Calibration of the century, apsim and ndicea models of decomposition and N mineralization of plant residues in the humid tropics

Abstract

The aim of this study was to calibrate the CENTURY, APSIM and NDICEA simulation models for estimating decomposition and N mineralization rates of plant organic materials (Arachis pintoi, Calopogonium mucunoides, Stizolobium aterrimum, Stylosanthes guyanensis) for 360 days in the Atlantic rainforest bioma of Brazil. The models´ default settings overestimated the decomposition and N-mineralization of plant residues, underlining the fact that the models must be calibrated for use under tropical conditions. For example, the APSIM model simulated the decomposition of the Stizolobium aterrimum and Calopogonium mucunoides residues with an error rate of 37.62 and 48.23 %, respectively, by comparison with the observed data, and was the least accurate model in the absence of calibration. At the default settings, the NDICEA model produced an error rate of 10.46 and 14.46 % and the CENTURY model, 21.42 and 31.84 %, respectively, for Stizolobium aterrimum and Calopogonium mucunoides residue decomposition. After calibration, the models showed a high level of accuracy in estimating decomposition and N- mineralization, with an error rate of less than 20 %. The calibrated NDICEA model showed the highest level of accuracy, followed by the APSIM and CENTURY. All models performed poorly in the first few months of decomposition and N-mineralization, indicating the need of an additional parameter for initial microorganism growth on the residues that would take the effect of leaching due to rainfall into account.

Este trabalho teve como objetivo calibrar os modelos de simulação CENTURY, APSIM e NDICEA para estimar a taxa de decomposição e liberação do N de materiais orgânicos de origem vegetal (amendoim forrageiro, calopogônio, estilosantes e mucuna) durante 360 dias em ambiente tropical do bioma Mata Atlântica. Em sua calibração original, os modelos superestimaram a decomposição e liberação de N dos resíduos dos materiais vegetais, evidenciando a necessidade de calibração para as condições tropicais. O APSIM simulou a decomposição para mucuna e calopogônio, por exemplo, com desvios de 37,62 e 48,23 %, respectivamente, em relação aos dados observados, constituindo-se naquele com menor grau de acurácia dos modelos sem calibração. Sem a calibração, o NDICEA apresentou desvios de 10,46 e 14,46 %, e o CENTURY, de 21,42 e 31,84 %, para a decomposição dos resíduos de mucuna e calopogônio, respectivamente. Depois de calibrados, os modelos apresentaram alto grau de acurácia tanto para decomposição quanto para liberação de N, com desvios abaixo de 20 % em relação aos dados observados. O NDICEA calibrado foi o modelo com maior grau de acurácia, seguido do APSIM e CENTURY. Os modelos apresentaram baixo rendimento para os primeiros meses de decomposição e liberação de N, indicando a necessidade da incorporação neles de uma variável que represente o crescimento microbiológico inicial sobre os resíduos e o papel da lavagem inicial do material com água de chuva.