Dinâmica da água no continuum solo-planta-atmosfera : tópicos em evapotranspiração de referência e disponibilidade de águas às plantas

Orientador: Prof. Dr. Jorge Luiz Moretti de Souza

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo. Defesa: Curitiba, 19/08/2016

Inclui referências : f. 31-35;66-73;92-98

Area de concentração : Solo e ambiente

Resumo: A quantificação da água disponível à transpiração vegetal é conceito chave para o entendimento da dinâmica da água no sistema solo-planta, sendo importante o estudo detalhado da evapotranspiração de referência (ETo) e variáveis ou fatores diretamente ligados às relações água-solo-planta-atmosfera. Inúmeros métodos relacionando o estudo da ETo e dinâmica da disponibilidade de água às plantas vêm sendo desenvolvidos, mas, muitas vezes, são ignorados fatores como o crescimento radicular, propriedades hidráulicas da planta e variações climáticas locais e regionais, considerados elementos-chave para o entendimento dos processos físicos no sistema. Nesse contexto, teve-se como objetivo no presente trabalho caracterizar a sensibilidade do método de Penman-Monteith ASCE às variáveis climáticas, e propor um método alternativo para estimar a ETo baseando-se nas variáveis mais sensíveis, com destaque para o déficit de pressão de vapor, o qual está relacionado ao potencial hídrico atmosférico; e, em relação aos aspectos fisiológicos da planta, avaliar o impacto do crescimento e condutância hidráulica do sistema radicular sobre a disponibilidade de água para a transpiração sob condições de deficiência hídrica. O trabalho encontra-se dividido em três capítulos, sendo que: (i) No primeiro capítulo foi analisada a sensibilidade do método Penman-Monteith ASCE às principais variáveis climáticas para todos os tipos climáticos brasileiros, a partir da geração de coeficientes de sensibilidade e análises de componentes principais; (ii) Com os resultados da análise de sensibilidade da ETo, no segundo capítulo foi proposta e analisada a possibilidade da estimativa da evapotranspiração de referência com um método alternativo baseado no potencial hídrico atmosférico (psiar) e radiação solar no topo da atmosfera (Ra), para os tipos climáticos brasileiros; e, (iii) No terceiro capítulo estudou-se a dinâmica da disponibilidade de água às plantas sob deficiência hídrica no solo, considerando o consumo de água, crescimento e condutância hidráulica do sistema radicular, pelo monitoramento do crescimento radicular, potencial hídrico do solo, foliar e transpiração vegetal, a partir do uso de minirizotrons no interior dos vasos, tensiômetros digitais próximos ao sistema radicular, psicrômetros conectados às folhas terminais e balanças eletrônicas para a medição da massa dos vasos. Os resultados obtidos foram comparados a partir de análises de modelos lineares mistos (REML) e regressão segmentada. Os tratamentos foram comparados com o teste de Tukey (a = 0.05). As análises realizadas no primeiro capítulo permitiram verificar grande influência dos tipos climáticos sobre a sensibilidade da ETo às variáveis climáticas, principalmente em relação ao déficit de pressão de vapor (DPV), radiação solar (Rs) e velocidade do vento (u2). No segundo capítulo foi proposto e demonstrou-se a possibilidade da utilização de um método alternativo ("Moretti-Jerszurki") baseado no psiar e Ra, o qual apresentou bons desempenhos na estimativa da ETo para os tipos climáticos brasileiros, principalmente os climas tropical e semiárido, quando utilizou-se apenas o psiar (EToMJ(psiar)); e, para todos os tipos climáticos considerados quando utilizou-se o psiar e Ra (EToMJ e EToMJc). A maior sensibilidade do método alternativo que utiliza apenas o psiar (EToMJ(psiar)), para o tipo climático tropical, é interessante e indicou apenas a necessidade das variáveis temperatura do ar (Tar) e umidade relativa média do ar (UR). Os coeficientes de ajuste "a" e "b" médios mensais obtidos para o subgrupo climático semiárido são consistentes e podem ser satisfatoriamente empregados para a estimativa da EToMJ(psiar) como alternativa à EToPM. No terceiro capítulo, observou-se que a disponibilidade de água para a transpiração foi limitada pelo potencial de água no solo e potencial hídrico foliar em condições de moderada e intensa restrição hídrica. Portanto, em condições de estresse, a relação não-linear entre potencial hídrico foliar e a transpiração real resultou na manutenção do potencial nos períodos de maior demanda atmosférica ao longo do dia e em maior eficiência do uso da água. A condutância hidráulica do sistema radicular foi o parâmetro que melhor explicou a disponibilidade de água às plantas, especialmente em condições de deficiência hídrica, destacando a importância das raízes na predição de variações na transpiração real das plantas. Apesar disso, o crescimento radicular não foi influenciado pela deficiência hídrica a curto prazo. Palavras-chave: análise de sensibilidade, condutância hidráulica da raiz, disponibilidade hídrica, evapotranspiração de referência, método alternativo, potencial hídrico atmosférico.

Abstract: Water availability for plant transpiration is a key concept to soil water dynamics, justifying studies about reference evapotranspiration (EToPM) and variables related to water availability. Several methods relating reference evapotranspiration and the dynamics of water availability for plants have been developed, but they often overlook root growth, plant hydraulic properties and climatic variations over regions, which may be key elements explaining plant water availability. In this sense, we had to aim study the reference evapotranspiration relating to atmospheric demand, from sensitivity analysis of Penman-Monteith method to climate properties and suggest an alternative method for ETo estimation, based on the most sensitive variables, outlining the vapor pressure deficit, which is related to atmospheric water potential; and, at canopy level, we study the impact of root growth and root hydraulic conductance on water availability for transpiration under deficit irrigation. The results were presented in three chapters: (i) In the first chapter we had to aim analyze the sensitivity of Penman-Monteith method to the main climatic variables under climate types in Brazil, from generation of sensitivity coefficients and principal component analysis; (ii) Based on the sensitivity results, in the second chapter the alternative reference evapotranspiration alternative method based on atmospheric water potential (psiair) and extraterrestrial radiation (Ra) was proposed and analyzed for each climate type; and, (iii) in the third chapter, the impact of root growth and root hydraulic conductance on water availability for canopy transpiration was analyzed by measurement of root growth, soil and stem water potential and transpiration rate, by minirhizotron tubes inside the pots, pressure transducer tensiometers close to the trunck, psychrometers attached to mature leaves and weighing scales used to determine the mass of the pots. The obtained results were compared using a restricted maximum likelihood (REML) estimator of the mixed linear model procedure and segmented regression analysis. Individual treatments were compared by Tukey test at a = 0.05. The analysis of the first chapter allowed to verify the strong effect of climate types about EToPM sensitivity, mainly related to vapor pressure deficit (VPD), solar radiation (Rs) and wind speed (u2). In this sense, in the second chapter, was analyzed the possibility of use of a new alternative method called "MorettiJerszurki" based on psiair and Ra, which had a good performance on ETo estimations for all Brazilian climate types when using psiair and Ra (EToMJ e EToMJc) and, mainly for warm and dry climates, when using psiair (EToMJ(psiair)). The sensitivity of the alternative method based on psiair (EToMJ(psiair)) under tropical climates outlined the only need for air temperature (Tair) and relative humidity (RH) for ETo estimation. The monthly adjustment coefficients "a" and "b" for semi-arid climate subgroup were consistents and can be satisfactory employed on the estimations of EToMJ(psiair), as an alternative to EToPM. In the third chapter, the resulting water availability for transpiration was limited by soil and stem water potential under moderate or strong water limitation. A nonlinear relationship with actual transpiration explained the reduction of daytime depressions of stem water potential, needed for maintaining tree wateruse efficiency. Root hydraulic conductance was the parameter that best explained soil water availability for plants, especially under drought stress, highlighting the importance of understanding root dynamics to predict shifts in canopy transpiration. The root length was not influenced by water deficit at short-term period. Key-words: sensitivity analysis, root hydraulic conductance, water availability, reference evapotranspiration, alternative method, atmospheric water potential.