Water demand assessment for some crops subject to climate changes in the river uruguay watershed

Uma intensificação do efeito estufa provocaria alterações na demanda hídrica de culturas vegetais economicamente exploradas e resultaria em conflitos no planejamento hídrico regional. Com base nesta hipótese, foi conduzido o estudo de simulação de balanço agro-hidrológico, seriado, visando estimar a necessidade de irrigação no cenário atual, para as culturas do milho (Zea mays, L.) e soja (Glycine max, (L) Merr.), e em consequência da intensificação do efeito estufa (cenário futuro), tendo como ponto central a sub-bacia do Rio Potiribú pertencente a Bacia do Rio Uruguai, localizada no Planalto Médio do Rio Grande do Sul - Brasil. Inicialmente, comparou-se três rotinas para o computo do balanço hídrico (B.H.) seriado do solo, para um valor médio (representativo para a Bacia hidrográfica) de capacidade de armazenamento de água no solo (90 mm em 1000 mm de profundidade do solo) em intervalo diário, para uma série histórica de 10 anos (1981 a 1990). Os dados de entrada para os modelos foram parâmetros físico-hídricos dos solos, registros meteorológicos diários de 3 postos meteorológicos e características das culturas em estudo, bem como, projeções de alterações nas variáveis climáticas (temperatura e precipitação) influenciadas pela possível intensificação do efeito estufa. As projeções das variações climáticas, devido à intensificação do efeito estufa, foram obtidas das estimativas dos MODELOS GLOBAIS do CLIMA (GCMs). Simulou-se as alterações das necessidades hídricas para o cenário futuro (déficit hídrico) para as culturas do milho e soja, introduzindo nos modelos de balanço agro-hidrológicos, as alterações projetadas das variáveis climáticas (temperatura e precipitação) e variações no ciclo dos cultivos (encurtamento), decorrentes da intensificação do efeito estufa, comparando-as com as necessidades hídricas do cenário atual. Foram testadas seis equações de estimativa da evapotranspiração potencial (ETP), usando-se os critérios de paralelismo e concordância aos valores, da evaporação do tanque classe A. A melhor performance nestes critérios foi obtida pela equação de Penman, a qual foi utilizada para estimar a ETP para o local do estudo, usado nos balanços hídricos. Evidencia-se o bom comportamento da equação de Ivanov, principalmente no intervalo mensal, sendo que as equações de Blaney-Criddle, Hargreaves e Thornthwaite foram as que apresentaram os piores desempenhos em todos os intervalos de estimativa analisados. Aos valores de precipitação diária aplicou-se o método "curve number - SCS" para estimar a fração da chuva que efetivamente abastece o solo, buscando minimizar o problema da substimativa dos déficits hídricos pelos modelos de balanço hídrico. Os modelos de balanço agro-hidrológicos selecionados diferem, essencialmente, pela modelagem da extração de umidade do solo, os quais baseiam-se nas teorias de Viehmeyer & Hendrickson, Thornthwaite e Mather ou ambas simultaneamente, o que acarreta em diferenças significativas em seus resultados. Para analisar as discrepâncias entre os modelos, efetuou-se, a princípio, o cotejo para a bacia hidrográfica, sem considerar as culturas. Os resultados demonstraram diferenças significativas (Teste F) entre os resultados dos déficits hídricos estimados, tanto em ocorrência como também nas magnitudes. Através da contabilização dos dias com déficit hídrico e suas magnitudes, estimados pelos modelos de B.H., pode-se definir que o período de maior severidade de estresse hídrico corresponde aos meses de dezembro e janeiro. Para os balanços com as culturas (milho e soja) considerou-se duas épocas de semeadura, outubro (10/10) e novembro (10/11), sendo que a primeira resultou em uma situação hídrica mais crítica, por coincidir os períodos críticos das culturas com o período de maior demanda evaporativa. Através das simulações para o cenário futuro (intensificação do efeito estufa) pode-se inferir, a princípio que, possivelmente, as culturas apresentem encurtamento nos subperíodos (estádios) e ciclo de desenvolvimento, pelo fato de poder atingir as somas térmicas necessárias em um menor intervalo de tempo. Outra observação foi que a demanda evaporativa tenderá a ser maior (aumento da temperatura) e que o regime de precipitação sofrerá alterações, afetando as condições hídricas destas culturas. Para a cultura do milho obteve-se 5,5; 11,2 e 6,3% de acréscimos na magnitude total dos déficits hídricos (mm/ciclo) para a semeadura em outubro, e 11,0; 26,3 e 15,9% para a semeadura em novembro estimados nos modelos empregados (BHT, BHM e BHB, respectivamente) e para a cultura da soja os acréscimos na magnitude total dos déficits (mm/ciclo) foram de 2,4; 9,3 e 3,2% para a semeadura em outubro e 3,0; 15,7 e 3,1% para a semeadura em novembro, na mesma situação. Porém, em decorrência do encurtamento do ciclo das culturas as intensidades médias diárias dos déficits (mm/dia) para a cultura do milho resultaram em acréscimos de 40,6; 48,0 e 40,9% na semeadura em outubro e 51,2; 73,0 e 58,1% na semeadura em novembro, estimados nos modelos de B.H. analisados CBHT; BHM e BHB, respectivamente) e para a cultura da soja os acréscimos foram de 35,1; 44,9 e 36,8% para a semeadura em outubro e 42,2; 59,1 e 41,9% para a semeadura em novembro, na mesma situação Devido ao encurtamento do ciclo destas culturas seus períodos críticos (florescimento e formação da produção) confrontam-se diretamente com o período de maior demanda evaporativa da atmosfera, o que acarretará em maiores necessidades de irrigação.The intensification of the greenhouse effect would cause changes ln the water demand of crops cultivated for economic purposes, and would lead to conflicts in regional water resource planning. Based on this hypothesis, a serial simulation of agrohydrologic balance was performed, to estimate irrigation requirements according to the present scenario for maize (Zea may.s. L.) and soybean (Glycine max, CL) Merr.) crops, and what it would be if the greenhouse effect were intensified (future scenario). The main site of the study was the River Potiburu sub-basin, belonging to the River Uruguay watershed, located in the Planalto Médio (Middle Plateau) of the state of Rio Grande do Sul, Brazil. First, three routines were compared to compute the serial water balance (BH) ln soil, for a mean value of water storage capacity ln soil (90 ln 1000 mm soil depth), far daily intervals, in a 10-year historical series (1981 to 1990). The input data for the models were physical and water soil parameters, daily meteorological records from 3 meteorological stations and characteristics of the crops studied, besldes projections of changes in the climate variables (temperature and precipitation) influenced by the possible intensification of the greenhouse effect. The projections of climate variations due to the intensification of the greenhouse effect, were obtained from estimates of the GLOBAL CLIMATE MODELS (GCMs). Changes in water needs were simulated for the future scenario (water deficit) for maize and soybean crops, and they introduced, in the agrohydrolosig balance models the projected changes of climate variables (temperature and precipitations) and variations in crops cycles (shortened), resulting from intensified greenhouse effect, comparing them with the water requirements of the present scenario. Six potencial evapotranspiration (ETP) estimation equations were tested, using the criteria of parallelism and agreement with the evaporation values of class A pan. The best performance, according to these criteria was obtained using Penman’s equation to estimate ETP at the site used for the water balances (BH). The Ivanov equation performs well, especially at monthly intervals and agreement criteria, and the equations of Blaney-Criddle, Hargreaves and Thornthwaite presented the worst performances at all estimation intervals analyzed. The curve number SCS method was applied to the daily precipitation values to estimate the fraction of rainfall which in fact does supply the soil, seeking to minimize the problem of underestimating water deficits using the water balance models. The BH models chosen are essentially different from each other in the manner of modelling humidity extraction from soil. Their methods are based on the theories of Viehmeyer & Hendrickson, Thornthwaite and Mather or both at the same time, which leads to significant differences in their results. Initially, a comparison was made for the watershed, to analyze discrepancies between the models, without taking the crops into account. The results showed significant differences (F Test) among the results of estimated water deficits, both as to occurrence and to magnitudes. By accounting the days with water deficits and their magnitudes, estimated using the BH models, one may define that the period of highest water stress corresponds to the months of December and January. For the BHs with crops (maize e soybean) two sowing periods were considered, October (10/10) and November (10/11), and the former produced a more critical water situation since there was a coincidence between critical periods of the crops and the periods with greatest evaporation demand. By performing simulations for the future scenario (intensified greenhouse effect), it may be inferred, ln principle, that possibly the crops will have shortened development sub-period and cycles, since they will obtain the necessary thermal amounts in a shorter time period. Another observation was that the evaporation demand will tend to be greater (higher temperatures) and the rainfall regime will undergo changes, affecting the water conditions of these crops. Regarding maize, 5,5; 11,2 and 6,3% increases ln the whole magnitudes of water deficits (mm/cycles) were obtained for the October sowing period, and 11,0; 26,3 and 15,9% for the November sowing period, estimated based on the models used (BHT, BHM and BHB, respecting), and, for soybeans, the whole magnitude of water deficit increases (mm/cycles) were 2,4; 9,3 and 3,2% for sowing in October and 3,0, 15,7 and 3,1% for sowing ln November, in the same situation. But, due to the shortened cycle of the crops, the average daily intensity of the deficits (mm/day) for regarding maize presented increases of 40,6; 48,0 e 40,9% for the October sowing period, and 51,2; 73,0 e 58,1% for the November sowing period, estimated based on the models analyzed, and, for soybeans, the increases were 35,1; 44,9 and 36,8 for sowing in October and 42,2; 59,1 and 41,9% for sowing in November, in the same situation. Due to the shortened cycle of these crops, their critical periods (flowering and yield formation) directly confront the period of highest atmospheric evaporation demand which will lead to higher irrigation requirements