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Balanço Hídrico e Perda de Solo em Pastagens

Estudo Comparativo de Pastagens Permanentes Semeadas

Biodiversas Ricas em Leguminosas e Pastagens Naturais

Patrícia Páscoa de Oliveira Ramos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia do Ambiente

Júri

Presidente: Professor Doutor Ramiro Joaquim de Jesus Neves

Orientador: Professor Doutor Tiago Morais Delgado Domingos

Co-orientador: Doutora Helena Maria Campos Martins

Vogal: Doutora Ana Margarida Seixas Horta

Outubro de 2011

I

AGRADECIMENTOS

O meu agradecimento ao Professor Doutor Tiago Domingos pela oportunidade de realizar este

trabalho sob a sua orientação. À Doutora Helena Martins agradeço a disponibilidade, a

orientação e a motivação.

À Engenheira Tatiana Valada agradeço a valiosa colaboração. Ao Doutor Ricardo Teixeira

agradeço a orientação inicial deste trabalho.

Agradeço ao Engenheiro António Martelo e ao Engenheiro Nuno Rodrigues pela colaboração.

Ao Professor Eugénio Sequeira agradeço a disponibilidade que demonstrou para me ajudar na

fase final do meu trabalho. Ao Eng. David Crespo e ao Eng. Filipe Verdasca quero agradecer o

contributo prestado também na fase final do meu trabalho.

À minha família, por todo o apoio e motivação.

III

RESUMO

Este trabalho tem como objectivo o estudo comparativo do balanço hídrico e da perda de solo

em pastagens permanentes semeadas biodiversas ricas em leguminosas (PPSBRL) e em

pastagens naturais (PN), recorrendo a modelação. Sabendo que às primeiras está associado

um maior aumento de matéria orgânica no solo (MOS), foi escolhida esta variável para

diferenciar os dois sistemas. Simulou-se a infiltração de água no solo e a evapotranspiração,

sabendo assim o volume de escorrimento superficial gerado e o conteúdo de água no solo.

Calculou-se a perda de solo para cada evento pluvioso que gerou escorrimento superficial,

utilizando os dados obtidos pelo balanço hídrico.

Os resultados obtidos permitem concluir que nas PPSBRL o volume de água infiltrada foi

superior, resultando num volume inferior de escorrimento superficial e menor perda de solo,

devido ao maior teor de MOS. O volume total de água disponível para as plantas, todavia, não

sofreu alteração significativa com o aumento de MOS e, como a evapotranspiração é superior

nas PPSBRL, devido à sua maior produtividade, o conteúdo de água no solo nestas pastagens

pode até ser inferior.

Palavras-chave: pastagens permanentes semeadas biodiversas ricas em leguminosas,

pastagens naturais, matéria orgânica do solo, balanço hídrico, perda de solo.

V

ABSTRACT

The goal of this work is the comparative study of the water balance and soil loss in sown

biodiverse permanent pastures rich in legumes (SBPPRL) and in natural grasslands (NG), using

models. SBPPRL show a higher increase in soil organic matter (SOM) and so this variable was

chosen to differentiate the two systems. The models used simulated water infiltration into the

soil and evapotranspiration, which permitted to know the volume of surface runoff and soil water

content. Soil loss from each rainfall event that generated surface runoff was calculated, using

data from the water balance.

The results lead to the conclusion that the volume of infiltrated water was higher on SBPPRL

and thus the surface runoff and the soil loss was smaller due to higher SOM content. Plant

available water, however, did not change significantly with the increase of SOM and because

evapotranspiration is higher on SBPPRL, due to the higher productivity, soil water content may

be smaller on these pastures.

Keywords: sown biodiverse permanent pastures rich in legumes, natural grasslands, soil

organic matter, water balance, soil loss.

VII

Índice

AGRADECIMENTOS......................................................................................................................... I

RESUMO ....................................................................................................................................... III

ABSTRACT ...................................................................................................................................... V

Índice ........................................................................................................................................... VII

Índice de Equações ..................................................................................................................... VIII

Índice de Tabelas ........................................................................................................................... X

Índice de Figuras .......................................................................................................................... XI

Lista de Acrónimos ..................................................................................................................... XIV

Lista de notações ........................................................................................................................ XIV

1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 1

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS .................................................................................................... 4

2.1 Propriedades físicas do solo .......................................................................................... 4

2.2 O balanço hídrico do solo e a MOS ............................................................................... 5

2.3 A erosão e a MOS .......................................................................................................... 7

3 ESTADO DA ARTE ................................................................................................................... 8

4 CARACTERIZAÇÃO DOS LOCAIS ESTUDADOS ....................................................................... 12

5 METODOLOGIA .................................................................................................................... 14

5.1 Modelação da MOS ..................................................................................................... 14

5.2 Modelação do balanço hídrico .................................................................................... 16

5.2.1 Ponto de emurchimento e capacidade de campo .................................................. 18

5.2.2 Infiltração/Escorrimento superficial – Equação de Green e Ampt ......................... 20

5.2.3 Evapotranspiração – FAO Penman-Monteith ......................................................... 23

5.2.4 Modelação da percolação ....................................................................................... 35

5.3 Modelação da Perda de Solo ....................................................................................... 36

5.3.1 EUPSM: Equação Universal de Perda de Solo Modificada ...................................... 37

5.3.2 EUPS: Equação Universal de Perda de Solo e EUPSaj............................................... 45

5.4 Estimativa de parâmetros da Equação de Green e Ampt ........................................... 47

5.4.1 Condutividade hidráulica efectiva ........................................................................... 47

5.4.2 Porosidade total e porosidade efectiva .................................................................. 49

5.4.3 Potencial mátrico do solo ........................................................................................ 50

5.5 Estimativa de dados climáticos para a modelação da evapotranspiração e infiltração

50

VIII

5.5.1 Temperatura diária, humidade relativa e vento médio diário ............................... 51

5.5.2 Radiação solar ......................................................................................................... 51

5.5.3 Precipitação horária ................................................................................................ 51

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................................. 52

6.1 Matéria Orgânica ......................................................................................................... 53

6.2 Conteúdo de água no solo .......................................................................................... 53

6.3 Escorrimento superficial ............................................................................................. 59

6.4 Perda de solo ............................................................................................................... 62

6.5 Comparação com EUPS e EUPSaj ................................................................................. 63

7 CONCLUSÕES ....................................................................................................................... 65

REFERÊNCIAS ............................................................................................................................... 69

ANEXOS .......................................................................................................................................... i

Anexo 1 – Matéria Orgânica do Solo .......................................................................................... i

Anexo 2 – Ponto de emurchimento, capacidade de campo, porosidade efectiva e água

disponível total .......................................................................................................................... ii

Anexo 3 – Condutividade hidráulica saturada ........................................................................... v

Índice de Equações

Equação 1 – Balanço hídrico diário de um solo ............................................................................ 5

Equação 2 – Balanço de massa da MOS ...................................................................................... 14

Equação 3 – Solução do baalanço de massa da MOS ................................................................. 15

Equação 4 – Input de MOS .......................................................................................................... 15

Equação 5 – Modelo da dinâmica de MO em pastagens ............................................................ 15

Equação 6 – Conteúdo de água no solo no ponto de emurchimento ........................................ 19

Equação 7 – Conteúdo de água no solo na capacidade de campo ............................................. 19

Equação 8 – Taxa de infiltração da equação de Green e Ampt .................................................. 20

Equação 9 – Solução da Equação de Green e Ampt.................................................................... 21

Equação 10 – Altura da frente de humedecimento .................................................................... 21

Equação 11 – Taxa de infiltração antes do alagamento ............................................................. 21

Equação 12 – Infiltração acumulada antes do alagamento ........................................................ 22

Equação 13 – Taxa de infiltração após alagamento .................................................................... 22

Equação 14 − Infiltração acumulada após alagamento .............................................................. 22

IX

Equação 15 – Pseudotempo. ....................................................................................................... 22

Equação 16 – Infiltração acumulada no instante do alagamento. .............................................. 23

Equação 17 – Tempo de alagamento .......................................................................................... 23

Equação 18 – Equação de FAO Penman-Monteith ..................................................................... 23

Equação 19 – Radiação absorvida. .............................................................................................. 24

Equação 20 – Radiação emitida. ................................................................................................. 24

Equação 21 - Radiação de céu limpo. .......................................................................................... 25

Equação 22 - Radiação extraterrestre. ........................................................................................ 25

Equação 23 - Distância relativa inversa entre a Terra e o Sol. .................................................... 26

Equação 24 - Declinação solar. .................................................................................................... 26

Equação 25 - Ângulo do Sol ao pôr-do-sol. ................................................................................. 26

Equação 26 - Pressão de saturação de vapor média diária. ....................................................... 27

Equação 27 - Pressão de saturação de vapor. ............................................................................ 27

Equação 28 - Pressão de vapor real ............................................................................................ 27

Equação 29 - Temperatura de orvalho ........................................................................................ 28

Equação 30 - Declive da curva de pressão de vapor. .................................................................. 28

Equação 31 - Constante psicrométrica ....................................................................................... 29

Equação 32 - Pressão atmosférica. ............................................................................................. 29

Equação 33 – Evapotranspiração de cultura, com o método de FAO Penman-Monteith .......... 30

Equação 34 – Coeficiente de cultura duplo ................................................................................ 31

Equação 35 – Método numérico para determinação de ....................................................... 32

Equação 36 – Água disponível total ............................................................................................ 33

Equação 37 – Coeficiente de stress hídrico ................................................................................. 33

Equação 38 - Água prontamente disponível ............................................................................... 33

Equação 39 – Ajuste do parâmetro .......................................................................................... 34

Equação 40 – Evapotranspiração da cultura, ajustada ............................................................... 34

Equação 41 – Volume de água percolado ................................................................................... 35

Equação 42 – Tempo de transferência ........................................................................................ 35

Equação 43 – Condutividade hidráulica saturada ajustada ........................................................ 35

Equação 44 – Parâmetro ........................................................................................................ 36

Equação 45 – Volume de água percolado ajustado .................................................................... 36

Equação 46 – Equação universal de perda de solo modificada .................................................. 37

Equação 47 – Caudal de ponta de cheia, calculado pelo método racional ................................. 38

X

Equação 48 – Coeficiente de escorrimento superficial ............................................................... 38

Equação 49 – Intensidade de precipitação ................................................................................. 39

Equação 50 – Fracção da precipitação que ocorre durante o tempo de concentração ............. 39

Equação 51 – fracção da precipitação diária que ocorre durante o tempo de concentração .... 39

Equação 52 – Tempo de concentração ....................................................................................... 40

Equação 53 – Tempo de concentração ....................................................................................... 40

Equação 54 – Factor de erodibilidade do solo ............................................................................ 41

Equação 55 – Relação de comprimento de encosta ................................................................... 44

Equação 56 – Relação de declive de encosta .............................................................................. 44

Equação 57 – Equação Universal de Perda de Solo .................................................................... 45

Equação 58 – EUPSaj .................................................................................................................... 45

Equação 59 – Energia cinética da precipitação ........................................................................... 46

Equação 60 - Condutividade hidráulica saturada........................................................................ 47

Equação 61 – Parâmetro ......................................................................................................... 47

Equação 62 - Densidade aparente do solo .................................................................................. 47

Equação 63 - Capacidade de troca catiónica da argila ................................................................ 48

Equação 64 – Conteúdo de água residual ................................................................................... 49

Equação 65 – Porosidade total.................................................................................................... 49

Equação 66 – Fracção de ar aprisionado num solo saturado (Fonte: Rawls et al., 1989) .......... 49

Equação 67 – Porosidade efectiva .............................................................................................. 50

Equação 68 – Potencial mátrico .................................................................................................. 50

Equação 69 – Potencial capilar médio ........................................................................................ 50

Equação 70 – Equação de Hargreaves-Samani ........................................................................... 51

Equação 71 - Relação entre e . ........................................................................................ 51

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Localização e caracterização do solo das herdades estudadas ................................. 12

Tabela 2 – Análise granulométrica das herdades consideradas ................................................. 12

Tabela 3 – Variáveis e estações meteorológicas consideradas ................................................... 13

Tabela 4 – Parâmetros do modelo de dinâmica da MOS ............................................................ 16

Tabela 5 – MOS inicial para cada Herdade .................................................................................. 16

Tabela 6 - Latitude das herdades. ............................................................................................... 26

Tabela 7 - Valores de , e . ................................................................................................... 29

XI

Tabela 8 - Cota das herdades. ..................................................................................................... 30

Tabela 9 - Duração dos estágios de desenvolvimento de PPSBRL e PN (dias). ........................... 32

Tabela 10 - Valores de para os estágios de desenvolvimento de pastagens ......................... 32

Tabela 11 – Valores do comprimento do declive e do declive ................................................... 40

Tabela 12 – Coeficiente de rugosidade de Manning ................................................................... 41

Tabela 13 – Valor do parâmetro para cada tipo de estrutura de solo ................................... 42

Tabela 14 – Valor do parâmetro para cada tipo de permeabilidade do solo .......................... 42

Tabela 15 – Relação entre a textura e o parâmetro ................................................................ 42

Tabela 16 - Valores de e para cada Herdade ...................................................................... 43

Tabela 17 – Factor para pastagens permanentes e pastagens pobres ................................... 43

Tabela 18 – Relação entre o coeficiente m e o declive s ............................................................ 45

Tabela 19 – Comprimento da encosta, declive, e factor fisiográfico da pastagem em estudo

..................................................................................................................................................... 45

Tabela 20 – Factor de erosividade da precipitação, , para as Herdades estudadas ................. 46

Tabela 21 – Capacidade de troca catiónica para cada pastagem ............................................... 48

Tabela 22 – Data de início e ano final da modelação, para cada Herdade ................................. 52

Índice de Figuras

Figura 1 - Normais climatológicas para Arraiolos (1971-2000) ................................................... 13

Figura 2 – Esquema de cálculo do balanço hídrico ..................................................................... 18

Figura 3 – Volume de controlo .................................................................................................... 18

Figura 4 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a MOS .......... 20

Figura 5 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a Areia ......... 20

Figura 6 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a Argila ........ 20

Figura 7 – MOS média ................................................................................................................. 53

Figura 8 – Coeficiente de cultura para os vários estágios de desenvolvimento. ........................ 54

Figura 9 – Ponto de emurchimento médio ................................................................................. 54

Figura 10 – Capacidade de campo média ................................................................................... 55

Figura 11 – Porosidade efectiva média ....................................................................................... 55

Figura 12 – Água disponível total média ..................................................................................... 55

Figura 13 - Conteúdo de água no solo calculado na Herdade de Monte do Mestre, numa

PPSBRL, no ano de 2004 .............................................................................................................. 57

XII

Figura 14 -Resultados obtidos no Projecto AGRO87, na Herdade de Mestre, de Dezembro de

2003 a Maio de 2005 ................................................................................................................... 57

Figura 15 - Conteúdo de água no solo calculado na Herdade de Monte do Mestre, numa

PPSBRL, no ano de 2004, excluindo a percolação ....................................................................... 57

Figura 16 – Conteúdo de água no solo e altura da frente de humedecimento na Herdade de

Monte do Mestre, numa PPSBRL, no ano de 2004, excluindo a percolação .............................. 58

Figura 17 – Conteúdo de água no solo na Herdade da Cabeça Gorda, no ano de 2001 ............ 58

Figura 18 - Conteúdo de água no solo na Herdade da Cabeça gorda, no ano de 2007 .............. 58

Figura 19 – Conteúdo de água no solo na Herdade de Monte do Mestre, no ano de 2002 ...... 59

Figura 20 – Conteúdo de água no solo na Herdade de Mestre, no ano de 2007 ....................... 59

Figura 21 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Refroias, no ano de 2001....................... 59

Figura 22 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Refroias, no ano de 2008....................... 59

Figura 23 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Cinzeiro e Torre, no ano de 2001 .......... 59

Figura 24 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Cinzeiro e Torre, no ano de 2006 .......... 59

Figura 25 – Condutividade hidráulica saturada média, excluindo a Herdade de Cinzeiro e Torre

..................................................................................................................................................... 60

Figura 26 – Condutividade hidráulica efectiva média, excluindo a Herdade de Cinzeiro e Torre

..................................................................................................................................................... 60

Figura 27 – Escorrimento superficial anual Cabeça Gorda ......................................................... 61

Figura 28 – Escorrimento superficial anual na Herdade de Monte do Mestre ........................... 61

Figura 29 – Escorrimento superficial anual na Herdade de Refroias .......................................... 61

Figura 30 – Escorrimento superficial na Herdade de Cinzeiro e Torre ....................................... 61

Figura 31 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade da Cabeça Gorda ................................ 62

Figura 32 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade de Monte do Mestre .......................... 62

Figura 33 – Factor de erodibilidade no solo na Herdade de Refroias ......................................... 62

Figura 34 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade de Cinzeiro e Torre ............................ 62

Figura 35 – Perda de solo anual Cabeça Gorda ........................................................................... 63

Figura 36 – Perda de solo anual na Herdade de Monte do Mestre ............................................ 63

Figura 37 – Perda de solo anual na Herdade de Refroias ........................................................... 63

Figura 38 – Perda de solo anual na Herdade de Cinzeiro e Torre ............................................... 63

Figura 39 – Perda de solo calculada com a EUPSM, a EUPS e a EUPSaj, nas PPSBRL .................. 64

Figura 40 – Perda de solo calculada com a EUPSM, a EUPS e a EUPSaj, nas PN .......................... 64

Figura 42 – MOS na Herdade da Cabeça Gorda ............................................................................. i

XIII

Figura 43 – MOS na Herdade de Monte do Mestre ....................................................................... i

Figura 44 – MOS na Herdade de Refroias ...................................................................................... i

Figura 45 – MOS na Herdade de Cinzeiro e Torre .......................................................................... i

Figura 46 – Ponto de emurchimento na Herdade da Cabeça Gorda ............................................ ii

Figura 47 – Capacidade de campo na Herdade da Cabeça Gorda ................................................ ii

Figura 48 - Porosidade efectiva na Herdade da Cabeça Gorda ..................................................... ii

Figura 49 – Água disponível total na Herdade da Cabeça Gorda .................................................. ii

Figura 50 – Ponto de emurchimento na Herdade de Monte do Mestre ...................................... ii

Figura 51 – Capacidade de campo na Herdade de Monte do Mestre .......................................... ii

Figura 52 – Porosidade efectiva na Herdade de Monte do Mestre ............................................. iii

Figura 53 – Água disponível total na Herdade de Monte do Mestre ........................................... iii

Figura 54 – Ponto de emurchimento na Herdade de Refroias .................................................... iii

Figura 55 – Capacidade de campo na Herdade de Refroias......................................................... iii

Figura 56 – Porosidade efectiva na Herdade de Refroias ............................................................ iii

Figura 57 – Água disponível total na Herdade de Refroias .......................................................... iii

Figura 58 – Ponto de emurchimento na Herdade de Cinzeiro e Torre .........................................iv

Figura 59 – Capacidade de campo na Herdade de Cinzeiro e Torre .............................................iv

Figura 60 – Porosidade efectiva na Herdade de Cinzeiro e Torre .................................................iv

Figura 61 – Água disponível total na Herdade de Cinzeiro e Torre ...............................................iv

Figura 62 - na Herdade da Cabeça Gorda ................................................................................ v

Figura 63 - na Herdade da Cabeça Gorda ................................................................................ v

Figura 64 - na Herdade de Monte do Mestre ........................................................................... v

Figura 65 - na Herdade de Monte do Mestre .......................................................................... v

Figura 66 - na Herdade de Refroias .......................................................................................... v

Figura 67 - na Herdade de Refroias ......................................................................................... v

Figura 68 - na Herdade de Cinzeiro e Torre .............................................................................vi

Figura 69 - na Herdade de Cinzeiro e Torre ............................................................................vi

XIV

Lista de Acrónimos

ADT - Água disponível total

CAS - Conteúdo de água no solo

CTC - Capacidade de troca catiónica

ES - Escorrimento superficial

EUPS - Equação Universal de Perda de Solos

EUPSaj - Equação Universal de Perda de Solos Ajustada

EUPSM - Equação Universal de Perda de Solo Modificada

FAO - Food and Agriculture Organization

IM - Instituto de Meteorologia

INE - Instituto Nacional de Estatística

MO - Matéria orgânica

MOS - Matéria orgânica do solo

PN - Pastagens naturais

PNF - Pastagens naturais fertilizadas

PPSBRL - Pastagens permanentes semeadas biodiversas ricas em leguminosas

RGA - Recenseamento Geral da Agricultura

SAU - Superfície Agrícola Utilizada

SCS-CN - Soil Conservation Service Curve Number

SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos

SWAT - Soil Water Assessment Tool

USDA -United States Department of Agriculture

Lista de notações

- Albedo

- Código da classe de estrutura do solo

- Taxa de mineralização da MO (ano-1

)

- Fracção da precipitação que ocorre na meia hora de maior intensidade

XV

- Fracção da precipitação diária que ocorre durante o tempo de concentração

- Código da classe de permeabilidade do solo

- Constante psicrométrica (kPa ºC-1

)

- Declinação solar (rad)

- Declive da curva de pressão de vapor (kPa ºC-1

)

- Razão ente o peso molecular do vapor de água e de ar seco

- Conteúdo de água no solo na capacidade de campo (mm3 mm

-3)

- Conteúdo de água no solo no ponto de emurchimento (mm3 mm

-3)

- Conteúdo de água inicial no solo (mm3 mm

-3)

- Conteúdo de água inicial da camada inferior (mm)

- Volume de água percolado (mm)

- Volume de água percolado ajustado (mm)

- Conteúdo de água disponível para percolação (mm)

- Conteúdo de água residual no solo (mm3 mm

-3)

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação (mm3 mm

-3)

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação na camada inferior (mm)

- Calor latente de vaporização (MJ kg-1

)

- Densidade aparente do solo (g mm-3

)

- Constante de Stefan-Boltzmann (MJ K-4

m-2

dia-1

)

- Latitude (rad)

- Porosidade efectiva do solo (mm3 mm

-3)

- Porosidade total (mm3 mm

-3)

- Potencial capilar médio ao longo da frente de humedecimento (mm)

- Ângulo do Sol ao pôr-do-sol (rad)

- Parâmetro proporcional do input de MOS dependente de (ano-1

)

- Área (ha)

- Parâmetro que provoca a diminuição de

- Relação de coberto vegetal

- Parâmetro calculado a partir do teor de areia, argila, MO e da densidade aparente do solo

- Coeficiente do escorrimento

- Calor específico do ar húmido (MJ kg-1

ºC-1

)

- Capacidade de troca catiónica da argila (meq/100g)

- Razão entre a capacidade de troca catiónica da argila e o conteúdo de argila no solo

- Distância relativa inversa entre a Terra e o Sol

- Depleção da camada de solo (mm)

- Energia cinética da precipitação (MJ.ha-1

.mm-1)

- Pressão de saturação de vapor à temperatura T (kPa)

XVI

- Pressão de vapor real (kPa)

- Pressão de saturação de vapor média (kPa)

- Evapotranspiração de referência (mm dia-1

)

- Evapotranspiração da cultura (mm dia-1

)

- Evapotranspiração da cultura ajustada (mm)

- Taxa de infiltração (mm h-1

)

- Volume infiltrado (mm)

- Fracção de ar aprisionado num solo saturado

- Volume infiltrado no instante do alagamento (mm)

- Densidade de fluxo de calor no solo (MJ m-2

dia-1

)

- Constante solar (MJ m-2

min-1

)

- Humidade relativa média diária (%)

- Taxa de precipitação (mm h-1)

- Precipitação diária (mm)

- Volume de precipitação que ocorreu durante o tempo de concentração (mm)

- Taxa de precipitação no instante do alagamento (mm h-1

)

- Intensidade da precipitação (mm h-1

)

- Número do dia do ano

- Factor de erodibilidade do solo (t h MJ mm-1

)

- Coeficiente de cultura

- coeficiente no estágio de desenvolvimento

- Coeficiente de cultura no estágio inicial

- Coeficiente no estágio final

- Coeficiente no estágio inicial

- Coeficiente no estágio médio

- Coeficiente basal de cultura

- Coeficiente de cultura do dia .

- Condutividade hidráulica efectiva (mm h-1

)

- Coeficiente de evaporação do solo

- Input de MOS (% ano-1

)

- Input de MOS dependente do sistema de pastagem (% ano

-1)

- Condutividade hidráulica saturada (mm h-1

)

- Condutividade hidráulica ajustada (mm h-1

)

- Coeficiente de stress hídrico

- Comprimento da encosta (m)

- Relação de comprimento de encosta

- Comprimento do declive (m)

- Duração do estágio de desenvolvimento (dia).

XVII

- Factor fisiográfico do solo

- Parâmetro de tamanho das partículas, definido como (% limo e areia muito fina) x (100 - %

argila)

- Coeficiente de rugosidade de Manning

- Potencial mátrico do solo (mm)

- Relação de prática agrícola

’ - Pressão atmosférica (kPa)

- Fracção de ADT que a cultura pode extrair sem sentir stress hídrico

- Escorrimento superficial (mm ha-1

)

- Caudal de ponta de cheia (m3 s

-1)

- Factor de erosividade da precipitação (mm ha-1

h-1

)

- Radiação extraterrestre (MJ m-2

dia-1

)

- Balanço de radiação (MJ m-2

dia-1

)

- Radiação emitida (MJ m-2

dia-1

)

- Radiação solar absorvida pela cultura (MJ m-2

dia-1

)

- Radiação solar (MJ m-2

dia-1

)

- Radiação solar de céu limpo (MJ m-2

dia-1

)

- Declive da encosta (%)

- Tempo

- Tempo de concentração (h)

- Tempo de concentração do escorrimento superficial (h)

- Tempo até ocorrer alagamento (h)

- Pseudotempo (h)

- Temperatura (°C)

- Temperatura média diária (ºC)

- Temperatura máxima diária (ºC)

- Temperatura mínima diária (ºC)

- Temperatura de orvalho (ºC)

- Tempo de transferência (h)

- Velocidade do vento a 2 metros de altura (m s-1

)

- Velocidade do escorrimento superficial (m s-1

)

- Cota da estação meteorológica (m)

- Altura da frente de humedecimento (mm)

- Profundidade da camada de solo (m)

1

1 INTRODUÇÃO

As pastagens permanentes semeadas biodiversas ricas em leguminosas (PPSBRL) são uma

inovação nacional na área da Engenharia da Biodiversidade introduzida pelo Eng. David

Crespo nos anos 70. Estas pastagens são compostas por uma mistura de até 20 espécies ou

variedades de gramíneas, leguminosas e outros grupos funcionais. A presença de leguminosas

na mistura de espécies semeadas elimina a necessidade de adubação com azoto, uma vez

que este grupo de plantas tem a capacidade de fixar azoto atmosférico, transferindo-o para o

solo e tornando-o disponível para os outros grupos. A biodiversidade de plantas permite que as

espécies melhor adaptadas prosperem em cada zona, contornando o problema da grande

heterogeneidade do solo observada nos campos utilizados como pastagens (Rodrigues, 2008).

A definição de pastagem permanente considerada neste trabalho é a adoptada no nº2 do artigo

2º do Regulamento (CE) nº796/2004 e inclui as “terras ocupadas com ervas ou outras

forrageiras herbáceas, quer semeadas quer espontâneas, por um período igual ou superior a

cinco anos e que não estejam incluídas no sistema de rotação da exploração, com excepção

das terras sujeitas a regimes de retirada obrigatória da produção”. Nesta definição estão

incluídas as pastagens espontâneas pobres, as pastagens espontâneas melhoradas e as

pastagens semeadas.

Em Portugal, de acordo com o Recenseamento Geral da Agricultura (RGA) de 2009 (INE,

2011), a superfície agrícola utilizada (SAU) ascendia a 3 542 305 ha no território continental. A

superfície utilizada por pastagens permanentes corresponde a 47,4% desta área. O RGA refere

ainda que apenas cerca de um quarto desta área é ocupada por pastagens semeadas ou

melhoradas. Comparando com o RGA de 1999 (INE, 2001), observa-se que a superfície de

pastagens permanentes aumentou 27% nestes dez anos, apesar de a SAU ter sofrido uma

redução de 6%.

A área estimada de PPSBRL é de, pelo menos, cerca de 85 400 ha, considerando que o

Projecto Extensity dava conta, em 2008, de mais de 50 000 ha e que o Projecto Terraprima,

financiado pelo Fundo Português de Carbono1, contribuiu, desde 2009, com cerca de 27 000ha

e que as projecções de vendas da maior empresa fornecedora de misturas de sementes

apontam para uma área adicional de cerca de 8 400 ha. Todavia, tal como era referido no

Projecto Extensity, o potencial de expansão deste sistema é de 300 000 ha. A dimensão da

superfície ocupada por PPSBRL, cujos potenciais efeitos benéficos no solo são abaixo

descritos, justifica assim o estudo alargado dos efeitos ambientais desta ocupação do solo.

As pastagens espontâneas, ou naturais (PN), as pastagens naturais fertilizadas (PNF) e as

PPSBRL foram alvo de estudos comparativos no âmbito dos Projectos AGRO 71 e Agro 87,

realizados de 1997 a 2004 e de 2001 a 2004, respectivamente. Estes projectos foram

1Fonte: http://consumidores.extensity.pt/130/projecto-das-pastagens.htm

2

promovidos pela Estação Nacional de Melhoramento de Plantas, pela Fertiprado e pelo

Laboratório Químico Agrícola Rebelo da Silva e financiados pelo Ministério da Agricultura, Mar,

Ambiente e Ordenamento do Território. Os dados obtidos por estes projectos permitiram

concluir que as PPSBRL promovem um maior aumento de matéria orgânica do solo (MOS) e

apresentam maior produtividade do que as PN, o que lhes permite suportar maiores

encabeçamentos (Rodrigues, 2008).

A MOS contém cerca de 58% de carbono na sua constituição, que provém maioritariamente de

resíduos orgânicos, que por sua vez foram produzidos a partir do carbono atmosférico fixado

durante a fotossíntese. Assim, através da MOS, o solo actua como reservatório de carbono, o

que motivou o estudo do sequestro de carbono nos três sistemas em Teixeira (2010) e Teixeira

et al. (2011). Nestes estudos foram desenvolvidos modelos que simulam a dinâmica da MOS

nas pastagens, recorrendo aos dados recolhidos no âmbito dos Projectos AGRO referidos. De

forma concordante com o que se tinha verificado empiricamente nestes projectos, demonstrou-

se que, a longo prazo, o teor de MOS em PPSBRL será superior ao de PN e de PNF. Os três

sistemas de pastagens são compostos por plantas anuais, cujas raízes são renovadas

anualmente, contribuindo para a entrada de MO no solo. Assim, a elevada produtividade das

PPSBRL explica porque é maior o aumento de MOS neste sistema. Concluiu-se também que a

fertilização de pastagens naturais não traz benefícios no sequestro de carbono, uma vez que a

dinâmica da MOS em PNF e em PN é igual.

A MOS influencia algumas propriedades do solo relevantes para as culturas agrícolas, como a

densidade, a porosidade e a capacidade de troca catiónica (CTC), que por sua vez influenciam

a capacidade de retenção da água por parte do solo. Tem também a capacidade de aglutinar

as partículas do solo, potenciando a formação de agregados e aumentando a sua estabilidade.

Num solo desagregado, as partículas são mais facilmente arrastadas pelo escorrimento

superficial, pelo que a MOS potencia a diminuição da perda de solo. O impacto das gotas de

chuva pode levar à destruição dos agregados e subsequente formação de uma crosta

superficial, que diminui a infiltração, aumentando o escorrimento superficial e, assim, a perda

de solo. A presença de agregados mais estáveis diminui a formação de crostas superficiais,

aumentando a taxa de infiltração do solo.

Portugal apresenta, em quase toda a sua superfície territorial, um risco de erosão hídrica do

solo bastante elevado (EEA, 2004), teores de MOS baixos (EEA, 2010) e um regime de

precipitação muito variável ao longo do ano, que concentra os eventos pluviosos em alguns

meses do ano. Estes factos tornam muito importante o estudo e adopção de medidas que

contribuam para a protecção do solo, nomeadamente a escolha de ocupações de solo que

minimizem a sua perda.

O objectivo desta tese é completar o conhecimento sobre PPSBRL adquirido nos estudos

referidos anteriormente com o estudo comparativo do balanço hídrico e da perda de solo em

PPSBRL e em PN, sendo o elemento diferenciador principal dos dois sistemas o teor de MOS

3

e a sua evolução no tempo. Escolheu-se estudar o balanço hídrico e a perda de solo no

mesmo trabalho porque as duas questões estão relacionadas: para além do facto já referido da

precipitação e do escorrimento superficial serem responsáveis pela desagregação e transporte

das partículas de solo, a perda de solo provoca a perda de MOS e de nutrientes, afectando a

vegetação, o que, por sua vez, altera o valor da evapotranspiração, alterando assim o balanço

hídrico.

O balanço hídrico será modelado recorrendo à Equação de Green e Ampt, no que diz respeito

à infiltração ao longo do perfil do solo e à formação de escorrimento superficial, e à Equação de

FAO Penman-Monteith para o cálculo da evapotranspiração. A percolação2 será modelada

recorrendo ao método utilizado nos softwares WEPP - Water Erosion Prediction Project e

SWAT - Soil and Water Assessment Tool.

A perda de solo irá ser calculada através da Equação Universal de Perda de Solos Modificada,

que admite como variável o escorrimento superficial. Esta variável terá como valor o resultado

obtido na modelação do balanço hídrico.

O estudo irá incidir em quatro herdades que foram alvo de estudo no Projecto AGRO 87 (Abreu

et al., 2005) e no trabalho de Teixeira et al. (2011). Será utilizado o modelo da dinâmica de

MOS desenvolvido por Teixeira et al. (2011) e recorrer-se-á a dados climáticos disponibilizados

pelo Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos (SNIRH).

2 Infiltração de água em solo não saturado, sujeita à acção da gravidade.

4

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Neste capítulo definem-se aspectos teóricos importantes para o desenvolvimento do trabalho e

apresenta-se de forma mais pormenorizada a relação entre a MOS, o balanço hídrico e a perda

de solo.

2.1 Propriedades físicas do solo

Solo é definido em USDA (1999) como um corpo natural composto por sólidos, líquidos e

gases, que é caracterizado por ter horizontes, ou camadas, distinguíveis do material inicial e/ou

ter a capacidade de suportar plantas com raízes, num ambiente natural. A sua formação

depende de factores como o clima, a actividade biológica, o relevo e a rocha-mãe. O processo

de formação de um solo está, em situações naturais, em equilíbrio com os processos de

degradação, o que leva ao desenvolvimento de um perfil de solo, com os vários horizontes que

o caracterizam.

A textura do solo é definida como a proporção relativa dos vários componentes minerais do

solo, que por sua vez são classificados de acordo com classes de diâmetro: a areia, com

diâmetros entre 2mm e 0,02mm; a argila, formada por partículas com diâmetros entre 0,02mm

e 0,002mm;e o limo, cujo diâmetro é menor do que 0,002mm (Botelho da Costa, 2004).

A matéria orgânica do solo é qualquer material com origem orgânica que esteja presente no

solo e que é submetido a um processo de decomposição (Bot et al., 2005). O conteúdo da

MOS depende da taxa de adição e da taxa de mineralização, sendo que esta última depende,

entre outros factores, da temperatura, da humidade do solo e do oxigénio do solo.

A estrutura do solo refere-se ao arranjo espacial das partículas e dos espaços vazios no solo

(Lal, 2005). As partículas podem formar agregados, o que influencia a disposição e tamanho

dos poros no solo. A influência da textura na porosidade está relacionada precisamente com os

diferentes diâmetros das partículas, mas também com a diferente capacidade de formar

agregados. A influência da MOS traduz-se numa maior capacidade de agregação do solo e no

aumento da sua porosidade.

A densidade é a razão entre a massa de uma amostra de solo e o seu volume. Se for

considerado o volume apenas ocupado pelas partículas sólidas, obtém-se a densidade real,

mas se se somar o volume dos poros, obtém-se a densidade aparente (Botelho da Costa,

2004). A densidade aparente pode ser utilizada para avaliar a estrutura do solo e o seu

arejamento. Quando se avalia a variação da densidade de um solo há que ter em conta que a

existência de poros diminui a sua densidade, mas os agregados existentes no solo, que

influenciam a sua porosidade, podem ter sofrido compactação.

5

2.2 O balanço hídrico do solo e a MOS

O balanço hídrico de um solo pode ser representado pela Equação 1, adaptado de Allen et al.

(1998). O balanço hídrico de um solo agrícola está intimamente dependente das condições

meteorológicas, das características do solo e também da vegetação existente.

Equação 1 – Balanço hídrico diário de um solo

Desta forma representado, o balanço hídrico assume que não existem movimentos horizontais

de água na camada de solo considerada.

A precipitação pode assumir a forma de chuva, granizo, neve, geada e orvalho. A irrigação é

utilizada quando a água precipitada não é suficiente para compensar a água perdida por

evapotranspiração (Allen et al. 1998). A entrada de água à superfície do solo e o subsequente

movimento vertical através dos poros do solo designa-se infiltração. Quando a taxa de

precipitação é superior à taxa de infiltração, ocorre escorrimento superficial.

A ascensão capilar é o movimento vertical de água contrário ao sentido da força da gravidade,

de uma zona saturada do solo para uma zona não saturada. Esta água pode estar disponível

para a evapotranspiração. A influência deste termo no balanço hídrico do solo depende da

profundidade da zona saturada, ou nível freático.

A evapotranspiração engloba as perdas de água para a atmosfera, sob a forma de vapor,

decorrentes da transpiração das plantas e da evaporação da água presente no solo. Este

termo é influenciado pela radiação solar, velocidade do vento, temperatura e humidade do ar.

O conteúdo de água no solo (CAS) é um factor limitante da evapotranspiração: esta só ocorre

até se atingir o ponto de emurchimento3.

O cálculo da evaporação e transpiração em separado é bastante mais difícil do que o cálculo

da evapotranspiração, mas sabe-se que os dois termos contribuem de maneira diferente ao

longo do crescimento da planta (Allen et al. 1998). Estando a evaporação do solo bastante

dependente da radiação solar, é natural que esta diminua com o crescimento da planta e

subsequente aumento da área de sombra no solo. A transpiração das plantas também

depende de factores climáticos, mas varia com a cultura e o seu estágio de desenvolvimento.

A retenção de água no solo é devida ao efeito de duas forças: adesão, que é a atracção das

moléculas de água pelas partículas de solo, e coesão, ou atracção das moléculas de água por

3 O ponto de emurchimento é definido como o volume de água presente no solo quando o potencial mátrico do

solo é de -1500kPa (Lal, 2005).

6

si próprias (Lal, 2005). Estas forças opõem-se ao efeito da gravidade, que provoca a

percolação.

No ponto de emurchimento, as forças de adesão e de coesão são as responsáveis pela

retenção de água no solo, que se encontra adsorvida na superfície das partículas do solo. As

partículas dos solos com textura grosseira têm uma área superficial menor do que no caso dos

solos mais finos, o que explica porque razão os últimos retêm mais água neste ponto. A MO

aumenta a área superficial das partículas, o que se traduz num aumento da capacidade de

retenção da água neste ponto (Khaleel, 1981).

Na capacidade de campo4, a retenção da água depende da porosidade do solo e do diâmetro

dos poros: quanto menor o diâmetro do poro maior a tensão necessária para o drenar. Ao

alterar a estrutura do solo, a MO está também a alterar a distribuição e o diâmetro dos poros,

verificando-se um aumento no número de micro-poros. O aumento da MOS aumenta assim o

volume de água retido na capacidade de campo.

A diferença entre os conteúdos de água na capacidade de campo e no ponto de emurchimento

é definida como a água disponível para as plantas. Para haver uma alteração no volume de

água disponível para as plantas, o aumento nos dois pontos não poderá ser igual. Rawls

(2004) afirma que a variação do conteúdo de água na capacidade de campo é superior à

variação observada no ponto de emurchimento. Este autor observou também que a influência

da MOS na retenção da água pelo solo depende da textura do solo e do conteúdo inicial de

MOS. Assim, em solos com um teor inicial de MOS baixo, o seu aumento conduz ao aumento

da retenção de água em solos com textura grosseira, mas o contrário é observado em solos

com textura fina. Se o teor inicial de MOS for elevado, o seu aumento conduz a um aumento na

retenção de água em todas as texturas.

O conteúdo inicial de água no solo é um factor importante na infiltração, já que define o

gradiente do potencial mátrico existente entre a superfície do solo e no seu interior. Para

conteúdos de água baixos, o gradiente é alto e a infiltração é favorecida, observando-se

valores de taxa de infiltração altos. A taxa de infiltração diminui assimptoticamente com o

aumento do conteúdo de água no solo e, consequentemente, com a diminuição do gradiente

do potencial mátrico. O valor mínimo é, assim, atingido quando o solo está saturado e

corresponde ao valor da condutividade hidráulica saturada do solo. Por definição, um solo

saturado tem todos os seus poros preenchidos com água e conteúdo de água neste ponto

corresponde à porosidade total do solo. No entanto, observa-se que ocorre aprisionamento de

ar no solo e o conteúdo de água presente num solo saturado corresponde à porosidade

efectiva, calculada para ter em conta este efeito.

4 A capacidade de campo é definida como o volume de água presente no solo quando o potencial mátrico é de -

33kPa.

7

A condutividade hidráulica saturada depende da porosidade do solo, que, por sua vez,

depende da textura e da MOS. Os solos mais grosseiros têm condutividades superiores e o

aumento da porosidade favorece o movimento da água no solo.

Na Equação 1, a percolação corresponde ao volume de água que abandona a camada de solo

considerada, podendo ir alimentar o aquífero, caso exista. A percolação só ocorre quando o

conteúdo de água no solo é superior à capacidade de campo.

2.3 A erosão e a MOS

A erosão do solo é o processo de desagregação de partículas por um agente erosivo, como o

vento e a água, e o seu transporte para outro local (Lal, 2005). Este é um processo natural,

sem impacto negativo quando a sua taxa é inferior à taxa de formação do solo. O coberto

vegetal protege o solo dos agentes erosivos, diminuindo a erosão. No entanto, algumas

actividades humanas podem aumentar a taxa de erosão, o que se reflecte numa diminuição da

espessura do solo, situação considerada irreversível, tendo em conta a escala temporal

humana.

No que diz respeito à erosão hídrica, a desagregação das partículas ocorre devido ao impacto

das gotas de chuva. A intensidade da precipitação é assim um factor importante neste

processo, uma vez que é um indicador da energia libertada. O transporte das partículas

desagregadas é feito através do escorrimento superficial e, neste caso, as propriedades

hidráulicas do solo são preponderantes, nomeadamente a taxa de infiltração, uma vez que

ditam a formação de escorrimento superficial.

O escorrimento superficial ao longo de uma encosta pode ocorrer de duas formas: através de

fluxo laminar ou de fluxo por sulcos, caracterizado pela concentração do escorrimento e

dependente da irregularidade do terreno. O declive do terreno influencia a velocidade do

escorrimento superficial (Eng. Eugénio Sequeira, comunicação pessoal).

A energia necessária para desagregar o solo é tanto maior quanto mais estáveis forem os

agregados do solo. Como já foi referido, a capacidade que um solo tem de formar agregados

depende da sua textura e o aumento de MOS aumenta a estabilidade dos agregados,

diminuindo a erodibilidade do solo. Os efeitos da MOS no balanço hídrico do solo afectam,

assim, directamente a erosão hídrica, que está dependente do escorrimento superficial.

8

3 ESTADO DA ARTE

A utilização de modelos é uma das formas mais rápidas e economicamente eficientes de

estudar problemas complexos. Permitem a comparação de diferentes cenários, auxiliando a

tomada de decisão. Todavia, um modelo é uma simplificação da realidade e tem sempre um

erro associado que tem de ser tido em devida conta na interpretação dos resultados.

Os modelos são classificados de acordo com a maneira como simulam a realidade. Estes

podem ser modelos mecanísticos, construídos recorrendo a uma base física, que se reflecte

nas equações matemáticas utilizadas. Podem também ser modelos empíricos, que são

construídos recorrendo ao ajustamento de valores obtidos experimentalmente. Os modelos

empíricos são, geralmente, menos complexos e necessitam de um número menor de variáveis.

No entanto, os parâmetros destes modelos não têm significado físico, pelo que se torna

necessário calibrar o modelo, ajustando-o ao local que se pretende estudar. Teoricamente, os

modelos mecanísticos não têm esta restrição, precisamente porque os seus parâmetros têm

uma base física, podendo ser adaptados ao local recorrendo às suas propriedades (Wilcox et

al. 1990). Observa-se, no entanto, que os modelos não costumam enquadrar-se em nenhum

destes extremos, podendo os modelos empíricos ser desenvolvidos recorrendo a alguma lógica

física, tal como os modelos mecanísticos recorrem à estimativa de parâmetros que não se

encontram disponíveis (Wilcox et al. 1990; Ranatunga et al. 2008).

Neste capítulo apresentam-se alguns dos modelos utilizados na modelação do balanço hídrico

e da erosão. A pesquisa bibliográfica realizada não pretendeu ser exaustiva, mas sim centrar-

se nos modelos mais utilizados, mais consensuais e/ou mais recentes.

Os modelos apresentados neste capítulo são os que permitem calcular os termos do balanço

hídrico apresentado na Equação 1, com excepção da ascensão capilar, que não foi modelada

neste trabalho. É referido em Allen et al. (1998) que se pode assumir que a ascensão capilar é

zero quando o nível freático se encontra a mais de um metro de profundidade, o que.

O software WEPP – Water Erosion Prediction Project (Flanagan et al. 1995) utiliza um modelo

para o cálculo do conteúdo de água no solo para valores de potencial mátrico de -33kPa e

-1500kPa, que correspondem à capacidade de campo e ao ponto de emurchimento,

respectivamente. Este é um modelo empírico, construído recorrendo a uma regressão

estatística, que relaciona o conteúdo de água com a granulometria, a MOS, a densidade e a

capacidade de troca catiónica (CTC).

No que diz respeito à infiltração e ao escorrimento superficial, os modelos de cálculo mais

frequentemente citados na literatura, como por exemplo em ASCE (1996), Baxter (2004) e

Beven (2001), são o SCS Curve Number (USDA, 2004) e a Equação de Green e Ampt (Green,

9

et al. 1991). O software SWAT (Neitsch et al., 2009) permite a utilização de ambos no cálculo

do escorrimento superficial, enquanto o WEPP recorre apenas à Equação de Green e Ampt.

O SCS-CN (Soil Conservation Service Curve Number) é um método empírico de cálculo do

escorrimento superficial desenvolvido em 1964 pelo Serviço de Conservação de Solos (Soil

Conservation Sevice – SCS), actualmente designado por Serviço de Conservação de Recursos

Naturais (Natural Resources Conservation Service), uma agência do United States Department

of Agriculture (USDA). Este modelo considera a cobertura do solo, incluindo a cultura, o seu

maneio e a condição hidrológica, o grupo hidrológico em que se insere o solo e a precipitação

antecedente. Os grupos hidrológicos do solo classificam-no de acordo com o potencial de

formação de escorrimento, com a textura e com a condutividade hidráulica (saturada), havendo

quatro classes. Este método não tem em conta a intensidade da precipitação, factor bastante

importante para a formação de escorrimento superficial. Para além desta limitação, não é

possível diferenciar solos através do conteúdo em MO.

A equação de Green e Ampt foi proposta em 1911, usando a Lei de Darcy5. Neste modelo

considera-se que ocorre infiltração numa coluna de solo homogéneo na vertical, cuja humidade

está uniformemente distribuída, estando a superfície do solo alagada. O modelo assume que o

solo fica completamente saturado à medida que a água se infiltra, existindo uma

descontinuidade no valor da humidade do solo, ao longo do perfil vertical de solo. O modelo de

Green e Ampt assume que a altura de água acima da superfície do solo é negligenciável. O

volume de controlo deste modelo é a altura da frente de humedecimento, o que significa que o

volume de controlo varia ao longo do evento de precipitação. A simplicidade deste modelo

garantiu-lhe notoriedade, mas o seu campo de aplicação é bastante limitado, não permitindo a

modelação da infiltração em casos mais complexos. Assim, alguns autores estenderam a

aplicabilidade do modelo ao introduzir alterações que permitiram simular a infiltração em solos

heterogéneos, com diferentes perfis horizontais e em casos de precipitação constante e de

precipitação variável (Jia et al. 1997). Apesar de este modelo não considerar explicitamente a

MOS, é possível introduzir esta variável na estimativa da condutividade hidráulica efectiva e do

potencial mátrico. Rawls et al. (1989) estimou estes parâmetros a partir da textura e da MOS,

especificamente para solos de pastagens.

No que diz respeito à percolação, considere-se, por exemplo, a forma como é calculada pelo

SWAT. Este software calcula a percolação se o conteúdo de água exceder a capacidade de

campo e se a camada de solo inferior não estiver saturada.

5 A Lei de Darcy diz que o caudal, ( ), num meio poroso, é proporcional à permeabilidade, ( ), à área

de secção, ( ) e ao gradiente de pressão, ( ), e pode apresentar a seguinte forma:

10

O software WEPP também utiliza este método, mas considera que o fluxo de água ao longo da

camada de solo pode ser diminuído se a camada se encontrar próxima da capacidade de

campo apresentando um método para ajustar a condutividade hidráulica saturada. O volume de

água percolado é também ajustado, tendo em conta o conteúdo de água da camada inferior.

Os métodos de cálculo da evapotranspiração podem depender apenas de variáveis climáticas

ou incluir parâmetros que diferenciam o comportamento das culturas. A Equação de Penman-

Monteith inclui-se neste caso, tal como a Equação FAO Penman-Monteith, que é o método

recomendado pela FAO – Food and Agriculture Organization e descrito em Allen et al. (1998).

O primeiro é um método de cálculo da evapotranspiração potencial6, que incorpora a energia

necessária para a evaporação e factores de resistência aerodinâmica e de superfície.

Necessita de dados de radiação solar, temperatura, humidade e de velocidade do vento.

A Equação FAO Penma-Monteith obtém-se quando se aplica a Equação de Penman-Monteith

a uma superfície de referência, que consiste numa cultura hipotética com uma altura de 0,12m,

uma resistência de superfície de 70sm-1

e um albedo de 0,23, com disponibilidade de água

infinita. Com este método é possível calcular a evapotranspiração de uma cultura concreta

recorrendo a coeficientes de cultura, que são multiplicados pela evapotranspiração da cultura

de referência. São apresentados coeficientes de cultura tabelados para diferentes culturas e

estados de desenvolvimento, bem como métodos para adaptar os coeficientes às condições

climáticas do local a estudar. Este método considera também a disponibilidade de água como

factor limitante, recorrendo ao ponto de emurchimento e à capacidade de campo. A

evapotranspiração é diminuída quando o solo se encontra em stress hídrico, condição que

varia com a cultura.

Outro método de cálculo da evapotranspiração potencial é o método de Priestley-Taylor

(Priestley et al., 1972), que adaptou a Equação de Penman-Monteith, retirando o factor de

resistência aerodinâmica e multiplicando a componente energética por um coeficiente, aplicável

a casos em que o solo se encontra húmido. Refere-se também o método de Hargreaves

(Hargreaves et al., 1985), que necessita apenas de dados de temperatura e de radiação como

input.

A modelação da erosão pode ser feita por modelos empíricos ou por modelos mecanísticos. No

entanto, a aplicação de um modelo mecanístico iria envolver um conhecimento alargado sobre

a cartografia dos locais a estudar, para o cálculo do transporte e da deposição dos sedimentos.

Sabendo à partida que não será possível aplicar um modelo mecanístico, descrevem-se

apenas modelos empíricos, nomeadamente a Equação Universal e Perda de Solo (EUPS) e a

6 Evapotranspiração potencial é definida como a evapotranspiração que ocorreria numa área coberta

uniformemente por vegetação e com acesso ilimitado a água, não estando exposta a processos de advecção e de armazenamento de calor (Thornthwaite, 1948, cit in. Neitsch et al, 2009).

11

Equação de Perda de Solo Modificada (EUPSM), que, tal como o nome indica, resultou de uma

modificação da EUPS.

A EUPS é uma referência na modelação da erosão hídrica do solo. Foi apresentada em 1965

por Wischmeier e Smith (Wischmeier et al, 1978) e permite calcular valores médios de perda

de solo. A erosão é calculada através do produto de vários factores que reflectem o tipo de

cultura e as práticas de gestão do solo. As variáveis que influenciam a erosão do solo mudam

entre dois eventos de precipitação e essa mudança não é considerada nos valores tabelados,

razão pela qual o cálculo da perda de solo como resultado de um evento isolado é menos

preciso do que o cálculo de valores médios de perda de solo em períodos de tempo mais

longos.

Em Tomás et al. (1993) apresentam-se os resultados da calibração da EUPS para Portugal,

tendo-se concluído que a EUPS original previa a perda de solo por excesso. É proposta uma

equação para ajustar a EUPS, mas que resulta da aplicação a um solo e a uma região em

Portugal, alertando-se para a impossibilidade de prever a validade da equação noutras

situações edáficas.

A EUPSM foi apresentada por Williams (1975) e consiste numa versão modificada da EUPS.

Esta versão substitui o factor de erosividade da precipitação, , pelo escorrimento superficial e

pelo caudal de ponta de cheia, que representam a energia utilizada na desagregação e no

transporte das partículas de solo. Verificou-se um aumento na precisão do cálculo da produção

de sedimentos (Neitsch et al., 2009) e passou a ser possível aplicar a equação a um evento

pluvioso.

12

4 CARACTERIZAÇÃO DOS LOCAIS ESTUDADOS

O trabalho irá incidir em quatro herdades estudadas no âmbito do projecto Agro 87. Destas,

uma localiza-se no Ribatejo e as restantes localizam-se no Alentejo.

A sua localização e a caracterização do solo encontram-se na Tabela 1. Na Tabela 2

apresenta-se a análise granulométrica do solo das herdades, considerando o valor médio dos

pontos obtidos no âmbito do Projecto Agro 87 para os primeiros 10 cm de solo.

Tabela 1 – Localização e caracterização do solo das herdades estudadas

Nome Localização Material original

do solo Textura

Herdade da Cabeça Gorda Vaiamonte Gneisse Franco-arenosa

Herdade Monte do Mestre São Vicente e Ventosa Calcário Franco-argilo-

arenosa

Herdade de Refróias Cercal do Alentejo Xisto Franco-argilosa

Herdade Cinzeiro e Torre Coruche Arenito Areno-franca

(Fonte: Projecto AGRO87)

Tabela 2 – Análise granulométrica das herdades consideradas

Nome Análise granulométrica (%)

Areia Limo Argila

Herdade da Cabeça Gorda 63,1 19,8 17,2

Herdade Monte do Mestre 55,8 19,8 24,5

Herdade de Refroias 43,7 22,9 33,5

Herdade Cinzeiro e Torre 88,1 4,5 7,5


Na Figura 1 apresentam-se normais de temperatura e precipitação para Arraiolos, para uma

caracterização genérica do clima na área de estudo considerada. A temperatura média é mais

alta nos meses de Verão, quando se regista menor precipitação mensal.

As variáveis climáticas utilizadas na modelação são as apresentadas na Tabela 3 e os dados

utilizados provêm de estações pertencentes à rede do INAG, que os disponibiliza através do

SNIRH. As estações foram escolhidas, em primeiro lugar, tendo em conta a sua proximidade

com as localidades e, em segundo lugar, tendo em conta a existência de valores nos anos em

questão.

13

Verificou-se que as séries temporais das estações meteorológicas escolhidas possuíam falhas

pontuais, tendo sido feita a estimativa dos dados em falta, a partir de informação de outras

estações, tal como está descrito na secção 5.5.

(Fonte: SNIRH)

Figura 1 - Normais climatológicas para Arraiolos (1971-2000)

Tabela 3 – Variáveis e estações meteorológicas consideradas

Nome

Estações meteorológicas

Precipitação

horária

Vento médio

diário

Humidade

Relativa

Radiação

diária Temperatura

Herdade da

Cabeça Gorda Cabeço de Vide (19L/01UG)

Campo Experimental do Crato (18K/01C)

Herdade Monte do

Mestre Caia (20O/02UG) Albufeira do Caia (19O/02F)

Herdade de

Refroias Cercal do Alentejo (27E/01UG) Barragem de Campilhas (26F/02C)

Herdade Cinzeiro

e Torre Coruche (20F/01UG) Barragem de Magos (20E/01C)

14

5 METODOLOGIA

A selecção dos modelos utilizados neste trabalho em detrimento de outros foi feita segundo a

adequação do modelo face ao problema proposto e à disponibilidade de dados iniciais.

Também se teve em conta o consenso, entre a comunidade científica, relativamente à precisão

dos resultados por eles gerados.

O objectivo deste trabalho é comparar os termos do balanço hídrico e a perda de solo nos dois

sistemas de pastagem de forma a concluir qual dos dois é mais favorável para o solo em

relação a estes dois aspectos. A simulação começou no ano de 2001 e o ano final foi escolhido

em função dos dados climáticos disponíveis, mas o período de tempo considerado nunca é

inferior a seis anos.

A aplicação de alguns dos modelos escolhidos implicou a definição de dimensões do local em

estudo. Assim, definiu-se que cada herdade teria a forma de um quadrado com 100m de lado,

perfazendo 1 ha de área. O declive é homogéneo, de 10%.

5.1 Modelação da MOS

O parâmetro central nesta análise é a MOS, dada a influência já devidamente justificada sobre

a erosão e o balanço hídrico. A MOS foi modelada recorrendo ao modelo desenvolvido por

Teixeira (2011), que diferencia a dinâmica da MO nas PPSBRL e em PN e estima valores

anuais de MOS.

A dinâmica da MOS nas PPSBRL e nas PN foi objecto de estudo em Teixeira et al. (2011),

tendo sido construído um modelo a partir de valores de MOS nas propriedades referidas no

capítulo 4. No modelo proposto considera-se um passo temporal de um ano e não existe

variação espacial da MOS. Assim, só ao fim do ano civil irá haver alteração no conteúdo de

MOS.

O modelo foi construído a partir de um balanço de massa simples, que considera que a

variação de MOS é resultado do input de MO menos a mineralização da mesma, como na

Equação 2. A MOS apresenta-se em pontos percentuais, que representam a massa de MOS

por 100 g de solo (gMOS/100 gsolo).

Equação 2 – Balanço de massa da MOS

15

Onde:

- Ano.

- Conteúdo de MOS no ano (%).

- Input de MOS (% ano-1

).

- Taxa de mineralização da MO (ano-1

).

A solução desta equação é obtida com uma integração entre e , como na Equação 3. A

equação obtida indica que a dinâmica da MOS segue uma forma exponencial saturada e, a

longo prazo, atinge o equilíbrio.

Equação 3 – Solução do balanço de massa da MOS

Teixeira et al. (2011) afirmam que reflecte não só o sistema de pastagem como o conteúdo

inicial de MOS, . Assim, este parâmetro foi dividido em duas partes, uma constante, que

depende do tipo da pastagem, e a outra que varia com , como na Equação 4.

Equação 4 – Input de MOS

Onde:

- Input de MOS dependente do sistema de pastagem (% ano

-1).

- Parâmetro proporcional do input de MOS dependente de (ano-1

).

- Conteúdo inicial de MOS (%).

Substituindo a Equação 4 na Equação 3 obtém-se a expressão geral do modelo da dinâmica

da MOS em pastagens, apresentado na Equação 5. Os parâmetros do modelo foram obtidos

por regressão estatística passo a passo e pelo método dos mínimos quadrados, utilizando o

software SPSS Statistics 17.0 e encontram-se na Tabela 4. O intervalo temporal escolhido para

a aplicação desta equação tem em conta a razoabilidade dos valores de MOS devolvidos.

Equação 5 – Modelo da dinâmica de MO em pastagens

Onde:

- Conteúdo de MOS no ano .

16

Tabela 4 – Parâmetros do modelo de dinâmica da MOS

Sistema de Pastagem

PPSBRL 0,28 0,41 0,19 0,18

PN 0,00

(Fonte: Teixeira et al., 2011)

Neste trabalho o ano é o ano de 2001 e o valor de para cada pastagem apresenta-se

na Tabela 5. Estes são os valores obtidos no âmbito do Projecto AGRO 87.

Tabela 5 – MOS inicial para cada Herdade

Nome (%)

PPSBRL PN

Herdade da Cabeça Gorda 1,55 1,30

Herdade de Monte do Mestre 1,75 1,95

Herdade de Refroias 3,40 3,80

Herdade Cinzeiro e Torre 0,65 0,55


5.2 Modelação do balanço hídrico

A ordem de cálculo dos termos do balanço hídrico está representada na Figura 2. O conteúdo

de água no solo no início do dia é igual ao calculado para o dia anterior. Quando ocorreu

precipitação, foi calculado o volume de água infiltrado e o escorrimento superficial gerado. O

conteúdo de água no solo neste ponto não pode exceder a porosidade efectiva do solo. Se o

conteúdo de água no solo excedeu neste ponto a capacidade de campo, foi calculado o volume

de água que sai do volume de controlo, por percolação. Por último foi calculada a

evapotranspiração.

O cálculo do escorrimento superficial foi feito recorrendo à equação de Green e Ampt. Como foi

referido, a formação de escorrimento superficial está dependente da intensidade da

precipitação, que pode variar ao longo do evento pluvioso. Por esta razão, o passo temporal

escolhido para este cálculo foi o mínimo possível, que corresponde à disponibilidade dos dados

climáticos. Neste caso, o passo temporal para o cálculo do escorrimento superficial é de uma

hora, utilizando valores de precipitação horária. No final foi calculado o escorrimento superficial

acumulado ao longo do dia e foi este o valor utilizado no balanço hídrico.

17

A equação de Green e Ampt necessita, como input, do valor do conteúdo de água no solo

antes do evento de precipitação ter início. Neste trabalho, foi utilizado o valor do conteúdo de

água no solo calculado pelo balanço hídrico para o dia anterior.

Para o cálculo da percolação foi utilizada a mesma equação que os modelos SWAT e WEPP

utilizam, que depende da condutividade hidráulica saturada do solo.

A evapotranspiração da cultura foi calculada no final, recorrendo à equação de FAO Penman-

Monteith, com um passo diário. Apesar de Allen et al. (1998) considerarem o ponto de

emurchimento e a capacidade de campo como os limites inferior e superior da

evapotranspiração, é referido por outros autores (por ex. Lal, 2005) que, mesmo quando o solo

está acima da capacidade de campo, as plantas continuam a transpirar, e é esta a abordagem

seguida neste trabalho. No entanto, o conceito de água disponível para as plantas definido em

2.2 continua a ser seguido, mas apenas para aferir se o solo se encontra em stress hídrico,

como explicado em 5.2.3.

A inicialização do balanço hídrico foi feita num dia em que a precipitação acumulada era

suficiente para o solo atingir a saturação, uma vez que é possível estimar o conteúdo de água

neste ponto.

O volume de controlo considerado é constituído por uma camada de solo de 10 cm de

profundidade (Figura 3). A fronteira superficial permite a entrada de água através da infiltração

e a saída através da evapotranspiração. A diferença entre o volume de água precipitado e o

infiltrado é o escorrimento superficial. A fronteira profunda permite a saída de água do volume

de controlo por percolação. Como foi referido na secção 3, não irá ser considerada a ascensão

capilar.

O conteúdo mínimo de água no solo é dado pelo ponto de emurchimento e o conteúdo máximo

de água no solo corresponde à porosidade efectiva do solo. O cálculo da porosidade efectiva

do solo é descrito na secção 5.4.2.

18

Evapotranspiração Infiltração

Percolação

Figura 2 – Esquema de cálculo do balanço hídrico

Figura 3 – Volume de controlo

5.2.1 Ponto de emurchimento e capacidade de campo

O conteúdo de água no solo no ponto de emurchimento e na capacidade de campo foi

calculado recorrendo às Equações 6 e 7. Estas equações foram desenvolvidas por Rawls et al.

(1991) (cit. in Flanagan et al., 1995), recorrendo a regressão estatística e são utilizadas pelo

Precipitação

Infiltração

Escorrimento superficial

Percolação

Evapotranspiração

Conteúdo de água

no solo

Equação de Green e

Ampt

Equação de FAO

Penman-Monteith

Equação utilizada pelo

WEPP

Conteúdo de água

no solo

19

software WEPP, como referido na secção 3. Este software assume que a camada de solo

superior tem uma espessura de 10 cm.

Equação 6 – Conteúdo de água no solo no ponto de emurchimento

Onde:


-3).

- Conteúdo de argila no solo (%)

- Conteúdo de areia no solo (%).

- Capacidade de troca catiónica dividida pelo conteúdo de argila no solo.


).

Equação 7 – Conteúdo de água no solo na capacidade de campo

Onde:

- Conteúdo de água no solo na capacidade de campo (mm3 mm

-3).

- Conteúdo de areia no solo (%).

- Conteúdo de matéria orgânica no solo (%).


-3).

Apesar de o cálculo do conteúdo de água no solo no ponto de emurchimento não depender

explicitamente da MOS, esta é incorporada na estimação da densidade aparente do solo. Para

se perceber a influência da textura e da MOS no cálculo de e de , fez-se variar um dos

parâmetros, mantendo os outros dois constantes. Os intervalos de valores escolhidos foram,

para a MOS, de 1 a 5%, para a areia de 44 a 56% e para a argila de 10 a 35%. Estes intervalos

são consistentes com os valores apresentados nas Tabelas 2 e 5. Nos casos em que se

mantiveram constantes, a MOS, a areia e a argila assumiram os valores de 3%, 44% e 33%.

Nas Figuras 4 a 6 é possível verificar que o peso da MOS é superior ao peso das fracções de

areia e de argila.

20

Figura 4 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a MOS

Figura 5 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a Areia

Figura 6 - Variação do ponto de emurchimento e da capacidade de campo com a Argila

5.2.2 Infiltração/Escorrimento superficial – Equação de Green e Ampt

O modelo de Green e Ampt apresenta-se nas Equações 8 e 9 (cit. in Jia et al., 1997). A

Equação 9 resulta da integração no tempo da Equação 8. O modelo calcula o volume de água

infiltrado, o que permite calcular o escorrimento superficial gerado. Considerando o balanço

hídrico do solo representado na Equação 1, o volume infiltrado é igual à precipitação menos o

escorrimento superficial e, portanto, o volume de escorrimento superficial diário obtém-se

subtraindo a infiltração diária à precipitação diária.

Como foi referido na secção 3, o modelo assume que as propriedades do solo são

homogéneas na vertical e que a humidade inicial do solo está uniformemente distribuída.

Também assume que, durante a infiltração, existe uma descontinuidade no valor da humidade

do solo e a frente de humedecimento separa solo saturado acima de solo não saturado abaixo.

Equação 8 – Taxa de infiltração da equação de Green e Ampt

Onde:

- Taxa de infiltração (mm h-1

).

- Condutividade hidráulica efectiva (mm h-1

).

21

- Volume infiltrado (mm).

- Potencial mátrico do solo (mm).

- Tempo (h).

Equação 9 – Solução da Equação de Green e Ampt

A Equação 8 evidencia a influência do conteúdo de água no solo na taxa de infiltração, já que

esta diminui com o aumento do volume de água infiltrado. Já o aumento do valor do potencial

mátrico, , favorece a infiltração. A taxa de infiltração atinge o valor mínimo quando é igual

a zero, o que corresponde a um solo saturado. Na Equação 9, é constante e é calculado em

, o que significa que, neste instante, o solo não pode encontrar-se saturado.

O volume de controlo da Equação de Green e Ampt é a altura da frente de humedecimento,

que é variável ao longo do evento de precipitação e pode ser calculada com a Equação 10.

Equação 10 – Altura da frente de humedecimento

Onde:

- Altura da frente de humedecimento (mm).

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação (mm3 mm

-3).

- Conteúdo de água inicial no solo (mm3 mm

-3).

A Equação de Green e Ampt original só aceita eventos de precipitação constante, mas Chu

(1978) propôs uma alteração ao modelo, que torna possível a sua aplicação em casos de

precipitação variável. Assim, assume-se que a taxa de infiltração é igual à taxa de precipitação

até ocorrer alagamento do solo, momento a partir do qual a taxa de infiltração diminui, até

atingir um limite mínimo. Chu (1978), considera ainda um caso especial de um evento de

precipitação que é dividido em curtos períodos de tempo, de modo a que a taxa de precipitação

em cada intervalo possa ser considerada constante. O modelo assim proposto apresenta-se

nas Equações 11 a 14. A Equação 12 calcula o volume de água infiltrado directamente a partir

da precipitação, mas a Equação 14 só considera a taxa de precipitação para calcular o instante

em que ocorre alagamento.

Equação 11 – Taxa de infiltração antes do alagamento

22

Equação 12 – Infiltração acumulada antes do alagamento

Equação 13 – Taxa de infiltração após alagamento

Equação 14 − Volume infiltrado após alagamento

Onde:

- Taxa de precipitação (mm h-1).

- Tempo até ocorrer alagamento (h).

- Pseudotempo (h).

Chu (1978) apresenta um parâmetro que pretende representar uma mudança na escala

temporal, como consequência do efeito do volume infiltrado no tempo de alagamento, a que

chama pseudotempo. Esta alteração resulta do facto de a Equação 14 estar a ser aplicada a

um intervalo de tempo cujas condições iniciais são de não alagamento, condição que se altera

durante esse intervalo. O pseudotempo é calculado recorrendo à Equação 15.

Equação 15 – Pseudotempo.

Onde:

- Volume infiltrado no instante do alagamento (mm).

Ao longo do evento de precipitação a taxa de infiltração do solo varia, podendo tomar valores

inferiores à taxa de precipitação. O instante em que as duas taxas são iguais é o tempo de

alagamento, . Para calcular este valor, substitui-se, na Equação 13, a taxa de infiltração pela

taxa de precipitação, de modo a calcular , o volume infiltrado em , obtendo-se a Equação

16. O tempo de alagamento é então calculado a partir de e da taxa de precipitação nesse

mesmo momento, , como na Equação 17.

23

Equação 16 – Infiltração acumulada no instante do alagamento.

Onde:

- Taxa de precipitação no instante do alagamento (mm h-1

).

- Volume infiltrado no instante do alagamento (mm).

Equação 17 – Tempo de alagamento

A Equação 17 diz-nos que não irá haver formação de escorrimento superficial se a taxa de

precipitação for inferior à condutividade hidráulica efectiva. Quanto maior a taxa de precipitação

menor o volume infiltrado no tempo de alagamento e, por conseguinte, menor o valor de ,

dado pela Equação 17. A Equação 14 pode ser aplicada a um único intervalo ou a vários

intervalos de tempo sucessivos, enquanto a taxa de infiltração no final do intervalo for inferior à

taxa de precipitação.

Para resolver a Equação 14 pode recorrer-se ao método de Newton.

A condutividade hidráulica efectiva e o potencial mátrico do solo foram estimados de maneira a

incorporar os efeitos da MOS. A metodologia utilizada encontra-se na secção 5.4.

5.2.3 Evapotranspiração – FAO Penman-Monteith

A equação de FAO Penman-Monteith está representada na Equação 18. Esta equação permite

calcular a evapotranspiração de uma cultura de referência, que, neste caso, tem uma altura fixa

de 0,12 m, uma resistência de superfície de 70 sm-1

e um albedo de 0,23.

Equação 18 – Equação de FAO Penman-Monteith

24

Onde:

- Evapotranspiração de referência (mm dia-1

).

- Balanço de radiação (MJ m-2

dia-1

).

- Densidade de fluxo de calor no solo (MJ m-2

dia-1

).

- Temperatura média diária a 2 metros de altura (°C).

- Velocidade do vento a 2 metros de altura (m s-1

).

- Pressão de saturação de vapor média (kPa).

- Pressão de vapor real (kPa).

- Défice de pressão de saturação de vapor (kPa).


).


).

A metodologia para o cálculo de cada um dos termos da equação apresenta-se nas secções

5.2.3.1 a 5.2.3.5. Seguiu-se a metodologia recomendada por Allen et al. (1998).

5.2.3.1 Balanço de radiação

O balanço de radiação, , é a diferença entre a radiação solar absorvida, , e a radiação

emitida, . A radiação solar absorvida é a fracção da radiação solar, , que não é reflectida

pela superfície e pode ser calculada com a Equação 19 (cit. in Allen et al., 1998). Os valores da

radiação solar diária foram obtidos nas estações meteorológicas referidas na Tabela 3. Como

foi referido, o valor do albedo é fixo e igual a 0,23.

Equação 19 – Radiação absorvida.

Onde:

- Radiação solar absorvida pela cultura (MJ m-2

dia-1

).

- Albedo.

- Radiação solar (MJ m-2

dia-1

).

A radiação emitida foi calculada recorrendo à Equação 20 (cit. in Allen et al., 1998). Este termo

do balanço de radiação representa normalmente uma perda de energia sob a forma de calor.

Equação 20 – Radiação emitida.

25

Onde:

- Radiação emitida (MJ m-2

dia-1

).

- Constante de Stefan-Boltzmann (MJ K-4

m-2

dia-1

).

- Temperatura máxima diária (ºC).

- Temperatura mínima diária (ºC).


- Radiação solar relativa.

A Equação 20 é uma alteração da Lei de Stefan-Boltzamnn7, para ter em conta o efeito da

humidade e da nebulosidade, que absorvem energia e, assim, diminuem a radiação emitida. O

termo

corresponde à Lei de Stefan-Boltzmann e o valor 273 converte

a unidade de temperatura para K. O termo diminui com o aumento da

humidade média, diminuindo assim a radiação emitida. O termo

inclui o efeito da

nebulosidade e representa a relação entre a radiação solar que efectivamente incide na

superfície, , e a radiação que incidiria na superfície caso o céu se encontrasse limpo, .

Por este motivo,

A radiação de céu limpo pode ser calculada com a Equação 21 (cit. in Allen et al., 1998).

Equação 21 - Radiação de céu limpo.

Onde:

- Radiação solar de céu limpo (MJ m-2

dia-1

).

- Cota da estação meteorológica (m).


dia-1

).

A radiação extraterrestre é a radiação que incide no topo da atmosfera e admite um valor

máximo que corresponde a uma situação em que a atmosfera forma um plano perpendicular à

radiação solar. A este valor dá-se o nome de constante solar, . A radiação que

efectivamente incide na atmosfera depende do dia do ano, da latitude e da declinação do sol e

é calculada através da Equação 22 (cit. in Allen et al., 1998).

Equação 22 - Radiação extraterrestre.

7 A Lei de stefan-Boltzmann diz que a energia emitida por um corpo negro é proporcional à quarta

potência da temperatura do corpo. A constante de proporcionalidade desta lei designa-se constante de Stefan-Boltzmann e toma o valor de 4,903x10

-9 MJ K

-4 m

-2 dia

-1.

26

Onde:

- Constante solar (MJ m-2

min-1

).

- Distância relativa inversa entre a Terra e o Sol.

- Ângulo do Sol ao pôr-do-sol (rad).

- Latitude (rad).

- Declinação solar (rad).

A distância relativa inversa entre a Terra e o Sol é dada pela Equação 23, a declinação solar

pela Equação 24 e o ângulo do Sol ao pôr-do-sol calcula-se com a Equação 25 (cit. in Allen et

al., 1998).

Equação 23 - Distância relativa inversa entre a Terra e o Sol.

Onde:

- Número do dia do ano.

O número do dia do ano varia entre 1, correspondendo ao dia 1 de Janeiro, e 365 ou 366, que

correspondem ao dia 31 de Dezembro em anos comuns ou bissextos, respectivamente.

Equação 24 - Declinação solar.

Equação 25 - Ângulo do Sol ao pôr-do-sol.

A latitude das herdades considerada corresponde à latitude das localidades de referência e

encontra-se na Tabela 6.

Tabela 6 - Latitude das herdades.

Herdade Localidade

Latitude

º rad

Herdade da Cabeça Gorda Vaiamonte 39,10 0,68

Herdade de Monte de Mestre São Vicente e Ventosa 38,95 0,68

Herdade de Refroias Cercal do Alentejo 37,80 0,66

Herdade Cinzeiro e Torre Coruche 38,95 0,68

(Fonte: Moo.pt)

27

5.2.3.2 Densidade de fluxo de calor

A densidade de fluxo de calor no solo, , pode assumir valores significativos se o passo

temporal for inferior a 24 h, mas a variação diária do calor acumulado no solo é desprezável.

Assim, uma vez que o passo temporal considerado neste trabalho é um dia, é igual a zero.

Relativamente à temperatura média diária, Allen et al. (1998) recomendam que seja calculada

a partir dos valores máximos e mínimos diários.

5.2.3.3 Défice de pressão de saturação de vapor

O défice de pressão de saturação de vapor é a diferença entre a pressão de saturação de

vapor média diária, , e a pressão de vapor real, , que podem ser calculadas com as

Equações 26 e 28. Calculam-se as pressões de saturação de vapor diárias porque o passo

temporal no cálculo da evapotranspiração é diário.

Equação 26 - Pressão de saturação de vapor média diária.

Onde:

- Pressão de saturação de vapor média diária (kPa).

- Pressão de saturação de vapor à temperatura T (kPa).

e - Temperaturas máxima e mínima diárias (ºC).

A pressão de saturação de vapor à temperatura T pode ser calculada com a Equação 28

(Tetens, 1930).

Equação 27 - Pressão de saturação de vapor.

Onde:

- Temperatura do ar (ºC).

Equação 28 - Pressão de vapor real

28

Onde:


- Temperatura de orvalho (ºC).

A Equação 28 equivale à Equação 27 aplicada à temperatura de orvalho.

A temperatura de orvalho define-se como a temperatura para a qual o ar de ser arrefecido, a

pressão constante, para ficar saturado. Allen et al. (1998) afirmam que, para o caso de não se

dispor dos dados da temperatura de orvalho, pode-se assumir que a temperatura de orvalho é

igual à temperatura mínima. Este pressuposto é válido para culturas que têm assegurada a

disponibilidade de água, o que não é o caso das pastagens em estudo. Assim, a temperatura

de orvalho foi calculada com a Equação 29, que relaciona a temperatura de orvalho com a

temperatura do ar e a humidade relativa (Lawrence, 2005).

Equação 29 - Temperatura de orvalho

Onde:

- Tempeartura do ar média diária (ºC).

- Humidade relativa média diária (%).

5.2.3.4 Declive da curva de pressão de vapor

O declive da curva de pressão de vapor é a derivada da pressão de vapor em relação ao

tempo e é calculado com a Equação 30 (Tetens, 1930; Murray, 1967). Para o cálculo deste

parâmetro com um passo diário, utiliza-se a temperatura média diária.

Equação 30 - Declive da curva de pressão de vapor.

Onde:


).

- Temperatura média diária (ºC)

29

5.2.3.5 Constante psicrométrica

A constante psicrométrica pode ser calculada com a Equação 31 (Brunt, 1952).

Equação 31 - Constante psicrométrica

Onde:


).

- Calor específico do ar húmido (MJ kg-1

ºC-1

).

- Pressão atmosférica (kPa).

- Razão ente o peso molecular do vapor de água e de ar seco.

- Calor latente de vaporização (MJ kg-1

).

Considerando que , , e são constantes e assumem os valores apresentados na

Tabela 7, a única variável no cálculo da constante psicrométrica é a pressão atmosférica, . A

pressão atmosférica pode ser calculada recorrendo à Equação 32 (Burman et al., 1987), que

depende apenas da cota da localidade considerada. A

Tabela 8 apresenta os valores de cota das herdades.

Equação 32 - Pressão atmosférica.

Tabela 7 - Valores de , e .

Parâmetro Valor

1,013 x 10-3

MJ kg-1

ºC-1

0,622

8 2,45 MJ kg-1

8 Calculado para T=20ºC, a partir de Harrison (1963).

30

(Fonte: Allen et al., 1998)

Tabela 8 - Cota das herdades.

Herdade Localidade Cota (m)

Herdade da Cabeça Gorda Vaiamonte 313

Herdade Monte do Mestre São Vicente e Ventosa 368

Herdade de Refreoias Cercal do Alentejo 190

Herdade Cinzeiro e Torre Coruche 13

(Fonte: Moo.pt)

5.2.3.6 Evapotranspiração da cultura

A medição da evapotranspiração real de uma dada cultura permite obter o coeficiente de

cultura, que se define como a razão entre a evapotranspiração medida e a evapotranspiração

de referência. O método de FAO Penman-Monteith recorre a estes coeficientes para o cálculo

da evapotranspiração da cultura, , como na Equação 33. Allen et al. (1998) apresenta

coeficientes de cultura tabelados, o que torna possível o cálculo da evapotranspiração a partir

de dados climáticos.

Equação 33 – Evapotranspiração de cultura, com o método de FAO Penman-Monteith

Onde:

- Evapotranspiração da cultura (mm dia-1

).

- Coeficiente de cultura.

A diferença entre os valores de evapotranspiração é devida, essencialmente, às diferenças

entre as características das folhas, dos estomas, das propriedades aerodinâmicas e até do

albedo de uma cultura de referência e de uma outra cultura.

O cálculo do coeficiente de cultura pode ser feito através de dois métodos, dependendo do

objectivo do estudo: pode-se calcular um coeficiente único ou um coeficiente que é a soma de

dois coeficientes. Na primeira abordagem, as contribuições da evaporação do solo e da

31

transpiração da planta estão combinadas num único valor, enquanto o cálculo do coeficiente de

cultura pelo segundo método separa a evaporação e a transpiração em dois coeficientes, de

acordo com a Equação 34.

Equação 34 – Coeficiente de cultura duplo

Onde:

- Coeficiente basal de cultura.

- Coeficiente de evaporação do solo.

O primeiro método é aconselhado para a gestão da irrigação, no caso de esta não ser muito

frequente. Para estudos que necessitem de um balanço hídrico do solo mais detalhado,

aconselha-se a utilização do coeficiente duplo.

No entanto, a estimativa dos coeficientes e necessita de um conhecimento muito

aprofundado sobre a evolução fenológica das pastagens: o cálculo destes coeficientes faz-se

com um passo diário. Como alternativa, podem ser estimados vários parâmetros necessários

para utilizar este método, mas considerou-se que esta escolha não iria trazer vantagens para o

trabalho, uma vez que o erro da estimativa dos parâmetros em causa não é mensurável e

poderia ser superior à utilização do método do coeficiente simples. Por esta razão, foi utilizado

o coeficiente simples.

O coeficiente de cultura reflecte a influência do crescimento da planta na evapotranspiração,

adoptando valores diferentes nas várias fases de crescimento. Allen et al. (1998) considera

quatro fases de desenvolvimento da cultura: a fase inicial, desde a plantação até a cultura

cobrir 10% da área; a fase de desenvolvimento, que termina quando a cultura cobre toda a

área; a fase média, que termina quando a cultura inicia a maturidade; a fase tardia, que termina

aquando da colheita ou da senescência da cultura.

Procurou-se informação sobre o desenvolvimento fenológico de pastagens ricas em

leguminosas e de pastagens naturais, tendo-se apurado que a presença de leguminosas

diminui o ritmo de desenvolvimento, mas aumenta a área de solo coberta, quando comparadas

com as gramíneas (Eng. António Martelo, comunicação pessoal). As pastagens naturais são

mais precoces na floração do que as PPSBRL. Estabeleceram-se assim períodos de

desenvolvimento que reflectissem estas diferenças, mas que são apenas valores médios. A

germinação das plantas depende do início da época de chuva e o seu crescimento está

condicionado pelo conteúdo de água no solo, mas os estágios de desenvolvimento

considerados não irão variar com estes factores.

32

A duração dos estágios de desenvolvimento encontra-se na Tabela 9. Apesar de o

desenvolvimento das pastagens estar dependente do conteúdo de água no solo, neste trabalho

considerou-se que o estágio inicial começa sempre dia 1 de Setembro. Os coeficientes de

cultura para os estágios inicial, , médio, e tardio, , encontram-se na Tabela 10

e foram aplicados nos dois sistemas de pastagens. Estes valores foram consultados em Allen

et al. (1998) e são referentes a pastagens com pastoreio extensivo. O coeficiente de cultura

referente ao período de desenvolvimento, , é calculado em função dos coeficientes de

cultura para o período inicial, e para o período médio, utilizando o método numérico descrito

em Allen et al. (1998) e apresentado na Equação 35.

Tabela 9 - Duração dos estágios de desenvolvimento de PPSBRL e PN (dias).

Inicial

9 Desenvolvimento Médio Tardio

PPSBRL 30 30 180 10

PN 45 45 150 10

(Adaptado de Eng. António Martelo, comunicação pessoal)

Tabela 10 - Valores de para os estágios de desenvolvimento de pastagens

Pastagem com pastoreio

extensivo 0,3 0,75 0,75

(Fonte: Allen et al., 1998)

Equação 35 – Método numérico para determinação de

Onde:

- Iterador do dia do estágio de desenvolvimento.

- Coeficiente de cultura do dia .

- Duração do estágio de desenvolvimento considerado (dia).

- Soma dos dias de duração dos estágios anteriores (dia).

A Equação 33 não considera a disponibilidade de água no solo como factor limitante, mas é

possível incorporar esta limitação no cálculo da evapotranspiração da cultura. De acordo com

9 Os dados correspondem a 25% de cobertura do solo.

33

Allen et al. (1998), o valor máximo de água que pode ser evapotranspirada é calculado

seguindo a Equação 36, considerando que a camada superficial de solo se encontra

inicialmente húmida. Esta equação simplifica o balanço hídrico do solo, considerando que

imediatamente a seguir a um evento de precipitação intenso o solo se encontra na capacidade

de campo, e a água restante contribui para a percolação. Esta simplificação irá ser eliminada e

foi introduzido um método para modelar a percolação.

Equação 36 – Água disponível total

Onde:

- Água disponível total (mm).

- Profundidade da camada de solo que está sujeita a evaporação (m). Quando este valor é

desconhecido, aconselha-se um valor entre 0,10 e 0,15m.

Há ainda a considerar que, com a diminuição do conteúdo de água no solo, o valor absoluto do

potencial mátrico irá aumentar e a energia necessária para retirar cada unidade de água do

solo irá aumentar. Esta situação traduz-se numa diminuição da taxa de evapotranspiração,

sendo necessário introduzir na Equação 33 um coeficiente de stress hídrico, , aplicável

quando o conteúdo de água no solo é inferior a um determinado limite. pode ser calculado

com a Equação 37 (Allen et al., 1998).

Equação 37 – Coeficiente de stress hídrico

Onde:

- Coeficiente de stress hídrico.

- Água disponível total (mm).

- Depleção da camada de solo (mm).

- Fracção de ADT que a cultura pode extrair sem sentir stress hídrico.

A depleção da camada de solo é definida em Allen et al. (1998) como a diferença entre o

conteúdo de água na capacidade de campo e o conteúdo de água no solo. Quando a depleção

é superior ao volume de água prontamente disponível, definido como na Equação 38, é

necessário incorporar no cálculo da evapotranspiração.

Equação 38 - Água prontamente disponível

34

O valor tabelado de , em Allen et al. (1998), para pastagens extensivas é 0,6 e corresponde a

uma de 5 mm dia-1

. Deve ser feito um ajuste à evaporação diária, recorrendo à Equação

39 (Allen et al., 1998).

Equação 39 – Ajuste do parâmetro

Onde:

- Valor de tabelado.

A evapotranspiração pode então ser calculada como na Equação 40 (Allen et al., 1998).

Equação 40 – Evapotranspiração da cultura, ajustada

Onde:

- Evapotranspiração da cultura ajustada (mm).

Allen et al. (1998) referem que a utilização de devolve resultados mais fiáveis quando

aplicada ao método do coeficiente duplo, já que o stress hídrico afecta apenas a transpiração

da cultura e a taxa de evaporação mantém-se. No entanto, se a evaporação do solo não

representar uma fracção grande da evapotranspiração, a Equação 40 devolve resultados

fiáveis.

Como foi referido na secção 5.1, apesar de Allen et al. (1998) apresentarem o valor da

capacidade de campo como o limite superior que permite a evapotranspiração, neste trabalho

considerou-se que ocorre evapotranspiração mesmo quando o conteúdo de água no solo é

superior a esse valor. No entanto, o cálculo de foi mantido como descrito em Allen et al.

(1998), para ser utilizado na evapotranspiração em condições de stress hídrico, uma vez que o

valor de tabelado foi calculado para essas condições.

Por último, há a considerar os casos em que a cultura se encontra num momento de não

crescimento. Numa PPSBRL, é feito pastoreio com uma carga animal suficiente para que o

pasto seco seja removido antes das primeiras chuvas do Outono, o que significa que o solo

perde progressivamente o seu coberto. Neste caso, pode ser utilizado o com uma

redução de 5% por cada 10% de solo coberto. Quando o solo se encontra totalmente

descoberto, é utilizado o . No caso das PN, considerou-se que a cobertura do solo é de

50%.

35

5.2.4 Modelação da percolação

A modelação da percolação foi feita recorrendo ao modelo utilizado pelos softwares SWAT e

WEPP. O volume de água percolado é calculado como na Equação 41. Só o volume de água

acima da capacidade de campo se encontra disponível para percolação, como já foi referido. O

ajustamento da condutividade hidráulica saturada, para ter em conta o conteúdo de água inicial

no solo, é feito de acordo com a Equação 43 e a influência da camada de solo inferior

apresenta-se na Equação 45.

Equação 41 – Volume de água percolado

Onde:

- Volume de água percolado (mm).

- Conteúdo de água disponível para percolação (mm).

- Passo temporal (h).

- Tempo de transferência (h).

O tempo de transferência pode ser calculado com a Equação 42. O tempo de transferência

depende das propriedades do solo, que se assumem ser homogéneas numa camada, mas

podem variar entre camadas, o que significa que o valor do tempo de transferência é único

para cada camada de solo considerada.

Equação 42 – Tempo de transferência

Onde:

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação (mm).

- Conteúdo de água no solo na capacidade de campo (mm).

- Condutividade hidráulica saturada (mm h-1

).

Equação 43 – Condutividade hidráulica saturada ajustada

Onde:

36

- Condutividade hidráulica ajustada (mm h-1

).

- Conteúdo de água do solo (mm).

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação (mm).

- Parâmetro que provoca a diminuição de .

O parâmetro é calculado como na Equação 44.

Equação 44 – Parâmetro

A constante -2,655 assegura que, na capacidade de campo, o valor de é igual a .

Equação 45 – Volume de água percolado ajustado

Onde:

- Volume de água percolado ajustado (mm).

- Conteúdo de água inicial da camada inferior (mm).

- Conteúdo de água no solo em condições de saturação na camada inferior (mm).

Os resultados devolvidos por este método não foram satisfatórios, uma vez que o conteúdo de

água no solo raramente excedia a capacidade de campo, o que não está de acordo com

resultados experimentais obtidos no âmbito do Projecto AGRO87, que indicam que, nos meses

húmidos, o conteúdo de água no solo é bastante superior à capacidade de campo,

aproximando-se da saturação. Face a estes resultados, escolheu-se eliminar a percolação do

balanço hídrico. Este assunto é explorado com mais pormenor na secção 6.2.

5.3 Modelação da Perda de Solo

A perda de solo foi modelada com a EUPSM, utilizando como input o escorrimento superficial

calculado no balanço hídrico e tendo em conta a forma e as dimensões definidas para a

pastagem. Preferiu-se este modelo porque, tal como referido em 3, com ele é possível o

cálculo da perda de solo provocada por cada evento pluvioso, permitindo assim o cálculo de

valores anuais de perda de solo. Recorrer-se-á à EUPS e à equação ajustada por Tomás et al.

(1993) apenas para comparação dos resultados.

37

O modelo escolhido neste ponto é a EUPSM, uma vez que se pretende obter resultados de

perda de solo anual. No entanto, este modelo não se encontra tão bem calibrado como o

modelo EUPS e, portanto, foi feita uma comparação dos resultados obtido pelos dois modelos,

mas para um período a que a EUPS possa ser aplicada eficazmente. Teve-se em consideração

as conclusões de Tomás et al. (1993), referidas na secção 3, que apontam para a

sobrestimação pela EUPS da perda de solo em Portugal e foi também utilizada a equação

ajustada por estes autores, com fins comparativos.

5.3.1 EUPSM: Equação Universal de Perda de Solo Modificada

A EUPSM está descrita na Equação 46 (Williams, 1975). Esta é uma equação empírica, mas

os factores que a constituem pretendem incorporar os mecanismos envolvidos na

desagregação e transporte das partículas de solo. A EUPSM resulta de uma alteração da

EUPS original, passando-se a considerar que a desagregação e o transporte de partículas de

solo seriam representados através do escorrimento superficial e do caudal de ponta de cheia,

por oposição ao factor de erosividade da precipitação considerado na versão original.

Equação 46 – Equação universal de perda de solo modificada

Onde:

- Produção de sedimentos diária (t).

- Escorrimento superficial (mm ha-1

).

- Caudal de ponta de cheia (m3 s

-1).

- Área (ha).

- Factor de erodibilidade do solo, definido como a perda de solo de um talhão tipo, com

22,13m de comprimento e 9% de declive (t h MJ mm-1

).

- Relação de coberto vegetal, calculada como o quociente entre a perda de solo de um talhão

com uma determinada cultura e maneio e de um talhão com o solo nu.

- Relação de prática agrícola, calculada através do quociente entre a perda de solo de um

talhão com uma determinada prática agrícola e de um talhão lavrado segundo a linha de maior

declive.

- Factor fisiográfico do solo. Produto das relações de comprimento ( ) e de declive ( ) da

área em estudo.A relação de comprimento é definida como o quociente entre a perda de solo

de um talhão com um dado comprimento e outro com 22,13m de comprimento. A relação de

declive é definida como o quociente entre a perda de solo num talhão com um dado declive e

outro com um declive de 9%.

38

- Factor de fragmento de rocha.

O escorrimento superficial calculado no balanço hídrico é utilizado como input para a EUPSM.

Considera-se que o factor de fragmento de rocha é unitário. Os restantes factores descrevem-

se a seguir.

5.3.1.1 Caudal de ponta de cheia

As equações apresentadas de seguida são normalmente aplicadas à escala de uma bacia

hidrográfica. No entanto, o SWAT modifica as equações para poderem ser utilizadas à escala

da Unidade de Resposta Hidrológica (HRU), que corresponde a uma área onde se verifica um

único uso de solo. Considerou-se que este trabalho se enquadrava nesta situação e foi seguido

esse método, que consiste, neste caso em particular, em substituir a área da bacia pela área

considerada.

O caudal de ponta de cheia pode ser calculado recorrendo ao método racional, como na

Equação 47.

Equação 47 – Caudal de ponta de cheia, calculado pelo método racional

Onde:

- Coeficiente do escorrimento

- Intensidade da precipitação (mm h-1

).

- Área (km2)

O valor 3,6 é um factor de conversão de unidades para o Sistema Internacional.

O coeficiente de escorrimento varia com o evento pluvioso e pode ser calculado como na

Equação 48 (cit. in Neitsch et al., 2009).

Equação 48 – Coeficiente de escorrimento superficial

Onde:

- Precipitação diária (mm).

A intensidade da precipitação é a taxa média de precipitação durante o tempo de concentração

e pode ser calculada com a Equação 49.

39

Equação 49 – Intensidade de precipitação

Onde:

- Volume de precipitação que ocorreu durante o tempo de concentração (mm)


é proporcional ao volume de precipitação que ocorre durante todo o dia, como na Equação

50 (cit in. Neitsch et al., 2009).

Equação 50 – Fracção da precipitação que ocorre durante o tempo de concentração

Onde:

- Fracção da precipitação diária que ocorre durante o tempo de concentração.

- Precipitação diária (mm).


O valor máximo de é 1 e corresponde a um evento de precipitação curto, de duração igual

ou pouco superior ao tempo de concentração. O valor mínimo de seria atingido num evento

de precipitação de intensidade invariável e é igual a

.

O software SWAT estima a partir do volume precipitado na meia hora de maior intensidade,

como na Equação 51.

Equação 51 – fracção da precipitação diária que ocorre durante o tempo de concentração

Onde:

- Fracção da precipitação que ocorre na meia hora de maior intensidade.

Uma vez que se considera neste trabalho que a precipitação é constante num intervalo de uma

hora, o valor de é metade do valor da maior intensidade horária do evento que gera o

escorrimento superficial.

O tempo de concentração é a soma dos tempos de concentração do escorrimento superficial e

do escoamento num canal. Neste trabalho considerou-se que não existem canais, pelo que o

40

tempo de concentração é igual ao tempo de concentração do escorrimento superficial,

calculado como na Equação 52.

Equação 52 – Tempo de concentração

Onde:

- Tempo de concentração do escorrimento superficial (h).

- Comprimento da encosta (m).

- Velocidade do escorrimento superficial (m s-1

).

O valor 3600 é um factor de conversão de unidades para o Sistema Internacional.

A velocidade do escorrimento superficial pode ser estimada recorrendo ao caudal médio do

escorrimento superficial, ao declive médio da encosta e ao coeficiente de rugosidade de

Manning. O modelo SWAT assume um caudal médio de 6,35 mm h-1

e a Equação 52 torna-se

na Equação 53:

Equação 53 – Tempo de concentração

Onde:

- Coeficiente de rugosidade de Manning.

- Declive da encosta (%).

O valor 18 resulta da simplificação da equação. Os valores do declive e do comprimento da

encosta encontram-se na Tabela 11 e resultam da forma e dimensão da pastagem definidas na

secção 5.

Tabela 11 – Valores do comprimento do declive e do declive

Parâmetro Valor

100m

10%

Senarath et al. (2000) apresenta uma gama de valores para o coeficiente de rugosidade de

Manning para pastagens, que se incluem na Tabela 12. Foi escolhido o valor médio desse

41

intervalo. Estes valores são aplicáveis à escala de uma bacia hidrográfica, mas não foram

encontrados valores aplicáveis à escala utilizada neste trabalho.

Tabela 12 – Coeficiente de rugosidade de Manning

Intervalo de valores Valor médio

0,235 – 0,271 0,253

5.3.1.2 Factor de erodibilidade do solo, K

A erodibilidade de um solo está apenas relacionada com as características específicas do solo

em questão: a textura, a estrutura e a composição em matéria orgânica. Esta variável pode ser

calculada com a relação empírica apresentada na Equação 54 (Wischmeier et al., 1978), para

uma percentagem de limo e areia fina inferior a 70%.

Equação 54 – Factor de erodibilidade do solo

Onde:

- Parâmetro de tamanho das partículas, definido como (% limo e areia muito fina) x (100 - %

argila).

- Matéria orgânica do solo (%).

- Código da classe de estrutura do solo.

- Código da classe de permeabilidade do solo.

O valor 759,3 é um factor de conversão de unidades para o Sistema Internacional. As Tabelas

13 e 14 apresentam os valores dos parâmetros e , respectivamente.

O factor depende directamente da MOS, pelo que o seu valor foi calculado anualmente,

quando se verifica um incremento na MOS É de realçar que o valor de depende da estrutura

e da permeabilidade do solo. Apesar de ambas se alterarem com a variação de MOS, neste

trabalho tal não foi considerado, uma vez que não foi possível aprofundar o conhecimento

sobre esta relação de dependência. A permeabilidade do solo pode ser relacionada com a sua

textura, tal como se apresenta na Tabela 15.

42

Tabela 13 – Valor do parâmetro para cada tipo de estrutura de solo

Estrutura

Granular muito fina 1

Granular fina 2

Granular grosseira 3

Compacta 4

(Fonte: Wischmeier et al., 1978)

Tabela 14 – Valor do parâmetro para cada tipo de permeabilidade do solo

Permeabilidade

Muito lenta 6

Lenta 5

Lenta a moderada 4

Moderada 3

Moderada a rápida 2

Rápida 1


Tabela 15 – Relação entre a textura e o parâmetro

Textura

Argilo-limosa, argilosa 6

Franco-argilo-limosa, argilo-arenosa 5

Franco-argilo-arenosa, franco-argilosa 4

Franca, franco-limosa 3

Areno-franca, franco-arenosa 2

Arenosa 1

(Fonte: Renard et al., 1997)

A partir das Tabelas 1, 14 e 15 definiu-se o valor de para cada pastagem. A definição do

valor de implica conhecer a estrutura do solo, mas essa infirmação não estava disponível,

pelo que se assumiu que a estrutura do solo era granular grosseira. Os valores de e para

cada herdade encontram-se na Tabela 16.

43

Tabela 16 - Valores de e para cada Herdade

Herdade

Cabeça Gorda 3 2

Monte do Mestre 3 2

Refroias 3 4

Cinzeiro e Torre 3 1

5.3.1.3 Relação de coberto vegetal, C

Este factor mede o efeito combinado da cobertura do solo e das práticas agrícolas escolhidas.

A cobertura do solo varia com o estado de desenvolvimento da cultura, pelo que se divide o

ano hidrológico em vários períodos de coberto vegetal e práticas agrícolas constantes. Para

cada um destes períodos calcula-se também o valor da erosividade da precipitação, , que se

multiplicam pelos valores tabelados correspondentes ao quociente entre a perda de solo para

cada estado de desenvolvimento da cultura e a perda de solo de um talhão com o solo nu. Os

valores obtidos para cada período são somados, dando origem ao valor da relação de coberto

vegetal, , para a cultura em questão.

No cálculo do valor de de uma cultura onde se observe a prática de rotação interanual deve

ser considerada a média da relação de coberto vegetal para o número de anos que completa a

rotação.

Wischmeier (1978) afirma que, no caso das pastagens já instaladas onde não se verifica

distúrbio do solo, não é necessário calcular o valor de para os vários estágios de

desenvolvimento da cultura.

Os valores de utilizados foram os considerados por Pimenta (1998), que se encontram na

Tabela 17. A escolha destes valores justifica-se com o facto de as PPSBRL poderem ser

consideradas pastagens melhoradas, enquanto as PN são, de um modo geral, pastagens

pobres.

Tabela 17 – Factor para pastagens permanentes e pastagens pobres

Tipo de pastagem

Pastagem permanente 0,02

Pastagem pobre 0,05

44

5.3.1.4 Relação de prática agrícola, P

A erosividade da precipitação pode ser anulada pela cobertura do solo, mas também por

práticas agrícolas que favorecem a diminuição da velocidade do escorrimento superficial, como

a cultura em curvas de nível, a cultura em terraços e a cultura em faixas. No entanto, não

existe na literatura relação entre este factor e as práticas agrícolas adoptadas nas PPSBRL.

Por defeito, o valor de é 1 e foi este o valor adoptado neste trabalho, levando a que a prática

agrícola não tenha impacto nos resultados.

5.3.1.5 Factor fisiográfico do solo, LS

O factor fisiográfico do solo é o produto das relações de comprimento e de declive , que se

calculam de acordo com as Equações 55 e 56 (Wischmeier et al., 1978).

Equação 55 – Relação de comprimento de encosta

Equação 56 – Relação de declive de encosta

Onde:

- Relação de comprimento de encosta.

- Comprimento da encosta (m).

- Coeficiente que depende de .

- Relação de declive de encosta.

- Declive da encosta (%).

Estas equações são válidas para os casos em que o declive e a largura são uniformes. Na

Equação 55, o valor 22,13 é o comprimento do talhão tipo.

O coeficiente toma os valores apresentados na Tabela 18.

45

Tabela 18 – Relação entre o coeficiente m e o declive s


Na Tabela 19 apresentam-se os valores calculados para uma pastagem com as dimensões e

forma definidas na secção 5.

Tabela 19 – Comprimento da encosta, declive, e factor fisiográfico da pastagem em estudo

Parâmetro Valor

m

%

5.3.2 EUPS: Equação Universal de Perda de Solo e EUPSaj

A Equação Universal de Perda de Solo apresenta-se na Equação 57 e o ajustamento feito a

esta equação por Tomás et al. (1993) apresenta-se na Equação 58.

Equação 57 – Equação Universal de Perda de Solo

Equação 58 – EUPSaj

Onde:

- Factor de erosividade da precipitação (mm ha-1

h-1

).

Os factores , , e definem-se como na EUPSM. O factor é descrito de seguida.

46

5.3.2.1 Factor de erosividade da precipitação, R

A erosão hídrica não é causada apenas pelos eventos pluviosos mais intensos: os eventos de

precipitação moderados também são responsáveis pela desagregação e transporte de

partículas. O factor de erosividade mede, através do parâmetro , o efeito da queda das

gotas de chuva na desagregação do solo e o escorrimento superficial que estará associado ao

evento pluvioso em questão. Este parâmetro é aditivo, ou seja, é possível somar os valores

que o parâmetro toma para cada um dos eventos de precipitação. Também se admite que o

valor médio do parâmetro para uma dada região é o índice de erosão associado à precipitação

para essa região.

O parâmetro é o produto da energia cinética da precipitação pela intensidade da

precipitação. A energia cinética da precipitação pode ser calculada através da Equação 59

(Tomás, 1993).

Equação 59 – Energia cinética da precipitação

Onde:

- Energia cinética da precipitação (MJ.ha-1

.mm-1).

- Taxa de precipitação (mm.h-1).

Em Coutinho (1994) apresenta-se uma carta de isoerodentes10

para o Sul de Portugal, de onde

se retiraram os valores utilizados neste trabalho, que se apresentam na Tabela 20, convertidos

para unidades do Sistema Internacional.

Tabela 20 – Factor de erosividade da precipitação, , para as Herdades estudadas

Herdade Factor de erosividade da

precipitação,

Cabeça Gorda 1472

Monte do Mestre 1472

Refroias 1226

Cinzeiro e Torre 736

10

Linhas de igual erosividade de precipitação

47

5.4 Estimativa de parâmetros da Equação de Green e Ampt

Neste capítulo expõe-se a metodologia seguida na estimativa de parâmetros necessários na

aplicação da Equação de Green e Ampt.

5.4.1 Condutividade hidráulica efectiva

A condutividade hidráulica efectiva é calculada a partir da condutividade hidráulica saturada, tal

como em Bouwer (1969) (cit. in Neitsch (2009)), ou seja, é metade de . A condutividade

hidráulica saturada pode ser calculada recorrendo à Equação 60 (cit. in Rawls et al., 1989).

Equação 60 - Condutividade hidráulica saturada

Onde:

- Porosidade efectiva do solo (mm3 mm

-3).

- Conteúdo de água residual no solo (mm3 mm

-3).


).

- Parâmetro calculado a partir do teor de areia, argila, MO e da densidade aparente do solo

(Equação 61).

Equação 61 – Parâmetro

O valor da densidade pode ser calculado recorrendo à Equação 62 (Flanagan et al., 1995).

Equação 62 - Densidade aparente do solo

Onde:


).

- Matéria orgânica do solo (%).


(meq/100g).

48

A capacidade da troca catiónica da argila pode ser calculada com a Equação 63.

Equação 63 - Capacidade de troca catiónica da argila

Onde:

- Capacidade de troca catiónica da argila (meq/100g).

- Capacidade de troca catiónica do solo (meq/100g).

- Profundidade da camada de solo (m).

Para os valores de MOS mais altos, a Equação 63 devolveu valores de CTCc negativos. Não foi

possível conhecer o domínio de validade da equação, mas presume-se que não aceite os

valores de MOS em causa. Por este motivo, decidiu-se substituir a CTCc pela CTC, na

Equação 62. A CTC para cada pastagem apresenta-se na Tabela 21. Os valores apresentados

foram obtidos experimentalmente no âmbito do Projecto AGRO87 e correspondem ao ano de

2001.

Tabela 21 – Capacidade de troca catiónica para cada pastagem

Nome (meq/100g)

PPSBRL PN

Herdade da Cabeça Gorda 9,05 7,66

Herdade de Monte do Mestre 9,18 14,86

Herdade de Refroias 9,15 10,35

Herdade Cinzeiro e Torre 3,40 3,29

(Fonte: AGRO87)

A condutividade hidráulica saturada depende apenas das propriedades do solo. Na Equação

60 estão incluídos os efeitos da textura, da porosidade e da densidade aparente, que por sua

vez influenciam a estrutura do solo, fundamental no movimento de água no solo, como

explicado na secção 2.2.

O conteúdo de água residual pode ser calculado recorrendo à Equação 64 (Flanagan et al.,

1995). A definição deste parâmetro não é consensual e uma das hipóteses é tratá-lo apenas

como um parâmetro de ajuste, em vez de se considerar que tem um significado físico (cit in.

Vanapalli 1998).

49

Equação 64 – Conteúdo de água residual

Onde:

- Conteúdo de água residual no solo (mm3 mm-3

).


(meq/100g).

Também neste caso se substitui a CTCc pela CTC. Tal como e , o conteúdo de água

residual depende da textura, da MOS, da CTC e da densidade aparente do solo.

5.4.2 Porosidade total e porosidade efectiva

A porosidade total do solo pode ser calculada recorrendo à Equação 65.

Equação 65 – Porosidade total

Onde:

- Porosidade total (mm3 mm

-3).

- Densidade aparente (g mm-3

).

O valor 2650 é um valor típico da densidade real em g mm-3

.

A porosidade total não é um bom indicador do volume de água num solo saturado, uma vez

que parte desse volume é ocupado por ar que ficou aprisionado no solo. O volume de ar

aprisionado num solo saturado é calculado através da Equação 6611

, obtida por regressão

(Rawls e Baumer 1989, cit. in Rawls e Brakensiek, 1989):

Equação 66 – Fracção de ar aprisionado num solo saturado (Fonte: Rawls et al., 1989)

Onde:

- Fracção de ar aprisionado num solo saturado, admite valores entre 0 e 1.


(meq/100g).

11

A equação consultada em Rawls et al. (1989) devolvia resultados não concordantes com os valores apresentados na bibliografia consultada, pelo que se concluiu que existiria uma gralha no documento. A equação aqui apresentada foi corrigida e devolve os valores certos.

50

A porosidade efectiva corresponde então ao valor dado pela Equação 67:

Equação 67 – Porosidade efectiva

Onde:

- Porosidade efectiva (mm3 mm-3

)

5.4.3 Potencial mátrico do solo

O potencial mátrico do solo é calculado através da Equação 68 (cit. in Risse et al., 1994).

Equação 68 – Potencial mátrico

Onde:

- Potencial mátrico (mm).

- Porosidade efectiva (mm3 mm

-3).

- Conteúdo inicial de água no solo (mm3 mm

-3).

- Potencial capilar médio ao longo da frente de humedecimento (mm).

O potencial capilar médio é calculado recorrendo à Equação 69, obtida por regressão (Rawls et

al., 1983, cit. in ASCE, 1996).

Equação 69 – Potencial capilar médio

5.5 Estimativa de dados climáticos para a modelação da

evapotranspiração e infiltração

A estimativa dos dados de temperatura, humidade relativa, vento e radiação solar em falta é

descrita neste capítulo. Estes dados foram utilizados na modelação da evapotranspiração, pelo

método de FAO Penman-Monteith.

51

5.5.1 Temperatura diária, humidade relativa e vento médio diário

No cálculo da pelo método de FAO Penman-Monteith é necessário saber a temperatura

média diária e a humidade relativa. Allen et al. (1998) aconselha a que a primeira seja

calculada recorrendo às temperaturas máximas e mínimas diárias. As estações climatológicas

escolhidas apresentam falhas pontuais nas séries destes valores e o seu preenchimento foi

feito através de regressões lineares com dos dados de estações próximas da localidade em

causa. Foi feita uma comparação para cada ano.

Para completar as séries temporais do vento médio diário escolheu-se fazer a média dos

valores existentes nos anos com dados, para a mesma estação climatológica.

5.5.2 Radiação solar

Os dados referentes à radiação solar, , serão estimados recorrendo ao método de

Hargreaves-Samani, descrito em Samani (2000) e apresentado na Equação 70. Este método é

uma revisão da Equação de Hargreaves-Samani proposta por Hargreaves et al. (1982),

alterando o método de cálculo do coeficiente empírico .

Equação 70 – Equação de Hargreaves-Samani

Onde:

- Coeficiente empírico.


dia-1

).

- Diferença entre temperatura máxima e mínima (ºC)

O coeficiente é calculado a partir dos valores de , através de uma regressão quadrática,

como na Equação 71.

Equação 71 - Relação entre e .

5.5.3 Precipitação horária

Considerou-se que a estimativa de dados de precipitação horária por regressão com dados de

outras estações não seria um método apropriado. Por este motivo escolheu-se completar as

falhas nas séries temporais directamente com dados de outra estação meteorológica, próxima

da localidade em questão, sem recorrer a tratamento estatístico.

52

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A apresentação dos resultados está organizada por quatro temas, que mereceram uma

apreciação em separado: matéria orgânica, conteúdo de água no solo, escorrimento superficial

e perda de solo. Optou-se por apresentar a média dos resultados obtidos para as quatro

herdades, no caso do conteúdo de água no solo e da condutividade hidráulica, com o objectivo

de facilitar a leitura dos mesmos. No entanto, será feita uma análise individual dos resultados,

sempre que for considerado relevante. Os resultados de cada Herdade encontram-se em

Anexo.

São primeiro apresentados os resultados do modelo de dinâmica da MOS, que irão influenciar

todos os outros resultados. Os parâmetros que influenciam o conteúdo de água no solo são

apresentados em 6.2, com excepção da condutividade hidráulica, que é apresentada em 6.3,

num subcapítulo dedicado ao escorrimento superficial. Apesar do escorrimento superficial ser

uma parte integrante do balanço hídrico, escolheu-se apresentar os seus resultados em

separado, uma vez que foram utilizados como input no cálculo da perda de solo. A perda de

solo é apresentada em 6.4 e no subcapítulo 6.5 é feita a comparação dos resultados obtidos

com o método escolhido, EUPSM, com os resultados gerados pela EUPS e pela EUPSaj. Os

resultados do escorrimento superficial e da perda de solo apresentados são os individuais de

cada herdade, uma vez que dependem da precipitação horária, que tem uma grande

variabilidade.

A inicialização do balanço hídrico, no ano de 2001, esteve dependente da precipitação, uma

vez que era necessário que chovesse o suficiente para saturar o solo. Por outro lado, a

disponibilidade dos dados climáticos ditou o número de anos para o qual se fez a modelação.

Estas informações apresentam-se na Tabela 22. O cálculo da perda de solo foi feito para o

mesmo período.

Tabela 22 – Data de início e ano final da modelação, para cada Herdade

Herdade Data de início da modelação Ano final da modelação

Cabeça Gorda 2 – Março - 2001 2007

Monte do Mestre 21 – Setembro - 2001 2007

Refroias 1 – Março - 2001 2007

Cinzeiro e Torre 6 – Fevereiro - 2001 2006

53

6.1 Matéria Orgânica

Os valores médios de MOS encontram-se na Figura 7. Em todos os casos e como era

esperado, dados os resultados obtidos nos Projectos Agro, em Teixeira (2010) e em Teixeira et

al. (2011), a variação observada foi mais favorável na PPSBRL, como consequência de um

incremento anual de MOS superior neste sistema. Mesmo partindo de valores superiores nas

PN, a variação da MOS nas PPSBRL permitiu que este parâmetro fosse sempre superior no

fim do período considerado. No entanto, na Herdade de Refroias, a dinâmica da MOS não

apresenta diferenças significativas entre as PPSBRL e as PN, sendo de esperar que, se se

observarem diferenças nos resultados da modelação do balanço hídrico e da perda de solo

nesta herdade, estas não serão devidas à MOS. A evolução da MOS em cada herdade

encontra-se no Anexo 1.

Figura 7 – MOS média

6.2 Conteúdo de água no solo

Para a modelação da foi calculado o factor de cultura no estágio de desenvolvimento com a

Equação 35, tendo em conta a informação disponível sobre o desenvolvimento das pastagens,

apresentada na Tabela 9. Os resultados obtidos apresentam-se na Figura 8. Como as PPSBRL

são mais produtivas do que as pastagens naturais, o estágio de desenvolvimento começa mais

cedo e também termina mais cedo, resultando num factor de cultura superior durante este

período, o que significa que a evapotranspiração também é superior.

54

Figura 8 – Coeficiente de cultura para os vários estágios de desenvolvimento.

Apresentam-se os valores calculados para o volume de água na capacidade de campo e no

ponto de emurchimento, o valor da porosidade efectiva e a água disponível total, nas Figuras 9

a 12. Tendo em conta que a MOS aumentou entre 2 a 2,5 pontos percentuais de 2001 a 2007,

constata-se que o aumento verificado na água disponível total é bastante pequeno, cerca de

18% para as PPSBRL e cerca de 10% para as PN. Apesar disso, o ponto de emurchimento

aumentou 50 e 30%, a capacidade de campo aumentou 35 e 20% e a porosidade efectiva 18 e

10%, para as PPSBRL e PN, respectivamente. Os resultados individuais de cada herdade

apontam para a mesma conclusão (Anexo 2).

O ponto de emurchimento é mais sensível à CTC do que as restantes variáveis, razão pela

qual é inferior nas PPSBRL nos primeiros anos, apesar de a MOS ser superior. Na Herdade de

Monte do Mestre a diferença entre a CTC da PPSBRL e da PN é bastante superior à

observada nas outras herdades, resultando no facto do ponto de emurchimento ser sempre

superior nas PN, apesar do conteúdo de MOS ser inferior. A evolução da capacidade de campo

e da porosidade efectiva é também influenciada pela CTC nesta herdade. Relembra-se que a

CTC é incluída no cálculo destes parâmetros através da densidade aparente do solo.

Figura 9 – Ponto de emurchimento médio

55

Figura 10 – Capacidade de campo média

Figura 11 – Porosidade efectiva média

Figura 12 – Água disponível total média

A aplicação do modelo como descrito na metodologia resultou num conteúdo de água

raramente superior à capacidade de campo nos dois tipos de pastagem. Na Figura 13

apresenta-se o resultado obtido para uma PPSBRL, no ano de 2004. Comparando estes

resultados com os obtidos no Projecto AGRO87, para a Herdade de Monte do Mestre (Figura

56

14), observa-se que os resultados experimentais apontam para um conteúdo de água no solo

sempre superior aos calculados, com excepção da época de Verão, período de fraca

precipitação e valores de evapotranspiração potencial elevados, observando-se resultados

semelhantes aos calculados.

No Projecto AGRO87 recolheu-se informação respeitante a uma camada de solo com 15 cm de

espessura e também a uma camada de solo com 30 cm de solo. Sabendo que a percolação

está dependente do conteúdo de água na camada de solo inferior, é de esperar que o volume

de água percolado calculado pelo modelo descrito seja bastante elevado, já que se considera

que não existe água nas camadas de solo inferiores. Esta limitação do modelo recorre da

indisponibilidade de informação necessária para a modelação das camadas de solo inferiores.

Face a estes resultados, experimentou-se eliminar o cálculo da percolação, como referido na

secção 5.2.4, o que poderá corresponder a um caso extremo em que a camada de solo inferior

está sempre saturada. Os resultados obtidos foram francamente mais próximos dos resultados

experimentais (Figura 15), observando-se que o conteúdo de água no solo nos primeiros

meses do ano é sempre superior a 30 mm, que corresponde a um conteúdo de 30 .

Apesar de apenas se dispor de dados experimentais para a Herdade de Monte do Mestre,

optou-se por esta abordagem em todas as herdades. Assim, os resultados apresentados a

seguir foram obtidos por um balanço hídrico do solo onde não existe percolação.

57

Figura 13 - Conteúdo de água no solo calculado na Herdade de Monte do Mestre, numa PPSBRL, no ano de 2004

Figura 14 -Resultados obtidos no Projecto AGRO87, na Herdade de Mestre, de Dezembro de 2003 a Maio de 2005

Figura 15 - Conteúdo de água no solo calculado na Herdade de Monte do Mestre, numa PPSBRL, no ano de 2004, excluindo a percolação

Pastagem natural

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10-

Dez

17-

Dez

14-

J an

4-

Fev

18-

Fev

3-

Mar

18-

Mar

31-

Mar

19-

Abr

4-

Mai

18-

Mai

31-

Mai

14-

J ul

11-

Ago

14-

Set

26-

Out

23-

No v

11-

J an

11-

Fev

10-

Mar

3-

Mai

Dias de medição

Res

pir

ação

do

so

lo (

μm

ol

Co

2 m

-2

s-1

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Hu

mid

ade d

o so

lo V

/V (%

) e

temp

eratura d

o so

lo (ºC

)

Respiração do solo Temperatura Humidade (0-15 cm) Humidade (0-30 cm)

Pastagem natural-fertilizada

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10-

Dez

17-

Dez

14-

J an

4-

Fev

18-

Fev

03-

Mar

18-

Mar

31-

Mar

19-

Abr

4-

Mai

18-

Mai

31-

Mai

14-

J ul

11-

Ago

14-

Set

26-

Out

23-

No v

11-

J an

11-

Fev

10-

Mar

3-

Mai

Dias de medição

Res

pir

ação

do

so

lo (

μm

ol

Co

2

m-2

s-1

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Hu

mid

ade d

o so

lo V

/V (%

) e

temp

eratura d

o so

lo (ºC

)


Pastagem semeada

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10-

Dez

17-

Dez

14-

J an

4-

Fev

18-

Fev

03-

Mar

18-

Mar

31-

Mar

19-

Abr

4-

Mai

18-

Mai

31-

Mai

14-

J ul

11-

Ago

14-

Set

26-

Out

23-

No v

11-

J an

11-

Fev

10-

Mar

3-

Mai

Dias de medição

Res

pir

ação

do

so

lo (

μm

ol

CO

2m

-2 s

-1)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Hu

mid

ade d

o so

lo V

/V (%

) e

temp

eraura d

o so

lo (ºC

)


58

O cálculo da altura da frente de humedecimento (Figura 16) confirma que, nos dias em que

ocorre precipitação suficiente para saturar o solo, a camada de solo saturado excede muito os

10cm, chegando a atingir 2 m, profundidade que se supõe ser superior aos valores reais nas

herdades estudadas. O método utilizado para calcular a frente de humedecimento, descrito na

secção 3, só tem em conta o conteúdo inicial de água na camada de solo superficial, o que

significa que este valor será superior ao aqui apresentado, já que também é influenciado pelo

conteúdo inicial de água no perfil de solo inferior.

Figura 16 – Conteúdo de água no solo e altura da frente de humedecimento na Herdade de Monte do Mestre, numa PPSBRL, no ano de 2004, excluindo a percolação

Como foi referido, a precipitação nas localidades em estudo concentra-se em poucos meses.

Como resultado, o solo encontra-se em stress hídrico no Verão. As PPSBRL apresentam um

período de défice hídrico superior ao das PN devido ao facto de ser feito o pastoreio durante o

período em que o pasto se encontra seco, o que diminui a cobertura do solo e aumenta a

evaporação. Nas Figuras 17 a 24 apresentam-se os resultados obtidos para o conteúdo de

água no solo nas quatro herdades, em dois anos.

Figura 17 – Conteúdo de água no solo na Herdade da Cabeça Gorda, no ano de 2001

Figura 18 - Conteúdo de água no solo na Herdade da Cabeça gorda, no ano de 2007

59

Figura 19 – Conteúdo de água no solo na Herdade de Monte do Mestre, no ano de 2002

Figura 20 – Conteúdo de água no solo na Herdade de Mestre, no ano de 2007

Figura 21 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Refroias, no ano de 2001

Figura 22 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Refroias, no ano de 2008

Figura 23 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Cinzeiro e Torre, no ano de 2001

Figura 24 - Conteúdo de água no solo na Herdade de Cinzeiro e Torre, no ano de 2006

6.3 Escorrimento superficial

A condutividade hidráulica da Herdade de Cinzeiro e Torre é muito superior à condutividade

das outras herdades, devido à sua textura arenosa, pelo que se apresenta a condutividade

hidráulica média calculada sem os valores desta herdade, nas Figuras 26 e 27. A

condutividade hidráulica de cada uma das herdades encontra-se no Anexo 3.

O aumento da condutividade hidráulica é sempre superior nas PPSBRL. Aqui também se

observa a influência da CTC, nomeadamente na Herdade da Cabeça Gorda e na Herdade de

60

Monte do Mestre. Na Herdade da Cabeça Gorda, a condutividade é inferior nas PPSBRL no

ano de 2001, apesar de a MOS ser superior. Na Herdade de Monte do Mestre, o aumento da

condutividade hidráulica nas PPSBRL é muito superior ao aumento observado nas PN, apesar

de a MOS apresentar valores próximos.

Figura 25 – Condutividade hidráulica saturada média, excluindo a Herdade de Cinzeiro e Torre

Figura 26 – Condutividade hidráulica efectiva média, excluindo a Herdade de Cinzeiro e Torre

A formação do escorrimento superficial depende, como já foi referido, da condutividade

efectiva, do conteúdo inicial de água no solo e da porosidade efectiva do solo. As condições

observadas nas PN são quase sempre mais favoráveis à formação de escorrimento superficial,

quando comparadas com as PPSBRL. Nas Figuras 27 a 30 apresentam-se o escorrimento

superficial anual de cada herdade.

Na Herdade da Cabeça Gorda, o escorrimento superficial é superior nas PPSBRL no ano de

2001, o que é explicado pelo valor inferior da condutividade efectiva.

61

Em todos os outros casos, é nas PN que se forma um volume anual de escorrimento superficial

superior e a diferença observada em cada herdade pode relacionar-se com a diferença da

condutividade hidráulica.

Figura 27 – Escorrimento superficial anual Cabeça Gorda

Figura 28 – Escorrimento superficial anual na Herdade de Monte do Mestre

Figura 29 – Escorrimento superficial anual na Herdade de Refroias

Figura 30 – Escorrimento superficial na Herdade de Cinzeiro e Torre

62

6.4 Perda de solo

Nas Figuras 31 a 34 apresentam-se os factores de erodibilidade para as quatro herdades. De

notar que o factor é muito inferior na Herdade de Cinzeiro e Torre, como seria de esperar,

devido à sua textura arenosa.

Figura 31 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 32 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade de Monte do Mestre

Figura 33 – Factor de erodibilidade no solo na Herdade de Refroias

Figura 34 – Factor de erodibilidade do solo na Herdade de Cinzeiro e Torre

A MOS influencia a perda de solo de duas maneiras: através do escorrimento superficial e

através do factor . No entanto, a influência da relação de coberto vegetal, , também é

importante e notória, principalmente nos anos em que o ES assumia valores próximos nas PN

e nas PPSBRL.

Utilizando a EUPSM, só se obtém valores de perda de solo diferentes de zero quando se forma

escorrimento superficial. Nos anos em que essa condição se verificou, a perda de solo foi

sempre superior nas PN, como se pode verificar nas Figuras 35 a 38. Recorda-se que a perda

de solo é calculada para cada evento de precipitação que gera escorrimento superficial, não

havendo correspondência directa entre a perda de solo e o escorrimento superficial anual

apresentado na secção anterior.

63

Figura 35 – Perda de solo anual Cabeça Gorda

Figura 36 – Perda de solo anual na Herdade de Monte do Mestre

Figura 37 – Perda de solo anual na Herdade de Refroias

Figura 38 – Perda de solo anual na Herdade de Cinzeiro e Torre

6.5 Comparação com EUPS e EUPSaj

Nesta secção pretende-se comparar os resultados obtidos pela EUPSM com os devolvidos

pela EUPS e pela EUPSaj. Tal comparação justifica-se pelo facto de a EUPSM não estar

calibrada para Portugal e, sendo uma referência na modelação da erosão, a EUPS é a escolha

óbvia para validar os resultados. No entanto são tidos em conta os indícios de que este método

sobreestima a perda de solo em Portugal, razão pela qual se utiliza a EUPSaj.

Foi calculado o valor médio anual de perda de solo para o período considerado em cada

herdade. Este valor foi comparado com a média da perda de solo anual para cada pastagem,

para o mesmo período. No caso da Herdade de Monte do Mestre, não foi considerado o ano de

2001, uma vez que só se iniciou o balanço hídrico no mês de Setembro. A perda de solo

calculada pelos três métodos encontra-se nas Figuras 39 e 40.

Os resultados devolvidos pela EUPS foram muito superiores aos calculados pela EUPSM, tal

como esperado. A perda de solo calculada para as Herdades da Cabeça Gorda e de Monte do

Mestre apresentam valores semelhantes, para cada sistema de pastagem, uma vez que o

factor de erosividade da precipitação, , é igual nas duas localidades e o factor de erodibilidade

do solo médio nos períodos considerados apresenta valores próximos. Na realidade, se for

64

utilizado o mesmo período nas duas herdades, a perda de solo calculada pela EUPS assume

valores iguais na Cabeça Gorda e no Monte do Mestre.

A equação ajustada por Tomás et al. (1993), aqui apresentada como EUPSaj, devolveu valores

mais próximos dos calculados recorrendo à EUPSM, mas ainda assim são uma ordem de

grandeza superiores. Também neste caso se obteve valores quase iguais nas Herdades da

Cabeça Gorda e de Monte do Mestre, pelos mesmos motivos apresentados para a EUPS.

Uma vez que a EUPS e a EUPASaj admitiram como input o valor médio da erodibilidade no

período considerado, os resultados de perda de solo obtidos para as PN foram sempre

superiores do que os obtidos para as PPSBRL.

Figura 39 – Perda de solo calculada com a EUPSM, a EUPS e a EUPSaj, nas PPSBRL

Figura 40 – Perda de solo calculada com a EUPSM, a EUPS e a EUPSaj, nas PN

65

7 CONCLUSÕES

Com este trabalho pretendeu-se comparar PPSBRL e PN, analisando o efeito do aumento de

MOS no balanço hídrico e na perda de solo de pastagens, sabendo à partida que as PPSBRL

promovem mais o aumento de MOS do que as PN. Foi simulada a evapotranspiração, a

infiltração e o escorrimento superficial nas pastagens, utilizando dados climáticos, a MOS e a

textura do solo, bem como alguma informação sobre o coberto vegetal da pastagem e da sua

variação ao longo do ano. A perda de solo foi calculada a partir da MOS, da textura do solo, do

coberto vegetal e do escorrimento superficial calculado no balanço hídrico.

O cálculo das variáveis de estado relacionadas com o balanço hídrico permitiu concluir que o

aumento da MOS não altera significativamente a água disponível para as plantas, mas

aumenta a condutividade hidráulica saturada do solo, o que aumenta a infiltração e reduz a

probabilidade de ocorrência de escorrimento superficial. De facto, o escorrimento superficial

gerado foi superior nas pastagens com menor conteúdo em MOS, o que está directamente

relacionado com o valor superior da condutividade hidráulica saturada. No entanto, no período

em que o pasto se encontra seco, o conteúdo de água no solo é inferior nas PPSBRL,

resultado do pastoreio efectuado, com o objectivo de descobrir o solo, o que aumenta a sua

evaporação. É ainda de referir que, ao promover a infiltração da água no solo, as PPSBRL

aumentam a disponibilidade da água nas camadas mais profundas, o que beneficia a

vegetação com raízes mais longas.

O cálculo da perda de solo foi efectuado para cada evento pluvioso que gerava escorrimento

superficial. Como o escorrimento superficial foi sempre superior nas PN (com uma excepção

referida em 6.3), a perda de solo foi também superior nestas pastagens. Para além do ES, são

também factores importantes a erodibilidade do solo e o coberto vegetal. O factor de

erodibilidade do solo evoluiu da mesma maneira que a MOS, uma vez que depende dela

directamente e que a textura se mantém constante em cada herdade. O valor da relação de

coberto vegetal das PN é inferior ao das PPSBRL, o que significa uma menor protecção. Por

estas razões, a perda de solo calculada não é directamente proporcional ao escorrimento

superficial, sofrendo um agravamento nas PN.

Os resultados obtidos pela EUPSM foram comparados com os gerados pela EUPS e pela

EUPSaj, tendo-se obtido resultados muito superiores com a EUPS, tal como se esperava, tendo

em conta o trabalho de Tomás et al. (1993), o que alerta para a necessidade de calibrar os

modelos para as condições locais.

Os modelos de regressão estatística utilizados para calcular as propriedades do solo não foram

calibrados para Portugal, não se podendo apurar o ajustamento dos resultados obtidos. No

entanto, o erro associado a estes cálculos pode ser considerado igual nas PN e nas PPSBRLe,

66

em termos relativos, a comparação dos resultados de PPSBRL e PN continua a ser válida.

Face a isto, os resultados permitem demonstrar o que já se suponha em relação ao facto das

PPSBRL promoverem a regulação do balanço hídrico e a diminuição da perda de solo.

Contribuem, assim, para uma melhor caracterização das mais-valias ambientais das PPSBRL.

O desconhecimento das propriedades do solo abaixo dos 10 cm de profundidade é uma

limitação deste trabalho, tendo conduzido à escolha da eliminação da percolação do balanço

hídrico. Apesar de se ter considerado que, no Monte do Mestre, os resultados obtidos estavam

mais próximos dos valores experimentais obtidos no âmbito do Projecto AGRO, não foi

possível verificar os resultados das outras herdades. A eliminação da percolação teve como

resultado o aumento do conteúdo de água no solo, o que influencia a formação de

escorrimento superficial. Assim, se a eliminação da percolação se revelar errada, o

escorrimento superficial estará provavelmente sobrestimado, o mesmo se passando com a

perda de solo.

Sugere-se como trabalho futuro a calibração dos modelos utilizados para a área onde se

conhece a dinâmica da MOS em PPSBRL, tal como o alargamento do volume de controlo

utilizado no balanço hídrico, de modo a considerar um perfil de solo mais profundo.

69

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i

ANEXOS

Anexo 1 – Matéria Orgânica do Solo

Figura 41 – MOS na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 42 – MOS na Herdade de Monte do Mestre

Figura 43 – MOS na Herdade de Refroias

Figura 44 – MOS na Herdade de Cinzeiro e Torre

ii

Anexo 2 – Ponto de emurchimento, capacidade de campo, porosidade

efectiva e água disponível total

Figura 45 – Ponto de emurchimento na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 46 – Capacidade de campo na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 47 - Porosidade efectiva na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 48 – Água disponível total na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 49 – Ponto de emurchimento na Herdade de Monte do Mestre

Figura 50 – Capacidade de campo na Herdade de Monte do Mestre

iii

Figura 51 – Porosidade efectiva na Herdade de Monte do Mestre

Figura 52 – Água disponível total na Herdade de Monte do Mestre

Figura 53 – Ponto de emurchimento na Herdade de Refroias

Figura 54 – Capacidade de campo na Herdade de Refroias

Figura 55 – Porosidade efectiva na Herdade de Refroias

Figura 56 – Água disponível total na Herdade de Refroias

iv

Figura 57 – Ponto de emurchimento na Herdade de Cinzeiro e Torre

Figura 58 – Capacidade de campo na Herdade de Cinzeiro e Torre

Figura 59 – Porosidade efectiva na Herdade de Cinzeiro e Torre

Figura 60 – Água disponível total na Herdade de Cinzeiro e Torre

v

Anexo 3 – Condutividade hidráulica saturada

Figura 61 - na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 62 - na Herdade da Cabeça Gorda

Figura 63 - na Herdade de Monte do Mestre

Figura 64 - na Herdade de Monte do Mestre

Figura 65 - - na Herdade de Refroias

Figura 66 - na Herdade de Refroias

vi

Figura 67 - na Herdade de Cinzeiro e Torre

Figura 68 - na Herdade de Cinzeiro e Torre

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