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Title in Portuguese: Iniciação do escoamento em microbacia hidrográfica e relações hídricas no sistema solo-planta-atmosfera no Bioma Caatinga
Title: Runoff initiation in small watershed and water relations in the solo-plant-atmosphere system at caatinga bioma
Author: Figueiredo, José Vidal de
Advisor(s): Costa, Carlos Alexandre Gomes
Co-advisor(s): Vellame, Lucas Melo
Keywords: Condutividade hidráulica
Umidade do solo
Semiárido
Caatinga
Transpiração noturna
Ecohidrologia
Issue Date: 2018
Citation: FIGUEIREDO, José Vidal de. Iniciação do escoamento em microbacia hidrográfica e relações hídricas no sistema solo-planta-atmosfera no Bioma Caatinga. 2018. 150 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: As principais saídas no balanço hídrico do solo em uma bacia hidrográfica no semiárido são: escoamento, evaporação e transpiração. No bioma Caatinga, localizado na região semiárida brasileira, tem-se observado que a vegetação afeta consideravelmente a variação da umidade no perfil do solo e que são raros os eventos de escoamento superficial. Além disso, as investigações sobre a transpiração em espécies da Caatinga em condições naturais ainda são pouco abrangentes e compreender o uso da água pelas árvores é crucial para a restauração ecológica sustentável e para a compreensão ecohidrológica. Nesse contexto, objetivou-se analisar as condições que promovem o início do escoamento superficial em uma bacia hidrográfica semiárida, e estudar a dinâmica temporal da transpiração através de medidas do fluxo de seiva (FS), em plantas representativas do bioma Caatinga. O estudo foi desenvolvido na Bacia Experimental de Aiuaba (BEA, 12 km²). O trabalho encontra-se dividido em dois capítulos principais: i) Iniciação do escoamento em microbacia hidrográfica do semiárido sob Caatinga preservada no nordeste brasileiro; ii) Transpiração em plantas do bioma Caatinga. No primeiro capítulo foram analisadas as condições necessárias para ocorrência do escoamento superficial. Entre os dados analisados no período de 2005 a 2014 (10 anos) estão: a precipitação total; precipitação com cinco dias antecedentes; umidade antecedente do solo; duração da precipitação; e intensidade de chuva (média e máxima dentro de 5, 15, 30, 45, 60 e 120 minutos). Ao todo foram monitorados 118 eventos com precipitação superior a 10 mm, proporcionando 45 eventos com escoamento, 25 com escoamento desprezível e 49 sem escoamento. A partir dos resultados avalia-se que o coeficiente de escoamento anual foi inferior a 0,5% e ocorreu escoamento superficial apenas quatro dias por ano em média, caracterizando a escassez de água superficial do bioma Caatinga. As variáveis mais relevantes para explicar o início do escoamento foram precipitação total e intensidade máxima de precipitação em 60 min (I60). O escoamento ocorreu sempre que a precipitação total ultrapassou 31 mm, mas nunca ocorreu para precipitação abaixo de 14 mm ou para I60 abaixo de 12 mm.h-1. O fato de a duração da intensidade crítica (60 min) ser semelhante ao tempo de concentração da bacia (65 min) e que o valor do limiar de infiltração se aproxima da condutividade hidráulica saturada do leito fluvial suportam o pressuposto de que prevalece o escoamento superficial Hortoniano; No segundo capítulo avaliou-se o processo de transpiração de espécie (P. pyramidalis) representativa da Caatinga empregando a metodologia do fluxo de seiva no xilema hidroativo, durante o período de dois anos, abrangendo os períodos seco, chuvoso e de transição. Avaliouse também a influência dos fatores climáticos que interferem no fluxo de seiva (FS), como radiação global, déficit de pressão de vapor (DPV) e temperatura. O fluxo de seiva (FS) foi medido in situ durante 365 dias ininterruptos. Os valores diários de FS variaram entre 1,4 (maio/2016) e 47,0 L.dia-1(outubro/2016). Para análise da distribuição temporal do FS os dados foram agrupados em quatro regimes hídricos: chuvoso; transição chuvoso-seco; seco e transição seco-chuvoso. O fluxo de seiva (FS) em P. pyramidalis diminuiu com o aumento da umidade do solo, visto que neste período o DPV é pequeno quando comparado ao período seco. Observou-se que o FS aumentou durante o período de transição chuvoso-seco e seco em comparação com o período chuvoso. Esta constatação indica que a influência, neste regime hídrico pluvial, dos baixos valores de déficit de pressão de vapor (DPV), temperatura do ar e ET0 fazem com que FS seja menor durante o período úmido em comparação ao período seco. Outro resultado interessante observado foi a ocorrência de transpiração noturna tanto em espécies caducifólias (P. pyramidalis) como em plantas sempre verdes (Ziziphus. joazeiro) no bioma Caatinga. A transpiração noturna nas duas espécies variou de 4% a 36%, segundo o método de dissipação térmica; e de 10% a 16% pelo método IRGA (infrared gas analyzer) em relação à transpiração diária. A partir deste resultado suscita-se a hipótese, a ser testada, que a transpiração noturna ocorra em função do fechamento incompleto dos estômatos, associado à elevada demanda evaporativa atmosférica na Caatinga, oriunda de ventos com baixo teor de umidade. Estes resultados destacam alguns aspectos únicos na medição de transpiração em florestas tropicais sazonalmente secas, que são relevantes para estudos futuros em diversos níveis. Verificou-se ainda que a transpiração média anual de P. pyramidalis corresponde a 44-69% da precipitação média anual na BEA; e que o método da sonda de dissipação térmica se mostrou eficaz na estimativa da transpiração em plantas do bioma Caatinga.
Abstract: The main outputs in the soil water balance in a semi-arid basin are: flow, evaporation and transpiration. In the Caatinga biome, located in the Brazilian semi-arid region, vegetation has been observed to affect soil moisture variability considerably and surface runoff events are rare. In addition, investigations into perspiration in Caatinga species under natural conditions are still poorly understood and understanding the use of water by trees is crucial for sustainable ecological restoration and ecohydrological understanding. In this context, the objective was to analyze the conditions that promote the beginning of surface runoff in a semi-arid watershed, and to study the temporal dynamics of transpiration through sap flow measurements in representative plants of the Caatinga biome. The study was developed in the Aiuaba Experimental Basin (AEB, 12 km²). The work is divided in two main chapters: i) Initiation of the drainage in the hydrographic microbasin of the semi-arid under Caatinga preserved in the Brazilian northeast; ii) Transpiration in plants of the Caatinga biome. In the first chapter the necessary conditions for the occurrence of surface runoff were analyzed. Among the data analyzed in the period from 2005 to 2014 (10 years) are: total precipitation; precipitation with five days antecedent; soil moisture; duration of precipitation; and rainfall intensity (average and maximum within 5, 15, 30, 45, 60 and 120 minutes). In all, 118 events with precipitation greater than 10 mm were monitored, providing 45 events with flow, 25 with negligible flow and 49 with no flow. From the results, it was evaluated that the annual flow coefficient was less than 0.5% and the surface runoff occurred only four days per year on average, characterizing the scarcity of surface water of the Caatinga biome. The most relevant variables to explain the onset of runoff were total precipitation and maximum precipitation intensity in 60 min (I60). The runoff occurred whenever the total precipitation exceeded 31 mm, but never occurred for precipitation below 14 mm or for I60 below 12 mm.h-1. The fact that the duration of the critical intensity (60 min) is similar to the basin concentration time (65 min) and that the value of the infiltration threshold approaches the saturated hydraulic conductivity of the riverbed supports the assumption that surface runoff prevails Hortoniano; In the second chapter, the transpiration process of species (P. pyramidalis) representative of the Caatinga was evaluated using the sap flow methodology in the hydrological xylem during the two-year period, covering dry, rainy and transition periods. The influence of climatic factors that interfere with sap flow (SF), such as global radiation, vapor pressure deficit (VPD) and temperature were also evaluated. The sap flow (SF) was measured in situ during 365 uninterrupted days. The daily SF values ranged between 1.4 (May / 2016) and 47.0 L.dia-1 (October / 2016). For analysis of the temporal distribution of SF, the data were grouped in four water regimes: rainy; rainy-dry transition; dry and dry-rainy transition. Sap flow (SF) in P. pyramidalis decreased with increasing soil moisture, since in this period the VPD is small when compared to the dry period. It was observed that SF increased during the rainy-dry and dry transition period compared to the rainy season. This finding indicates that the influence of the low values of vapor pressure deficit (VPD), air temperature and ET0 on the rainwater regime mean that SF is lower during the wet period compared to the dry period. Another interesting result was the occurrence of nocturnal transpiration both in deciduous species (P. pyramidalis) and in evergreen plants (Ziziphus. Joazeiro) in the Caatinga biome. The nocturnal perspiration in the two species ranged from 4% to 36%, according to the thermal dissipation method; and from 10% to 16% by IRGA (infrared gas analyzer) method in relation to daily transpiration. From this result, it is hypothesized that the nocturnal transpiration occurs due to the incomplete closure of the stomata, associated with the high atmospheric evaporative demand in the Caatinga, from low humidity winds. These results highlight some unique aspects in the measurement of transpiration in seasonally dry tropical forests, which are relevant for future studies at several levels. It was also verified that the average annual transpiration of P. pyramidalis corresponds to 44-69% of the annual mean precipitation in the AEB; and that the thermal dissipation probe method proved effective in estimating transpiration in plants of the Caatinga biome.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/40035
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