Field capacity for hydrological and crop modelling at several scales

Orientador: Prof. D.Sc. Robson André ArmindoCoorientador: Prof. D.Sc. Quirijn De Jong Van LierDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 28/10/2021Inclui referências: p. 95-113Resumo: O conhecimento da umidade na capacidade de campo (Tetacc) é crucial em alguns modelos da dinâmica da água no sistema solo-planta-atmosfera, auxiliando na prevenção de problemas ambientais como a lixiviação de fertilizantes e agroquímicos para o lençol freático e desperdício de recursos hídricos. Uma vez que a medida da Tetacc in situ demanda tempo e recursos, critérios de estimativa são utilizados, sendo que alguns deles foram analisados em relação ao comportamento da retenção de água, aeração do solo, evapotranspiração e produtividade. Adicionalmente, avaliou-se uma função de pedotransferência (PTF) textural em relação aos outros critérios mais sofisticados. O estudo foi baseado em um banco de informações hidráulicas de solos de clima tropical (Brasil) e temperado (Alemanha), sob diferentes usos. Os locais analisados incluem as cidades brasileiras de Araponga-MG, Choró-CE, Piracicaba-SP, Baraúna-RN e as regiões Alemãs de Kraatz e Harzegerode. Utilizaram-se para estimativa da Tetacc os critérios estáticos das umidades volumétricas nas tensões de 60, 100, 330 cm e no ponto de inflexão da curva de retenção (hi), além do modelo de Assouline e Or (2014). Dentre os critérios dinâmicos foram avaliados os apresentados por Prevedello (1999), Andrade e Stone (2011), Twarakavi (2009) e Cong (2014). Para todos os solos, as maiores estimativas para Tetacc foram obtidas com o método do ponto de inflexão. Para os solos de clima tropical, os menores valores de Tetacc foram obtidos com Teta330hPa e para a maioria dos solos de clima temperado a menor estimativa ocorreu pelo método de Assouline e Or (2014). O desvio relativo entre as estimativas de Tetacc para um mesmo ponto variou de 7 a 54%. Os valores da capacidade de água disponível (CAD), porosidade drenável (AC) e evapotranspiração real (ETR) em cada solo analisado foram bastante sensíveis à variação da Tetacc, especialmente para os solos de clima tropical, em que a variabilidade dos atributos mostrou-se maior que nos solos de clima temperado. Considerando-se Tetacc= Teta330cm, na maioria dos solos a estimativa dada pela PTF esteve dentro do intervalo gerado pelos outros 9 modelos. Além disso, o modelo de simulação água-cultura AquaCrop foi utilizado para avaliar a influência do critério de capacidade de campo na previsão da produtividade de uma cultura hipotética. Em um cenário de baixa precipitação a produtividade aumentou em função do aumento da capacidade de campo. Já em um cenário de precipitação excessiva, a produtividade foi comprometida para um valor de Tetacc muito alto, uma vez que nessa condição a aeração do solo foi limitada.Abstract: The soil water content at field capacity (Tetafc) is a crucial parameter in some models of soil-plant-water dynamics, supporting the prevention of environmental problems such as leaching of chemical substances to the water table and waste of water resources. Since the measurement of Tetafc in situ is labor-intensive, other approaches for its estimation have been proposed, and some of the most used were analyzed in this work, assessing their implications on soil water and air retention behavior as well as on evapotranspiration and crop yield. Additionally, a simple texture-based pedotransfer function (PTF) for Tetafc estimation was compared to the other evaluated methods. Six sites with several soil types and management practices from tropical (Brazil) and temperate (Germany) climates were used. Tetafc was then estimated based on the volumetric soil water content (?) at some soil water tensions (h) of the following soil water retention curve (SWRC) points: 60, 100, and 330 cm, and also the inflection point (hi). Moreover, models based on dynamic criterion proposed by Prevedello (1999), Andrade and Stone (2011), Twarakavi et al. (2009), Assouline and Or (2014), and Cong et al. (2014) were evaluated as well. Largest results of Tetafc were obtained for all evaluated soils when Tetai was presumed as Tetafc. Regarding the Brazilian sites, the lowest results of Tetafc were obtained with Teta330cm. However, lowest results were derived using Assouline and Or's (2014) model for most German soils. Relative standard deviation between Tetafc estimates, based on nine approaches, ranged from 7 to 54%. Results of available water capacity, air capacity, and evapotranspiration were sensitive to Tetafc changes, especially for the studied Brazilian sites, which presented higher variability than German soils. On the other hand, the assessed simple-texture-based PTF generated Teta330cm estimates inside the range composed by the other nine model results. Besides, AquaCrop simulation model was used to observe Tetafc influence on crop yield by fixing all model parameters whereas Tetafc was the only varied parameter. The model was sensitive to Tetafc variation in a scenario of low rainfall, where the crop yield increased when Tetafc also increased. Considering a high rainfall rate, small yield for a large ?fc scenario was found because air capacity was limited