Performance comparison of the Penman-Monteith-based evapotranspiration models in a citrus orchard of Southwest China

Resumo Técnico: Comparação de Desempenho de Modelos de Evapotranspiração Baseados em Penman-Monteith em um Pomar de Citros no Sudoeste da China

Problema
A estimativa precisa da evapotranspiração (ET) das culturas é fundamental para otimizar as estratégias de irrigação e garantir o uso sustentável da água na agricultura. Embora o modelo Penman-Monteith (P-M) seja o padrão da indústria para ecossistemas bem vegetados, sua estrutura clássica de fonte única de "folha grande" (big-leaf) apresenta dificuldades em paisagens heterogêneas, como pomares de citros. A incapacidade do modelo de separar a evaporação do solo (E) da transpiração das plantas (T) e sua simplificação das respostas estomatais complexas em um termo de resistência bruta frequentemente levam a imprecisões, particularmente em dosséis esparsos ou fragmentados. Embora modelos de dupla fonte e híbridos tenham sido propostos para abordar essas limitações, há uma carência de estudos comparativos rigorosos e multiescala em ecossistemas de pomares subtropicais que avaliem o desempenho dos modelos através de diferentes resoluções temporais (meia hora a diária) e estágios fenológicos, juntamente com uma análise de sensibilidade quantitativa de seus drivers estruturais.

Metodologia
Este estudo utilizou quatro anos de dados de covariância de fluxo (EC) (2020–2023) de um pomar de laranja-açúcar (Citrus Tachibana) em Qionglai, Cidade de Sichuan, Sudoeste da China. A pesquisa avaliou cinco modelos baseados em P-M com estruturas conceituais variadas:

1. Penman-Monteith (P-M): Um modelo de fonte única.
2. Shuttleworth-Wallace (S-W): Um modelo de camada de dupla fonte.
3. Dois Patches (T-P): Um modelo de patch de dupla fonte que assume patches independentes de solo e vegetação.
4. Algoritmo de partição de energia superficial baseado em topografia e vegetação (TVET): Um híbrido que combina redes de resistência S-W com agregação T-P.
5. Híbrido de Dupla Fonte (H-D): Um modelo que emprega um esquema de camadas para distribuição de energia e um método de patch para agregação de fluxo, incorporando correções de estabilidade atmosférica.

O desempenho do modelo foi avaliado em escalas de meia hora, diária e específicas de estágio de crescimento (floração/frutificação, fruto jovem, expansão do fruto e amadurecimento do fruto) utilizando métricas estatísticas, incluindo $R^2$, RMSE, MAE e o índice de consistência ($d_1$). Além disso, uma análise de sensibilidade global foi conduzida para quantificar a influência de parâmetros de resistência chave (resistência de dossel/foliar, resistências aerodinâmicas, resistência do solo) e entradas ambientais (radiação, temperatura, VPD, velocidade do vento, teor de água no solo e índice de área foliar) na ET simulada.

Principais Resultados

• Desempenho por Escala Temporal: O desempenho do modelo variou significamente pela resolução temporal. Na escala de meia hora, o modelo H-D alcançou a maior precisão ($R^2 = 0,84$, RMSE = 0,038 mm·0,5h⁻¹), reproduzindo eficazmente os ciclos diurnos. O modelo S-W exibiu superestimação sistemática durante as horas do meio-dia. Na escala diária, os modelos baseados em patch (T-P, TVET, H-D) superaram consistentemente os modelos de fonte única (P-M) e de camadas (S-W). O modelo H-D demonstrou novamente superioridade de precisão ($R^2 = 0,91$, RMSE = 0,47 mm·d⁻¹) com subestimação média mínima (1,63%).
• Sensibilidade Fenológica: A eficácia do modelo dependeu do estágio de crescimento. O modelo H-D destacou-se durante os períodos de floração/frutificação e amadurecimento do fruto. Por outro lado, o modelo mais simples T-P apresentou melhor desempenho durante o período de expansão do fruto ($R^2 = 0,88$), sugerindo que sob condições de dossel denso, onde a evaporação do solo é suprimida, redes de resistência complexas podem introduzir retornos decrescentes ou erros adicionais.
• Análise de Sensibilidade: A ET simulada foi mais sensível à resistência do dossel ($r_c$) no modelo P-M e à resistência estomatal foliar ($r_{sc}$) nos demais modelos; uma diminuição de 20% nesses parâmetros aumentou a ET em 3,71%–7,41%. Entre as entradas ambientais, o teor de água no solo (SWC) foi o fator mais responsivo, com um aumento de 20% no SWC causando variações na ET entre 10,43% e 32,27% entre os modelos. O modelo S-W mostrou maior sensibilidade ao Índice de Área Foliar (LAI), com uma diminuição de 20% no LAI reduzindo a ET em 11,38%, enquanto os modelos baseados em patch mostraram menor sensibilidade devido ao trade-off compensatório entre transpiração e evaporação.

Principais Contribuições
Este estudo fornece uma avaliação sistemática e multiescala da família de modelos P-M em um pomar subtropical, indo além da simples classificação de desempenho para descobrir as razões estruturais por trás do comportamento do modelo. Identifica o modelo H-D como a opção mais robusta para ambientes de pomares heterogêneos devido à sua integração de correções de estabilidade atmosférica e partição de energia de dupla fonte. Adicionalmente, a pesquisa esclarece que a seleção do modelo deve ser dependente do contexto; embora o H-D seja geralmente superior, modelos baseados em patch mais simples como o T-P podem ser suficientes e mais eficientes durante períodos de cobertura de dossel densa. A análise de sensibilidade desconstrói ainda a dependência desses modelos em relação a parâmetros de resistência específicos e forçantes ambientais, destacando o SWC e a resistência estomatal como os principais drivers de incerteza.

Significância
Os achados oferecem uma base mecanística para a seleção e melhoria de modelos em ecossistemas de pomares subtropicais. Ao identificar modelos ideais para contextos temporais e fenológicos específicos, esta pesquisa apoia estratégias de manejo de água e irrigação mais precisas para a produção de citros. O estudo enfatiza a necessidade de parametrizar acuradamente as respostas fisiológicas das plantas e os processos hidráulicos do solo para reduzir os erros de estimativa de ET, contribuindo, em última análise, para a melhoria da eficiência do uso da água e do manejo dos recursos hídicos regionais em sistemas agrícolas sensíveis à água.