TAMMY CAROLINE LIMA DE JESUS IMPACTO DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2 NO BALANÇO HÍDRICO DO CERRADO.

Transcrição

1 UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS TAMMY CAROLINE LIMA DE JESUS IMPACTO DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2 NO BALANÇO HÍDRICO DO CERRADO. Niterói, RJ 2015

2 TAMMY CAROLINE LIMA DE JESUS IMPACTO DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2 NO BALANÇO HÍDRICO DO CERRADO. Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Biossistemas da Universidade Federal Fluminense como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Biossistemas. Área de concentração Recursos Naturais e Ambiente. Linha de Pesquisa: Recursos Hídricos. Orientadora: Prof.ª Drª Mônica Carneiro Alves Senna D.Sc. em Meteorologia Agrícola Niterói, RJ 2015

3

4 TAMMY CAROLINE LIMA DE JESUS IMPACTO DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2 NO BALANÇO HÍDRICO DO CERRADO. Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Biossistemas da Universidade Federal Fluminense como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Biossistemas. Área de concentração Recursos Naturais e Ambiente. Linha de Pesquisa: Recursos Hídricos. Aprovada em 21 de Julho, BANCA EXAMINADORA Niterói, RJ 2015

5 Disciplina é a ponte entre metas e realizações. Jim Rohn

6 A meus pais, Maria e Antônio, aos meus irmãos, e a meu namorado Renner.

7 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, pela saúde e força dada em todos os momentos da minha vida, sem ele nada seria possível. Aos meus pais Maria e Antônio, e aos meus irmãos Filipe e Anny por todo amor, amizade, apoio e confiança nos meus estudos. Ao meu namorado Renner Guilherme, pelo amor, dedicação, companheirismo, incentivo e paciência. A minha orientadora, Professora Mônica Senna, pela amizade, paciência, sabedoria e pelas valiosas sugestões imprescindíveis para o desenvolvimento deste trabalho. Ao meu Amigo Thomaz pela amizade e incentivo. A todos os professores, colegas e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biossistemas, pelo apoio e amizade. Aos membros da Banca Examinadora, por toda atenção ao lerem minha dissertação e participarem da minha avaliação. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo auxílio financeiro.

8 RESUMO Este trabalho avaliou os impactos que as mudanças climáticas podem provocar no balanço hídrico do Cerrado, utilizando simulações feitas pelo modelo CCM3-IBIS. Foram avaliadas as condições climáticas atuais e um cenário climático futuro através da simulação controle da região e uma simulação com concentração atmosférica de CO2 elevada (cenário pessimista do IPCC). Analisando-se o Balanço Hídrico Climatológico (BHC) do Cerrado destes dois cenários, conclui-se que a deficiência hídrica da simulação com CO2 elevado (59,5 mm) é superior a da simulação controle (47,9 mm). Isto acontece devido ao aumento de temperatura do ar durante o período seco no cenário de CO2 elevado. Entretanto, o excedente hídrico da simulação com CO2 elevado (388,1 mm) também é superior ao da simulação controle (323,4 mm), pois os totais de precipitação foram maiores considerando o CO2 elevado. A deficiência hídrica no Cerrado concentrou-se durante os meses de abril a setembro, que correspondem ao período seco da região. O período de excedente hídrico ocorre nos meses de novembro a março. Portanto, o BHC dos dois cenários mostra que o impacto do aumento do CO2 atmosférico varia conforme o total de precipitação da estação considerada. Na estação chuvosa o cenário de mudança climática aumenta o excedente hídrico no solo, porém durante a estação seca, ocorre um aumento de deficiência hídrica. Palavras-Chave: Excedente hídrico, Deficiência Hídrica, CCM3-IBIS, Balanço Hídrico Climatológico e CO2.

9 ABSTRACT This study evaluated the impacts that climate change can cause in water balance of the Cerrado, using simulations by CCM3-IBIS model. We evaluated the current climate conditions and a future climate scenario by control simulation of the region and a simulation with high atmospheric concentration of CO2 (IPCC pessimistic scenario). Analyzing the Cerrado Climatological Water Balance (BHC) of these two scenarios, we concluded that the water deficit of simulation with high CO2 (59,5 mm) is greater than the control simulation (47,9 mm). This is due to the increase of air temperature during the dry season at high CO2 scenario. However, the water surplus of simulation with high CO2 (388,1 mm) is also higher than the control simulation (323,4 mm), because the total precipitation were higher considering the high CO2. Water stress in the Cerrado concentrated during the months from April to August, matching the dry season in the region. The water surplus period occurs from November to March. Therefore, the two scenarios BHC show that the impact of the increase in atmospheric CO2 varies with the total precipitation of the proposed season. In the rainy season the climate change scenario increases the excess of water in the soil, but during the dry season, there is an increase of water stress. Keywords: Water Surplus, Water Deficit, CCM3-IBIS, Climatological Water Balance and CO2.

10 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO, p REVISÃO BIBLIOGRÁFICA, p Caracterização do Cerrado, p Balanço Hídrico Climatológico (BHC), p Elaboração do Balanço Hídrico Climatológico por Thornthwaite & Mather, p Determinação da Capacidade da Água Disponível no Solo (CAD), p Evapotranspiração Real (ETR), p Excedente Hídrico (EXC), p Deficiência Hídrica (DEF), p Precipitação, p Evapotranspiração (ET), p Fatores que influenciam na evapotranspiração, p Fatores climáticos, p Fatores da planta, p MATERIAL E MÉTODOS, p Áreas em estudo, p Descrição do experimento, p Descrição do modelo, p RESULTADO E DISCUSSÃO, p CONCLUSÃO, p REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS, p. 66

11 LISTA DE FIGURAS Fig. 1 Representação esquemática dos fluxos do balanço hídrico, f. 21 Fig. 2 Representação esquemática da CAD, f. 27 Fig. 3 Representação da função exponencial para a retirada de água do solo,f. 29 Fig. 4 Região do Cerrado com a representação da grade do CCM3-IBIS composta por 20 células consideradas neste estudo, f. 39 Fig. 5 Esquema do modelo de circulação geral da atmosfera CCM3, f. 42 Fig. 6 Esquema do modelo dinâmico de vegetação global IBIS, f. 43 Fig. 7 Gráfico da Distribuição Mensal Média da Temperatura no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050, f. 51 Fig. 8 Gráfico da Distribuição Mensal Média da Precipitação no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Períodos: 2000 a 2050, f. 53 Fig. 9 Gráficos da Distribuição Mensal Média da ETR no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050, f. 54 Fig. 10 Gráfico da Distribuição Mensal Média da ETP no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050, f. 55 Fig. 11 Variação dos dados mensais meteorológicos de precipitação (P), evapotranspiração potencial (ETP), evapotranspiração real (ETR), segundo Thornthwaite & Mather, f. 57 Fig. 12 Gráfico do Balanço Hídrico Climatológico (simulação controle) do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather. Período: 2000 a 2050, f. 57 Fig. 13 Variação dos dados mensais meteorológicos de precipitação (P), evapotranspiração potencial (ETP) e evapotranspiração real (ETR), segundo Thornthwaite & Mather, f. 59 Fig. 14 Gráfico do Balanço Hídrico Climatológico (simulação com CO2 elevado), segundo Thornthwaite & Mather. Período: 2000 a 2050, f. 60 Fig. 15 Produção total de grãos do Cerrado por cultura, f. 63

12 LISTA DE TABELAS TABELA 1- Valores médios da profundidade efetiva dos sistemas radiculares (Zr) das principais culturas do Estado de São Paulo, f. 29 TABELA 2 - Parâmetros referentes à vegetação do Cerrado que foram modificados no modelo IBIS, f. 48 TABELA 3 - Definição dos parâmetros referentes à vegetação do Cerrado considerados no modelo IBIS, f. 49 TABELA 4 - Balanço hídrico climatológico (simulação controle) mensal do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather (CAD = 100 mm), f. 56 TABELA 5 - Balanço hídrico climatológico (simulação com CO2 elevado) mensal do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather (CAD = 100 mm), f. 59

13 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS (θcc) Umidade da capacidade de campo (θpmp) Umidade do ponto de murcha permanente AC Ascensão Capilar ALT Alteração do Armazenamento de água ARM Armazenamento Aw Clima Tropical Estacional BHC Balanço Hídrico Climatológico C Coeficiente de transferência de calor/vapor entre o dossel e o ar CAD Capacidade de Água Disponível no solo CC% Umidade da capacidade de campo, em % CCM3 Community Climate Model CO2 Gás Carbônico D (ϴ) Difusividade de umidade [L 2 T-1] DEF Deficiência Hidríca dg Massa específica do solo DLI Drenagem Lateral (entrada) DLo Drenagem Lateral (saída) DP Drenagem Profunda ET Evapotranspiração ETc Evapotranspiração de Cultura ETo Evapotranspiração de Óasis ETP Evapotranspiração Potencial ETR Evapotranspiração Real ETT Evapotranspiração Potencial Diária EXC Excedente Hídrico no Solo ƒ Fator de ajuste em função da latitude e mês do ano; f wet h H i I Fração de área foliar úmida interceptada pela água ou neve. Pressão da coluna [L] Potencial total da água no solo Índice de calor anual Irrigação

14 IAF Índice de Área Foliar IBIS Integrated Biosphere Simulator K Condutividade hidráulica do solo [L T -1 ] L Temperatura da folha n Número de dias do mês em estudo. NAc Negativo Acumulado NCAR National Center for Atmospheric Research NCL NCAR Command Language ND Número de dias do Período Considerado O Orvalho P Precipitação PMP% Umidade do Ponto de Murcha, em % q Umidade específica ambiente no dossel Qo Q sat r RI RN Ro Radiação Solar Global Extraterrestre Umidade específica de saturação à temperatura da folha Resistência estomática por unidade de área foliar Escoamento Superficial Radiação Líquida Escoamento Superficial S Taxa de água absorvida pelas raízes [L 3 L -3 T -1 ] t Tempo T Temperatura Média do Ar TFP Tipos Funcionais de Planta Tm Temperatura Média Mensal TSM Temperatura de Superfície do Mar UR Umidade Relativa do Ar Z Distância entre os pontos considerados. z Profundidade abaixo da superfície do solo Zr Profundidade Específica do Sistema Radicular ϴ Conteúdo volumétrico de água [L 3 L -3 ] ρ Densidade do ar próximo à superfície

15 13 1. INTRODUÇÃO O Cerrado Brasileiro é um dos maiores e mais importantes biomas do Brasil. É o segundo maior bioma brasileiro, sendo superado apenas pela Amazônia, e possui uma área de 2,04 milhões de quilômetros quadrados, o equivalente a aproximadamente 22% do território nacional. Este bioma ocupa a área central do Brasil, e abrange os Estados de Goiás, Distrito Federal, e parte dos Estados de Minas Gerais, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Bahia, Tocantins, Maranhão, Piauí, Pará e São Paulo (SANO et al., 2008; SANO & FERREIRA, 2005; KLINK & MACHADO, 2005; SHIKI, 1997). Um quarto da biodiversidade brasileira encontra-se no Cerrado, juntamente com 5% da fauna e da flora mundial. O bioma Cerrado é considerado a savana mais diversificada do mundo em termos biológicos (HOGAN et al, 2002; MMA, 1999). No Cerrado há uma ampla diversidade de espécies e habitats, e estes em sua maioria estão em áreas específicas que levaria estas à extinção em caso de destruição (KLINK & MACHADO, 2005; HOGAN et al., 2002; MMA, 1999). O Cerrado em termos fisionômicos é uma savana pouco densa, que possui um dossel descontínuo de elementos arbustivos e arbóreos, com cascas espessas e galhos retorcidos com cobertura herbácea continua de 50 cm a 70 cm de altura. A flora do Cerrado denominada herbáceo-subarbustiva possui muitas origens como, Campos Rupestres, Campos Úmidos, Campos Meridionais, e Campos Amazônicos (RIZZINI, 1963; HERINGER et al., 1977). A flora herbácea-subarbustiva do Cerrado possui como característica uma enorme diversidade de espécies que estão distribuídas em aproximadamente 500 gêneros por toda região, tendo como espécie predominante as graminóides. De acordo com FERRI (1977), a vegetação do Cerrado é dividida em 3 grupos, são estes o das gramíneas que podem ser efêmeras ou permanentes, o das plantas permanentes que apresentam raízes profundas, e o das espécies efêmeras com raízes superficiais. No Cerrado a precipitação encontra-se entre 800 mm e 2000 mm, e as reservas de água no solo a 20 m de profundidade e tem como fator importante que a maioria das plantas permanentes do Cerrado possui sistemas radiculares profundos. Esta região é caracterizada por um mosaico de fitofisionomias, indo de formações campestres e savânicas a formações florestais. Este bioma tem um papel de grande importância no processo de distribuição dos recursos hídricos (LIMA, 2008).

16 14 O termo Cerrado é utilizado para determinar o conjunto de ecossistemas (savanas, matas, campos e matas de galeria) existentes no Brasil (EITEN, 1977; RIBEIRO et al., 1981). O clima dessa região é do tipo tropical estacional (Aw) conforme classificação de Köppen, clima este que coincide com a distribuição da maioria das savanas (RICHARDS, 1976), é suscetível a mudanças ou transformações que são ocasionadas pelas estações do ano, onde um período chuvoso, que dura de outubro a março é seguida por um período seco, de abril a setembro. Segundo Assad et al., 1994 o clima possui grande influência temporal na origem da vegetação dessa região, onde as chuvas, ao longo do tempo, intemperizam os solos deixandoos pobres em nutrientes essenciais. Os recursos hídricos do Cerrado são muito importantes, sendo considerado o berço das águas do Brasil, mostrando assim, o quanto estas águas representam para o país. A produção hídrica das diversas áreas desta região apresenta muita variabilidade, o que reflete de forma clara na distribuição espacial das chuvas. Um fator de grande importância relacionado com as chuvas no Cerrado é a forte sazonalidade que circunda esta região, onde ocorrem chuvas com intensidades variadas. Em momentos de carência hídrica a irrigação torna-se uma importante prática para garantir que a produção agrícola na região tenha estabilidade, sendo necessária desta forma a gestão dos recursos hídricos da região (LIMA & SILVA, 2007). O Cerrado possui lençóis freáticos que alimentam as nascentes que deram origem a seis das oito maiores bacias hidrográficas brasileiras. As nascentes deste bioma são muito importantes para as bacias do rio Paraná, São Francisco e Araguaia-Tocantins, as únicas exceções são as bacias do rio Uruguai e a do Atlântico Sudeste (MMA, 1999; SHIKI, 1997; HOGAN et al, 2002; OLIVEIRA & MARQUIS, 2002). Além disso, este bioma é considerado o berço das águas, pois nele nascem águas que abastecem três aqüíferos importantes e seis das oito bacias hidrográficas, são elas Amazônica, do São Francisco, Atlântico Norte-Nordeste, do Tocantins, Atlântico Leste e Paraná-Paraguai. A bacia do Paraná-Paraguai garante a existência do Pantanal, que é a maior planície alagável do planeta. Uma importante característica desta região é a sua capacidade de armazenamento de carbono. A grande extensão de terras e a sua vegetação com raízes profundas compensam a ausência de florestas densas. A contribuição do Cerrado em termos de absorção de carbono na atmosfera terrestre torna-se significativa em virtude das vegetações que possuem raízes que formam uma imensa floresta subterrânea (HOGAN et al, 2002). Atualmente, com a crescente demanda por recursos hídricos, torna-se necessário conhecer como funciona o ciclo da água dentro desta região hidrográfica, entendendo

17 15 principalmente a atuação das variáveis precipitação e evapotranspiração. Segundo Camargo (1971), é possível saber se determinada região apresenta excesso de água ou deficiência durante o ano, comparando-se dois elementos opostos do balanço hídrico, que são a precipitação, que tem como função fornecer umidade ao solo, e a evapotranspiração, que possui por finalidade consumir a umidade do solo. Apesar destes elementos serem opostos, eles trabalham juntos para determinar as necessidades que o local apresenta. De acordo com Pereira et al. (2002), através do balanço hídrico climatológico (BHC) é possível quantificar a disponibilidade hídrica de uma região, e esta disponibilidade pode ser afetada pelo tipo de cobertura vegetal da mesma. Estudos realizados em 2002 utilizando imagens do satélite MODIS, mostraram que 51% do Cerrado, foram transformados ou desmatados por ação antrópica (MACHADO et al., 2004). A degradação dos ecossistemas existentes nesta região está ocorrendo de forma acelerada, e suas principais conseqüências têm sido a degradação dos diferentes tipos de vegetação que compõem o bioma e a erosão dos solos. A utilização do fogo para abrir áreas virgens que estimulam o rebrotamento das pastagens também tem causado grandes impactos nos ecossistemas da região. Apesar de o Cerrado ter um ecossistema que se adapta ao fogo, estudos feitos através de modelos de simulação ecológica mostram que estas mudanças na cobertura vegetal, estão alterando a hidrologia da região afetando desta forma os estoques de carbono no ecossistema (MACHADO et al., 2004). A estrutura de diversas espécies de ecossistemas pode ser alterada em virtude das mudanças climáticas e da forma como estas influenciam a relação entre as espécies. Estas alterações que ocorrem na estrutura dos ecossistemas podem influenciar diretamente os balanços hídricos, de CO2, de energia, entre outros, modificando o clima (PIELKE et al., 1998; BONAN, 2002; FOLEY et al., 2003). A Terra está sofrendo constantes mudanças no clima, modificações estas que podem favorecer a ocorrência de eventos extremos, e modificações na composição e estrutura dos biomas terrestres (IPCC, 2007). Desta forma, faz-se necessário avaliar a intensidade destas mudanças, prevendo assim, cenários possíveis e futuros que mostrarão que tipos de problemas serão enfrentados em virtude destas transformações. Pesquisas mostram que com o passar do tempo uma infinidade de modificações podem ocorrer no cenário global do planeta acarretando desta forma diversas mudanças climáticas e um aumento da concentração de CO2 na atmosfera proveniente das ações antrópicas (COSTA et al., 2009). As ações antrópicas e a utilização desenfreada dos recursos naturais aumentam a concentração de gases de efeito estufa na atmosfera, sendo o principal deles o CO2. A

18 16 elevação crescente da concentração de CO 2 na atmosfera provoca um acréscimo da retenção da radiação infravermelha que a Terra emite, em conseqüência disto a temperatura do ar atmosférico aumenta. O aquecimento global provoca a elevação da temperatura média global, o que pode acarretar o aumento da ocorrência de eventos extremos, como derretimento das geleiras, das calotas polares, ondas de calor e frio, secas extremas, tempestades severas e etc (GOUVÊA, 2008). As mudanças climáticas têm provocado efeitos desastrosos no ciclo hidrológico, alterando consideravelmente seu comportamento espacial e temporal devido ao aumento da temperatura, afetando assim diretamente os processos hidrológicos como infiltração e escoamento. Com todas estas mudanças, o armazenamento de água no solo pode ser afetado, provocando deficiência na recarga dos aqüíferos. Analisando este cenário, espera-se que estas mudanças climáticas afetem de forma considerável os níveis dos aqüíferos, o que pode gerar conseqüências tanto na capacidade de regularização dos rios como no abastecimento humano (MARENGO, 2006). O Cerrado também possui uma estreita relação com o fogo, incêndios têm acontecido na região com freqüência durante vários anos (WALTER et al. 2008). Muitas espécies apresentam estratégias ecológicas que as protegem do fogo (COUTINHO, 1990; MEDEIROS et al., 2005; GOTTSBERGER et al., 2006). O bioma apresenta heterogêneo mosaico de fisionomias vegetais. A grande sazonalidade do Cerrado juntamente com o regime do fogo, além de outros fatores como solos, relevo, entre outros, são responsáveis pela distribuição e dinâmica das suas fitofisionomias (WALTER et al. 2008). Portanto, faz-se necessário prever o comportamento do clima de forma a determinar que conseqüências suas modificações podem acarretar na biosfera e vice-versa. Assim, surgiu a necessidade de se desenvolver modelos acoplados de clima-vegetação e superfície-solo que são utilizados por muitos pesquisadores em todo mundo, como: CCM3-IBIS, CCM3/LSM, GENESIS-IBIS, entre outros. Dado o exposto, o objetivo deste trabalho é analisar os impactos que as mudanças climáticas podem provocar no balanço hídrico do Cerrado, utilizando o modelo acoplado CCM3-IBIS, considerando as condições climáticas atuais (simulação controle) e um cenário climático futuro, com concentração atmosférica de CO2 elevada (cenário pessimista do IPCC).

19 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. CARACTERIZAÇÃO DO CERRADO O Cerrado Brasileiro é o segundo maior bioma da América do Sul, e ocupa uma área de aproximadamente 22% do território nacional, está localizado na porção central do Brasil (IBGE, 2004). É considerado como um dos hotspot mundial de biodiversidade, o Cerrado apresenta grande abundância de espécies endêmicas e nas últimas décadas tem sofrido exacerbada perda de habitat (MYERS et al. 2000). Este bioma possui um quarto da biodiversidade nacional e 5% da flora e da fauna mundiais e 30% da biodiversidade do Brasil. A flora do cerrado é considerada a mais rica savana do mundo, e estima-se que entre 4 a espécies habitam essa região. Em relação à diversidade biológica, o Cerrado brasileiro é considerado a savana mais rica do mundo com características climáticas próprias. A fenologia da vegetação apresenta variação sazonal bem definida, grande produção de biomassa durante a estação chuvosa e na estação seca a maior parte de sua biomassa aérea seca morre (KLINK et al., 1996). O Cerrado é muito mais que savanas, com árvores tortas. Há uma série de florestas secas no bioma, que possui uma vegetação que não fica na área do rio e sim entre os rios. Existe também o outro extremo, que são os campos, áreas com solo raso ou as várzeas que têm a forma de vegetação campestre. Então, a paisagem do Cerrado tem floresta, savana e campos, que são estas formações florestais (cerradão), formações savânicas (cerrado sensu stricto, campo cerrado, campo sujo) e formações campestres (campo limpo). Hoje em dia, da porcentagem que naturalmente o Cerrado abrangia, observa-se que, pela ocupação humana, a natureza perdeu cerca de 51% de seu território (RIBEIRO, 2011). O clima do Cerrado é classificado pela presença de invernos secos e verões chuvosos, um clima classificado tecnicamente como Aw de Köppen (tropical chuvoso). O mecanismo atmosférico geral determina uma circulação estacional de precipitação semelhante em toda a região, criando nela uma tendência de igualdade pluviométrica: há uma estação seca e outra chuvosa bem definidas (RIBEIRO, 2011). Em virtude da distribuição de chuvas, da boa pluviosidade e de terrenos praticamente planos, favoráveis para a mecanização, o Cerrado tem contribuído hoje como o local onde praticamente grande parte da agricultura e pecuária nacionais tem se desenvolvido. Os grãos são o grande destaque, fazendo com que o Cerrado seja chamado de celeiro do mundo. Mas

20 18 isso traz conseqüências irreparáveis, quando se fala em ambiente natural, tem-se uma troca, em que onde se planta não se pode manter vegetação nativa. Este processo de ocupação humana tem causado o desaparecimento de enormes faixas do Cerrado, em função das atividades agrícolas e pecuárias. O grande desafio na agricultura e na urbanização desse ambiente é entender até que ponto se pode plantar e conservar ao mesmo tempo, mas não no mesmo lugar (RIBEIRO, 2011). O Cerrado brasileiro é considerado uma das mais ricas ecorregiões do mundo em termos de biodiversidade, as áreas ainda existentes de vegetação nativa representam aproximadamente 49% deste total. Além de ser uma importante região ecológica e agrícola para o Brasil, a região de Cerrado é importante para a dinâmica dos recursos hídricos do país, pois as maiores usinas hidrelétricas do país (~80% da energia produzida no Brasil) possuem rios que se iniciam em regiões de Cerrado (Ribeiro, 2011). A água proveniente do Cerrado é de grande importância para o abastecimento humano e dessedentação animal, para o fornecimento de água para a indústria, agricultura, navegação e turismo. É importante citar que várias usinas hidrelétricas do Brasil usam águas provenientes da região do Cerrado, tais como: Itaipu, Tucuruí, Ilha Solteira, Xingó e Paulo Afonso. Os aqüíferos de água subterrânea do Bambuí, Urucuia e Guarani também se encontram em áreas de Cerrado. Isso ressalta a importância estratégica do Cerrado em diversos setores do Brasil (OLIVEIRA, 2015). Nas últimas décadas houve uma intensa substituição da vegetação natural do Cerrado por áreas destinadas às atividades agrícolas. Assim, verifica-se que o desflorestamento do Cerrado ocorre mais rapidamente do que na área de floresta amazônica e, considerando a taxa atual de desflorestamento, estima-se que o ecossistema pode desaparecer nos próximos anos. Com relação ao que foi exposto, existe um grande desafio, pois a transformação de ecossistemas ocasiona alterações no balanço hídrico e intensifica os processos erosivos, além de provocar a perda de biodiversidade, desequilíbrios no ciclo do carbono, poluição hídrica, mudanças no regime de queimadas e alteração do clima regional (OLIVEIRA, 2015). Os solos do cerrado do Centro-Oeste foram considerados, até o final dos anos sessenta, impróprios à agricultura. Os solos latossolos que no Cerrado ocupam 90 milhões de hectares são as áreas mais propícias para as culturas de grãos: os solos são profundos, bem drenados. Os latossolos são áreas privilegiadas de expansão da agricultura especializada em grãos, pela facilidade que oferecem à mecanização. Mas é importante observar que o crescimento dessas culturas supõe a adaptação do solo e do regime hídrico a plantas cujas exigências não podem ser satisfeitas pelos recursos disponíveis: tanto a mecanização como o

21 19 uso em larga escala de fertilizantes químicos, de agrotóxicos e da irrigação contribuem, para empobrecer a diversidade genética desses ambientes. Apesar disso, nas áreas de latossolo, é possível se obter uma sustentabilidade da agricultura, desde que sejam adotadas técnicas de manejo e de rotação de culturas visando o combate à erosão. O plantio direto que tem aumentado significativamente no cerrado do Centro-Oeste, tem um papel decisivo. A rotação de culturas é um dos principais meios para aumentar a oferta de grãos sem a abertura e a degradação de novas áreas. As alterações de uso e cobertura do solo promovidas pela expansão agrícola na região de Cerrado têm potencial para afetar os serviços ecossistêmicos de vários importantes setores da economia do Brasil, como agricultura, produção de energia e disponibilidade hídrica. Apesar da expansão agrícola do Cerrado continuar e das alterações de uso e cobertura do solo promovem mudanças na dinâmica do balanço hídrico, poucos estudos têm sido desenvolvidos para investigar os processos hidrológicos em escala de campo (RIBEIRO, 2011). O desmatamento no Cerrado tem tendência a continuar, pois existe uma demanda global crescente por produção de alimentos e combustíveis; as áreas do Cerrado têm características adequadas de topografia e solos que já são conhecidos para mecanização agrícola; e recebem menor pressão contra o desmatamento quando comparado à floresta Amazônica. Desta forma, é necessário o desenvolvimento de um zoneamento desta área. Ou seja, deve-se verificar espacialmente quais são as áreas prioritárias de preservação; áreas com melhor/pior potencial agrícola ou de pecuária; áreas degradadas que precisam de recuperação; e as áreas mais vulneráveis à escassez hídrica e de risco à erosão hídrica. Assim, é possível uma gestão adequada do solo e da água. Esse seria um processo ideal que pode levar alguns anos, mas que será de grande importância para o Cerrado (RIBEIRO, 2011) BALANÇO HÍDRICO CLIMATOLÓGICO (BHC) O balanço hídrico é um sistema que estima a quantidade de água disponível no solo e resulta na aplicação do Princípio de Conservação de Massa (PEREIRA et al, 2002), aplicando-se este princípio são contabilizadas as entradas e saídas de água do solo em uma área vegetada. A tendência natural é que o BHC de uma região permaneça sem grandes alterações, mas o uso desordenado da água em conseqüência do aumento populacional e das ações antrópicas interferem no ciclo hidrológico através das taxas de precipitação, da infiltração da água do solo, da evapotranspiração e do escoamento superficial e sub-

22 20 superficial. A estrutura de diversos tipos de ecossistemas pode ser alterada em virtude das mudanças climáticas e da forma como estas influenciam a relação entre as espécies, e estas alterações podem influenciar diretamente o balanço hídrico, de CO2, de energia, entre outros, modificando o clima (PIELKE et al., 1998; BONAN, 2002; FOLEY et al, 2003). O BHC criado por Thornthwaite e Mather (T & M) (1955) foi desenvolvido para determinar o regime hídrico de um local. Este permite quantificar a quantidade de água no solo que pode estar disponível às plantas, além de indicar períodos secos ou úmidos, dentro de um determinado espaço de tempo (TREMOCOLDI & BRUNINI, 2008). Este balanço é calculado através da contabilização do fornecimento natural de água no solo, pela precipitação (P) variável de entrada, e pela demanda atmosférica variável de saída, que é expressa pela evapotranspiração potencial (ETP), considerando um nível máximo de armazenamento ou capacidade de água disponível no solo (CAD). Com o CAD adequado ao tipo de planta cultivada na região de estudo, o BHC vai fornecer estimativas da evapotranspiração real (ETR), da deficiência hídrica (DEF), do excedente hídrico (EXC) e do armazenamento de água no solo (ARM), podendo ser calculado desde escalas diárias até mensais (CAMARGO, 1971; PEREIRA et al., 2007). É possível se caracterizar a deficiência hídrica sempre que a evapotranspiração real for menor que a evapotranspiração potencial. O cálculo do BHC é uma importante ferramenta para o planejamento agrícola e pode ser aplicado para comparar o clima de diferentes regiões e para caracterizar os períodos secos e úmidos. Essas informações são muito importantes para se tomar decisões que vão permitir saber a disponibilidade hídrica do solo, a deficiência e quais são os excedentes hídricos de períodos específicos, identificando assim o comportamento dessas variáveis (PEREIRA et al., 2002). O balanço entre a quantidade de água que entra e a quantidade de água que sai do volume de controle (solo) é representado pela variação do armazenamento de água no volume considerado (ΔARM), por intervalo de tempo Figura 1. Para facilitar a contabilização do balanço hídrico expressa-se o valor da chuva em milímetro, ou seja, em litro de água por metro quadrado de superfície, adotando-se assim uma área superficial de 1 m 2 para o volume de controle. Sendo assim, o volume de controle transforma-se apenas em uma função da profundidade do sistema radicular das plantas. O volume de controle representa toda área estudada, e se tratando do BHC, esta área será aquela representada pelo ponto de medida, tendo como principal elemento a chuva.

23 21 O BHC de uma área vegetada pode ser representado pela (Figura 1). Figura 1: Representação esquemática dos fluxos do balanço hídrico. Fonte: PEREIRA et al, 2007 As variáveis presentes na figura representam respectivamente: Entradas: P = Precipitação I = Irrigação O = Orvalho Ri = Escoamento superficial (Run in) DLi = Drenagem lateral AC = Ascensão Capilar. Saídas: ET = Evapotranspiração Ro = Escoamento superficial (Run off) DLo = Drenagem lateral; DP = Drenagem profunda.

24 22 Obtêm-se a variação de água armazenada no solo através do equacionamento das entradas e saídas de água do sistema, representado pela equação (2.1): ± ARM = P + I + O + Ri + DLi + AC ET Ro DLo DP (2.1) Os valores de precipitação e orvalho irão depender do clima da região analisada, já as outras entradas dependerão do relevo da região e do tipo de solo. A irrigação é utilizada para conservar o armazenamento de água no solo em nível adequado as necessidades das plantas, agregando os efeitos do clima, do solo, e do tipo de planta (KEHRLE, 2011). A contribuição do orvalho é importante apenas no aspecto ecológico, contribuindo com no máximo 0,5 mm/dia, onde 1 mm equivale a 1 litro/m 2, pois em regiões ou épocas secas o suprimento de água para a cultura acaba proporcionando uma contribuição desprezível (PEREIRA et al., 2007). Se a superfície externa do volume de controle não for grande, a quantidade de água que entra e que sai no escoamento superficial e na drenagem lateral irão se compensar. A entrada e saída de água pela área inferior do volume de controle são representadas respectivamente pela ascensão capilar e pela drenagem profunda. As entradas de água através da ascensão capilar são muito pequenas e ocorrem somente em locais com lençol freático superficial e em períodos muito secos, tornando a contribuição desta variável muito pequena, sendo esta desprezível, já a drenagem profunda representa o excesso de água que penetrou no volume através da irrigação ou da chuva. Portanto, quanto maior for a profundidade do volume de controle, maior será a ascensão capilar e menor será a drenagem profunda. Os seguintes fluxos horizontais de água para áreas homogêneas Ri, Ro, DLi e DLo, irão se compensar, conseqüentemente, anulando-se. A principal saída de água do sistema é a evapotranspiração, principalmente nos períodos secos, ao mesmo tempo em que a drenagem profunda representa outra forma de saída de água do volume de controle do solo em períodos de chuva excessiva (PEREIRA et al., 2007). Desta forma, o balanço hídrico do volume de controle será representado pela equação (2.2): ± ARM = P + I ET + AC DP (2.2)

25 2.3. ELABORAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO CLIMATOLÓGICO POR THORNTHWAITE & MATHER 23 O BHC elaborado por Thornthwaite & Mather (1955) tem como finalidade calcular a variação do armazenamento de água no solo, tendo a irrigação como desprezível (I = 0). De forma a facilitar o calculo do BHC considera-se também desprezível a ascensão capilar (AC = 0), assim é possível determinar a variação do armazenamento, também chamada de alteração do armazenamento (ALT), a evapotranspiração real (ETR), e a drenagem profunda, sendo neste procedimento denominada de excedente hídrico (EXC), resultando na equação (2.3): ± ALT = P ETR EXC (2.3) A contabilização da ETP, da ETR, da ALT e do EXC vai possibilitar o cálculo do déficit hídrico (DEF) da região através da equação (2.4): DEF = ETP ETR (2.4) Determina-se o volume de controle através do conjunto solo - planta - clima. Assim, quando houver uma região de solo profundo provavelmente a demanda atmosférica será alta, fazendo com que as raízes destas plantas se aprofundem com intuito de procurar água para suprir. Em conseqüência disto, as plantas investem na formação de um sistema radicular para garantirem sua sobrevivência. Entretanto, se houver uma demanda atmosférica baixa, um solo de volume menor irá atendê-la de forma satisfatória. As raízes não precisam se aprofundar tanto em solos argilosos, pois estes têm uma grande capacidade de reter água, já em solos arenosos há esta necessidade, visto que estes retêm uma quantidade menor de água. O crescimento do sistema radicular irá proporcionar uma compensação natural que manterá determinada quantidade de água disponível as plantas. Determinados solos possuem uma camada tão densa que são capazes de impedir tanto a drenagem profunda como a penetração das raízes, fazendo assim com que em períodos chuvosos o solo fique encharcado, sufocando assim as raízes mais profundas, minimizando a disponibilidade do volume efetivo de solo. Neste cenário as plantas tornam-se incapazes de suprir as necessidades de uma demanda elevada por períodos extensos, limitando esta capacidade. Quando o terreno for inclinado à drenagem lateral irá minimizar o problema eliminado o excesso de água. Em períodos de seca, o pequeno volume de água disponível no

26 24 solo não será capaz de atender as necessidades das plantas, acarretando um estresse em conseqüência da deficiência hídrica. Desta forma, solos com impedimento físico são ruins tanto em períodos de seca como em períodos chuvosos. A seguir serão descritos os passos para a elaboração de um BHC (SENTELHAS et al., 2009): a) Estimativa da Evapotranspiração Potencial Primeiramente é calcula - se a evapotranspiração potencial mensal. A ETP vai representar a perda potencial de água de uma extensa superfície vegetada com grama, em crescimento ativo e sem falta de água. O cálculo de ETP desenvolvido por Thornthwaite & Mather foi obtido através equação (2.5) (FERNANDES & FOSTER, 2005): Em que: (2.5) ETP Evapotranspiração Potencial; ƒ Fator de ajuste em função da latitude e mês do ano; t Temperatura media mensal, em C; i Índice de calor anual. O índice de calor anual é calculado através da equação (2.6): (2.6) O valor de a é dado pela função cúbica do índice anual (2.7): a = 0, , i 7, i i 3 (2.7)

27 25 De acordo com Fernandes & Foster (2005) os valores resultantes da fórmula de Thornthwaite & Mather são calculados para meses de 30 dias com 12 horas de luz solar diária. O número de horas de luz por dia muda com a latitude, e existem meses com 28 e 31 dias, sendo assim, é preciso fazer determinadas correções através de um fator de correção (ƒ) representado pela equação (2.8): (2.8) Em que: ƒ - Fator de correção h Número de horas de luz solar na latitude considerada; n Número de dias do mês em estudo. b) Obtenção de dados de precipitação (P) Esses dados devem ser obtidos junto a publicações que forneçam as normais climatológicas da região, entre outras fontes de dados confiáveis. c) Calcular (P-ETP), mantendo-se os sinais positivos (+) e negativos (-) O resultado positivo é indicador de excesso de chuva, e o resultado negativo indica perda potencial de água nos meses secos em que o solo apresentar armazenamento restrito de água. Normalmente quando se utiliza os valores normais do local, obtém-se um conjunto de valores positivos seguido por um conjunto de valores negativos de P ETP; porém, isto varia de acordo com o clima da região, podendo aparecer somente valores ou positivos ou negativos (PEREIRA et al., 2007). d) Determinação do negativo acumulado (NAc) e do armazenamento (Arm). É necessário o preenchimento dos valores de NAc e ARM simultaneamente, o primeiro mês que apresentar o valor de (P-ETP) < 0, depois de uma seqüência de valores

28 26 positivos de (P-ETP), marca o início da estação seca. O valor de ARM para se iniciar o BHC, será o do último mês (período) da estação úmida com (P-ETP) 0. A definição do ARM no último período da estação úmida deverá seguir as condições a seguir: Se (P-ETP) < 0 1 Calcula-se o NAc, ou seja os valores de (P-ETP) negativos; 2 Calcula-se ARM = CAD e -(NAc/CAD) Se (P-ETP) 0 1 Calcula-se o ARM [ARM = ARM anterior + (P-ETP)] 2 Calcula-se o NAc [NAc = CAD* Ln (ARM/CAD)] e) Cálculo da Alteração (ALT = ARM) ALT = ARM ARM anterior (ALT > 0, reposição de água no solo; ALT < 0, retirada de água do solo). f) Determinação da Evapotranspiração Real ETR = ETP; se (P-ETP) 0 ETR = P + ALT ; se (P-ETP) < 0 g) Determinação da Deficiência hídrica, o quanto o sistema solo-planta deixou de evapotranspirar. DEF = ETP - ETR

29 27 h) Determinação do excedente hídrico, quantidade de água que sobra no período chuvoso e se perde do volume de controle por percolação (drenagem profunda) e/ou escoamento superficial: EXC = 0; se ARM < CAD EXC = (P-ETP) ALT; se ARM = CAD Determinação da Capacidade da Água Disponível no Solo (CAD) Para começar a elaborar o BHC é necessário primeiramente definir o valor da capacidade de água disponível no solo (CAD), que é a lâmina de água correspondente ao intervalo de umidade do solo entre a capacidade de campo (CC%) e o ponto de murcha permanente (PMP%), ou seja, o valor máximo de água disponível que um solo pode reter, que depende de umidade da capacidade de campo (θcc), umidade do ponto de murcha permanente (θpmp), massa específica do solo (dg) e da profundidade efetiva do sistema radicular (Zr), onde se concentram cerca de 80% das raízes (figura 2) (SENTELHAS, 2009). De acordo com T & M (1955), o balanço hídrico é usado para caracterizar a disponibilidade hídrica de uma região, através de dados comparativos e climatológicos, seleciona-se a CAD levando-se em conta mais o tipo de cultura existente na região do que o tipo de solo. Por exemplo, ao comparar um solo argiloso com um arenoso, se no solo arenoso o valor de (CC% - PMP%) for menor, e a profundidade efetiva do sistema radicular (Z) para uma cultura for maior, haverá uma compensação, tornando a CAD aproximadamente igual para os dois tipos de solo. Desta forma, o valor da CAD será independente do tipo de solo. Figura 2: Representação esquemática da CAD Fonte: SENTELHAS et al., 2009.

30 Pode-se determinar a CAD de diferentes formas de acordo com a característica da região em estudo, a seguir algumas formas: 28 a) A partir das características físico-hídricas do solo equação (2.9) CAD = [(CC% PMP%)/100] * dg * Zr (2.9) CC% = Umidade da capacidade de campo, em % PMP% = Umidade do ponto de murcha, em % dg = Massa específica do solo Zr = Profundidade específica do sistema radicular, em mm b) A partir das características gerais do solo equação (2.10) (DOORENBOS & KASSAM, 1994) CAD = CAD média * Zr (2.10) CAD média = Capacidade de água disponível média, em mm de água / cm de profundidade de solo Zr = Profundidade específica do sistema radicular, em cm CAD média p/ solos argilosos = 2,0 mm/cm CAD média p/ solos de text. Média = 1,4 mm/cm CAD média p/ solos arenosos = 0,6 mm/cm c) A partir das características gerais da cultura equação (2.11) CAD = CAD média * Zr (2.11) CAD média = 1,3 mm/cm Zr = Tabela 1

31 TABELA 1 - Valores médios da profundidade efetiva dos sistemas radiculares (Zr) das principais culturas do Estado de São Paulo 29 Fonte: Adaptado de Alfonsi et al. (1990) Antes de começar a calcular o BHC é necessário compreender como o modelo desenvolvido por T & M (1955) irá considerar a retirada e a reposição de água no solo. Será utilizado uma função exponencial para a retirada de água do solo (ver Figura 3), já a reposição é direta, soma-se ao armazenamento de água do solo o saldo positivo do balanço entre P e ETP [(P ETP)]. Figura 3: Representação da função exponencial para a retirada de água do solo Fonte: SENTELHAS et al., 2009)

32 Evapotranspiração Real (ETR) A evapotranspiração real é representada pela quantidade de água utilizada por uma extensa superfície vegetada de qualquer cultura, em qualquer condição de crescimento que esteja ocorrendo no campo, condições reais (ALLEN et al e KEHRLE, 2011). a) Quando não houver restrição hídrica, ETR = ETP; portanto (2.12): ETR ETP. (2.12) b) Quando houver restrição hídrica: 1º) A partir do primeiro mês em que ocorrer água potencial perdida, isto é, em que P ETP<0, tem-se (2.13): ETR = P+ Δ ARM (2.13) 2º) A partir do mês em que se reinicia a reposição da água no solo (P ETP<0) tem-se (2.14): ETR = ETP (2.14) Excedente Hídrico (EXC) O excedente hídrico é o excesso de precipitação não absorvido pelo solo, em conseqüência de sua capacidade de armazenamento ter sido completamente atingida. Pode se falar em excesso, quando a quantidade armazenada atingir a capacidade de água disponível, sendo representado pela equação (2.15) (KEHRLE, 2011): EXC = (P ETP) (ΔARM) + DEF (2.15)

33 Deficiência Hídrica (DEF) A deficiência hídrica retratada no BHC é aquela em que não ocorre a evapotranspiração potencial, por falta de umidade do solo, sendo representada pela equação (2.16) (KEHRLE, 2011): DEF = ETP ETR (2.16) Há uma grande variedade de modelos que determinam o balanço hídrico. O modelo de T & M (1955) é o mais utilizado para finalidades agroclimáticas, o que consiste em comparar os valores das variáveis de precipitação e evapotranspiração, levando-se em consideração a capacidade de armazenamento de água no solo (KEHRLE, 2011). Esse modelo desenvolvido por T & M (1955) para determinação do balanço hídrico, leva em consideração a resistência às perdas de água para a atmosfera que o solo oferece, esta resistência aumenta com a diminuição da quantidade de água armazenada no solo (KEHRLE, 2011). Além disso, o modelo leva em consideração os períodos em que há um saldo positivo entre a evapotranspiração potencial e a precipitação, onde o mesmo será incorporado ao solo para reabastecê-lo. Quando o solo atingir sua capacidade total de armazenamento, este saldo passará a ser considerado excesso (escoamento e drenagem profunda). O balanço de água possui como variáveis de entrada, a precipitação e a evapotranspiração potencial, e tem como variáveis de saída a variação do armazenamento de água no solo, a evapotranspiração real, o armazenamento de água no solo, negativo acumulado, o excesso e a deficiência hídrica (KEHRLE, 2011). Para Aguilar et al. (1986) os resultados obtidos no calculo do BHC podem ser de grande valia no processo de zoneamento agroclimático de uma região, tanto para o conhecimento do regime hídrico da região, como para traçar as prioridades no planejamento de pesquisas e para calcular a demanda de água das culturas irrigadas PRECIPITAÇÃO A principal forma pela qual a água retorna da atmosfera para a superfície terrestre é através da precipitação, após os processos de evaporação e condensação (PEREIRA, 2007). De acordo com Tucci (1993), a precipitação é a principal forma de entrada de água no sistema de uma bacia hidrográfica, a partir dela, outras variáveis como escoamento superficial e

34 32 infiltração são obtidas. Assim, a precipitação é definida como a água resultante do vapor d água da atmosfera, que é depositada na superfície da terra sob qualquer forma, como chuva, granizo, orvalho, neblina, neve ou geada. É comum tratar a precipitação apenas como chuva, pois esta é mais fácil de medir. Por ser incomum a ocorrência de neve em nosso continente e por haver pouca contribuição para a vazão dos rios por parte dos outros tipos de precipitação estes não são comumente utilizados. A quantidade e a distribuição de chuvas que ocorrem durante o ano em uma determinada região, vão determinar o tipo de vegetação e o tipo de exploração possível, a partir daí é possível quantificar a necessidade de irrigação e abastecimento de água (TUCCI, 1993) EVAPOTRANSPIRAÇÃO (ET) O termo evapotranspiração foi utilizado por Thornthwaite para demonstrar a ocorrência simultânea dos processos de evaporação e transpiração. Este processo transforma a água do estado líquido para o gasoso, sendo responsável pela devolução da mesma a atmosfera. A ET vai depender na energia disponível no sistema, do abastecimento de água existente no solo, da deficiência de pressão de vapor e da capacidade do sistema de transportar o vapor de água através da turbulência gerada pelo vento. A evaporação é um processo físico onde a água passa da fase líquida para a gasosa, como em oceanos, lagos, rios, solo, e na vegetação úmida (solo e plantas) (TUCCI, 1993; PEREIRA et al. 2007). A taxa de evaporação é controlada pela energia disponível na superfície em que ocorre o processo, pela forma como o vapor de água se distribui na atmosfera e pela área exposta (SHUTTLEWORTH, 1993; ALLEN et al., 1998). Já a transpiração trata da evaporação da água dada pelos estômatos existentes nas folhas em forma de vapor para a atmosfera, depois de ter sido absorvido pelas raízes das plantas e transportado para as folhas, na fase líquida (PEREIRA, 2007). De acordo com Raudkivi (1979) a função da evapotranspiração no ciclo hidrológico é de grande valia, fazendo com que seja responsável pelo regresso a atmosfera de aproximadamente 70% da precipitação da superfície terrestre, tornando-a importante em projetos de recursos hídricos e estudos de balanço hídrico. Os resultados obtidos neste processo podem ser utilizados para solucionar problema de manejo de água. Faz-se necessário a obtenção de dados confiáveis de evapotranspiração para a realização do planejamento de

35 33 áreas agrícolas irrigadas, para a previsão de cheias e para a construção de reservatórios (MORAES, 2007). A taxa de evapotranspiração será controlada pelos fatores biológicos da planta, pela disponibilidade hídrica da região, pelas condições atmosféricas e pela energia que estiver disponível no local (PEREIRA, 2007). A evapotranspiração é um processo físico que está diretamente ligada à disponibilidade de energia na superfície, tendo como principais fontes de energia para atender a demanda da ET a radiação solar e a umidade do solo (OMETTO, 1981). Segundo Camargo (2000), os valores de radiação vão depender da época do ano em que o estudo está sendo realizado, da topografia da região escolhida e do local (latitude). A evapotranspiração e a energia solar, no decorrer do ano são mais elevadas nos trópicos do que em climas temperados, e mais elevadas no verão que no inverno (CAMARGO, 2000). Para se alcançar uma avaliação adequada e confiável do BHC, é necessário conhecer e introduzir o conhecimento dos diferentes conceitos de ET (VIANELLO & ALVES, 1991 e PEREIRA et al., 2007): a) Evapotranspiração Potencial (ETP) É um processo que foi introduzido por Thornthwaite, em que há uma perda máxima de água para a atmosfera, através da sincronia entre os processos de transpiração e evaporação, que ocorre em área com extensa superfície natural, totalmente coberta por vegetação baixa, de altura uniforme e com elevado índice de área foliar (IAF), de crescimento ativo na fase adulta, cultura em ótimas condições de campo e que não tenha restrição hídrica (ALLEN et al., 1998 e TOMASELLA et al., 2005). De acordo com Tomasella et al. (2005), as superfícies tidas como padrão são as gramadas, por estas serem utilizadas em postos meteorológicos onde a vegetação deve ter altura uniforme e baixa. Desta forma, a ETP é um processo oposto ao da chuva (Thornthwaite, 1948), que é expresso na mesma unidade de medida (mm). O BHC vai ser representado pela comparação entre a evapotranspiração e a chuva, o que vai mostrar o excesso e a deficiência de umidade no decorrer do ano (PEREIRA et al., 2007). Em termos conceituais a ETP é limitada pelas condições do ambiente local, sendo estimada por fórmulas teórico-empíricas desenvolvidas e testadas de acordo com as várias condições climáticas da região estudada (PEREIRA et al., 2007). É importante dizer, que os conceitos de ETP e ETR se aplicam para qualquer tipo de superfície (PEREIRA et al., 2007).

36 34 b) Evapotranspiração Real (ETR) A ETR representa a quantidade de água utilizada por uma superfície vegetada, com uma cultura nas condições de campo e pode apresentar ou não restrição hídrica. Quando não há restrição hídrica, a evapotranspiração real pode ser igual à evapotranspiração potencial (ALLEN et al., 1998; TUCCI, 1993 e SENTELHAS et al., 2009). Sendo assim, a evapotranspiração real ocorre em qualquer circunstância, sem a necessidade de qualquer condição de contorno, independente de sua área, de seu porte e das condições de umidade do solo (TOMASELLA & ROSSATO, 2005). c) Evapotranspiração de Referência (ETo) Define-se evapotranspiração de referência como sendo a evapotranspiração de uma área coberta completamente por grama com altura de 0,08 a 0,15 m, em crescimento ativo, bem adaptada as condições locais e sem restrição hídrica (ALLEN et al., 1998; DOORENBOS et al., 1977). Quando se quer obter a evapotranspiração de uma cultura, a ETo coincide com a ETP. Por exemplo, comparando-se uma cobertura de solo com grama e uma cobertura de solo com alfafa, obtém-se um valor que pode diferir em função da rugosidade das duas superfícies, se as áreas cultivadas forem suficientemente extensas e em função do albedo (ROSSATO, 2002). d) Evapotranspiração de Cultura (ETc) Define-se ETc como a quantidade de água que uma cultura utiliza, desde o plantio até a colheita, ou seja, em qualquer fase de seu desenvolvimento. Neste processo, não há restrição hídrica, fazendo com que a ETc seja chamada de evapotranspiração máxima de cultura. A ETc é calculada em função da área foliar (superfície transpirante), assim quanto maior a área foliar maior será a ETc para a mesma demanda atmosférica (PEREIRA et al., 2007). É muito importante conhecer a ETc para projetos de irrigação, pois a mesma define a quantidade de reposição de água no solo para manter o crescimento e a produção da cultura (ROSSATO, 2002).

37 Fatores que influenciam na evapotranspiração De acordo com Shuttleworth (1993), o homem desde o início da civilização notou que havia uma relação direta entre as condições do meio ambiente e uma superfície molhada. Percebeu-se que em dias de sol, com ar seco, uma superfície molhada secava rapidamente, o que hoje em dia é visto de forma mais cientifica, através de alguns fatores apresentados a seguir Fatores climáticos a) Radiação Liquida (Rn) É a principal fonte de energia fundamental para atender a demanda da evapotranspiração, esta vai depender da radiação solar incidente e do albedo da vegetação. Que considera varias características como a rugosidade da superfície, a cor, entre outras. Por exemplo, quanto mais escura for à vegetação, mais radiação solar irá absorver, obtendo desta forma, mais energia para os processos evaporativos (SHUTTLEWORTH,1993). b) Temperatura Durante o dia inteiro, o aumento da temperatura do ar irá provocar o aumento do déficit de saturação, que vai aumentar a demanda evaporativa do ar. Se não houver advecção de umidade (acréscimo de UR) (SHUTTLEWORTH,1993). c) Umidade Relativa do Ar (UR) Quanto maior for à umidade relativa do ar, menor será a demanda de evaporação, tornando assim, menor a evaporação. Conclui-se então, que a UR trabalha em sincronia com a temperatura (SHUTTLEWORTH,1993).

38 36 d) Vento (Advecção Regional de Energia) Trata-se do transporte horizontal de energia de uma área seca para outra úmida, este tipo de energia é utilizado no processo de ET. O vento também remove o vapor de água do ar que circunda as plantas para outras regiões. A combinação de temperatura, umidade relativa, e velocidade do vento, representa a demanda atmosférica por vapor de água (SHUTTLEWORTH,1993) Fatores da planta a) Espécie Este fator está ligado à morfologia das plantas (número, tamanho, e distribuição de estômatos, etc.), a resistência interna que a planta apresenta ao transporte de água, e a arquitetura foliar da mesma (distribuição espacial da folhagem). Todos estes fatores influenciam diretamente a ET (SHUTTLEWORTH,1993). b) Coeficiente de reflexão (albedo) A reflexão vai influenciar na quantidade de radiação líquida disponível para o processo de evapotranspiração. Quanto mais escura for à vegetação da área estudada, maior será a Rn e menor será a reflexão dos raios solares incidentes (SHUTTLEWORTH,1993). c) Índice de área foliar Representa o tamanho da superfície foliar transpirante, assim, quanto maior for à área foliar, maior será a superfície transpirante, e maior será o uso de água (SHUTTLEWORTH,1993). d) Altura da planta Plantas mais alta e mais rugosa extraem mais energia do ar, pois interagem com mais eficiência com a atmosfera em movimento, o que vai gerar um aumento da ET. Quanto maior o porte da vegetação, mais turbulência causa (SHUTTLEWORTH,1993).

39 37 e) Profundidade do sistema radicular Refere-se ao volume de solo explorado pela raiz. O sistema radicular superficial deixa a cultura mais exposta em períodos de estiagem, pois explora apenas um pequeno volume de solo (SHUTTLEWORTH,1993).

40 38 3. MATERIAL E MÉTODOS ÁREAS EM ESTUDO A área de estudo compreende áreas do bioma brasileiro Cerrado, segundo maior bioma da América do Sul, que ocupa uma área de aproximadamente 2 milhões de km2 (correspondente a ~22% do território nacional) e está localizado na porção central do Brasil. O Cerrado abrange os estados de Goiás, Distrito Federal, parte do estado de Minas, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Bahia, Tocantins, Maranhão, Piauí, Pará e São Paulo, contribuindo para formação de importantes bacias hidrográficas, tais como as dos Rios São Francisco, Amazônia, Atlântico Norte-Nordeste, do Tocantins, Atlântico Leste e Paraná- Paraguai. Este estudo analisou somente as 20 células do CCM3-IBIS nas quais está contido o Cerrado Brasileiro no mapa de vegetação potencial utilizado pelo IBIS (Figura 4), cuja dimensão é de cerca de 2,8º x 2,8º. As regiões do Cerrado analisadas possuem dois tipos de clima uma parte é semiárida e a outra é equatorial.

41 39 Figura 4: Região do Cerrado com a representação da grade do CCM3-IBIS composta por 20 células consideradas neste estudo Fonte: Autor 3.2. DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO Para elaboração deste estudo foi utilizado o modelo atmosférico CCM3 (Community Climate Model) acoplado ao modelo de biosfera IBIS (Integrated Biosphere Simulator) com uma resolução espectral horizontal com 42 Truncamentos Triangulares T42 (~2,8º x 2,8º), 18 níveis na vertical. A mesma configuração foi usada por Bonan et al. (2002), que estudaram a climatologia da superfície da Terra utilizando três modelos e superfície acoplados ao CCM3. A vegetação foi considerada no modo dinâmico (se ocorrer uma mudança climática a vegetação pode ser alterada) e a TSM (temperatura de superfície do mar) fixa (média da década de 90). Foram efetuadas duas simulações para um período de 50 anos, avaliando assim as condições climáticas atuais e um cenário climático futuro, onde uma foi a simulação controle da região considerando a concentração atmosférica de CO2 constante em 396,48 ppm (valor médio aproximado do ano de 2013) e a outra foi a simulação com CO2 elevado em 671,16 ppm (IPCC, 2015), que é o valor médio do período de 2000 a 2050 do cenário A2 do

42 40 IPCC. O cenário A2 é pessimista e possui alta emissão de CO 2, descreve um mundo heterogêneo com ênfase no desenvolvimento econômico. As mudanças tecnológicas e o crescimento econômico per capita são desiguais e lentos, o que aumenta a distância entre as regiões que hoje são industrializadas daquelas que estão em desenvolvimento, há elevado crescimento da população, e menos preocupação com o rápido desenvolvimento econômico (IPCC, 2007). Antes de iniciar a simulação foram modificados apenas os dados de emissões de CO2 na atmosfera, o período, e a tabela dos parâmetros referentes à vegetação do Cerrado. Para cada uma das simulações realizadas no CCM3-IBIS foram obtidos os valores das variáveis de precipitação, evapotranspiração e temperatura de cada uma das células da região do Cerrado mês a mês, em seguida foi feita a média de todos de todos os anos em cada mês e depois foi feita uma média dos resultados obtidos de todas as células por mês. Os dados obtidos no modelo foram todos tratados para serem utilizados de forma realística na planilha elaborada por Rolim para obter os valores do Balanço Hídrico Climatológico. Para a obtenção dos resultados apresentados neste trabalho foi utilizado o NCAR Command Language NCL, uma linguagem de programação criada pelo NCAR National Center for Atmospheric Research especificamente para a análise e visualização de dados científicos. O Balanço Hídrico Climatológico (BHC) foi calculado em planilha do EXCEL elaborada por Rolim et al. (1998), a partir do método de Thorthwaite e Mather (1955), para uma capacidade de água disponível (CAD) de 100 mm. Para determinar o BHC do Cerrado, foram utilizados os dados obtidos no CCM3-IBIS de precipitação (P) e evapotranspiração (ETP). Foi feita também a comparação dos dados de temperatura, precipitação, evapotranspiração real e evapotranspiração potencial, comparando-se o comportamento destes dados tanto na simulação controle como na simulação com CO 2 elevado DESCRIÇÃO DO MODELO Utilizou-se o modelo atmosférico CCM3 (Community Climate Model) acoplado ao modelo de biosfera IBIS (Integrated Biosphere Simulator). Este acoplamento é síncrono e faz a integração da dinâmica de longo prazo da vegetação com os processos de curto prazo. As trocas de energia, a disponibilidade hídrica, a produtividade e a geografia dos ecossistemas terrestres são determinadas pelo clima. Essa mesma variável é

43 41 alterada pelas trocas de energia, água, momentum, CO2, aerossóis e gases traço com a atmosfera, influenciadas pelos tipos de planta, biomassa e índice de área foliar. O CCM3 foi um modelo desenvolvido em 1996, pela Divisão de Clima e Dinâmica Global do NCAR (National Center for Atmospheric Research) (KIEHL et al., 1996). A sua versão original vem dos modelos CCM0A (Washington, 1982) e do CCM0B (williamson et al., 1983) apresentando mudanças na maioria dos parâmetros dinâmicos e físicos. As propriedades dinâmicas são expressas em termos de vorticidade, divergência, temperatura, umidade específica e logaritmo de pressão da superfície. A parametrização convectiva do CCM3 baseia-se em equações simplificadas de energia estática úmida que vai incluir o fluxo de massa convectivo, um parâmetro de penetração beta (varia de 0 a 1) que regula a perturbação de umidade fornecida pela parametrização da camada limite planetária, a temperatura e a saída de água liquida. A umidade relativa determina a formação de nuvens, a taxa de precipitação convectiva, a estabilidade atmosférica e a velocidade vertical (Kiehl et al. 1996). O fluxograma modular do CCM3, que está representado na (Figura 5), foi desenvolvido em 1996 e trata-se da quarta geração dos modelos CCM s. Para uma descrição completa do modelo, e uma validação do ciclo de carbono global, ver Kiehl et al. (1996 e 1998). O CCM3 trata o aumento de CO2 de forma global, ele possui uma função que vem crescendo ao longo do tempo, onde se pega a função do modelo que tem um pico e aumentase este pico, ou seja, o CCM3 possui os inventários das concentrações médias do CO2 de diversas regiões do mundo, então ele dobra os valores da concentração que já existiam em cada um destes lugares.

44 42 Figura 5: Esquema do modelo de circulação geral da atmosfera CCM3 Fonte: Adaptado de KUBOTA, 2012 O IBIS está incluso na nova geração de modelos de biosfera global e considera as alterações ocorridas na composição e estrutura da vegetação respondendo desta forma as diversas condições ambientais (SENNA et al., 2009), ele integra muitos processos, incluindo assim as interações que ocorrem entre a superfície da terra e a atmosfera, que incorpora os efeitos fisiológicos do dossel ( fotossíntese, condutância estomática e respiração), ciclo de carbono e nutrientes (produtividade primaria liquida, respiração do solo e decomposição), a dinâmica da vegetação (índice de área foliar e biomassa para 12 tipos funcionais de plantas) e fenologia (aparecimento e crescimento das folhas) a superfície e atmosfera (FOLEY et al., 1996; KUCHARIK et al., 2000). Este processo opera em diferentes intervalos de integração, com variações de 60 minutos a 1 ano e possuem organização hierárquica ( Figura 6 ), possibilitando o acoplamento de processos ecológicos, biofísicos e fisiológicos que acontecem em escalas de tempo diferentes (KUCHARIK et al., 2000). Para uma descrição completa do modelo, e uma validação do ciclo de carbono global, ver Delire et al. (2003).

45 43 Figura 6: Esquema do modelo dinâmico de vegetação global IBIS Fonte: Adaptado de Kucharik et al. (2000) O modelo acoplado CCM3-IBIS realiza a simulação das interações biofísicas que ocorrem entre a superfície e a atmosfera através das trocas de energia, água, carbono e momentum, que acontecem em curto prazo. E em seguida, simulam as retroalimentações que acontecem entre o ecossistema e o clima, gerando mudanças na cobertura vegetal e nos reservatórios de carbono, que ocorrem em longo prazo. Segundo Senna et al. (2009), este modelo simula claramente o clima médio (dentro de uma faixa de erro de 7%). A seguir será descrito o cálculo de ETP do modelo IBIS, tendo como base as revisões de Foley et al. 1996, Kucharik et al e Cunha O IBIS simula as trocas de energia, de água e momentum entre a superfície continental e a atmosfera. O modelo considera a fisiologia do dossel (fotossíntese e condutância do dossel); fenologia da vegetação (produção de folhas e senescência ou envelhecimento); vegetação dinâmica (distribuição, reciclagem e competição entre os tipos funcionais de plantas) e o balanço de carbono terrestre (produção primária líquida, reciclagem do tecido vegetal, carbono no solo e decomposição da matéria orgânica). O modelo calcula em cada célula de grade duas camadas de vegetação: árvores e gramíneas e arbustos. Este considera seis camadas de solo para simular a temperatura e o

46 44 conteúdo de água existente no solo. A cobertura da vegetação é representada pelo IBIS como um conjunto de Tipos Funcionais de Planta (TFP), em que cada tipo é caracterizado em termos de biomassa (carbono nas folhas, troncos e raízes finas) e Índice de Área Foliar (IAF). Os TFP se diferem com relação à forma (árvores ou gramíneas ou arbustos), comportamento das folhas (perenifólias ou caducifólias), forma das folhas (folhas largas ou aciculadas) e fisiologia (C3 ou C4). Neste modelo um ponto de grade pode conter um ou mais TFP que, juntos, abrangem um tipo de vegetação (FOLEY et al., 1996). O modelo IBIS utiliza uma formulação multi-camadas do solo para simular as variações diurnas e sazonais de calor e umidade do solo. Em cada passo de tempo de uma hora, cada camada é descrita em termos da temperatura do solo, volume de água no solo e conteúdo de gelo. O módulo de física de solo utiliza as equações de Richards (3.1) (RICHARDS, 1931) para calcular a taxa temporal de trocas de umidade no solo: (3.1) Em que: ϴ - Conteúdo volumétrico de água [L 3 L -3 ]; D (ϴ) - Difusividade de umidade [L 2 T -1 ]; K - Condutividade hidráulica do solo [L T -1 ]; t - Tempo; z - Profundidade abaixo da superfície do solo; h - Pressão da coluna [L]; S - Taxa de água absorvida pelas raízes [L 3 L -3 T -1 ]. O fluxo vertical de água no solo é modelado de acordo com a lei de Darcy (3.2) (CAMPBELL & NORMAN, 1998): (3.2)

47 45 Em que: q - Densidade de fluxo; H - Potencial total da água no solo; Z - Distância entre os pontos considerados. A formulação do processo de transpiração (P) no IBIS é baseada em Pollard & Tompson (1995) equação (3.3): (3.3) Em que: ρ - Densidade do ar próximo à superfície f wet - Fração de área foliar úmida interceptada pela água ou neve. L - Temperatura da folha, C - Coeficiente de transferência de calor/vapor entre o dossel e o ar, q sat - Umidade específica de saturação à temperatura da folha, q - Umidade específica ambiente no dossel, r - Resistência estomática por unidade de área foliar, que é função da radiação fotossinteticamente ativa (PAR), temperatura, déficit de pressão de vapor e conteúdo de água disponível no solo. A evapotranspiração total da superfície é tratada como a soma dos três fluxos de vapor de água: evaporação da superfície do solo seco e úmido, evaporação da água interceptada pelo dossel da vegetação, e a transpiração do dossel (POLLARD & THOMPSON, 1995; CAMPBELL & NORMAN, 1998; TWINE, 2004; SOYLU et al., 2011). Os resultados gerados de ambas as simulações foram analisados separadamente e comparados, estabelecendo assim, relações que explicaram como as mudanças climáticas afetam o balanço hídrico do Cerrado.

48 46 Antes de iniciar a simulação foram modificados alguns parâmetros no modelo IBIS (Tabela 5), referentes ao Cerrado, obtidos por Cunha (2013) após a calibração do IBIS para a região do Cerrado. A descrição de cada parâmetro encontra-se na (tabela 2). As interações que ocorrem entre a superfície e a atmosfera são modeladas utilizando a componente superfície dos modelos climáticos, conhecidos como esquemas de transferência solo-vegetação-atmosfera (SVATS). Os SVATS são usados para simular os diferentes processos que ocorrem nos ecossistemas terrestres, e também são ferramentas importantes para a pesquisa em diversas escalas de tempo, que podem ir desde a previsão de tempo até longas simulações climáticas. A necessidade de melhor representar os processos biofísicos da superfície terrestre, fluxos de carbono terrestre e dinâmica da vegetação nos Modelos de Circulação Geral da Atmosfera (MCGA) e nos Modelos Regionais (MRs), principalmente para o estudo das mudanças climáticas, tem incentivado o desenvolvimento de sofisticadas parametrizações da superfície. O desenvolvimento destas parametrizações tende a adicionar complexidade nos modelos e, com isso, há a necessidade da especificação de um grande conjunto de parâmetros que descrevem as características morfológicas e biofísicas da superfície (DEMARTY et al., 2004). Por exemplo, o Integrated Biosphere Simulator IBIS (FOLEY et al., 1996), requer aproximadamente 76 parâmetros para serem especificados, sendo que 14 desses parâmetros são relacionados ao solo, 12 são específicos para cada tipo funcional de planta, e 50 outros parâmetros relacionados às características biofísicas e morfológicas da vegetação em geral. Alguns desses parâmetros podem ser medidos sendo obtidos por meio de experimentos de campo, mas, mesmo que estes dados estejam disponíveis, os mesmos não podem ser utilizados diretamente, em função da diferença entre as escalas do dado observado e da grade do modelo. Os parâmetros default do modelo são destinados para uma representação global geral da vegetação. Certas incertezas nos valores destes parâmetros podem gerar erros nas simulações dos balanços de água, de energia e de carbono, em conseqüência disto, estes parâmetros devem ser ajustados ou calibrados. Desde Sellers et al. (1989), diversas técnicas de otimização têm sido desenvolvidas com a finalidade de gerar um conjunto ótimo de parâmetros para modelos de superfície (ROCHA et al., 1996; FRANKS E BEVEN, 1997; GUPTA et al., 1999; HOUSER et al., 2001; XIA et al., 2002; LEPLASTRIER et al., 2002; DEMART et al., 2004; MCCABE et al., 2005; CORREIA et al., 2005; IMBUZEIRO, 2005; KAHAN et al., 2006; PAUWELS, 2008; CUNHA et al., 2008; VAREJÃO JUNIOR et al., 2009).

49 47 Outro estudo de calibração foi desenvolvido por Delire e Foley (1999), que efetuaram a calibração da versão 2.0 do modelo IBIS, para cinco sítios em diferentes regiões do globo. Estes sítios incluem soja, prado, pastagem e floresta tropical. Neste trabalho, foi utilizado o método de calibração hierárquica multiobjetiva desenvolvido por Varejão et al. (2011). A metodologia permite calibrar todos os processos simulados pelo modelo IBIS seguindo uma hierarquia temporal dos processos simulados (começando dos processos mais rápidos para os mais lentos). Geralmente, as variáveis são calibradas de acordo com a disponibilidade de dados observados que se tem para a área que se deseja estudar, ou seja, de acordo com a duração do experimento de campo. Para o presente estudo foram considerados a base de dados do sítio experimental em área de Cerrado. Desta forma, o objetivo da calibração em modelo de superfície é reduzir os erros das variáveis de saída do modelo por meio de comparação entre as simulações e os dados observados, para assim obter resultados confiáveis de um modelo de superfície atmosfera.

50 TABELA 2 - Parâmetros referentes à vegetação do Cerrado que foram modificados no modelo IBIS 48 Fonte: CUNHA, 2013

51 TABELA 3 - Definição dos parâmetros referentes à vegetação do Cerrado considerados no modelo IBIS 49 Fonte: CUNHA, 2013 Visto isto, foram gerados vários gráficos comparativos referentes às variáveis de temperatura, precipitação, evapotranspiração real e potencial, deficiência, excedente, retirada e reposição hídrica. Esses gráficos têm como objetivo mostrar de forma clara e objetiva a evolução destas variáveis em todas as situações descritas neste trabalho.

52 50 4. RESULTADO E DISCUSSÃO Neste capítulo serão discutidos os resultados obtidos em todos os experimentos descritos acima. A discussão é realizada baseada na análise de tabelas e figuras comparativas. As figuras a seguir apresentam os resultados de duas simulações entre os anos de 2000 a Nas figuras são apresentados dados das condições climáticas atuais (simulação controle) e um cenário climático futuro (simulação com CO2 elevado), tendo como variáveis a temperatura, precipitação, ETP, ETR, e os valores de retirada, reposição, excesso e deficiência hídrica. Nos gráficos de temperatura, precipitação, ETR e ETP, a cor vermelha é referente aos cenários mais pessimistas de CO2 e a cor azul apresenta a simulação controle. É importante salientar que neste estudo foi considerado apenas o efeito do aumento de concentração atmosférica de CO2, e outras modificações globais como desmatamento, queimadas, variações da temperatura da superfície do mar, dentre outras, também podem afetar o BHC do Cerrado e devem ser analisados com maior profundidade em estudos futuros. A Figura 7 representa a distribuição média mensal da temperatura no Cerrado. Verifica-se que a temperatura média anual na simulação controle é 25,4ºC, sendo outubro o mês com temperatura média mais elevada, 31,3ºC. Na simulação com CO2 elevado a média anual da temperatura é 25,6ºC, tendo também o mês de outubro com temperatura média mais elevada de 30,3ºC. Esta elevação de temperatura no mês de outubro ocorre em virtude da alta nebulosidade que ocorre nos meses mais chuvosos do verão que retêm mais calor, pois os raios que chegam até a terra estão muito quentes porque está muito próximo, pois no verão o sol está mais próximo a terra. Nessa troca a temperatura média fica muito alta porque os raios do sol aquecem tanto a água dos rios e oceanos que ela evapora e forma as nuvens, que prendem o ar quente entre elas e o solo. As nuvens possuem grande influência no clima, já que são responsáveis por refletir parte da radiação solar que atinge a Terra, o que influencia na redução da quantidade de energia solar por ela absorvida, e também atuam no sentido oposto, por minimizar a perda de energia do sistema ao evitar que parte da radiação de onda longa emitida pela superfície terrestre escape para o espaço. Já junho e julho são os meses em que são observadas as temperaturas mais baixas, com valores médios de 21,3ºC e 21,5ºC na simulação controle, respectivamente e valores médios de 22,5ºC e 22,8ºC na simulação com CO 2 elevado. Portanto, o acréscimo de concentração de CO2 na atmosfera aumentou a temperatura média anual em 0,2ºC e teve um efeito mais pronunciado nos meses de inverno. Esse aumento da temperatura do ar se deve ao fato da intensificação do efeito estufa gerado pelo aumento de

53 51 concentração atmosférica de CO 2. Em que o efeito estufa nada mais é que um fenômeno natural de aquecimento térmico da terra, devido a uma camada de gases de efeito estufa que a terra possui em que os raios do sol ao serem emitidos a terra têm dois destinos. Parte deles é absorvida e transformada em calor, mantendo o planeta quente, enquanto outra parte é refletida e direcionada ao espaço, como radiação infravermelha, em conseqüência da ação refletora dos gases de efeito estufa. De acordo com Lindenberg et al., (2011), o aquecimento global pode implicar em um aumento de até 4 C na temperatura local. Considerando que a radiação de ondas longas é bastante absorvida e posteriormente emitida pelas moléculas de vapor de água, essa radiação emitida pelo solo ficará retida na baixa atmosfera, aquecendo-a e favorecendo a elevação da temperatura. Figura 7: Gráfico da Distribuição Mensal Média da Temperatura no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050 Fonte: Autor A Figura 8 representa a distribuição média da precipitação total no Cerrado. Verificase que a precipitação total anual na simulação controle é de 1126,1 mm, sendo janeiro e dezembro os meses com precipitação total mais elevada, 239,2 mm e 240,4 mm, respectivamente. Na simulação com CO2 elevado o total anual da precipitação é 1244,7 mm, tendo também os meses de janeiro e dezembro com precipitação total mais elevada de 237,7

54 52 mm e 251,5 mm. Julho e Agosto são os meses em que são observados os valores de precipitação mais baixos, com totais de 6,4 mm e 6,2 mm, na simulação controle, respectivamente, e de 6,2 mm e 5,9 mm na simulação com CO2 elevado, respectivamente. No período chuvoso (outubro a março), há uma diferença mais pronunciada entre a precipitação da simulação controle e a da simulação com o CO2 elevado, onde chove mais nesta última simulação. No período seco (abril a setembro) a precipitação de ambas as simulações permanencem praticamente a mesma. Portanto, o acréscimo da concentração de CO2 na atmosfera intensifica o efeito estufa, aumentando a precipitação total anual em 118,6 mm, e esse aumento foi mais marcante durante a estação chuvosa. Esse aumento de precipitação total anual se deve ao acréscimo de temperatura média anual do ar, que faz com que mais água evapotranspire, aumentando assim a quantidade de vapor d água na atmosfera disponível para os processos de condensação e precipitação. O vapor de água e o efeito estufa são feedbacks positivos, onde uma elevação na temperatura superficial na ausência de outras modificações ocasionará uma maior evaporação e posterior acumulo de vapor de água na atmosfera. O acontecimento das mudanças climáticas pode provocar impactos no regime de precipitações, referentes tanto à sua quantidade como à sua distribuição, alterando a variabilidade e a disponibilidade na qualidade e quantidade de água para o uso (IPCC, 2007; MARENGO, 2008). A elevação da temperatura também pode aumenta a capacidade do ar em reter vapor d água, e conseqüentemente, poderá haver maior demanda hídrica. As alterações do balanço hídrico nas regiões agrícolas podem provocar uma reorganização das áreas e dos períodos de cultivo pelas diferentes culturas, alterando seu zoneamento agrícola, conforme já estudado por diversos autores (FARIAS et al., 2001; ASSAD et al., 2004; ASSAD et al., 2008). É importante conhecer o balanço hídrico regional no planejamento da atividade agropecuária, que é uma atividade praticada no Cerrado que tem grande importância para a economia do país.

55 53 Figura 8: Gráfico da Distribuição Mensal Média da Precipitação no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Períodos: 2000 a 2050 Fonte: Autor A Figura 9 representa a distribuição média da evapotranspiração real (ETR) total no Cerrado. Verifica-se que a ETR total anual na simulação controle é de 802,7 mm, sendo dezembro o mês com ETR média mais elevada, 125,9 mm. Na simulação com CO2 elevado o total anual da ETR é 856,6 mm, tendo também o mês de dezembro com ETR média mais elevada, 131,2 mm. Julho e Agosto são os meses em que são observados os valores de ETR mais baixos, com totais de 11,0 mm e 9,8 mm, na simulação controle, respectivamente, e 10,8 mm e 9,3 mm na simulação com CO2 elevado, respectivamente. No período chuvoso (outubro a março) há uma diferença mais pronunciada entre a ETR da simulação controle e a da simulação com o CO2 elevado, onde há maior ETR nesta última simulação. No período seco (abril a setembro), a ETR de ambas as simulações permanencem praticamente a mesma.

56 54 Figura 9: Gráficos da Distribuição Mensal Média da ETR no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050 Fonte: Autor A Figura 10 representa a distribuição média da evapotranspiração potencial (ETP) total no Cerrado. Verifica-se que a ETP total anual na simulação controle é de 850,6 mm, sendo dezembro o mês com ETP média mais elevada, 125,9 mm. Na simulação com CO2 elevado o total anual da ETP é 916,1 mm, tendo também o mês de dezembro com ETP média mais elevada, 131,2 mm. Julho e Agosto são os meses em que são observados os valores de ETP mais baixos, com totais de 18,4 mm e 16,7 mm, na simulação controle, respectivamente, e 20,0 mm e 17,4 mm na simulação com CO2 elevado, respectivamente. No período chuvoso (outubro a março) há uma diferença mais pronunciada entre a ETP da simulação controle e a da simulação com o CO 2 elevado, onde há maior ETP nesta última simulação. No período seco (abril a setembro), a ETP de ambas as simulações permanencem praticamente a mesma. Portanto, o acréscimo de concentração atmosférica de CO2 aumentou a ETP e a ETR, pois com a intensificação do efeito estufa, maior será a temperatura média anual e a água evapotranspirada. Esse processo origina um mecanismo positivo de retroalimentação, onde quanto maior for a temperatura do ar, maior será a concentração de vapor d água na

57 atmosfera, e como o vapor d água é um importante gás de efeito estufa, maior será novamente a temperatura do ar. 55 Figura 10: Gráfico da Distribuição Mensal Média da ETP no Cerrado, dados obtidos na simulação realizada no CCM3-IBIS. Período: 2000 a 2050 Fonte: Autor Os resultados do balanço hídrico climatológico (BHC) podem ser visualizados abaixo, estes foram calculados com os dados médios de 50 anos de 2000 a 2050, utilizando como variáveis a precipitação e a evapotranspiração. O BHC para a condição climática da simulação controle pode ser visualizado na Tabela 4 e nas Figuras 11 e 12, onde se verifica que há um total anual de precipitação de 1126,1 mm, com um período de maior precipitação entre os meses de novembro a março. Verifica-se um déficit hídrico anual de 47,9 mm, distribuído ao longo de abril a setembro, período que abrange a estação seca na região. A evapotranspiração potencial anual foi de 850,6 mm, representando média mensal de 70,9 mm, os meses com maiores e menores valores de ETP são dezembro e agosto (125,9 e 16,7 mm), respectivamente. A evapotranspiração real registrou um total anual de 802,7 mm, com média mensal de 66,9 mm, os meses com maiores e menores valores de ETR são dezembro e agosto (125,9 e 9,8 mm), respectivamente. Conforme ilustra a Figura 11, durante o período chuvoso os valores de ETP e ETR tinham o mesmo valor, ou seja, havia água

58 56 disponível no solo suficiente para a evapotranspiração atingir o seu potencial máximo. A partir do momento em que os valores de precipitação começam a cair (período seco), os valores de ETP e ETR diminuíram, e a ETR se tornou inferior a ETP. Isto acontece porque chove menos não gerando excesso de água no solo, o que faz com que diminua o processo de ETP, ou seja, esta diminuição de precipitação gera um déficit de água que inviabiliza a evapotranspiração máxima possível. O Cerrado apresenta deficiência hídrica em 6 dos 12 meses do ano, e conseqüentemente a retirada de água do solo, pois de abril a setembro a precipitação não foi suficiente para suprir a necessidade da evapotranspiração, mostrando quanto o sistema soloplanta deixou de evapotranspirar no seu potencial. Ocorreu a reposição de água no solo em outubro e novembro e excedente hídrico de novembro a março, durante a estação chuvosa (Figura 12). Os resultados obtidos nas tabelas 4 e 5, foram calculados na planilha de EXCEL elabora por Rolim et al. (1998), para obtenção destes resultados considerou-se como variáveis de entrada a precipitação e a evapotranspiração, valores estes obtidos no CCM3-IBIS. O modelo foi ajustado de forma a representar as áreas do Cerrado. TABELA 4: Balanço hídrico climatológico (simulação controle) mensal do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather (CAD = 100 mm) Fonte: ROLIM, 1998

59 57 Figura 11: Variação dos dados mensais meteorológicos de precipitação (P), evapotranspiração potencial (ETP), evapotranspiração real (ETR), segundo Thornthwaite & Mather Fonte: Autor Figura 12: Gráfico do Balanço Hídrico Climatológico (simulação controle) do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather. Período: 2000 a 2050 Fonte: Autor

60 58 O BHC para a condição climática da simulação com CO2 elevado pode ser visualizado na Tabela 5 e nas Figuras 13 e 14, onde se verifica que há um total anual de precipitação de 1244,7 mm, com um período de maior precipitação entre os meses de novembro a março. Verifica-se um déficit hídrico anual de 59,5 mm, distribuído ao longo de abril a setembro, período que abrange a estação seca na região. A evapotranspiração potencial anual foi de 916,1 mm, representando média mensal de 76,3 mm, os meses com maiores e menores valores de evapotranspiração potencial são dezembro e agosto (131,2 e 17,4 mm) respectivamente. A evapotranspiração real registrou um total anual de 856,6 mm, com média mensal de 71,4 mm, os meses com maiores e menores valores de ETR são dezembro e agosto (131,2 e 9,3 mm), respectivamente. Conforme ilustra a Figura 13, durante o período chuvoso os valores de ETP e ETR tinham o mesmo valor, ou seja, havia água disponível no solo suficiente para a evapotranspiração atingir o seu potencial máximo. A partir do momento em que os valores de precipitação começam a cair (período seco), os valores de ETP e ETR diminuíram, e a ETR se tornou inferior a ETP. Isto acontece porque chove menos não gerando excesso de água no solo, o que faz com que diminua o processo de ETP, ou seja, esta diminuição de precipitação gera um déficit de água que inviabiliza a evapotranspiração máxima possível. O Cerrado apresenta deficiência hídrica em 6 dos 12 meses do ano, e conseqüentemente a retirada de água do solo, pois de abril a setembro a precipitação não foi suficiente para suprir a necessidade de evapotranspiração, mostrando quanto o sistema soloplanta deixou de evapotranspirar no seu potencial. Ocorreu a reposição de água no solo em outubro e novembro e excedente hídrico de novembro a março, durante a estação chuvosa (Figura 14).

61 TABELA 5: Balanço hídrico climatológico (simulação com CO2 elevado) mensal do Cerrado, segundo Thornthwaite & Mather (CAD = 100 mm) 59 Fonte: ROLIM, 1998 Figura 13: Variação dos dados mensais meteorológicos de precipitação (P), evapotranspiração potencial (ETP) e evapotranspiração real (ETR), segundo Thornthwaite & Mather Fonte: Autor

62 60 Figura 14: Gráfico do Balanço Hídrico Climatológico (simulação com CO 2 elevado), segundo Thornthwaite & Mather. Período: 2000 a 2050 Fonte: Autor Analisando-se o BHC do Cerrado considerando os dois cenários (simulação controle e simulação com CO2 elevado), conclui-se que a deficiência hídrica de (59,5 mm) da simulação com CO2 elevado é superior a da simulação controle (47,9 mm). Isto acontece devido ao aumento de temperatura do ar durante o período seco no cenário de CO2 elevado. A maior temperatura (Figura 7) aumenta a evapotranspiração deste período, e como a precipitação não aumentou durante a estação seca (Figura 8), a deficiência hídrica foi maior neste cenário. Entretanto, o excedente hídrico da simulação com CO 2 elevado (388,1 mm) também é superior ao da simulação controle (323,4 mm), pois os totais de precipitação foram maiores considerando o CO2 elevado (Figura 8). A comparação do BHC dos dois cenários mostra que o impacto do aumento do CO2 atmosférico varia conforme o total de precipitação da estação considerada. Na estação chuvosa o cenário de mudança climática aumenta o excedente hídrico no solo, porém durante a estação seca, ocorre um aumento de deficiência hídrica. Fietz et al. (2008) estudando a época mais adequada de semeadura da soja para a região de Dourados - MS, com base na deficiência hídrica e no fotoperíodo, observaram que há menor deficiência hídrica nas semeaduras de novembro e, principalmente, dezembro. Isto

63 61 deve-se aos estágios da fase reprodutiva da soja, com maior exigência hídrica, ocorrerem em fevereiro e março, meses que apresentam menor demanda de água para o processo de transpiração comparados com dezembro e janeiro. A resistência à seca que as plantas apresentam, é expressa através de genes que promovem maior adaptação a condições climáticas adversas como a falta de água. Algumas das primeiras respostas ao estresse podem ser por acontecimentos biofísicos ou por alterações de reações químicas causadas pela desidratação (TAIZ et al., 2006). Um dos processos biofísicos visíveis em conseqüência do estresse das plantas é a redução no crescimento. À medida que o conteúdo de água diminui, a célula encolhe cada vez mais e as paredes relaxam, os solutos ficam cada vez mais concentrados e a membrana plasmática torna-se mais espessa, uma vez que cobre uma área menor. Como a perda de turgidez é o primeiro efeito biofísico da carência hídrica, as atividades relacionadas com a turgidez são as mais sensíveis ao déficit hídrico (TAIZ et al., 2006; FAGERIA et al., 1984). A produtividade agrícola de grãos da região do Distrito Federal é superior à produtividade média da região centro-oeste (CONAB, 2010), grande parte da produção de grãos é proveniente da região do Programa de Assentamento Dirigido do Distrito Federal PAD-DF. As características do clima da região centro-oeste do Brasil, com invernos bastante secos, fazem com que a deficiência hídrica seja uma das principais causas de perdas agrícolas (Fietz et al. 2002; Farias et al., 2001). Santos et al. (2011) analisou a evapotranspiração potencial (ETP) mensal calculada utilizando o método de Thornthwaite e o balanço hídrico climatológico (BH) de duas estações meteorológicas localizadas no Distrito Federal, comparando-as com os valores normais com os valores estimados pelos cenários A2 e B2 do IPCC. Dados da normal climatológica do DF (1961 a 1990) foram obtidos junto ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). As séries de dados futuros, simulando os impactos previstos pelos cenários A2 e B2 sobre as temperaturas e precipitações do DF para os anos de 2070 a 2099 (IPCC, 2007) foram obtidas pelo uso do modelo acoplado HadCM3, do Hadley Centre (Mitchell et al., 1998). As comparações indicam o aumento da ETP mensal, em decorrência do aumento de temperatura projetado nos cenários futuros. A principal alteração observada no BH foi o aumento do período de deficiência hídrica nos cenários futuros quando comparados com os valores normais. Tais alterações podem ser significativas no planejamento agrícola da região do Distrito Federal. Pode-se observar que as diferenças mensais entre ETP-NOR (normal climatológica de Brasília) e os valores de ETP-EMB (estação Embrapa) e ETP-FAL (estação fazenda água limpa), calculados com dados recentes, variaram de 0,6 a 15,5 mm. A ETP-

64 62 EMB foi superior aos valores normais durante todos os meses do ano, enquanto que ETP- FAL foi predominantemente menor. As diferenças calculadas entre ETP-EMB e ETP-FAL totalizaram um valor anual de 110,1 mm, indicando a variação regional da ETP. As diferenças de ETP calculadas refletem as diferenças entre as temperaturas medidas nas estações. Durante praticamente todo o ano, a estação FAL apresentou valores médios de temperatura inferiores aos valores normais, enquanto que a estação EMB apresentou valores superiores. O excedente hídrico que ocorre nos meses de verão apresentou maiores valores no BH-NOR, alcançando o máximo 160 mm em janeiro e dezembro. O indicativo de aumento da temperatura observado nos cenários futuros provocou um relevante incremento nas taxas de evapotranspiração mensal na região do Distrito Federal. As séries de dados atuais apresentaram algumas alterações no balanço hídrico climatológico quando comparadas ao balanço hídrico climatológico normal, uma vez que foi observado um atraso no início do período de excedente hídrico. É importante conhecer o balanço hídrico regional no planejamento da atividade agropecuária. O objetivo deste estudo foi avaliar as possíveis alterações do balanço hídrico da região do DF, utilizando informações atuais e informações provenientes dos cenários futuros A2 e B2 (IPCC, 2007). O Cerrado além de ter grande importância em termos hidrológicos, apresenta também enorme destaque nos cenários agrícola nacional e mundial. Com pouco mais de 30 anos de ocupação agrícola, o Cerrado já conta com 50 milhões de hectares de pastagens cultivadas; 13,5 milhões de hectares de culturas anuais e 2 milhões de hectares de culturas perenes e florestais. A região ainda responde por 41% dos 163 milhões de bovinos do rebanho brasileiro, sendo responsável por 55% da produção nacional de carne. A expansão agrícola do Cerrado continua. Culturas como a do girassol, a da cevada, a do trigo, a da seringueira e a dos hortifrutigranjeiros, bem como a prática da avicultura, desenvolvem-se rapidamente na região (RIBEIRO, 2011).

65 63 Figura 15: Produção total de grãos do Cerrado por cultura Fonte: CONAB, 2015 cevada. Legenda: (*) Amendoim total, girassol, mamona, sorgo, aveia, canola, centeio, Segundo Ribeiro (2011), o Cerrado tem um papel fundamental para a economia do país, principalmente pela produção de grãos e outras commodities. Por este motivo é de grande importância entender como funciona o balanço hídrico e a agricultura nesta região. Entendendo que as commoditties agrícolas irão ser mais bem aproveitadas se forem manejadas compatibilizando-as com a conservação de algumas áreas dentro desse bioma. Essa atitude de conservação irá proporcionar uma agrobiodiversidade não só de espécies vegetais, mas também da fauna, e da espécie humana.