Contributo para a determinação do coefiente cultural do sobreiro (Quercus suber L.): um estudo de eco-hidrologia agroflorestal

Abstract

O estudo da importância hidrológica do sobreiro (Quercus suber L.) justifica-se no âmbito da gestão agroflorestal do erritório, hidrologia florestal, ecologia e micro-climatologia. O objectivo do presente estudo foi a determinação do integral anual da transpiração de um sobreiral através do que, em hidrologia agro-florestal, se designa "coeficiente cultural" (medida relativa do uso da água pelas plantas).  problema foi resolvido no âmbito do balanço hídrico no solo enraizado e do balanço energético à superficie, em tomo da árvore e ao nível do ecossistema. A metodologia utilizada consistiu na detalhada caracterização geométrica, hidrológica e termo-radiativa dos compartimentos do contínuo solo-planta-atmosfera (SPAC) e na modelação matemática de vários processos eco-hidrológicos do ecossistema estudado. De entre diversos tópicos tratados, a investigação permitiu estabelecer: (1) a relação matemática empírica entre a transpiração sazonal (medida na folha) e a correspondente variação (AA) da água do solo enraizado, sem se proceder à discretização vertical do solo; (2) a expressão matemática que define a extensão do enraizamento, designado "dimensão linear de enraizamento" Z,(max); (3) a formulação hidrodinâmica da relação biométrica AxIAF, entre a área seccional de fluxo (Ax) no xilema do tronco e a área foliar (AF) total, em função da variável de fluxo adimensional ETJW, sendo u' a densidade de fluxo da seiva bruta. O índice de área foliar (LAI) é o escalar que unifica os procedimentos (1), (2) e (3).  procedimento (1) permitiu converter a média sazonal da transpiração máxima em AA correspondente e determinar o "coeficiente cultural de base" (Kb), parâmetro em (3). O procedimento (3) ofereceu o quadro formal para estimar a curva sazonal dos integrais diários de u', em função da evapotranspiração de referência (ET,,) estimada pela equação de Penman-Monteith, em que u' é limitado pelo produto entre Kb e a função ge(D) de redução da condutância estomática difusiva, g, elo défice de pressão de vapor atmosférico. A combinação entre (1) e (2) levou à determinação de Zr(max) que limita o volume de controlo do solo em torno da árvore, onde a variação da água disponível afecta ge.  balanço hídrico pôde resolver-se, inicialmente, sem o balanço energético que depois o refinou e confirmou. Do diversificado painel dos resultados, pudemos concluir que o Kb (0.85-0.92) e a transpiração do sobreiro em conforto hídrico (transpiração potencial: TP), ao contrário do que correntemente se possa pensar, se inserem em categorias de limites flexíveis, onde figuram as mesófitas e as higrófitas. O mesmo se concluiu para outros parâmetros bio-hidrológicos do sobreiro, tais como a condutância hidráulica da planta, a condutância estomática, a relação Ax/AF e o índice de área xilémico da árvore. No ano exemplificado, a transpiração representou ~80% da evapotranspiração do ecossistema, <ET> (563-574 mm/ano), determinada em torno da árvore ou para um sobreiral equivalente cobrindo completamente o solo, enquanto que <ET> ascendeu à terça parte de ETo anual e a 62% da precipitação acumulada em 2002, mas perfazendo 71 % da precipitação média anual. A água disponível armazenada no domínio Z,(max) do solo enraizado justificou o integral anual da transpiração estimada com base no fluxo de seiva. Além disso, z,(max), que resulta das relações eco-hidrológicas entre a dinâmica da água do solo e a dinâmica das raízes finas colectoras, permitiu predizer uma densidade arbórea média de 43 árvores por hectare, consistente com dados disponíveis referentes a "montados" no Alentejo (Portugal) e em Sevilha (Espanha). O balanço energético, além de fundamentar e confirmar o balanço hídrico, forneceu informação necessária a vários fins, nomeadamente, para a determinação da resistência difusiva total da superfície e para a calibração pragmática da equação de Penman-Monteith ao nível da "folha-gigante", da árvore e da plantação esparsa. A natureza biofisica da abordagem adoptada nesta investigação perspectiva a sua aplicação à gestão da água em agro-ecossistemas sujeitos à rega, nomeadamente, pomares, olivais e vinhas. ### /ABSTRACT- Landscape and agro-forestry systems management are issues of national concern, justifying experimental studies to evaluate the impact of tree plantations or natural ecosystems on local hydrology. In Portugal, this kind of agro-forestry survey programs are still rare in the mediterranean-type agro-forestry ecosystems, namely in the secondary type of forest called "montado", based on the sclerophyllous evergreen corkoak (Quercus suber) and holm-oak (Quercus rotundifolia) species. The "montado" plays important socio-economic and ecological roles in Portugal. In the eco-hydrologic perspective of mutual interactions between the hydrologic cycle and the ecosystems, this study quantifies the annual water use (<U>) of cork-oak tree based on the concept of (maximum) "basal crop coefficient", Kcb, the actual plant water use relative to the reference evapotranspiration rate, ETO, in a daily basis. For that, both water and energy balances have been solved around tree and then scaled up to the plantation level. For the water balance computations, under water-unsaturated soil and from mid-spring to early-summer (year 2002), we have quantified the spatial (vertical) water variations and temporal (seasonal) water use patterns of a young-aged, at six years old, plantation of cork-oak trees without understore, in a site located in the Central Alentejo district, Portugal. The energy and water balance flux approaches for the vegetated surface have been supported either by measuring or by determining global solar radiation, net radiation, latent heat, sensible heat and soil heat conduction taken at the experimental site, during the wet seasons in 2001 and 2002. To asses the water vapour (vH20) loss by trees, soil, tree and the atmosphere have been properly characterized. This involved (1) the hydrologic and geometric properties and reservoir capacity of the control soil column for seasonal mass water balance around tree; (2) leaf, foliage and stand diffusive stomatal conductance (ge) and transpiration rates; additionally, (3) the total leaf area index (LAI) has been discriminated into its sunlit and shaded leaf area index component layers per tree to determine the dual-source foliage transpiration rate for the representative tree and so at the (sparse) canopy level. For long time series of actual daily tree transpiration (o per unit ground area, both Kb and daily ET,, estimated by the Penman-Monteith equation, are needed, being U derived from the sap mass flux density, u', and the xylem area index (XAI)as described bellow. To continuously estimate U, based on u', we have first formulated an ecological version of the hydrodynamic continuity equation which defines the biometric ratio AX/AF between the (trunk) effective sapwood cross sectional area (Ax) and total one-side leaf area (AF), as a linear function of the non-dimensional flux ratio ET0/u,. Since it is assumed a hydrologic principle underlying stomatal conductance (ge) regulation, to identify the soil domain, zr(max), where the seasonal variation (ΔA) of the available soil water determines g, we wrote and verified the equation for Zr(max), related, to that for sap flow via LAI Among several results, this investigation has enable one to establish: a) an empirical, but physically-based, mathematical relationship between U and ΔA, without the need to descretize the rooted soil column; b) a mathematical expression to estimate the soil rooting domain, Zr(max), whose native available soil water matches the annual tree water use base on the sap flow. For an ecosystem with full ground cover (C is 1), results showed that a null water balance assumption corresponded to an expected maximum actual evapotranspiration, <ET>, of 563-574 mm/yr in 2002, also both null bare soil evaporation and ecosystem water wield (WY), being <E7> the sun between the canopy water interception (E) and U. For such a scenario U and Ei accounted for, respectively, ~80% and 20% of tree, or of the equivalem homogeneous canopy, <ET>. For the young plantation (C was 0.08) <ET> reduced accordingly to 154 mm and WY rised to 349 mm per year. For full ground cover, it was meaningful to note that, despite the total annual rainfall was greater than the mean annual precipitation (<P>), U corresponded to ~75% of <P>. This means that the annual rainfall does not determine the tree annual water use for the study tree species which is ecologically adapted to the site climate and soil water temporal dynamics. The study also permitted one to clarify that the hydrodynamic definition of Ax/AF, linked to truncation of the total "rooting length" into the tree territory, allows one to determine the ecosystem tree density, under the actual soil and climate conditions, consistent with published inventories for the montado ecosystem. Finally, we concluded that the mean seasonal maximum transpiration rate of the cork-oak tree as well as its Kcb (0.85-0.92) belong to numerical ranges with flexible boundaries which are convergent to those of mesophyte and hygrophyte plant species.