo de Balança), Indiretos (Método de Penmam, Método do Balanço hídrico,
Método das formulas Empíricas).
A transpiração é um processo biofísico, que consiste na eliminação de água
pela vegetação por meio de processos metabólicos necessários ao crescimento e
desenvolvimento das plantas, através das suas folhas (estômatos e cutícula)
(REICHARDT; TIMM, 2004).
A transpiração potencial é uma função do clima e da fisiologia da planta,
ocorrendo sob uma taxa ilimitada de alimentação de água na zona de raízes. A
transpiração real, sob condições limitadas de água, depende da habilidade da planta
em extrair a umidade do solo parcialmente saturado com capacidade limitada de
transferir água.
Evapotranspiração é o processo simultâneo de transferência de água para a
atmosfera por evaporação da água do solo, superfícies livres de água e água retida
pelas plantas e pela transpiração das plantas (BURMAN et al., 1983).
Segundo Raudkivi (1979), a evapotranspiração assume papel importante no
ciclo hidrológico, sendo responsável pelo retorno à atmosfera de aproximadamente
70% da precipitação anual na superfície terrestre, representando assim uma parcela
significativa nos estudos de balanço hídrico e nos projetos de recursos hídricos.
Informações quantitativas deste processo podem ser utilizadas na resolução de
20
numerosos problemas que envolvem o manejo da água. Santos (2005) em trabalho
realizado na Usina Coruripe com cana-de-açúcar utilizou a Eto para analisar a
viabilidade de irrigação suplementar no primeiro estádio de desenvolvimento da
cana-de-açúcar. Para o planejamento de áreas agrícolas irrigadas, quanto para a
previsão de cheias ou a construção de reservatórios, são requeridos dados
confiáveis de evapotranspiração (MORAES, 2007 Apud FELTRIN, 2009).
Para conhecimento mais aprofundado das condições hídricas de uma região,
se faz necessário o conhecimento dos diferentes conceitos de evapotranspiração:
Evapotranspiração de Referência (ETo) - De acordo com Freitas (2005) a
evapotranspiração de referência (ETo) é a máxima evapotranspiração que ocorreria
se o solo dispusesse de suprimento de água suficiente e a plantação em questão
tivesse no auge da quantidade de folhas. Define-se a ETo como sendo a quantidade
de água que seria utilizada por uma extensa superfície vegetada com grama, com
altura entre 8 e 15 cm, em crescimento ativo, cobrindo totalmente a superfície do
solo, com área foliar constante, com ampla área de bordadura e sem restrição
hídrica de água no solo. É limitada pelo balanço vertical de energia. A ETo é um
valor de referência, pois caracteriza a perda de água da bacia como se toda a
vegetação fosse um gramado de uma espécie vegetal padronizada. Portanto, é um
índice que depende das características particulares da transpiração da cultura
plantada na região estudada, levando em conta apenas o clima, o tipo de solo, e as
superfícies livres de água na bacia.
21
O estudo da evapotranspiração referência é, portanto, de importância
fundamental na avaliação das necessidades de água para a agricultura em projetos
de irrigação.
Evapotranspiração
Real
(ETr)
–
Segundo
Sentelhas
(1998),
A
evapotranspiração real corresponde à quantidade de água transferida para a
atmosfera por evaporação e transpiração, nas condições reais (existentes) de
fatores atmosféricos e umidade do solo. A evapotranspiração real é igual ou menor
que a evapotranspiração potencial. Sendo assim, ETR ≤ ETo. A taxa de
evapotranspiração potencial é função das condições meteorológicas
e
a
evapotranspiração real é influenciada pela disponibilidade de água no solo e pela
demanda evaporativa da atmosfera. A evapotranspiração máxima de uma cultura
depende da demanda evaporativa do ar que é determinada pela radiação solar,
velocidade do vento, umidade e temperatura do ar (MATZENAUER, 1992).
Evapotranspiração da Cultura (ETc) – conforme Freitas (2005) a
evapotranspiração da cultura, é a evapotranspiração que ocorre numa cultura
qualquer em uma fase fenológica de desenvolvimento sem restrição hídrica e com
ampla bordadura. É a evapotranspiração “potencial” para uma determinada cultura e
está relacionada à ETo através da seguinte expressão:
ETc = ETo * Kc
em que Kc é o coeficiente de cultura, variando com o tipo de planta e fase fenológica
de desenvolvimento.
22
Em análise quantitativa, a evapotranspiração tem sua determinação baseada
em métodos diretos (lisímetros) e métodos indiretos. Os métodos mais empregados
na estimativa da ETp são os indiretos e se baseiam em dados meteorológicos,
muitas vezes não disponíveis próximo ao local de estudo. Por outro lado, os
métodos diretos de estimativa, como os lisímetros de pesagem, proporcionam
resultados mais confiáveis (CARVALHO et al., 2006).
1.3 Métodos de Determinação da Evapotranspiração
1.3.1 Métodos Indiretos
Thornthwaite
Thornthwaite (1948), a partir da correlação entre dados de evapotranspiração
medida e temperatura do ar, elaborou o seguinte método empírico:
(1)
Onde:
(2)
(3)
23
b = (N/12) (fator de ajuste do comprimento do dia);
ETp = Evapotranspiração potencial (mm/mês);
N: máxima insolação diária, função da latitude e do mês;
I : índice de calor;
Tm: Temperatura média diária.
Método Tanque classe A
Segundo Doorenbos e Pruitt (1975), a evapotranspiração potencial pode ser
obtida multiplicando o valor da altura de evaporação obtida no tanque Classe A, por
um fator de proporcionalidade, denominado coeficiente de tanque (Kp) que depende
do valor da velocidade do vento e umidade relativa observadas no período, assim
como das condições de exposição do tangue.
(4)
sendo Kp (o coeficiente de tanque) obtido de uma tabela ou através da relação:
(5)
em que B é a bordadura (m), U a velocidade do vento (km/dia) e UR a umidade
relativa media diária ,em %.
24
(6)
em que L1 é a leitura anterior, L2 leitura atual, P a precipitação (mm) e H o excesso.
Método Hargreaves e Samani
Método empírico, desenvolvido para a região de clima seco. Baseia-se na
temperatura média do ar e na amplitude térmica. Tem como vantagem a sua
aplicabilidade em climas áridos e semi-áridos, como no nordeste do Brasil. A
desvantagem é sua limitação de uso para condições de clima úmido, apresentando
super-estimativa.
(7)
Sendo: Ra = radiação solar no topo da atmosfera (mm dia-1);
Tm = temperatura média do ar (oC);
Tmax = temperatura máxima do ar (oC)
Tmin = temperatura mínima do ar (oC)
Método de Penman-Monteith
Monteith desenvolveu, com base na equação de Penman, uma equação que
inclui a resistência aerodinâmica e a resistência ao fluxo de vapor pela folha. A
equação combinada com os termos de resistência aerodinâmica e da superfície
passou a ser chamado de equação de Penman-Monteith.
25
Segundo as parametrizações propostas pelo boletim FAO-56 (Allen; Pereira;
Raes,1998), a equação original de Penman-Monteith assume a seguinte forma para
a evapotranspiração de referência:
(8)
Sendo:
ETo = Evapotranspiração de referência (mm d –1);
Rn = Radiação líquida total do gramado (MJ m-2 d-1);
G = Densidade de fluxo de calor no solo (MJ m-2 d-1);
Tmed= Temperatura média diária do ar a 2m de altura (°C);
U2 = Velocidade do vento média diária a 2m de altura (m s-1);
es = Pressão de saturação do vapor média diária (kPa);
ea = Pressão atual de vapor média diária (kPa);
s = Declividade da curva de pressão de vapor no ponto de Tmed (kPa °C-1);
γ = é a constante psicrométrica (0,063 kPa/ ºC).
A temperatura média diária (Tmed) deve ser calculada em função das
temperaturas máxima (Tmax) e mínima (Tmin) diárias como:
(9)
26
Mesmo em situações em que medidas horárias (ou mais freqüentes) sejam
disponíveis. Essa regra serve também para as escalas de tempo maiores que um
dia. Para decêndios ou meses utiliza-se a soma dos valores médios diários
dividindo-se pelo número de dias do período.
A declividade da curva da pressão de vapor (s) em função da temperatura no
ponto de Tmed é definida como:
(10)
A média diária do déficit de saturação de vapor d‟água no ar (es-ea), é
calculada a partir das temperaturas máxima (Tmax) e mínima (Tmin), e das
umidades relativa máxima (URmax) e mínima (URmin) diárias, ou seja:
(11)
(12)
27
(13)
Sendo que na eq. (9), substitui-se T por Tmax ou Tmin, para se obter eo (Tmax) e
eo (Tmin).
O fluxo de calor no solo (G) quase sempre é desprezado por apresentar um
valor muito pequeno em relação a Rn na escala diária. Para períodos de 10 dias o
boletim FAO-56 também recomenda G = 0. Na escala mensal, o seu cálculo deve
obedecer a seguinte expressão:
(14)
Caso a Tmês, i+1 seja desconhecido, utiliza-se a seguinte equação:
(15)
em que:
Tmês, i = Média mensal da temperatura do ar para o mês i (°C);
Tmês, i-1 = Média mensal da temperatura do ar do mês anterior a i (°C);
Tmês, i+1= Média mensal da temperatura do ar do mês posterior a i (°C).
28
Medidas rotineiras do saldo de radiação (Rn) tem se mostrado problemática
em virtude da fragilidade do sensor, que inclui uma cúpula de plástico que se
polimeriza com os raios solares e se fragmenta, causando erros sistemáticos nas
medidas. Esse instrumento requer inspeção e troca freqüente dessa cúpula. Em
postos agrometeorológicos a medida de Rn não é rotineira e o boletim FAO
recomenda que este elemento seja estimado pelas seguintes equações:
–
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
29
em que a = 0,26 e b = 0,51 são coeficientes locais (OMETTO, 1981); n é o número
de horas de brilho solar medido por heliógrafo; Ø é a latitude local; J é o dia Juliano;
Tmax,k e Tmin,k representam as temperaturas máxima e mínima absolutas.
Segundo Quaglia (2005), o método de Penmam – Monteith é referência
padrão para validar os métodos empíricos de estimativas de ETo, especialmente
para regiões de clima seco e quente.
1.3.2 Método Direto
Lisimetria
Os lisímetros consistem de tanques contendo solo representativo da área de
interesse e são utilizados, sobretudo para medir os componentes do balanço de
água no sistema solo-planta-atmosfera, sob tratos culturais e condições climáticas
específicas (FARIA, CAMPECHE; CHIBANA , 2006).
O lisímetro é um tanque que pode ser construído de diversos materiais,
preenchido com solo ou substrato, onde se cultiva a planta em estudo, podendo
apresentar uma superfície nua ou coberta por vegetação transpirante, filme plástico
ou por outro isolante de vapor d‟água. Ele pode ser usado para determinação da
evapotranspiração de uma cultura, a evaporação do solo ou a transpiração da
planta. (ABOUKHALED et al., 1982; HOWELL et al., 1991; WRIGHT, 1991;
GREBET, 1991; KHAN et al. 1993; REICHARDT E TIMM, 2004).
30
Lisímetros têm sido utilizados por mais de três séculos para estudos das
relações entre água, solo e plantas. Inicialmente os lisímetros foram desenvolvidos
para quantificação e qualificação da água do solo percolada em estudos
hidrológicos. Thornthwaite et al. (1946) foi o primeiro pesquisador a usar esse
equipamento para medidas de evapotranspiração em condições de campo
(GREBET; CUENCA, 1991).
O maior lisímetro do mundo foi construído, com 29 m 2 de área por 0,96 m de
profundidade, como descreveram Pruitt e Angus (1960) e posteriormente por Pruitt e
Lourence (1985). Esse equipamento permitiu o desenvolvimento de modelos que
descrevem a saída da água para a atmosfera, bem como testes da teoria dos
transportes atmosféricos. A partir desta época, diversos pesquisadores relataram em
seus trabalhos uma infinidade de tipos e tamanhos de lisímetros de pesagem, desde
o chamado micro lisímetro, com pouco quilogramas até lisímetros com algumas
dezenas de toneladas de massa.
Para Silva (1996), os lisímetros existentes podem ser organizados em dois
grupos: os lisímetros de pesagem e os lisímetros que empregam outros princípios
físicos na estimativa do uso da água na área estudada. Os primeiros quantificam a
evapotranspiração diretamente através do balanço de massa de água, enquanto que
os últimos quantificam a evapotranspiração indiretamente, por meio do balanço
volumétrico.
Os lisímetros pesáveis são subdivididos conforme o princípio de pesagem,
sendo agrupados em: mecânicos, eletrônicos, hidráulicos e flutuantes. O lisímetro
flutuante consiste em um reservatório preenchido com solo que flutua em um fluido
de alta densidade, geralmente ZnCl2, e as variações de leitura são feitas segundo o
31
princípio de Arquimedes (McMILLAN; PAUL, 1961; ABOUKHALED, 1982 Apud
SANTOS, 2004).
Nos lisímetros de pesagem mecânica são usadas plataformas ou mesmo
guindastes para medir a variação de massa do tanque. Nos lisímetros de pesagem
eletrônica a mudança de massa é medida por travesseiros de tensão ou células de
carga que se deformam dentro do regime elástico a que foram planejadas. Esta
deformação, embora pequena, é suficiente para gerar um sinal de saída linear e
compatível a carga aplicada. O uso de dispositivos microeletrônicos, que permitem a
automação das medidas lisimétricas, podem registrar valores em escala de tempo
reduzida com precisão de 0,01 mm (PEREIRA; VILLA NOVA; SEDIYAMA, 1997).
Howell et al. (1995) afirmaram que lisímetros podem apresentar diversas
formas e sistemas de medidas, porém os que usam mecanismos de pesagem são
considerados os mais precisos e sensíveis para a determinação direta da
evapotranspiração, pelo balanço de massa de água.
Aboukhaled et al., (1982) e Howell et al. (1991) consideram lisímetros de
pesagem como sendo o melhor equipamento disponível para medir com acurácia a
evapotranspiração de referência e de culturas, como também para calibração de
modelos.
Nos últimos anos, o desenvolvimento da eletrônica disponibilizou sensores
mais precisos, robustos e baratos, incluindo-se as células de carga, que podem ser
usadas para construção de lisímetros de pesagem de alta precisão, além de
sistemas de aquisição e armazenamento de dados, que facilitam consideravelmente
a operação contínua dos lisímetros em trabalhos de monitoramento (FARIA;
CAMPECHE; CHIBANA, 2006).
32
Segundo Viana (2000), o lisímetro de pesagem é um equipamento composto
por uma caixa com paredes impermeáveis, preenchido por solo, onde uma balança
ou célula de carga realiza medições relativas à variação de peso. Suas medições
podem ser afetadas por fatores do ambiente, tais como o efeito da advecção (oásis),
as dimensões do lisímetro, a umidade do solo em seu interior, a espessura de suas
paredes e a distância entre elas, a altura de suas bordas e diferenças de densidade
entre a vegetação de dentro e de fora do lisímetro (MIRANDA; YODER; SOUSA,
1999). Dessa maneira, a evapotranspiração obtida com a utilização deste
equipamento está sujeita a imperfeições. Portanto, certos cuidados devem ser
adotados, desde o seu projeto até sua manutenção, para que os mesmos sejam
capazes de fornecer dados condizentes com a realidade.
Para
a
obtenção
de
leituras
confiáveis
os
lisímetros
devem,
preferencialmente, ser calibrados no próprio local e após a sua instalação, por
adição e retirada de massa de quantidades previamente conhecidas.
Para
Campeche (2002) a calibração tem por finalidade estabelecer a relação entre o sinal
elétrico de saída da célula de carga (geralmente expresso em mV) e a massa do
sistema, além da verificação da linearidade e histerese da célula de carga.
Bonfim et al. (2004) relata que a calibração de lisimétricos é uma prática de
muita relevância, devendo ser realizada não somente durante a instalação desses
equipamentos, mas a cada nova pesquisa em utilizando-os.
33
2 MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Descrição da área experimental
O trabalho foi conduzido na Usina Coruripe, situada na faixa litorânea Sul de
Alagoas, com coordenadas geográficas 09° 56‟ de latitude Sul; 36° 05‟ de longitude
Oeste, a uma altitude média de 75 m acima do nível do mar no município de
Coruripe – AL (Figura 1). A temperatura média é 24 ºC, com máxima de 32 ºC e
mínima de 21 ºC, com oscilação de Umidade Relativa do Ar entre 95% máxima e 65
% mínima. Segundo a classificação de Koppen, o clima local é do tipo „As‟, isto é,
clima tropical chuvoso com verão seco.
Figura 1. Localização da Usina Coruripe – Alagoas. Fonte: Usina Coruripe, 2010.
34
A estação chuvosa começa no outono e se estende até a primavera. A
precipitação pluviométrica média é de 1.413,60 mm anuais, sendo os meses de
maio a julho os mais chuvosos e outubro a dezembro os mais secos. O solo da área
de estudo é um solo classificado como Argissolo Amarelo Distrófico fragipânico,
textura arenosa/argilosa.
Os lisímetros foram instalados numa área de irrigação de gotejamento
subsuperficial (para manter a condição de cultivo da cana-de-açúcar irrigada), sendo
a área do experimento de 1.100,00 m2 (50,00 x 22,00 m), numa área experimental
na Fazenda Capiatã da Usina Coruripe.
Conforme demonstra a figura 2, na área foram instalados dois lisimetros de
pesagem (objeto de estudo desse trabalho) e quatro lisímetros de drenagem (projeto
que visa determinar o Kc da cana-de-açúcar, pelo monitoramento do consumo de
água de duas variedades de cana-de-açúcar) (Figura 3), as duas variedades de
cana-de-açúcar estão entre as mais cultivadas no Estado de Alagoas, (RB86-7515 e
RB92-579) pois ambas possuem alta produção agrícola aliado ao alto teor de
sacarose, além de obter resposta excelente em solos de baixa fertilidade com boa
disponibilidade hídrica.
Os dois lisímetros de pesagem possuem as mesmas dimensões, sendo a
caixa interna de 1,50 m x 1,80 m x 1,20 m e caixa externa de 1,60 m x 1,90 m x
2,30m largura, comprimento e profundidade, respectivamente (Figura 2).
35
Figura 2. Disposição, distribuição e medidas dos lisímetros na área experimental da
Fazenda Capiatã, Usina Coruripe – AL, área total do experimento de 1.100,00 m2.
Figura 3. Croqui da área do experimental com o plantio da cana-de-açúcar com a
disposição dos seis lisímetros, variedades plantada em cada parcela e em cada
lisímetro.
36
2.2 Construção e Instalação dos Lisímetros
2.2.1 Escavação dos lisímetros
A escavação foi feita manualmente tomando-se o cuidado de separar o solo
em quatro camadas de 0,20 m (Figura 4a), as quatro camadas de solo foram
identificadas (0–0,20m; 0,20–0,40m; 0,40–0,60m e 0,60–0,80m) e armazenadas no
próprio local, o acondicionamento foram feito em sacolão de naylo “Big Bag”. Após a
profundidade 0,80 m não foi necessário separar as camadas, a escavação continuou
até a profundidade de 2,30 m (Figura 4b), fato esse devido à estrutura de acesso as
células de carga. É importante salientar que a metodologia utilizada na escavação,
separação e acondicionamento do solo foi recomendada por Champeche (2002),
sendo necessária para reconstituição das condições iniciais do solo.
(a)
(b)
Figura 4 – Separação do solo em camadas (a) e escavação completa (b).
37
2.2.2 Estrutura das caixas externas
Para a construção de cada lisímetro de pesagem com célula de carga foi
construída uma caixa externa (Figura 5a) com uma estrutura de concreto armado
(caixa externa) com espessura de 0,20 m para sustentação do solo circundante e
uma abertura (Figura 5b) possibilitando o acesso ao tanque de drenagem e as
células de cargas (caixa de visita) e também para viabilizar a manutenção dos
lisímetro, cada caixa externa dos lisímetros tem as seguintes dimensões 1,60 x 1,90
x 2,30 metros de largura, comprimento e profundidade, respectivamente.
As bases de sustentação (sapatas) foram construídas com concreto armado
(0,20 x 0,20 x 0,80 m) colocada em cada canto interno da caixa externa.
(a)
(b)
Figura 5. Caixa externa (a) e Caixa externa com acesso a caixa de visita (b).
38
2.2.3 Instalação das Células de Cargas
Para a fixação das células de cargas foram utilizadas duas bases de
cantoneiras soldada e reforçada com barras no sentido transversal (Figura 6), entre
as duas bases (suporte) foram colocadas três células de carga (figura 7), formando
um ângulo de 120°, a célula de carga utilizada é da marca ALPHA, modelo Z com
capacidade de medida de até 2 toneladas, com sensibilidade de aproximadamente
6.000 divisões ou 0,3 Kg.
Figura 6. Cantoneiras para fixação das células de cargas.
Figura 7. Instalação do suporte e das células de cargas.
39
2.2.4 Estrutura das Caixas Internas
O material utilizado na confecção das caixas internas (Figura 8) foi chapa
ferro galvanizado coberta com tinta impermeável (cor alaranjada) e depois
emborrachada, para dar maior sustentação a caixa foi amarrada externamente com
um vergalhão de 3/4”, cada caixa tem as seguintes dimensões 1,50 x 1,80 x 1,20
metros de largura, comprimento e profundidade, respectivamente.
Figura 8. Caixa interna e instalação do lisimetro.
2.2.5 Preenchimento do lisímetro com solo
Antes do preechimento do lisímetro com solo, foi colocada uma manta de
poliéster (Figura 9a), para facilitar a drenagem de água no sistema. Após a manta foi
adicionada uma camada de aproximadamente 0,1 m de brita nº 1 (Figura 9b), depois
preenchido com solo previamente separado nas suas camadas.
40
(a)
(b)
Figura 9. Manta de poliéster (a) e camada de brita (b).
A partir desse ponto, foram adicionadas as camadas de solos na ordem
inversa da sua retirada (Figura 10a). A cada camada completada e após colocar
todo o solo, o mesmo recebeu compactação para promover uma maior acomodação
deste solo dentro da caixa interna (Figura 10b). Esse procedimento foi similar para
os dois lisímetros. É importante salientar que tal procedimento foi feito com intuito de
retornar as condições iniciais do solo.
(a)
(b)
Figura 10. Preenchimento do lisímetro com solo e compactação.
41
2.3 Instrumentação
Os lisímetros foram interligados a dois datalogger (CR23X, Campbell Sci)
(Figura 11) para armazenar os dados. O datalogger fazia leituras a cada 3 segundos
e programado para armazenar suas médias a cada 60 minutos, gerando 24 pontos
diários por lisímetro.
Figura 11. Datalogger utilizado para armazenamento dos dados.
2.4 Calibração
A calibração dos lisímetros foi realizada utilizando-se, como massas-padrão,
40 sacos plásticos contendo, cada um 3 kg de areia, os quais foram pesados em
uma balança eletrônica de precisão Apollo – Plenna – capacidade de 5 kg e
graduação de 1 g, ref: MEA – 06884. Sendo as dimensões internas dos lisímetros de
1,50 m por 1,80 m (área interna de 2,7 m 2), cada 3 kg adicionado a sua superfície
correspondiam a uma lâmina d‟água de 1,11 mm, enquanto os 120 kg
correspondiam a uma lâmina total de 44,4 mm d‟água.
42
O ensaio de calibração dos dois lisímetros foi realizado em 05/07/2010 das
07:00 às 09:00 hs da manhã, a fim de evitar alta temperatura e turbulência por
vento. Iniciou-se com a obtenção da leitura de voltagem em cada lisímetro
descarregado (sem as massas-padrão), não foi possível cobrir a superfície do
lisímetro com lona plástica, a fim de diminuir evapotranspiração, pois o mesmo já se
encontrava com a cultura em pleno desenvolvimento; então sobre o lisímetro foram
colocados e retirados os sacos plásticos em series de 6 kg (correspondendo a 2,22
mm), em intervalos de 1 mim para a estabilização da leitura do datalogger, ao qual
estava conectado as células de carga. A cada massa adicionada, um sinal elétrico
(mV), proveniente da célula de carga, era registrado no datalogger. Após a
colocação de todos os sacos, o procedimento inverso foi realizado, ou seja, foi
retirado no mesmo intervalo de tempo, gerando assim 20 pontos no carregamento e
20 pontos no descarregamento, totalizando 40 pontos para a confecção da curva de
calibração do sistema.
Os dados referentes às massas-padrão aplicadas e às respectivas leituras
das células de cargas foram submetidos à análise estatística de regressão.
O metodologia utilizada na calibração foi apresentada por Campeche (2002) e
Cruz (2005), sendo a única alteração o fato do lisímetro já se encontrar com a
cultura em pleno desenvolvimento.
Quanto a sensibilidade do sistema, o datallog foi programado para detectar
variação de massa a partir de 1 kg. Os lisímetros foram construídos com três células
de cargas com capacidade de 2000 kg cada, portanto com uma capacidade total de
6000 kg correspondendo a um sinal de 20 mV.
43
2.5 Análise de Funcionamento
A análise de funcionamento dos lisímetros foi realizada pelo período de um
mês de 01/10/2010 a 31/10/2010, sendo adotadas três formas distintas para o
cálculo de evapotranspiração diária.
A primeira forma consiste na medida direta da diferença de massa do
conjunto solo-caixa no início do dia (0 h) e a massa obtida no final do dia (24 h).
Essa forma foi adotada por Allen e Fischer (1991); Campheche (2002).
24
A segunda forma foi utilizada por Campheche (2002) consiste no somatório
de todas as diferenças de massa calculadas em cada intervalo de integração ao
longo de um dia, descontando apenas os valores de precipitações e irrigações.
25
Em que:
ETc2 = Evapotranspiração da cultura mm dia -1;
Mi – Mi-1 = diferença entre a massa atual e massa no tempo i-1.
i = 60 min (1h).
A = área do lisímetro (2,7 m2).
∆T = Período de tempo (1h).
44
A terceira forma foi adotada por Cruz (2005) em trabalho de instalação,
calibração e funcionamento de lisímetro de pesagem em Seropédica – RJ. Segundo
o autor, todas as leituras do lisímetro devem ser analisadas diariamente para que a
ocorrência de chuva irrigação ou drenagem do volume de solo sejam identificadas e
desconsideradas do cálculo da ETc. Adotando o período de 06:00h às 19:30h
(diurno) como sendo o período em que ocorre a maior percentagem de radiação
solar líquida positiva.
26
Na análise do funcionamento dos lisímetros, foi adotado a primeira forma ETc1
(diferença de massa do conjunto solo-caixa no início do dia (0 h) e a massa obtida
no final do dia (24 h)) como padrão, conforme metodologia utilizada por Medeiros;
Sentelhas; Lima (2003). Os valores de ETc1 foram comparados com os valores de
ETc2 e ETc3.
O
forma
considerada
padrão
ETc1
foi
comparada
a
ETo-PM
(Evapotranspiração de referência pelo método de Penman-Monteith) estimada pelo
laboratório de Agrometeorologia e Radiométria – LARAS da Universidade Federal de
Alagoas – UFAL, cujos os dados climáticos necessários foram coletados em estação
solarimétrica e meteorológica localizada na Usina Coruripe nas Coordenadas
Geográficas: Lat. 10° 01' 29,158'' S; Long. 35° 16' 24,863'' W; Alt. 108.76 m.
45
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Construção
3.1.1 Perfomance
A performance dos lisímetros são demonstradas nas figuras 12 e 13,
ilustrando o funcionamento em um dia normal (Dia Juliano 162) sem chuva, para os
dois lisímetros. Observa-se para os dois equipamentos que existe uma variação
decrescente de massa do sistema ao longo do dia.
490
Dia Juliano 162
485
Massa (Kg)
480
475
470
465
460
455
450
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Lisímetro 1
Figura 12 – Performance do Lisímetro 1 no dia 162.
Em lisimetria variação decrescente de massa no sistema é ocasionado pela
perda de água, ou seja, evapotranspiração. Quando a variação de massa é
46
crescente, houve entrada de água no sistema, ocasionado por precipitação ou
irrigação.
490
Dia Juliano 162
485
Massa (Kg)
480
475
470
465
460
455
450
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Lisímetro 2
Figura 13 – Performance do Lisímetro 2 no dia 162.
Em ambos os lisímetros (Dia Juliano 162) a quantidade de água que sai do
sistema (evapotranspiração) é maior no período entre 08:00 h e 15:00 h, resultado
de um saldo positivo de radiação (Rn) nesse período, ocasionando perda de água.
Resultado semelhante foi obtido por Miranda; Yorder; Sousa (1999), em trabalho
com lisímetro de pesagem observou a variação decrescente de massa a partir do
inicio do dia, estendendo-se até o fim da tarde, já durante a noite há pouca variação
de massa, indicando saldo negativo ocorrendo pouca perdas de água.
Em experimento com cana-de-açúcar Leão et. al, (2007), demonstra que a
energia resultante das trocas verticais de energia radiante (saldo de radiação) sobre
a cultura é utilizada principalmente na mudança de estado físico da água (fluxo de
47
calor latente). Conforme pode ser observado na figura 14, com o aumento da
temperatura a umidade do ar baixa, favorecendo o aumento da evapotranspiração,
conforme detectado na variação de massa dos dois lisímetros.
100
Dia Juliano 162
28
90
26
80
24
70
22
20
Umidade Relativa do Ar (%)
Temperatura Média do Ar (T°C)
30
60
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
23:20
Hora
Temperatura
UR %
Figura 14 – Elementos de clima observados no dia 162.
Segundo
Pereira
et.
al,
(2002)
rajadas
de
vento
provocadas
por
turbilhonamentos resultam em variações intermitentes na massa do lisímetro
(pressão dinâmica), gerando acréscimos e decréscimos alternados. Uma alternativa
é diminuir a freqüência das medidas, filtrando variações bruscas conforme pode ser
observado na Figura 15, velocidade média do vento próxima de 2 m/s.
Durante o período noturno apesar da evapotranspiração ser pequena ou nula,
ela não deve ser desprezada no somatório da evapotranspiração diária, pois além
do saldo de radiação a evapotranspiração é influenciada pelas condições
aerodinâmicas do ar e da energia acumulada pelo sistema.
48
Velocidade Média Vento (m/s)
3
Dia Juliano 162
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
23:20
Hora
Figura 15 – Velocidade média do vento (m/s) no dia 162.
Na figura 16 é apresentado a performance do lisímetro 1 em uma situação
com ocorrência de precipitação contínua, registrado na estação meteorológica
(Figura 17). Há uma variação de massa crescente ao longo da madrugada até as
14:00 hs , quando a variação de massa é crescente, significa que houve entrada de
água, devido à precipitação ou irrigação no sistema.
Dias com ocorrência de chuvas são fonte de erros para a determinação da
evapotranspiração, principalmente com chuva contínua ao logo do dia, como se
observa na Figura 17 a impossibilidade de determinar a evapotranspiração, pois o
lisímetro apresenta variação crescente de massa ao logo do dia.
49
Dia Juliano 154
600
550
Massa (Kg)
500
450
400
350
300
250
200
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Lisímetro 1
Figura 16 – Performance do Lisímetro 1 em dia com ocorrência de precipitação.
12
Dia Juliano 154
Precipitação (mm)
10
8
6
4
2
0
00:00
03:20
06:40
10:00
13:20
Hora
Figura 17 – Precipitação ocorrida no dia 154.
16:40
20:00
23:20
50
A Figura 18 demonstra a variação da temperatura e umidade relativa do ar ao
longo do dia (154), não houve variação brusca de temperatura, a umidade relativa
do ar encontrou-se no seu máximo ocasionado pela precipitação continua ao longo
do dia. Já a variação do vento (Figura 19) apresenta valores abaixo de 3 m/s-1, como
o intervalo de tempo armazenado pela estação foi de 20 em 20 minutos, há uma
suavização das flutuações não sendo observado interferência direta da ação do
vento na determinação evapotranspiração pelo lisímetro, como constatado também
por Pereira et. al, (2002).
100
Dia Juliano 154
28
90
26
80
24
70
22
20
60
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
Hora
Temperatura
UR %
Figura 18 – Elementos do clima observados no dia 154.
23:20
Umidade Relativa do Ar (%)
Temperatura Média do Ar (T°C)
30
51
Velocidade Média do Vento (m/s)
3
Dia Juliano 154
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
23:20
Hora
Figura 19 – Velocidade média do vento no dia 154.
A Figura 20 apresenta a performance do lisímetro 2, nota-se que a ocorrência
da precipitação dar-se na madrugada, não mais acontecendo durante o dia (Figura
21), possibilitando a utilização dos dados para o calculo da evapotranspiração em
termos que os mesmos não foram prejudicados na extração dos valores diários
(considerando a variação entre 06:00h e 00:00h).
52
320
Dia Juliano 124
Evapotranspiração
310
Massa (Kg)
300
290
280
270
260
Chuva
250
240
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Lisímetro 2
Figura 20 – Performance do Lisímetro 2 em dia de ocorrência de precipitação
6
Dia Juliano 124
Precipitação (mm)
5
4
3
2
1
0
00:00
03:20
06:40
10:00
13:20
Hora
Figura 21 – Precipitação ocorrida no dia 124.
16:40
20:00
23:20
53
Vários autores relatam que dependendo da quantidade, intensidade e
duração da precipitação, os dados lisímetricos podem ser aproveitados para a
determinação da evapotranspiração, desde que sejam visualizados os processos
envolvidos no sistema (Precipitação – Evapotranspiração – Drenagem).
Na figura 22 observa-se uma diminuição da umidade relativa do ar só no
período em que a temperatura é elevada, permanecendo próxima da saturação ao
longo do dia.
100
Dia Juliano 124
28
90
26
80
24
70
22
20
Umidade Relativa do Ar (%)
Temperatura Média do Ar (T°C)
30
60
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
23:20
Hora
Temperatura
UR %
Figura 22 – Elementos do clima observados no dia 124.
Como demonstra a Figura 22 o comportamento da temperatura apresenta-se
constante nas primeiras horas do dia, devido à alta nebulosidade e por ocorrência de
precipitação nas primeiras horas do dia. Após a precipitação cessar a uma evolução
no aumento da temperatura coincidindo com o decréscimo de massa do lisímetro
(evapotranspiração).
54
A variação do vento (Figura 23) mantém-se normal não alcançando a 3 m/s-1
desse modo não sendo fator limitante na interferência da determinação da
evapotranspiração pelo lisímetro.
Velocidade Média Vento (m/s)
3
Dia Juliano 124
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0:00
3:20
6:40
10:00
13:20
16:40
20:00
23:20
Hora
Figura 23 – Velocidade média do vento no dia 124.
3.2 Calibração
De acordo com a metodologia apresentada, procedeu-se a calibração dos
lisímetros obtendo uma alta correlação entre peso mensurado e o peso padrão. As
áreas dos lisímetros são de 2,7m2 e considerando a densidade da água igual à
unidade, a variação da massa do conjunto (kg) foi dividida pela área do lisímetro
obtendo assim a evapotranspiração de referência, em mm.
55
Nas Figuras 24 e 25 estão demonstrados os resultados da calibração dos
lisímetros, a equação apresentada nessa figura foi obtida a partir dos dados de
carregamento e descarregamento, a resposta dos valores da saída da célula de
carga,
em
milivoltagem
(mV)
foram
convertidas
em
kilogramas
(Kg)
automaticamente pelo datallog, registrado em planilha do Excel e armazenado no
notebook instalado no local. O ensaio obteve linearidade excelente entre as
variações de peso padrão e mensurados, pois os coeficientes de determinação (r 2)
encontrados foram de 0,9962 para o lisímetro 1 e 0,9998 para o lisímetro 2.
120
y = 1,0037x + 2,9885
R² = 0,9962
108
Peso Padrão (Kg)
96
R = 0,9981
84
72
60
48
36
24
12
0
0
12
24
36
48
60
72
84
96
Peso Mesurado (Kg)
Lisímetro 1
Figura 24 – Resultado da calibração do lisímetro de pesagem 1.
108
120
56
120
y = 1,0527x + 1,1777
R² = 0,9998
108
Peso Padrão (Kg)
96
84
R = 0,9999
72
60
48
36
24
12
0
0
12
24
36
48
60
72
84
96
108
120
Peso Mesurado (Kg)
Lisímetro 2
Figura 25 – Resultado da calibração do lisímetro de pesagem 2.
A calibração foi realizada entre 07:00h e 09:00h da manhã no intuito de
amenizar a interferência dos elementos do clima. Valores de velocidade média do ar
superiores a 1,5 m/s-1 devem ser evitados, pois provocam turbulência resultando em
alta histerese. Pereira et al., (2002) relata que quanto mais alta for a vegetação
dentro do lisímetro maior será o efeito da ação do vento. Tendo em vista que os
valores observados de velocidade do vento no ensaio não ultrapassam a 1m/s -1 esse
efeito se torna nulo conforme resultados obtidos por diversos autores dentre eles
Carvalho et al. (2007); Pereira et al. (2002); Miranda et al. (1999).
Os dados climáticos de velocidade média do vento e temperatura observados
durante a calibração dos lisímetros são demonstrados na Figura 26. Os valores
baixos de velocidade do vento e de pequenas variações da temperatura
favoreceram ao ensaio de calibração.
57
Conforme constatado por Silva; Folegatti; Magiotto (1999) e Fietz; Silva;
Urchei (2003), variações bruscas de temperatura podem acarretar deformações na
1
25
0,8
24
0,6
23
0,4
22
0,2
21
0
20
07:00
07:20
07:40
08:00
08:20
Vento
T ºC
08:40
Temperatura Média (T ºC)
Velocidade Média Vento (m/s)
sensibilidade das células de cargas, induzindo ao erro na leitura.
09:00
Figura 26– Elementos do clima observados durante a calibração.
3.3 Análise de Funcionamento
Para análise de funcionamento dos lisímetros foram obtidos valores de
evapotranspiração por três formas ETc1, ETc2 e ETc3 no período de 01/10/2010 a
31/10/2010 ,como demonstra a Figura 27 (lisímetro 1) e a Figura 28 (lisímetro 2).
A ETc1 considerada como padrão, corresponde a diferença de massa do
conjunto solo-caixa no início do dia (0 h) e a massa obtida no final do dia (24 h). A
ETc2 consiste no somatório de todas as diferenças de massa calculadas em cada
intervalo de integração ao longo de um dia, descontando apenas os valores de
precipitações e irrigações. A ETc3 consiste na diferença de massa do período de
06:00h às 19:30h (diurno).
58
210 a 261 DAP
Evapotranspiração (mm d-1)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Dias
ETC1
ETC2
ETC3
Figura 27 – Variação da evapotranspiração obtida no lisímetro 1 em condições
típicas de funcionamento, cultivado com cana-de-açúcar, medida por três formas
(ETc1, ETc2 e ETc3).
210 a 261 DAP
Evapotranspiração (mm d-1)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Dias
ETC1
ETC2
ETC3
Figura 28 – Variação da evapotranspiração obtida no lisímetro 2 em condições
típicas de funcionamento, cultivado com cana-de-açúcar, medida por três formas
(ETc1, ETc2 e ETc3).
59
Houve uma expressiva variação da ETc nas três formas, analisando os dados
do lisímetro 1, observa valores entre 0 e 7,77 mm.d -1 para ETc1 e ETc2 , para ETc3
valores entre 0 e 8,88 mm.d-1 .No lisímetro 2 obteve valores entre 0 e 7,77 mm para
ETc1, 0 e 7,40 mm para ETc2 e 0 e 8,88 mmd.-1 para ETc3.
Conforme demonstra a variação, as formas ETc1 e ETc2 apresentam
resultados semelhantes, com uma ligeira subestimativa do ETc2, ambas formas
consideram a variação de massa de 24h do lisímetro. Bergamaschi et al. (1997)
sugeri considerar a variação entre o inicio e fim do dia e período de integração de de
60 minutos.
A forma ETc3 apresenta superestimativa quando comparado com a forma
padrão ETc1, conforme análise do dia 06/10/2010 na Figura 29 e 30 observa-se que
a umidade relativa do ar estava abaixo de 60% e a temperatura em torno 23°C com
velocidade média do vento foi superior 2 m/s-1, entre o período 06:00 a 19:30h, a
30
100
28
90
26
80
24
70
22
60
20
50
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
Umidade Relativa do Ar (%)
Temperatura Média do Ar(T°C)
combinação desses elementos favoreceu a uma maior evapotranspiração.
21:00
Hora
Temperatura
Umidade
Figura 29 – Variação da umidade relativa do ar e temperatura média do Ar no dia
06/10/2010 em Coruripe-AL.
60
Velocidade Média vento (m/s)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Figura 30 – Variação da velocidade do vento no dia 06/10/2010 em Coruripe-AL.
Alguns autores relatam que problemas operacionais são observados em
lisímetros de pesagem, a ocorrência de rajadas de ventos provoca oscilações nas
medidas do lisímetro em função de flutuações intermitentes, sendo acentuado esse
efeito quanto maior for o porte da cultura (PEREIRA et al, 2002).
Nas
figuras
31
e
32
estão
demonstrado
os
valores
diários
de
evapotranspiração ETc, utilizando as três formas. A diferença de massa entre a meia
noite do dia atual e do dia anterior ETc1 foi considerada como padrão, conforme
demonstra a Figura 31 (lisímetro 1) houve subestimativa em 1% dos valores de
evapotranspiração quando foi considerado a forma do somatório das diferenças de
massa ao longo do dia (ET2). Quando a comparação é com a forma de somatório de
diferenças de massa entre 06:00 a 19:30h (ETc3) houve uma superestimativa em
35% (figura 32).
ETc2 (mm/d)
61
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
y = 0,951x + 0,204
R² = 0,9610
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ETc1 (mm/d)
ETc3 (mm/d)
Figura 31 – Valores de evapotranspiração obtidos no lisímetro 1 pela forma de
valores de massa inicial e final (ETc1) comparado pela forma de somatório negativo
de massa (ETc2).
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
y = 0,838x - 0,4497
R² = 0,7620
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ETc1 (mm/d)
Figura 32 – Valores de evapotranspiração obtidos no lisímetro 1 pela forma de
valores de massa inicial e final (ETc1) comparado com a forma valores de massa de
06:00 a 19:30h (ETc3).
62
Analisando os dados do lisímetro 2 seguindo a mesma metodologia utilizada
no lisímetro 1 , conforme demonstra a Figura 33 houve subestimativa em 4,2% dos
valores de evapotranspiração quando foi considerado a forma do somatório de
massa ao longo do dia (ET2). Quando a comparação é com a forma de somatório de
diferenças entre 06:00 a 19:30h (ETc3) houve uma superestimativa em 27% (figura
34).
Campeche (2002), analisando o funcionamento de quatro lisímetros de
pesagem, comparando a forma da diferença de massa da meia noite de um dia até a
meia do dia posterior (ETc1) com a forma do somatório de todas as diferenças de
massa ao longo de um dia (ETc2), obteve resultado semelhante aos da (Figura 31 e
33) com subestimativas de 5 e 3% em dois lisímetros e concordância de valores
ETc2 (mm/d)
entre os outros dois lisímetros.
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
y = 0,9513x + 0,0244
R² = 0,9904
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ETc1 (mm/d)
Figura 33 – Valores de evapotranspiração obtidos no lisímetro 2 pela forma de
valores de massa inicial e final (ETc1) comparado pela forma de somatório negativo
de massa (ETc2).
63
A forma ETc3 obteve valores de evapotranspiração superestimados quando
comparado com a forma padrão em ambos os lisímetros (Figuras 32 e 34) sendo
esses valores resultado da interação dos elementos climáticos do período de 06:00
a 19:30h, como esse período corresponde ao de maior percentagem de radiação
solar (radiação solar líquida) e maiores interferências por parte da velocidade do
vento, obtém-se valores superestimados por não levar em conta as variações que
ocorrem durante a noite. Medeiros, et al. (2003) recomenda que todas as leituras do
lisímetros sejam analisadas diariamente, a fim de evitar erros.
Em síntese, tanto a forma padrão como ETc2 podem ser utilizados sem
prejuízo para o cálculo da evapotranspiração, mesmo o lisímetro de pesagem
utilizando métodos modernos de aquisição de dados, problemas operacionais
podem aparecer sendo prudente o acompanhamento dos elementos meteorológicos,
no intuito de visualização e entendimento de todos os processos envolvidos na
Etc3 (mm/d)
evapotranspiração.
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
y = 0,9107x - 0,708
R² = 0,9346
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Etc1 (mm/d)
Figura 34 – Valores de evapotranspiração obtidos no lisímetro 2 pela forma de
valores de massa inicial e final (ETc1) comparado com a forma de valores de massa
de 06:00 a 19:30h (ETc3).
64
As figuras 35 e 36 apresentam a variação da evapotranspiração obtida pelos
lisímetros cultivados com cana-de-açúcar na fase intermediaria ETc1 comparados
com ETo – PM.
A variação da evapotranspiração obtida nesse período 01/10/2010 –
31/10/2010 (261 DAP a 292 DAP) apresenta a cana-de-açúcar no final da fase
intermediaria, ou seja, no terceiro estádio ocorre da cobertura completa efetiva ao
começo
da
maturação
que
é
indicado freqüentemente pelo
começo
do
envelhecimento, amarelecimento ou senescência das folhas, queda da folha, ou o
amadurecimento de acordo com o grau que a evapotranspiração da cultura é
reduzida em relação à ETo.
Conforme demonstra as figuras 35 e 36 há uma tendência de queda da ETc
em relação ETo no final da fase intermediaria, fato constatado por Gonçalves (2010)
obtendo queda da ETc em relação a ETo já a partir do 210 DAP.
Evapotranspiração (mm/d)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
ETC1
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Dias
Eto PM
Figura 35 – Variação da evapotranspiração obtida no lisímetro 1 (ETc1) em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-de-açúcar, comparado com
o método estimado de Penman-Monteith.
65
Evapotranspiração (mm/d)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
Dias
ETC1
Eto PM
Figura 36 – Variação da evapotranspiração obtida no lisímetro 2 (ETc1) em
condições típicas de funcionamento, cultivado com cana-de-açúcar, comparado com
o método estimado de Penman-Monteith.
66
4 CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos neste estudo conclui-se:
A metodologia adotada na construção dos lisímetros foi adequada, os
lisímetros apresentaram boa performance, detectando as variações de massa ao
longo do dia, incluindo dias com precipitações.
Os lisímetros obtiveram um coeficiente de determinação (R2) de 0,9981
e 0,9999 respectivamente para os lisímetro 1 e lisímetro 2, estando ambos aptos
para a determinação da evapotranspiração.
A evapotranspiração da cana-de-açúcar determinada na fase final
intermediária pelos lisímetros (ETc1) foi menor que a estimada ETo-PM.
67
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