ABSTRACT The use of crop modeling can be useful to understand the interactions between the soil-plant-atmosphere system. The objective of this study was to evaluate sensitivity analysis of the AquaCrop model parameters for wheat crop in the Campos Gerais Region. The varietie tested was TBIO Sinuelo in Castro, Ponta Grossa and Itaberá cities. The analyzed parameters refer to crop phenology, transpiration, biomass production, yield formation, stresses and soil management. The sensitivity analysis was realized varying individually each input parameter in the AquaCrop for the calculation of the Relative Sensitivity Index (SI). The most sensitive parameters of the AquaCrop were: reference harvest index (HIo); water productivity normalized for evapotranspiration and CO2 concentration (WP*); crop coefficient when canopy expansion is complete (KcTR,x); fertility levels; and maximum canopy cover (CCx). The higher sensitivity of HIo and WP* is because they are directly related to two main equations of AquaCrop, linked to the estimates of dry above-ground biomass and yield formation, respectively. The AquaCrop counts WP* reflecting directly on dry above-ground biomass production and on final grain yield. The canopy decline coefficient (CDC) presented considerable sensitivity only in Castro due to the longer duration of the phenological cycle. Fertility levels and saturated hydraulic conductivity (Ksat) in Castro was the least sensitive parameters in the analysis.

Abstract The objective of this work was to evaluate the data estimated by NASA Power in relation to that measured at surface weather stations under different climates, and to verify the effects of these data on reference evapotranspiration (ETo) estimation. For comparison, data measured at 21 surface weather stations, located in Brazil, Israel, Australia, Portugal, and the United States of America were used, representing different Köppen climate types. The following climatic variables were analyzed daily: maximum (Tmax), mean (Tmean), and minimum (Tmin) air temperatures; wind speed; incident solar radiation; and mean relative humidity (RHmean). Wind speed showed the highest variations and was overestimated in the Cfb, BWh, BSh, and Cfa climates. Tmean and mean wind speed were estimated accurately in the Csa and BWh climates, whereas Tmax and Tmin were underestimated in 13 and 9 climates, respectively; Tmin did not show adequate results in tropical climates. Incident solar radiation was overestimated in all climates, except in BSh, but presented the best statistical indicators among the analyzed variables. The scenarios in which ETo was estimated using the Penman-Monteith method and data from NASA Power were consistent even for the climate type that presented the worst association between measured and estimated data.

Resumo O objetivo deste trabalho foi avaliar os dados estimados pela Nasa Power em relação aos medidos em estações meteorológicas de superfície, em diferentes climas, e verificar os efeitos destes dados na estimativa da evapotranspiração de referência (ETo). Para comparação, foram utilizados dados medidos em 21 estações meteorológicas de superfície, localizadas no Brasil, em Israel, na Austrália, em Portugal e nos Estados Unidos da América, representando diferentes tipos climáticos de acordo com Köppen. As seguintes variáveis climáticas foram analisadas diariamente: temperaturas máxima (Tmáx), média (Tméd) e mínima (Tmín) do ar; velocidade do vento; radiação solar incidente; e umidade relativa média do ar (URméd). A velocidade do vento apresentou as maiores variações e foi superestimada nos climas Cfb, BWh, BSh e Cfa. A Tméd e a velocidade média do vento foram estimadas com precisão nos climas Csa e BWh, enquanto a Tmáx e a Tmín foram subestimadas em 13 e 9 climas, respectivamente; a Tmín não apresentou resultados satisfatórios nos climas tropicais. Já a radiação solar incidente foi superestimada em todos os climas, exceto no BSh, mas apresentou os melhores indicadores estatísticos entre as variáveis analisadas. Os cenários em que a ETo foi estimada com o método Penman-Monteith e os dados da Nasa Power foram consistentes até para o tipo climático que apresentou a pior associação entre dados medidos e estimados.

RESUMEN Los sistemas agrícolas pueden alterar las propiedades física e hidráulicas del suelo y, en consecuencia, su calidad. Nuestro objetivo fue determinar y asociar las propiedades física e hidráulicas de cuatro tipos de suelo bajo un sistema de siembra directa sobre rastrojo, localizados en la región subtropical de Brasil, así como crear un conjunto de datos disponibles que pueden ser utilizados en estudios posteriores. Fueron recolectadas muestras de suelo alteradas y inalteradas en tres camadas: 0,0 - 0,10 m; 0,10 - 0,25 m; y 0,25 - 0,40 m en seis localidades de los estados de Paraná y São Paulo. Fueron determinados la textura del suelo, la densidad aparente y de las partículas del suelo, la porosidad (total, macro y micro), la humedad volumétrica del suelo (punto de marchitez permanente y capacidad de campo), la capacidad de agua disponible y la conductividad hidráulica saturada. El promedio de la densidad aparente del suelo está dentro de limites considerados óptimos (1000 kg m(3 y 1400 kg m(3) de acuerdo con las clases texturales del suelo. El promedio de la porosidad total según los suelos estudiados (entre 0.47 m3 m-3 y 0.63 m3 m-3) se mantuvo próxima a la condición ideal para el desarrollo anual de la cultura en sistema de siembra directa sobre rastrojo. La proporción entre micro y macroporos fue de aproximadamente 2:1. El promedio de la capacidad del agua disponible del suelo ha variado entre 48 mm y 60 mm. La conductividad hidráulica saturada promedio fue clasificada como “moderada”. El manejo adoptado por más de 20 años en las áreas estudiadas no presentó alteración en las once propiedades físicas e hidráulicas del suelo, al compararlo con los límites normales establecidos en la literatura.

ABSTRACT Agricultural systems can alter the soil physical and hydraulic properties, and consequently its quality. We aimed to determine and associate the physical and hydraulic properties of four soil types under no-tillage system in the Subtropical region of Brazil, as well as to create a data set available to be explored by further studies. Disturbed and undisturbed soil samples were collected from three layers: 0.0 - 0.10 m; 0.10 - 0.25 m; and 0.25 - 0.40 m at six localities in the Paraná and São Paulo States. Soil texture, soil bulk density and particle density, porosity (total, macro and micro), volumetric water content (permanent wilting point and field capacity), available water capacity and saturated hydraulic conductivity were determined. The average soil bulk density was within 1000 kg m(3 to 1400 kg m(3, which is considered optimum for the respective soil textures. The average total porosity (between 0.47 m3 m-3 and 0.63 m3 m-3) was close to an optimal condition for annual crop development under no-tillage system. The proportion between micro and macropores was approximately 2:1. The average values of soil available water capacity ranged from 48 mm to 60 mm. The average for the saturated hydraulic conductivity was classified as “moderate”. The management adopted for more than 20 years in the studied areas did not bring about critical values for the eleven physical and hydraulic soil properties examined, when compared to acceptable ranges verified in literature.

Resumo Teve-se por objetivo no presente trabalho verificar a magnitude e tendência da evapotranspiração de referência horária (EToh), bem como associar e analisar as séries diárias de ETo (ETod) e a soma da ETo horária (ETo24h) em 24 h, estimada pelo modelo Penman-Monteith ASCE para o Estado do Paraná (tipos climáticos Cfa e Cfb). Dados de umidade relativa (UR), temperatura (T), radiação solar (Rs) e velocidade do vento (u2) foram obtidos de 25 estações meteorológicas do Instituto Nacional de Meteorologia, entre 01/12/2016 e 08/11/2018. As análises foram realizadas por meio de regressão linear e associações considerando a raiz quadrada do erro quadrado médio, coeficiente de correlação e índice de concordância. A tendência da EToh teve distribuição gaussiana, com valores mais altos entre as 12:00 e 14:00 h, com média máxima de 0.44 mm h−1 (para o clima Cfa) e 0.5 mm h−1 (em clima Cfb). A diferença média entre os valores de ETo24h e ETod foi pequena (5.1% para Cfa e 7.4% para Cfb), resultando em estreitas associações lineares. Os resultados obtidos indicam que a EToh tem bom potencial para ser utilizada no planejamento e manejo na área de engenharia de água e solo, no Estado do Paraná.

Abstract The objective of this study was to verify the magnitude and trend of hourly reference evapotranspiration (EToh), as well as associate and analyze daily ETo (ETod) series and the sum of hourly ETo (ETo24h) in 24 h, estimated with the Penman-Monteith ASCE model for Paraná State (Cfa and Cfb climate type). Relative humidity (RH), temperature (T), solar radiation (Rs) and wind speed (u2) data were obtained from 25 meteorological stations from the National Meteorological Institute (INMET), between December 1, 2016 to November 8, 2018. The analyzes were performed by linear regression and associations considering the root mean square error, correlation coefficient and index of agreement. The EToh trend has a Gaussian distribution, with the highest values between 12:00 p.m. and 2:00 p.m., with the maximum average being 0.44 mm h−1 (Cfa climate type) and 0.35 mm h−1 (Cfb climate type). The average difference between the ETo24h and ETod values was small (5.1% for Cfa and 7.4% for Cfb), resulting in close linear associations. The results obtained indicate that EToh has good potential to be used in planning and management in the field of soil and water engineering, in Paraná State.

Resumen Los valores de los atributos físico-hídricos del suelo para uso en modelos de simulación agrícola generalmente se obtienen usando métodos difíciles y demorados. El objetivo del presente trabajo fue analizar el desempeño del modelo AquaCrop para estimar la productividad de los cultivos soya y maíz en la región de los Campos Gerais (Brasil), de acuerdo con la opción de incluir los atributos físico-hídricos del suelo en el modelo. Las productividades reales de los cultivos y datos de entrada (suelo, clima, cultivo y manejo del suelo) se obtuvieron de las estaciones experimentales de la Fundación ABC, para los años cosecha entre 2006 y 2014. Se llevaron a cabo 64 simulaciones de productividad para soya (cuatro municipios) y 42 para maíz (tres municipios), evaluando escenarios de entrada de los datos del suelo en el AquaCrop de la siguiente manera: i) todos los atributos físico-hídricos del suelo medidos (estándar) y ii) sólo la clasificación textural del área (alternativo). Las productividades reales y simuladas se verificaron por análisis de regresión lineal simple e índices estadísticos (r, d, c). El escenario estándar obtuvo desempeños entre muy bueno y excelente (0.75<c≤1.0) para la soya y entre malo y excelente (0.40<c≤ 1.0) para el maíz. El escenario alternativo fue más variable, con desempeños entre pésimo y excelente (0.0<c≤1.0) para soya y entre pésimo y mediano (0.0<c≤0.65) para maíz. Utilizar solamente la clasificación de textura del suelo en el AquaCrop indicó una forma más fácil de estimar los rendimientos de los cultivos, pero los bajos desempeños pueden restringir estimativas de las productividades de los cultivos soya y maíz en Campos Gerais.

Abstract The values of the physical-water attributes of soils for use in agricultural simulation models are usually obtained using difficult and time-consuming methods. The objective of this study was to analyze the performance of the AquaCrop model to estimate soybean and maize crop productivity in the region of Campos Gerais (Brazil), with the option of including soil physical-water attributes in the model. Real crop productivities and input data (soil, climate, crop and soil management) were obtained from experimental stations of the ABC Foundation for the crop years 2006 to 2014. Sixty-four yield simulations were performed for soybean (four municipalities) and 42 for maize (three municipalities), evaluating input soil data scenarios of AquaCrop as follows: i) all soil physical-water attributes were measured (standard) and ii) the attributes were measured only using textural classification of the area (alternative). Real and simulated yields were verified by simple linear regression analyses and statistical indices (r, d, c). The standard scenario yielded performances between very good and excellent (0.75<c≤1.0) for soyb ean and b etween bad and excellent (0.40<c≤1.0) for maize. The alternative scenario was more variable, with performances between terrible and excellent (0.0<c≤1.0) for soybean and terrible and medium (0.0<c≤0.65) for maize. Using only the soil texture classification in AquaCrop indicated an easier way to estimate crop yields, but low performances may restrict estimates of soybean and maize yields in Campos Gerais.

Resumo A avaliação da produtividade das culturas com modelos de simulação pode ajudar na previsão de safras e no entendimento das interações resultantes do sistema solo-planta-atmosfera. Teve-se por objetivo no presente estudo calibrar e validar o modelo AquaCrop para a cultura do milho nas condições edafoclimáticas da região de Campos Gerais, Paraná, Brasil. As análises foram realizadas para a cultura do milho com dados de entrada do modelo (clima, cultura, solo e manejo do solo) obtidos na Estação Experimental da Fundação ABC, em Castro, Ponta Grossa e Socavão. O clima na região é subtropical úmido, com chuvas distribuídas uniformemente. O relevo varia de plano a suavemente ondulado. O período analisado no processo de calibração e validação compreendeu as safras de 2011 a 2016, e 2012 a 2016, respectivamente. Os dados utilizados na calibração do AquaCrop foram diferentes dos utilizados no processo de validação. Os rendimentos observados e simulados foram analisados em análises de regressão linear simples, erros absolutos e relativos, coeficiente de correlação (r) e índices concordância (d) e desempenho (c). A calibração do AquaCrop foi satisfatória nos locais estudados para a cultura do milho, obtendo erros absolutos variando de 6 a 121 kg ha–1. Os maiores erros de calibração ocorreram em Castro. Porém, os erros não foram suficientes para reduzir a performance no processo de validação para essa localidade. A validação do modelo resultou em desempenho “excelente” em todas as localidades avaliadas. O AquaCrop pode ser usado para prever a produção de milho com acurácia aceitável na região de Campos Gerais, Paraná, Brasil.

Abstract Crop productivity evaluation with models simulations can help in the prediction of harvests and in the understanding of the interactions resulting from the soil-plant-atmosphere continuum. The aim of this study was to calibrate and validate the AquaCrop model for maize crop in the edaphoclimatic conditions of Campos Gerais region, Paraná State, Brazil. The analyses were carried out for maize crop with model input data (climate, crop, soil and soil management) obtained from the ABC Foundation Experimental Station in Castro, Ponta Grossa and Socavão. The climate in the region is humid subtropical, with rainfall evenly distributed. The relief varies from flat to gently undulating. The period analyzed in the calibration and validation process comprised 2011 to 2016 and 2012 to 2016 harvests, respectively. The data used in the calibration of AquaCrop was different from those used in the validation process. Observed and simulated yields were evaluated by simple linear regression analyses, absolute and relative errors, correlation coefficient (r), concordance (d) and performance (c) indexes. The calibration of AquaCrop was satisfactory in the locations studied for maize crop, obtaining absolute errors varying from 6 to 121 kg ha–1. The highest calibration errors occurred in Castro. However, the errors were not enough to reduce the performance in the validation process for this localitie. The model validation resulted in “excellent” performance in all locations evaluated. The AquaCrop can be used to predict the maize yield with acceptable accuracy in the Campos Gerais Region, Paraná State, Brazil.

Resumo: O objetivo deste trabalho foi calibrar e validar o modelo AquaCrop para a cultura de trigo (Triticum aestivum) na região dos Campos Gerais, no Sul do Brasil. Foram avaliadas cinco cultivares nas safras de 2007 a 2017. Os dados de entrada no AquaCrop - referentes a clima, cultura, solo e manejo do solo -, coletados em campo, foram obtidos do banco de dados da Fundação ABC e da literatura. De 35 a 43% do total das safras foram selecionadas para calibração, e as demais, para validação. A calibração foi realizada para os parâmetros mais sensíveis à penalização da produtividade potencial da cultura. As produtividades simuladas foram comparadas às observadas em campo por meio de análises de regressão linear simples, raiz quadrada do erro médio (RMSE), coeficiente de correlação de Pearson (r), índice de concordância (d) e índice de desempenho (c). A calibração apresentou bons resultados (RMSE ≤ 609,78 kg ha-1; r ≥ 0,72; d ≥ 0,80) para todas as cultivares e locais avaliados, mas a validação não teve o mesmo desempenho (c ≤ 0,46). O ajuste por tentativa, tendo-se considerado a faixa de parâmetros calibrados nas colheitas, indicou desempenhos “muito bom” e “excelente” (Supera e Quartzo, respectivamente) para as cultivares em Castro, e “ruim” a “excelente” em Ponta Grossa.

Abstract: The objective of this work was to calibrate and validate the AquaCrop model for the wheat (Triticum aestivum) crop in the Campos Gerais region, in Southern Brazil. Five cultivars were evaluated in the harvests from 2007 to 2017. The input data for AquaCrop - related to climate, crop, soil, and soil management -, collected in the field, were obtained from the database of Fundação ABC and from the literature. From 35 to 43% of total harvests were selected for calibration, and the remaining, for validation. Calibration was performed for the parameters most sensitive to crop potential yield penalty. The simulated yields were compared with those observed in the field through simple linear regression analysis, root mean square error (RMSE), Pearson’s correlation coefficient (r), the index of agreement (d), and the performance index (c). Calibration showed good results (RMSE ≤ 609.78 kg ha-1; r ≥ 0.72; d ≥ 0.80) for all assessed cultivars and locations, but validation did not have the same performance (c ≤ 0.46). The attempted adjustment, considering the range of calibrated parameters in the harvests, indicated “very good” and “excellent” performances (Supera and Quartzo, respectively) for the cultivars in Castro and “tolerable” to “excellent” in Ponta Grossa.