ANÁLISE  DE   DADOS  E  MÉTODOS  DE  MEDIÇÃO

 

 O sistema de eddy correlation

        Uma torre-plataforma instrumental para sensores microclimáticos foi construída (torre-pdg_con) nos sítios experimentais de Cerrado (torre-pdg) e Cana-de-açúcar (torre_use), onde serão coletados os seguintes dados (torre_pdg1): vento, temperatura e umidade do ar; sensores de radiação solar global e PAR (incidente e refletida), saldo de radiação; temperatura do solo, e pluviometria. O sistema de alimentação tem 05 baterias 12 VDC/150 Ah e 5 painéis solares 75 W. Os sensores serão controlados por um datalogger CR10x, que fará amostragem a cada 15 s e gravação das médias a cada 10 min em módulos de memória sólida.Os fluxos turbulentos de momentum, calor, vapor d'água e CO2, coletados por um sistema de eddy correlation (torre_top) posicionado no topo da torre instrumental a 30 m; perfil vertical de CO2 acoplado à torre micrometeorológica, com cinco níveis amostrados a cada 2 min cada. O sistema de medição dos fluxos de superfície pelo método de eddy correlation utilizado neste trabalho foi desenvolvido entre 1992 e 1995 pelo Winand Staring Centre/Wageningen (Moncrieff et al., 1997). Constitui-se de um anemômetro sônico tridimensional (Solent A1012R, Gill Instruments) (torre_sonic) e um analisador de gás no infravermelho (IRGA LI-6262), um gabinete com um PC palmtop para aquisição dos dados de alta frequência (10 Hz), uma bomba de sucção de ar à vácuo (9 l min-1), um rotâmetro de controle de fluxo, um cilindro de N2 gasoso (analítico 5.0) para zerar o offset da câmara de referência do analisador. O sistema tem três componentes: sinais analógicos do IRGA (H2O e CO2) são passados à CPU do anemômetro e transformados em um conversor analógico-digital numa frequência de 10 Hz. As componentes u, v, w do sônico são adquiridas a uma taxa de 21 Hz, disponíveis na saída serial do anemômetro. Uma combinação dos dados do IRGA e do sônico em 10 Hz são enviadas a uma saída serial de um microcomputador. O anemômetro sônico tem orientação tridimensional com sensores separados de 15 cm a 120o, que operam até 60 ms-1. A temperatura virtual é calculada pelo tempo de propagação dos pulsos, tal que

, (1)

onde cs é a velocidade do som, Tar a temperatura do ar, T definida como a temperatura do sônico, a qual é aproximadamente igual à temperatura virtual ou potencial dada por

(2)

        As calibrações de CO2 podem ser realizadas nas mesmas taxas de sucção de operação, garantindo dessa forma a mesma diferença de pressão se estiver em modo de calibração ou em modo de operação no campo. O ar é conduzido através do analisador através de uma bomba no final da trajetória, e as variações do escoamento são reduzidas em um buffer. Os tubos são de material inerte ao H2O e CO2 (teflon). Um controlador de fluxo reduz a taxa de escoamento forçada pela bomba para mantê-la abaixo do valor máximo de sucção.

 

(a) Cálculo dos fluxos.

        O fluxo vertical de uma grandeza escalar c pode ser escrito como

, (3)

onde a barra representa a média do produto em um intervalo de tempo, w' é o desvio em relação à média da velocidade do vento vertical, *'c o desvio em relação à média da concentração de uma grandeza escalar c, e * é o termo de correção. O algoritmo de cálculo dos fluxos turbulentos calcula previamente a rotação de coordenadas nos dados brutos do anemômetro para avaliar as componentes u, v e w, segundo McMillen (1986). Inicialmente estima-se o atraso associado ao tempo de escoamento da amostra de ar com H2O ou CO2 ao longo do tubo, assim como pelo conhecimento prévio de que o IRGA amostra distintamente o CO2 e o H2O. O cálculo dos fluxos passa à seguir por correções associadas à estacionariedade e rotação dos eixos. Os efeitos do sistema própriamente dito são os seguintes: tempo de resposta não-infinitesimal dos instrumentos; amostragem de diferentes grandezas não totalmente simultâneas em uma parcela de ar; frequência de amostragem dos filtros digitais e analógicos influenciando a magnitude da perda de sinal, e a atenuação das flutuações ao longo do tubo de amostragem. Um esquema de séries de funções de transferência proposto por Moore (1986) e Leuning and King (1992) é utilizado aqui. As perdas associadas às correções são calculadas utilizando-se o modelo co-espectral de Kaimal et al. (1972) normalizado. Essas correções baseiam-se no erro percentual no fluxo medido DFc/Fc, escrito como (Moore, 1986)

, (4)

onde Tw*c(n) é a convolução de todas as funções de transferência aplicadas à medida, ou seja, o produto das funções-resposta de correção associadas à geometria, dimensão, separação, transmissão e armazenamento dos dados; Cw*(n) é o co-espectro das variáveis w e rc na frequência n. Neste sistema Tw*c pode ser escrita como

, (5)

Tr(n) = filtro (média móvel) digital recursivo;

Td(n) = frequência resposta dinâmica do sensor (sônico ou IRGA);

Tm(n) = o 'mismatch' da resposta do sensor;

Tw(fp) = a média escalar de trajeto;

Ts(fs) = a perda por separação do sensor;

Tt(n) = a frequência de atenuação da concentração de gás ao longo do tubo;

funções essas discutidas por Moncrieff et al. (1997), descritas como

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

onde Dc é o coeficiente de difusão molecular do CO2 no ar; fp = np1/u, fs=ns/u, frequências normalizadas; ns é a frequência de amostragem; p1 é o comprimento da trajetória do sônico; r é o raio do tubo; s é a distância de separação dos sensores; tr é o tempo de resposta do instrumento; tr1 e tr2 são tempos de resposta de instrumentos específicos; tt = X / U é o tempo gasto pela parcela de ar ao longo do tubo; X é o comprimento do tubo; U é a velocidade do escoamento no tubo; h = exp(-D t/G ); t r = h [h s (1 - h ) ]-1 é uma contanste efetiva de tempo.

 

 Efluxo de CO2 do solo e medidas de temperatura e umidade do solo

        As medidas de efluxo de CO2 do solo serão feitas com um analisador de gás por infravermelho-- (PP Systems, EGM1) (camara_src1) baseado na absorção de radiação na banda do infravermelho (l > 0,7mm) pelo CO2. A respiração do solo é dada na forma de fluxo obtido através de uma câmara fixa no solo, onde a concentração de CO2 aumenta no tempo devido à circulação do ar em um volume de controle fechado. Para evitar vazamentos e leituras incorretas causadas por fissuras no solo serão instalados anéis de PVC ajustáveis à câmara. As coletas serão feitas aproximadamente duas vezes ao mês, com uma média de 30 leituras cada. O fluxo Rs devido à respiração do solo é calculado com a taxa de variação de concentração de CO2 dentro do volume de controle da câmara por unidade de tempo e área sobre a região coberta pela câmara, tal que:

onde Rs é o efluxo de CO2 do solo (g m-2 hr-1); Cn-1 é a concentração (g m-3) de CO2 no tempo (n-1); Cn é a concentração (g m-3) de CO2 no tempo n; V é o volume da câmara (m3); A é a área de cobertura (78,5 cm2); e T é o passo de tempo (8 s).

        As medidas de temperatura serão feitas com sensores automáticos CS-107, instalados a 2, 5, 10 e 20 cm de profundidas. A umidade no solo será medida com sensores do tipo reflectômetro por domínio de freqüência (FDR CS615 Campbell Scientific), formado por dois guias de onda (duas hastes metálicas paralelas), conectados a um circuito eletrônico que os excita para gerar a medida e convertida posteriormente em umidade através de uma curva de calibração. A quantidade volumétrica de água no solo é estimada pela mudança da constante dielétrica do meio onde se propagam as ondas eletromagnéticas ao longo de guias de onda. A medida da freqüência de uma onda quadrada é convertido em período e depois em volume de água no meio de propagação. A constante dielétrica do solo é função dos seus constituintes, embora a influência da água seja predominante em relação aos demais. Na calibração, as amostras analisadas são coletadas in situ (dimensões de 10 x 10 x 40 cm), são inicialmente saturadas e continuamente pesada com uma balança ligada a um computador que armazena a variação do peso da amostra a cada 5 minutos. Simultaneamente, o FDR introduzido na amostra e ligado em um datalogger de controle de aquisição de dados (Fig.2) é monitorado. As variações de peso da amostra proporcionam os valores gravimétricos de quantidade de água no solo que são relacionados com as medidas do FDR e ajustados através de um polinômio.

Fig. 2: Ilustração do arranjo utilizado na calibração do FDR CS615.

 

Carbono no solo

        Pretende-se estabelecer uma base de dados para discutir a quantidade e a qualidade de carbono no solo associadas às diferentes propriedades dos agregados do solo (tamanho, índice de estabilidade, proteção da matéria orgânica do solo, granulometria) através de análises convencionais e métodos isotópicos. Adicionalmente, a variabilidade da relação do estoque de carbono protegido e não protegido determina a variabilidade da emissão de CO2. A heterogeneidade encontrada nos valores de emissão de CO2 freqüentemente são explicadas pelas diferenças encontradas no conteúdo de carbono e nitrogênio no local de avaliação. Porém as diferenças encontradas nas quantidades de matéria orgânica disponível ao ataque microbiano (não protegida) podem influenciar a atividade respiratória da comunidade edáfica, resultando na variabilidade dos valores obtidos. Como o efluxo de CO2 é um descritor básico da atividade metabólica nos ecossistemas, a compreensão dos principais componentes que atuam na emissão em escala de sítios específicos é bastante importante. Estas análises irão se beneficiar das medidas de efluxo de descritas no ítem 5.3.

        Para a distribuição de agregados, serão coletadas 2 amostras de solo compostas de 3 subamostras cada, perfazendo um total de 4 amostras por tratamento, o que para fins de análises serão consideradas repetições. A profundidade de amostragem será de 0-5 e 5-10 cm. A distribuição de agregados será avaliada pelo método via úmida (Beare et al., 1994a). A estabilidade de agregados será medida por um método turbidimétrico após a dispersão de argilas (Beare et al., 1994a), e o C e N potencialmente mineralizáveis das frações dos agregados serão avaliados conforme método adaptado de Beare et al. (1994b). Oito tratamentos em função da dimensão serão estabelecidos para cada réplica dos solos : ( > 2 mm; 1 a 2 mm; 0,5 a 1 mm; 0,250 a 0,500 mm; 0,106 a 0,500mm; 0,053 a 0,106 mm; 0,025 a 0,053 mm). Os resultados dos ensaios de mineralização do C serão usados para definir 2 formas de matéria orgânica do solo associada aos agregados: não protegida e protegida. O carbono mineralizado não protegido é igual ao carbono mineralizado do agregado intacto no período t; o Carbono mineralizado protegido é igual ao carbono mineralizado do agregado disperso menos o carbono mineralizado do agregado intacto. O carbono e o nitrogênio total serão analisados pelo método de combustão seca em um analisador elementar da Carlo Erba.

        Devido as diferenças dos processos bioquímicos fotossintéticos, as plantas C3 e C4 apresentam discriminação isotópica do 13C. Consequentemente, os tecidos das plantas C3 apresentam um valor médio de d13C próximo a -28o/00, enquanto as C4 possuem um valor médio em torno de -12 o/00. A composição isotópica da matéria orgânica do solo, resultado da decomposição dos tecidos das plantas, não se altera significativamente (Cerri,1986; Balesdent et al., 1987; Vitorello et al.,1989), possibilitando assim utilizar a composição isotópica do carbono como um traçador do destino da matéria orgânica produzido. A composição isotópica do carbono (razão 13C/12C) como traçadora da matéria orgânica do solo foi utilizada em diferentes estudos, supondo uma pequena variação nos valores de 13C por processos diagenéticos (Volkoff et al., 1987; Cerri et al., 1985; Cerri, 1986; Balesdent et al.,1987; Martinelli et al., 1996; Victoria et al., 1992). O tratamento das amostras para a análise isotópica será realizado por combustão completa da matéria orgânica com CuO em tubos de pirex evacuados. A composição isotópica do carbono será efetuada no espectrofotômetro de massa Finnigan DELTA-E. Os resultados serão expressos em d13C relativo ao padrão PDB, tal que

, (12)

onde Ramostra é a razão isotópica 13C/12C da amostra e Rpadrão é a razão isotópica 13C/12C do padrão.

 

Índice de área foliar

        O Índice de Área Foliar (IAF) é uma característica da estrutura do dossel associado ao papel das folhas verdes no controle de processos biofísicos da cobertura vegetal. O IAF, que é a área de folhas por unidade de área do terreno computando somente um lado de cada folha (Monteith, 1973), influencia na resposta espectral detectada por sensores remotos, sendo utilizado em estudos de ecofisiologia, interação biosfera-atmosfera e mudanças globais (Chen et al., 1997). Enquanto que medidas do IAF têm sido realizadas com relativo sucesso em ecossistemas agrícolas (Moreira, 1997), nos ecossistemas naturais como o Cerrado o conhecimento está em andamento (Bittencourt et al. 1997). Chen et al. (1997) salienta que ocorrem dificuldades de medidas diretas, variabilidade natural, variação de padrões, dificuldade na distinção entre área foliar e tecido lenhoso, e dificuldade na representatividade espacial de medidas locais. As fotografias hemisféricas (lente tipo olho-de-peixe) tiradas da superfície do terreno, e orientadas para cima do dossel e em diferentes ângulos de visada, são uma técnica interessante para o estudo da estrutura do dossel de florestas (Chen et al., 1991; Gallo et al., 1992; Clark et al., 1996). A distribuição geométrica das aberturas ('gap-fraction') pode ser medida e utilizada na estimativa da radiação solar interceptada e na caracterização da estrutura do dossel, como o IAF e a distribuição angular das folhas.

        O IAF será estimado com fotografias hemisféricas digitais utilizando o equipamento Digital Plant Canopy Imager CI-110 (CID). Trata-se de um micropocessador de captura e análise da imagem acoplado a uma lente 'olho de peixe' que captura a imagem (40x70m). O cálculo do coeficiente de transmissão da irradiância solar ou fração do céu visível é estimado por baixo do dossel. A abordagem utilizada no cálculo do IAF é o método da inversão das frações de clareira (gap-fraction) (Normam and Campbell, 1989). O processamento da imagem no CI-110 permite a subdivisão da imagem em grades definidas pelos ângulos zenitais e azimutais. Estes setores são analisados na escala do pixel e o IAF, L, é estimado a partir do coeficiente de transmissão da irradiância solar, t ji, tal que

(13) ,

onde o ângulo zenital é ji; k é o coeficiente de extinção. O sistema de equações (13) é resolvido através de um método de otimização não-linear. A localização dos pontos ou transecções amostrados serão definidos com base na localização da torre micrometeorológica e condições do fetch. Os pontos serão georeferenciados utilizando-se o GPS. Pretende-se obter o maior número possível de correlações entre os valores do IAF e os valores do NDVI para a avaliação do potencial de uso de imagens multi-espectrais em estudos dessa natureza.

        Os dados do índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) por satélite serão utilizados como indicadores espectrais remotos da resposta da refletância do sistema em função da sua condição fenológica de índice de área foliar verde, índice de área foliar total, albedo e assimilação de CO2. Com o uso do NDVI, pretende-se distinguir a variabilidade espacial do NDVI em uma sub-amostra de pixels considerados como Cerrado, e classificar o sítio experimental dentro daquele conjunto; quantificar a magnitude de amplitude sazonal, defasagem com relação à variabilidade de precipitação dos vários tipos de Cerrado e particularmente da área experimental; e utilizar os dados de refletância solar global e PAR acima do dossel, e análise de sua comparabilidade com dados de NDVI obtidos por imagens de satélite. Esse diagnóstico permitirá aperfeiçoar adequadamente os algoritmos numéricos no escalonamento dos processos de folha para o dossel.