Balanço Radiativo e Fluxo de CO 2 para a cultura da Soja com o modelo AGRO-IBIS Geovane Webler 1, Andrea Timm 1, Débora Roberti 1, Osvaldo de Moraes 1, Virnei Moreira 1, Alcimoni Comin 1, Jackson Fiorin 2 1, Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria RS, Brasil. 2 FUNDACEP ( Fundação Centro de Experimentação e Pesquisa Fecotrigo) 1 E-mail: gwebler83@yahoo.com.br Abstract This paper presents a set of results obtained through simulations with the model AGRO-IBIS. Comparing the simulated values with the observed one can conclude that the model, although to simulate well the radiation balance, it not makes a good partition into latent, sensible and soil heat fluxes. Furthermore, an analysis is made of CO2 fluxes over a cycle of soybean. The results can be improved. This is possible by adding to the model parameters of soil and vegetation specific to the site under study. The inclusion of a representation of the management of previous crop residues will also be crucial in the effort to obtain better results in modeling involving crops. Palavras chave: Balanço de Energia, Fluxo de CO 2, AGRO-IBIS. 1. Introdução Atualmente, os modelos de superfície usados na agricultura têm objetivos além de simplesmente simular como a produtividade das culturas pode responder as mudanças climáticas e variações no CO 2, embora esses temas ainda sejam foco de pesquisas (Kucharik et al., 2007). Em vez disso, as aplicações são mais diversas e ainda mais desafiantes. Muitos modelos estão sendo refinados para simular as mudanças no uso da terra. Culturas mais precoces, substituição de florestas por lavouras, irrigação, adubação inorgânica e manejo dos resíduos das culturas são alguns dos aspectos que estão sendo incorporados nos modelos de superfície da atual geração. As mudanças no uso da terra causam diversos impactos no ambiente. Mudanças no microclima, no uso da água, no albedo superficial, no ciclo do carbono, na química do solo e da atmosfera são alguns fatores que inicialmente são pontuais, mas poderão ter seus efeitos sentidos em grande escala (Muller et al., 2006). A cultura da soja tem grande importância econômica e social para o Estado do Rio Grande do Sul. É uma das culturas mais cultivadas em diversas regiões do estado. Assim sendo, é importante conhecer como a cultura interage com o meio ambiente e como se dará sua interação caso venham a ocorrer as mudanças climáticas aventadas por diversos setores da comunidade científica. Além disso, os impactos das mudanças no uso da terra para a soja também precisam ser melhor compreendidos para que possam ser implementados no modelo que, depois, será expandido para maiores áreas. Neste trabalho serão apresentados alguns resultados obtidos através de simulações feitas com o modelo AGRO-IBIS, que é um subcódigo do modelo de superfície IBIS (Integrated Biosphere Simulator), (Foley et al., 1996; Kucharik et al., 2000), estruturado para simular o crescimento e produtividade de algumas culturas agrícolas, tais como a soja, que está sendo adaptado às condições brasileiras. Desta forma, o objetivo deste trabalho é uma validação e avaliação do modelo AGRO-IBIS para uma cultura de soja no RS.
2. Metodologia O experimento simulado neste trabalho está sendo realizado numa área agrícola localizada na Fundação Centro de Experimentação e Pesquisa Fecotrigo (FUNDACEP), Cruz Alta, RS. A latitude é de 28 0 36 Sul, longitude 53 0 40 Oeste e altitude média de 409m. No ano de 2009 a cultura de inverno foi a aveia e no verão foi a soja, em sistema de plantio direto. Na região em estudo existe uma estação meteorológica automática do INMET, que coleta dados de precipitação, temperatura do ar, umidade relativa do ar, velocidade e direção do vento e radiação solar global. Além desta estação, o Laboratório de Micrometeorologia da UFSM, através do projeto SULFLUX, realiza medidas micrometeorológicas de forma contínua desde novembro de 2008. O sítio eletrônico do projeto SULFLUX (www.ufsm.br/sulflux) apresenta uma descrição detalhada da região deste estudo. O Método Eddy-Covariance foi usado para obter os fluxos de Calor Sensível e Latente e o fluxo de CO 2 experimentais. O modelo foi integrado a cada 60 minutos, sendo forçado com dados meteorológicos de radiação solar incidente ( Wm 2 ), precipitação mm, temperatura do ar 0 C, velocidade do vento m s 1, umidade relativa do ar (%) e pressão atmosférica mb coletados pela estação do INMET no município de Cruz Alta - RS. Para este trabalho, a integração do modelo foi realizada para um período de 10 anos, de 2000 até 2009. Desse período, somente os anos de 2008 e 2009 possuem dados meteorológicos do sítio para inicializar o modelo. Os forçantes dos outros 8 anos são obtidos a partir do arquivo climatológico do AGRO-IBIS. Embora a análise será feita apenas para o ciclo 2009-2010, o modelo foi integrado por um período maior a fim de estabilizá-lo. 3. Resultados Será apresentado aqui um conjunto de resultados obtido por simulações com o modelo AGRO-IBIS para o ciclo da cultura de soja 2009-2010. Os parâmetros relativos ao solo e a vegetação foram obtidos da literatura, já que os específicos deste sítio ainda não estão todos disponíveis. A semeadura da cultura ocorreu no dia 12 de Dezembro de 2009. A maturação fisiológica ocorreu na segunda quinzena do mês de Março de 2010. No período de 15 de Dezembro a 15 de Março, analisado aqui, a cultura apresenta atividade fisiológica mais intensa e, consequentemente, grande interação com o ambiente. As variáveis que serão analisadas são: fluxo de calor sensível (H); fluxo de calor latente (LE); fluxo de calor no solo (G); saldo de radiação (Rn); fluxo de CO 2. A comparação é feita entre os valores obtidos no sítio e os resultados do modelo. Para cada mês analisado foi calculado um ciclo diurno médio, com os resultados apresentados e discutidos a seguir.
Figura 1: Ciclo diurno médio mensal para o ciclo da soja. (a) H e (b) LE. Na figura 1(a), é possível observar que o modelo AGRO-IBIS faz uma boa simulação de H nos primeiros 30 dias de desenvolvimento da soja. À medida que a cultura vai se desenvolvendo o modelo passa a superestimar H até o final do ciclo da cultura. Analisando a figura 1(b), pode-se verificar que LE tem simulação satisfatória apenas no primeiro mês do ciclo da cultura. Nos dois últimos meses do ciclo o modelo passa a superestimar LE a cada mês com mais intensidade. Figura 2: Ciclo diurno médio mensal para o ciclo da soja. (a) G e (b) Rn.
Para G, na figura 2(a), o modelo não consegue fazer uma simulação sequer razoável. Os valores experimentais e simulados têm pouca similaridade. Além disso, é notável a diferença entre os extremos máximos e mínimos do modelo em relação aos experimentais. Pela figura 2(b), é possível aferir que o modelo fecha o balanço radiativo durante todo o período. Pela análise feita até aqui é possível notar que, apesar de o modelo fechar o balanço de energia, a partição do saldo de radiação está com muitos problemas. Isso se explica pelo fato de os parâmetros de solo e cultura da soja usados na simulação serem provenientes da literatura e não especificamente do sítio de Cruz Alta. Outro fator que influencia nos resultados, é a ausência de uma parametrização relacionada ao manejo de resíduos de culturas anteriores no AGRO-IBIS. Segundo Kucharik et al., 2007, os impactos dos resíduos vegetais no albedo de superfície e em outras propriedades físicas não são considerados pelo modelo, o que pode dificultar o fechamento do balanço e a partição adequada de energia na superfície. Sendo assim, o modelo não consegue reproduzir com exatidão a influência dos resíduos nos processos de transferência de energia que ocorrem ao longo do ciclo da cultura. Figura 3: Ciclo diurno médio mensal do CO 2 para o ciclo da soja. O fluxo de CO 2, figura 3, tem simulação insatisfatória com intensa superestimativa no período de 15 de Janeiro a 15 de Fevereiro. Já no início e no fim do ciclo da soja o modelo simula o fluxo de CO 2 com boa relação com os dados experimentais. A ausência da parametrização para resíduos culturais também afeta a simulação do fluxo de CO 2. Isso ocorre porque o modelo não inclui a respiração heterotrófica, realizada pelos organismos que decompõe a matéria orgânica presente no solo. 4. Conclusão Nos resultados apresentados fica clara a necessidade de ajustes no modelo a fim de obter simulações de maior qualidade. A partição do saldo radiativo e o fluxo de CO 2 obtidos através da simulação, em boa parte do período, não descrevem com boa precisão o que ocorre no sítio. A inclusão da subrotina que trata dos resíduos culturais e a obtenção de mais parâmetros específicos do sítio deve causar uma melhora na qualidade dos resultados obtidos. As falhas observadas nas simulações do fluxo de calor no solo, que é a variável que apresenta maior discordância entre valores simulados e experimentais, podem ser diminuídas com uma boa caracterização de alguns parâmetros do solo, como: a capacidade de campo, porosidade, condutividade hidráulica saturada, fração de (areia, argila e silt) e compactação.
Esses ajustes irão afetar também as outras componentes do balanço de energia aumentando a tendência de melhora dos resultados. 5. Referências Bibliográficas FOLEY, J.A., PRENTICE, I.C., RAMANKUTTY, N., LEVIS, S., POLLARD, D., SITCH, S., & HAXELTINE, A. An integrated biosphere model of land surface processes, terrestrial carbon balance and vegetation dynamics. Global Biogeochemical Cycles, v.10, p. 603-628, 1996. Jackson, R.B., Mooney, H.A., & Schulze, E.D., A global budget for fine root biomass, surface area, and nutrient contents. The National Academy of Sciences of the USA, v.94, 7362-7366, 1997. KUCHARIK, C.J., FOLEY, J.A., DELIRE, C., FISHER, V.A., COE, M.T., GOWER, S.T., LENTERS, J.D., YOUNGMOLLING, C., NORMAN, J. M., & RAMANKUTTY, N. Testing the performance of a dynamic global ecosystem model: water balance, carbon balance end vegetation structure. Global Biogeochemical Cycles, v.14, p. 795-825, 2000. KUCHARIK, C.J., BRYE, K.R., Integrated BIosphere Simulator (IBIS) Yield and Nitrate Loss Predictions for Wisconsin Maize Receiving Varied Amounts of Nitrogen Fertilizer. Journal of Environmental Quality, v. 32, p. 247-268, 2003. KUCHARIK, C.J., Evaluation of a Process-Based Agro-Ecosystem Model (Agro IBIS) across the U.S. Corn Belt: Simulations of the Interannual Variability in Maize Yield. EARTH Interactions, v.7, 2003. BONAN, G.B. A Land Surface Model (LSM version 1.0) for Ecological, Hydrological and Atmospheric Studies: Technical Description and User s Guide. NCAR Technical Note, 1996. CAMPOS, B. C. de. Dinâmica do Carbono em Latossolo Vermelho sob Sistemas de Preparo de Solo e de Culturas. 2006 190f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2006. DELIRE, C., & FOLEY, J.A. Evaluating the performance of a land surface / ecosystem model with biophysical measurements from contrasting environments. Journal of Geophysical Research., v.104, p. 16.895-16.909, 1999. GERVOIS, S., NOBLET-DUCOUDRÉ, N., VIOVY, N., CIAIS, P., BRISSON, N., SEGUIN, B., PERRIER, A. Including Croplands in a Global Biosphere Model: Methodology and Evaluation at Specific Sites. EARTH Interactions, v.8, 2004. LLOPART, M. P., Calibração por módulos do modelo SiB2 para floresta tropical da Amazônia e ecossistemas do sudeste do Brasil. 2007 19f. Monografia de Qualificação. 2007. Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.