• JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
 
  Bookmark and Share
 
 
Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.11.2020.tde-06032020-151119
Documento
Autor
Nome completo
Marina Luciana Abrêu de Melo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2020
Orientador
Banca examinadora
Lier, Quirijn de Jong van (Presidente)
Corrêa, Simone Toni Ruiz
Marin, Fábio Ricardo
Pinheiro, Everton Alves Rodrigues
Título em português
Condição hidráulica determinante à ocorrência de estresse hídrico na cultura da cana-de-açúcar
Palavras-chave em português
Saccharum spp.
Modelagem inversa
Modelo de cultura
Transpiração
Resumo em português
A baixa disponibilidade de água no solo frequentemente resulta em estresse hídrico, que é a principal limitação à produção de cana-de-açúcar no Brasil. Modelos de simulação de culturas baseados em processos podem auxiliar no entendimento dos fatores que determinam o estresse hídrico. O objetivo deste trabalho foi estimar os potenciais matriciais limitantes da função de redução da transpiração de Feddes (h3h, h3l e h4) para a cana-de-açúcar, por modelagem inversa com o modelo SWAP/WOFOST, e utilizar o modelo calibrado e validado para simular a produtividade da cultura e os componentes do balanço hídrico em cenários distintos de solo. O modelo foi calibrado para reproduzir as condições de um experimento de 22 meses de cultivo de cana-de-açúcar (2014-2016) no município de Jaú, São Paulo (SP), Brasil. O potencial matricial (h, cm) foi medido nas profundidades de 0,2, 0,4 e 1,0 m por sensores com leitura automatizada. Amostras de solo foram coletadas nas mesmas profundidades para determinar a curva de retenção de água no solo (CRA). A partir da CRA, os valores de h foram convertidos em valores de conteúdo de água no solo (θ, cm3 cm-3). A evapotranspiração real da cultura (ETr, mm d-1) foi estimada a partir de dados registrados por torres micrometeorológicas. O programa Parameter ESTimation foi utilizado para estimar os parâmetros (h3h, h3l e h4) simultaneamente, a partir dos dados observados de θ e de ETr. A qualidade da calibração, antes e após a estimativa dos parâmetros, foi avaliada pelos índices estatísticos raiz do erro médio quadrático (RMSE), coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) e coeficiente de determinação (R2). O modelo calibrado foi validado com dados experimentais de cana-de-açúcar cultivada durante 30 meses (2005-2007) no município de Jaboticabal, SP. Determinações de θ e de massa seca da parte aérea foram utilizadas na comparação entre dados observados e simulados pelo modelo. A qualidade da validação foi avaliada pelas mesmas estatísticas empregadas na calibração. O modelo calibrado e validado foi utilizado para simular 30 ciclos de cana-de-açúcar (1987-2017), com seis solos da Mesorregião produtora do município de Piracicaba, SP. Para cada ciclo, avaliaram-se a produtividade da cultura em massa seca da parte aérea por unidade de área (kg ha-1) e os componentes do balanço hídrico (transpiração, interceptação, evaporação do solo, escoamento superficial e drenagem profunda) em lâmina (mm), que representa o volume por área. Na etapa de calibração, o modelo simulou satisfatoriamente θ (RMSE = 0,018 cm3 cm-3; NSE = 0,39; R2 = 0,74) e insatisfatoriamente ETr (RMSE = 2,24 mm d-1; NSE = -1,05; R2 = 0,34). Os valores estimados para representar a condição hidráulica limitante à cultura da cana-de-açúcar foram: h3h = -460 cm, h3l = -1.968 cm e h4) = -9.646 cm. Na etapa de validação, o modelo simulou satisfatoriamente tanto θ (RMSE = 0,023 cm3 cm-3; NSE = 0,61; R2 = 0,70) quanto à massa seca da parte aérea (RMSE < 7.000 kg ha-1; NSE ≥ 0,85; R2 ≥ 0,90). Os parâmetros hidráulicos dos solos utilizados nas simulações para Piracicaba não foram determinantes à produtividade da cultura. A transpiração, a evaporação do solo, o escoamento superficial e a drenagem profunda variaram significativamente com as condições edáficas. Conclui-se que a função de Feddes implementada no modelo SWAP/WOFOST promove baixa sensibilidade aos seus parâmetros, o que dificulta sua calibração de forma confiável. Idealmente, este estudo deve ser realizado a partir de um experimento detalhado que considere variáveis do solo, da planta e da atmosfera adequadamente medidas. A partir desse experimento ideal, seria possível parametrizar e calibrar modelos físicos robustos que reproduzam adequadamente o complexo processo de extração de água do solo pelas raízes da cana-de-açúcar.
Título em inglês
Limiting hydraulic condition related to drought stress in sugarcane
Palavras-chave em inglês
Saccharum spp.
Crop model
Inverse modeling
Transpiration
Resumo em inglês
A low soil water availability often results in drought stress, which is the main limitation to sugarcane growth in Brazil. Process-based crop simulation models can help in understanding the factors which determine drought stress. We aimed to estimate the limiting pressure heads of the Feddes transpiration reduction function (h3h, h3l and h4) for sugarcane by inverse modeling with the SWAP/WOFOST model, and to use the calibrated and validated model to simulate crop productivity and water balance components in different soil scenarios. The model was calibrated to reproduce the conditions of a 22-month experiment of sugarcane (2014-2016) in Jaú, São Paulo State (SP), Brazil. The pressure head (h, cm) was measured at 0.2, 0.4 and 1.0 m depths by automated sensors. Soil samples were collected at the same depths to determine the soil water retention curve (SWRC). From the SWRC, h values were converted to soil water content (θ, cm3 cm-3). Actual crop evapotranspiration (ETr, mm d-1) was estimated from data recorded by micrometeorological towers. The Parameter ESTimation program was used to estimate the parameters h3h, h3l and h4 simultaneously from the observed data of θ and ETr. The quality of calibration, before and after the parameters estimation, was assessed by the root mean square error (RMSE), the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (NSE) and the coefficient of determination (R2). The calibrated model was validated with 30 months (2005-2007) of experimental data of a sugarcane crop grown in Jaboticabal, SP. Determinations of θ and dry matter were used to compare observed and simulated data. The quality of validation was assessed by the same statistical indicators used in calibration. The calibrated and validated model was used to simulate 30 sugarcane cycles (1987-2017), with six soils from the Mesoregion of Piracicaba, SP, Brazil. For each cycle, the crop productivity in dry mass per unit area (kg ha-1) and the components of water balance (transpiration, interception, soil evaporation, runoff and deep drainage) in depths per cycle (mm), representing volume per unit area, were evaluated. In the calibration step, the model simulated satisfactorily θ (RMSE = 0.018 cm3 cm-3, NSE = 0.39, R2 = 0.74) but unsatisfactorily ETr (RMSE = 2.24 mm d-1; NSE = -1.05; R2 = 0.34). The estimated values to represent the limiting hydraulic condition to sugarcane were: h3h, = -460 cm, h3l = -1,968 cm and h4 = -9,646 cm. In the validation step, the model simulated satisfactorily both θ (RMSE = 0.023 cm3 cm-3; NSE = 0.61, R2 = 0.70) and dry mass (RMSE < 7,000 kg ha-1; NSE ≥ 0.85; R2 ≥ 0.90).The soil hydraulic parameters used in the simulations for Piracicaba were not determinant to the crop productivity. Transpiration, soil evaporation, runoff and deep drainage varied significantly with soil conditions. We conclude that the Feddes function implemented in the SWAP/WOFOST model promotes low sensitivity to its parameters, making it difficult to reliably calibrate. Ideally, this study should be conducted from a detailed experiment which considers soil, plant and atmosphere variables measured appropriately. From this ideal experiment, it may be possible to parameterize and calibrate robust physical models which reproduce adequately the complex process of soil water extraction by sugarcane roots.
 
AVISO - A consulta a este documento fica condicionada na aceitação das seguintes condições de uso:
Este trabalho é somente para uso privado de atividades de pesquisa e ensino. Não é autorizada sua reprodução para quaisquer fins lucrativos. Esta reserva de direitos abrange a todos os dados do documento bem como seu conteúdo. Na utilização ou citação de partes do documento é obrigatório mencionar nome da pessoa autora do trabalho.
Data de Publicação
2020-03-09
 
AVISO: Saiba o que são os trabalhos decorrentes clicando aqui.
Todos os direitos da tese/dissertação são de seus autores
CeTI-SC/STI
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP. Copyright © 2001-2020. Todos os direitos reservados.