Este projeto visou quantificar e determinar a origem da recarga do aquífero freático na zona urbana do município de Urânia (SP). A área está localizada no extremo noroeste do Estado de São Paulo, sobre sedimentos arenosos da Formação Vale do Rio do Peixe, do Grupo Bauru. A metodologia usada foi de balanço hídrico e variação de nível de água para a quantificação da recarga e técnicas hidroquímicas e isotópicas para o estudo de origem da água. Foram analisadas águas da chuva, poços cacimbas, poços tubulares, poços que exploram o Aquífero Bauru e Sistema Aquífero Guarani, esgoto e água distribuída pela SABESP. O clima na região é dividido em duas estações: a úmida, de outubro a maio, e a seca, de junho a setembro. A precipitação acumulada, entre setembro de 2007 e agosto de 2008, foi de 2498 mm. Pelo método do balanço hídrico, 10% deste total (247 mm) correspondem ao escoamento superficial, 69% (1734 mm) voltam diretamente à atmosfera por evapotranspiração, restando 21% (517 mm) para recarga. Através do método de variação do nível d´água, monitorado em dois poços de profundidades distintas, foi calculada a recarga para o período de setembro de 2008 a abril de 2010. O volume de precipitação registrado foi de 2742 mm, e a recarga calculada somou 20% deste total (544 mm) para o poço mais raso, e 16% (456 mm) para o mais profundo. Os dados de nível de água mostraram também que apenas chuvas maiores de 100 mm por mês são capazes de elevar os níveis de água. Através da coleta de amostras mensais de chuva para análises de isótopos estáveis de oxigênio e hidrogênio foi determinada a reta meteórica local (D = 8,5 18O + 17 ( VSMOW)). Através dos isótopos estáveis de oxigênio e hidrogênio foi possível definir que a recarga da água subterrânea é predominantemente proveniente da água de chuva, podendo ter contribuição pequeno proveniente de vazamentos da rede de água da SABESP e do esgoto. Os isótopos radiogênicos de chumbo não mostraram nenhum resultado significativo para o estudo de origem da água subterrânea. Os resultados dos isótopos radiogênicos de estrôncio e de hidroquímica indicaram a existência de um zoneamento do aquífero, que pode ser dividido em raso, intermediário e profundo. Isto possibilita a identificação da contribuição de cada zona para os poços tubulares. A maioria das amostras apresentou contribuição menor do que 8% da água classificada hidroquimicamente e isotopicamente como rasa, e o restante de água profunda. Porém a contribuição pode chegar a 49% de água rasa, indicando alta vulnerabilidade à contaminação. Portanto, os isótopos de estrôncio tem potencial para ser uma ferramenta importante em estudos de vulnerabilidade e gestão de águas subterrâneas. / The focus of this project is to identify the source and quantify the recharge of the unconfined portion of the Bauru aquifer, present in the urban area of Urania, a small city located at the northwestern corner of São Paulo State, Brazil. The aquifer is composed by sandy sediments of the Vale do Rio do Peixe Formation, Bauru Group. Water balance and water table fluctuation were used to quantify the recharge. Hydrochemistry and isotopes, both stable and radioactive, were used to determine recharge sources. Rain water samples were collected, as well as from shallow and deep wells taping the Bauru aquifer and the confined Guarani Aquifer System (GAS), and from the public water supply system, which is a mixture of both aquifers. Climate is tropical, with two well defined seasons: the humid, from October to May, and the dry, from June to September. The total accumulated precipitation between September 2007 and august 2008 was 2498 mm. Using the water balance method, runoff accounted for 10% of this amount (247 mm), evapotranspiration 69% (1734 mm) and recharge 21% (517 mm). Water table was monitored in two wells with different depths in the unconfined aquifer, between September 2008 and April 2010. The total precipitation during this period was 2742 mm. Using the water table fluctuation method, recharge in the shallower well was 20% of this total (544 mm), and 16% in the deeper well (456 mm). Only rainfalls in excess of 100 mm/month caused an elevation in the water table. The local meteoric line was established (D = 8,5 18O + 17 ( VSMOW)). The stable hydrogen and oxygen isotopes indicated that the main recharge source is rainfall, and a secondary source is leakage from water and sewage mains. Radioactive Pb isotopes were not useful for recharge source definition. Water samples collected at different depths in gravel-packed wells show both distinctive radioactive Sr isotope and hydrochemical signatures. Thus, groundwater can classified as shallow, intermediary and deep. Most samples collected at gravel-packed wells had less than 8% of water coming from the shallow zone, but a few wells had up to 49% of shallow water, which indicates high vulnerability to contaminants. Therefore, Sr isotopes may be used as a tool in unconfined aquifer vulnerability assessments.

Cerrado is the second largest Brazilian biome and originally corresponded to 24% of the national territory, and since the 1970´s has been under agriculture and cattle activities. Soybean and maize are two of the most important grain-crops found in this region, with an estimated production of approximately 223 millions of tons in the Brazilian 2016/17 harvest. Changes in soil physical properties due to soil management affect productivity. Possible changes in climatic variables may also affect agricultural productivity, either per unit area (land productivity) or per unit of water volume (water productivity). One option for studying the relation between land and water productivity and how they are affected by soil hydraulic properties and climatic factors is by using an agro-hydrological model. In this study, the aim was to quantify aspects of the soil water balance and to make estimates of land and water productivity for soybean in a clay soil and maize in a medium texture in the Cerrado region using SWAP simulations for different irrigation strategies. Effects on agricultural productivity of a climatic prevision with increasing the air temperature and rainfall reduction for the years 2016-2040 were also simulated. Results show that an increase of soil porosity, resulting from a conservation tillage management, leads to a higher infiltration capacity and is shown to increase land and water productivity, when associated to irrigation scenarios. Higher water productivities were observed with only supplementary irrigation. Predicted climate changes will lead to a decrease of approximately 20% by the end of the years 2016-2040 in land productivity, under rainfed conditions. / O Cerrado é o segundo maior bioma brasileiro que originalmente, correspondia a 24% do território nacional, e desde os anos 1970 tem sido utilizado para atividades ligadas à agricultura e pecuária. Soja e milho são duas das mais importantes culturas graníferas encontradas nesta região, com uma estimativa de produtividade de aproximadamente 223 milhoes de toneladas na safra brasileira de 2016/17. Mudanças nas propriedades físicas do solo devido ao manejo do solo afetam a produtividade agrícola. Possíveis mudanças de variáveis climáticas também poderão afetar a produtividade agrícola, tanto por unidade de área (produtividade de terra) ou por unidade de volume de água (produtividade de água). Uma opção para estudar as relações entre a produtividade de água e de terra e como elas são afetadas pelas propriedades hidraulicas do solo e pelos fatores climáticos é pela utilização de um modelo agro-hidrológico. Neste trabalho, o objetivo foi quantificar os aspectos do balanço hídrico do solo e realizar estimativas da produtividade de água e de terra para soja em um solo argiloso e para milho em um solo de textura média, na região do Cerrado, utilizando simulações com o modelo SWAP para diferentes manejos de irrigação. Os efeitos na produtividade agrícola de uma previsão climática com aumento da temperatura do ar e redução da precipitação para os anos 2016-2040 foram também simulados. Os resultados mostram que um aumento na porosidade do solo, resultante de um manejo conservacionista do solo, leva a uma maior infiltração e resulta num aumento na produtividade da terra e da água, quando associado a cenários de irrigação. As maiores produtividades da água foram observadas com irrigação suplementar. As mudanças climáticas previstas levarão a uma diminuição de aproximadamente 20% na produtividade da terra ao final dos anos 2016-2040, em áreas não irrigadas.

O presente trabalho aborda os conceitos que envolvem as perdas no sistema de distribuição de água e os diferentes indicadores de perdas existentes, utilizados como um dos principais instrumentos de apoio à gestão nos sistemas de abastecimentos de água. A revisão bibliográfica apresenta histórico dos trabalhos referentes ao controle e redução de perdas que tem sido desenvolvidos no Brasil e em outros países. Mostra a diversidade de indicadores de perdas existentes e os estudos e discussões incessantes na busca de sua padronização, coordenados pela International Water Association (IWA). Também trata de importantes questões relativas ao tema da dissertação, tais como: a elaboração do Balanço Hídrico e os limites de incertezas de suas variáveis; e as iniciativas existentes ao redor do mundo relacionadas ao uso eficiente de energia e sua interface entre a redução de perdas em sistemas de abastecimento de água. Na segunda etapa do trabalho, foram elaborados passo a passo os Balanços Hídricos de três setores de abastecimento da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) com características distintas entre si. Em razão da dificuldade de medições de alguns volumes de entrada dos Balanços Hídricos, recorreu-se à alternativa de calculá-los através de estimativas, cujos valores padrões foram pesquisados na bibliografia existente. Devido a isso, os fluxos dos Balanços Hídricos estudados apresentaram faixas de valores, retratando os limites de incertezas a que eles estão submetidos. Compararam-se os Balanços Hídricos dos três setores de abastecimento, avaliando-se suas incertezas, analisando-se seus resultados e recomendando-se onde podem ser direcionadas as ações para o controle e redução, sejam para as perdas reais, sejam para as perdas aparentes. Por fim, ressalta-se que por se tratar de tema correlacionado às dissertações desenvolvidas por Galvão (2007), Melato (2010), Oliveira (2011) e Palo (2010), este estudo serve, portanto, como uma continuidade desses trabalhos. / This project has the purpose of treat the conceptions involving losses in water distribution systems and different performance indicators, used as a major instrument of management support systems in water supplies. Bibliographic review presents a historic of the works on the control and reduction of water losses that have been developed in Brazil and other countries. It shows the diversity of existing indicators of water losses and incessant studies and discussions in the search for its standardization, coordinated by the International Water Association (IWA). It also deals with important issues related to the subject of the dissertation, such as the elaboration of the water balance and the limits of uncertainty of its variables, and the existing initiatives around the world related to the energy efficiency and its interface with the reduction of losses in water supply systems. In the second stage of the work, the Water Balances of three different supply sectors of the Metropolitan Region of São Paulo were developed step by step. Because of the difficulty of measurements of some volumes of incoming Water Balance, one resorted to the alternative of calculating them through estimates, whose default values were researched in existing literature. Due to this, the flow of Water Balance study showed ranges of values, depicting the limits of uncertainty to which they are submitted. The Water Balance of three supply sectors were compared, evaluating their uncertainties, analyzing their results and recommending where actions should be directed to the control and reduction whether they are real or apparent losses. It is important to say that since it is correlated themes to dissertations developed by Galvão (2007), Melato (2010), Oliveira (2011) and Palo (2010), will represent, therefore, as continuity to their works.

The determination of crop coefficient (Kc) with adequate methodology is important to quantify regional water requirement. Jatropha (Jatropha curcas L.) Kc is still unknown and this information will be essential to provide reliable irrigation parameters, as well as for crop zoning. The objective of this study was to determine jatropha actual crop evapotranspiration (ETc) and Kc from 1st to 4th growing year, and correlate Kc with leaf area index (LAI) and cumulative thermal unit (CTU). The experiment was performed from March 2012 to August 2015 at \"Luiz de Queiroz\" College of Agriculture (ESALQ)/University of São Paulo (USP), at Piracicaba city, SP, Brazil. The experiment was divided into center pivot, drip, and rainfed treatments. Two large weighing lysimeters (12 m2 each lysimeter) per treatment were used to determine jatropha ETc (one plant per lysimeter). Reference evapotranspiration (ET0) was determined by Penman-Monteith method from a weather station data situated close to the treatments. Daily Kc was determined for the two irrigated treatments by the ration between ETc and ET0 (Kc=ETc/ET0). LAI was determined using the LAI-2200 plant canopy analyzer, which was previously calibrated for jatropha canopy type. In all growing years, LAI was almost zero at the beginning of vegetative stage, increasing until a maximum during productive stage, and decreasing to zero in the leaf senescence stage. Annual ETc trend during the three growing was very similar, which was explained by the different growing periods and the LAI variation. In the 1st year Kc was 0.47 for both treatments. In the 2nd, 3rd, and 4th years Kc ranged from 0.15 to 1.38 for center pivot treatment and from 0.15 to 1.25 for drip treatment. Kc average in 2nd, 3rd, and 4th years during vegetative and productive growing periods was 0.77, 0.93, and 0.82 for center pivot treatment, respectively, and 0.69, 0.79, and 0.74 for drip treatment, respectively. The relationship between Kc and LAI for the center pivot treatment was adjusted to a logarithmical equation with coefficient of determination (R2) and root mean square error (RMSE) of 0.7643 and 0.334, respectively. For the drip treatment R2 was 0.8443 and 0.2079, respectively. In all three years analyzed, Kc related to CTU by a 3rd degree polynomial equation for both treatments. / A determinação de coeficiente de cultivo (Kc) com metodologia adequada é essencial para quantificar o consumo hídrico de cultivos em diferentes regiões. Valores de Kc do pinhão-manso (Jatropha curcas L.) ainda não foram determinados e essa informação é muito importante para auxiliar o manejo de irrigação de maneira adequada. O objetivo desse estudo foi determinar a evapotranspiração (ETc) e Kc do 1º ao 4º ano de cultivo do pinhão-manso, e correlacionar Kc com o índice de área foliar (IAF) e a soma da unidade térmica (SUT). O experimento foi realizado de março de 2012 à agosto de 2015 na Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\" (ESALQ)/Universidade de São Paulo (USP), na cidade de Piracicaba, SP, Brasil. O experimento foi divido nos tratamentos irrigados por pivô central, gotejamento e sem irrigação. Foram utilizados dois lisímetros de pesagem (12 m2 de superfície em cada lisímetro) por tratamento para realizar a determinação de ETc (uma planta por lisímetros). A evapotranspiração de referência (ET0) foi determinado pelo método de Penman-Monteith a partir de dados meteorológicos coletados na estação meteorológica localizada ao lado do experimento. Valores diários de Kc foram determinados nos tratamentos irrigados pela razão entre ETc e ET0 (Kc=ETc/ET0). IAF foi determinado utilizando o equipamento LAI-2200 Plant Canopy Analyzer, que foi previamente calibrado para adequar as características do dossel do pinhão-manso. Em todos os anos avaliados, o IAF foi quase zero durante o início do período vegetativo, aumentando os valores conforme a planta começou a se desenvolver até atingir valores máximos durante o período produtivo, decrescendo os valores até zero no estádio de desenvolvimento de senescência foliar. A variação anual de ETc no 2º, 3º e 4º ano foi muito similar, explicado pelos diferentes períodos de desenvolvimento da cultura e a variação de IAF no ano. No 1º ano, Kc foi 0,47 para os dois tratamentos irrigados. No 2º, 3º e 4º ano, Kc variou de 0,15 a 1,38 no tratamento irrigado por pivô central e de 0,15 a 1,15 no tratamento irrigado por gotejamento. A média dos valores de Kc no 2º, 3º e 4º ano durante os períodos vegetativos e produtivos foi de 0,77, 0,93 e 0,82 no tratamento irrigado por pivô central, respectivamente, e 0,69, 0,79 e 0,74 no tratamento irrigado por gotejamento, respectivamente. A relação entre Kc e IAF mostrou, para o tratamento irrigado por pivô central, um ajuste logaritmo com coeficiente de determinação (R2) e somatória do erro médio ao quadrado (SEMQ) de 0,7643 e 0,334, respectivamente, e 0,8443 e 0,2079 para o tratamento irrigado por gotejamento, respectivamente. Nos três anos analisados, Kc correlacionado com SUT mostrou o melhor ajuste à equação polinomial de 2ª ordem para os dois tratamentos.

Agriculture when only focused on production leads to an unsustainable use of inputs with negative consequences to the environment and human health. One consequence of the excessive use of fertilizers is the pollution of surface and underground water resources in agricultural eco-systems and their boundaries. The Brazilian Cerrado has been suffering the transformations of the intensive agriculture during the last decades. Due to the poor fertility of soils, in general very sandy and of low pH, the use of agricultural inputs is intensified and the nutrient downward transport by leaching becomes a serious problem in different regions. Information about the current use practices of fertilizer use in the Cerrado environment must be gathered for a healthy transition of this biome. Models based on physical and chemical processes are useful tools to simulate water and nutrient dynamics in agricultural systems, including the related losses due to adopted managements. They have the potential to evaluate different scenarios to predict outcomings of such practices. Among the available models for such processes, SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant model) has been used under several agronomic conditions to describe hydrologic processes, and ANIMO (Nitrogen in Agriculture model) to simulate N cycling in agricultural systems. Our study presents an application of SWAP to adult perennial coffee crops along one productive cycle, with focus on deep drainage losses and irrigation management in a representative Brazilian Cerrado management system. The SWAP/ANIMO combination was used in this study to simulate N absorption by coffee plants and N leaching in the form NO3-N, as a result of an intensive fertilizer management practice. The ANIMO program was calibrated in relation to one N treatment, of 400 kg ha-1 year-1, and was evaluated with independent data of NO3-N in soil solution of another treatment of 800 kg ha-1 year-1. The yearly water balance (WB) obtained from SWAP was similar to that obtained through a sequential climatologic WB of Thornthwaite and Matter. However, the monthly deep drainage values obtained by SWAP as compared to the WB values presented differences with a determination coefficient of 0.77 in a linearization of the results. Irrigation scenarios with intervals of 3(IF3), 5(IF5), 10 (IF10) e 15 (IF15) days between water applications were simulated by SWAP and compared with the irrigation management practiced in the farm where the experiment was carried out. These simulations showed for longer intervals (IF15) drainage losses were smaller, water productivity higher, as well as relative productivity. Measurements of N absorption by plants obtained experimentally were similar to ANIMO simulations. Sensitivity analyses of the model showed that leaching and soil solution concentration of NO3-N are sensitive to soil pH and temperature of the decomposition processes. We conclude that the combination of SWAP with ANIMO was efficient for the description of the N cycle in a Cerrado soil-plant-atmosphere system / A agricultura focada apenas na produção leva ao uso insustentável de recursos resultando em consequências negativas para o meio ambiente e a saúde humana. Uma consequência do uso excessivo de fertilizantes é a contaminação dos recursos hídricos subterrâneos e superficiais em ecossistemas agrícolas e nos seus arredores. Devido o solo da região do Cerrado ser pobre em nutrientes, predominantemente arenoso e com alta acidez, o uso de insumos agrícolas é intensificado e o transporte químico de nutrientes via lixiviação é um problema para a agricultura intensiva nas diferentes regiões. Informações sobre as atuais práticas de uso de fertilizantes e seus efeitos no ambiente de Cerrado precisam ser coletadas para reduzir os impactos da agricultura nesse ecossistema. Modelos baseados em processos físicos e químicos são ferramentas úteis para simular a dinâmica da água e nutrientes no meio agrícola e as perdas associadas aos manejos adotados, com potencial para avaliar diferentes cenários de previsão dos resultados dessas práticas. Entre os modelos baseados em processos, o SWAP (modelo Solo, Água, Atmosfera e Planta) tem sido utilizado com sucesso em várias condições agronômicas para descrever processos hídricos, e o ANIMO (modelo de nitrogênio na agricultura) para simular o ciclo do nitrogênio em sistemas agrícolas. Nosso estudo apresenta uma aplicação do SWAP para culturas de café perenes maduras ao longo de um ciclo produtivo, com foco nas perdas por drenagem e no manejo da irrigação em um sistema típico do Cerrado Brasileiro. A combinação dos modelos SWAP/ANIMO foi utilizada nesse estudo para simular a absorção de N pelas plantas de café e a lixiviação do nitrogênio na forma de nitrato (NO3-N) resultante de uma prática de manejo de fertilizantes intensiva. O ANIMO foi calibrado para o cenário correspondente à aplicação de 400 kg ha-1 ano-1 de fertilizante mineral, e foi avaliado com dados independentes de NO3-N na solução do solo medidos em parcelas de outro tratamento que receberam 800 kg ha-1 ano-1. O balanço hídrico anual obtido pelo SWAP foi semelhante ao obtido pelo balanço sequencial climatológico, de Thornthwaite e Matter. No entanto, os valores mensais de drenagem profunda obtidos pelo SWAP e comparados com os resultados do balanço climatológico apresentaram diferenças, com um coeficiente de determinação de 0,77 na linearização dos resultados. Cenários de irrigação com intervalos de 3 (IF3), 5 (IF5), 10 (IF10) e 15 (IF15) dias entre aplicações de água foram simulados utilizando o SWAP e comparados com a prática de manejo da fazenda onde o estudo experimental foi realizado. As simulações dos cenários com o SWAP mostraram que as irrigações com intervalos mais longos (IF15) apresentam menores quantidades de perdas por drenagem, maior produtividade da água e produtividade relativa da cultura. As medidas de absorção de N pelas plantas obtidas experimentalmente foram similares às estimativas do modelo ANIMO. As analises de sensibilidade do modelo mostraram que as previsões da lixiviação e concentração de NO3-N na solução do solo são sensíveis às variáveis pH do solo e temperatura de referência dos processos de decomposição. Conclui-se que a combinação dos modelos unidimensionais baseados em processos SWAP/ANIMO foi eficaz na descrição do ciclo do N avaliado no sistema solo-planta do Cerrado

Resumo: A presente pesquisa foi realizada com a finalidade de comparar e avaliar o desempenho de um balanço hídrico, denominado balanço hídrico distribuído - BHD devido a sua alta resolução espacial. Com base nos mapas pedológicos das áreas das quadrículas de Assis e Piracicaba, o BHD foi executado em 19 períodos decendiais, entre 21/outubro/2004 a 29/abril/2005, objetivando determinar o percentual de água disponível no solo (AD%) a cada 1 km². Como dado de entrada na equação do BHD, a chuva média nas áreas citadas foi quantificada de duas formas: pelos pluviômetros, através do método dos polígonos de Thiessen e pelo radar meteorológico, obtida através da relação Z-R específica, sendo Z fator de refletividade do radar e R a taxa de precipitação. Os dados de radar foram obtidos por meio de imagens do produto CAPPI (Constant Altitude Plan-Position Indicator) num raio de 240 km, com altura de 3,5 km, a cada 7,5 ou 15 minutos, amostradas pelo radar meteorológico Doppler, banda S, localizado em Bauru/SP e operado no IPMet/UNESP e foram processados permitindo que as chuvas fossem integradas em períodos decendiais sobre pixels do radar, com resolução de 1 km x 1 km. Para a avaliação do comportamento espacial da chuva medida com o radar, utilizou-se a técnica de análise de superfície de tendência (Trend Surface Analysis) com regressão polinomial de primeiro grau em um modelo de grade de 51 X 51, elaborado pelo programa SURFER®, v. 7, objetivando o mapeamento e a identificação dos resíduos positivos (excesso de chuva) e negativos (falta de chuva) nas áreas de Piracicaba e Assis. Os resultados do BHD executados com os dados do pluviômetro e radar, mostraram diferença do campo de distribuição de água disponível nas áreas de Assis e Piracicaba. / Abstract: The present research was carried out with the aim of assessing and comparing the performance of an specific water balance process, denominated Distributed Water Balance (acronym in Portuguese: BHD) due to its high spatial resolution. Based on pedological maps of unitary cell areas from Assis/SP and Piracicaba/SP regions, the BHD was computed for 19 dekadal periods between 21 October 2004 and 29 April 2005, to determine the percentage of soil water availability (designated AD%) for each 1 km² cell. The mean areal rainfall for both Assis and Piracicaba, used as input to the BHD equation, was quantified in this different ways, e.g., based on rain gage through Thiessen polygon method and weather radar through an appropriate Z (radar reflectivity) to R (rainfall intensity) conversion relationship. Radar data were from the CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) product covering an area of 240 km range, at a 3,5 km (agl) height, generated each 7,5 or 15 minutes from the observations of the Doppler S band weather radar operated by IPMet/ UNESP in Bauru-SP. Date were processed to provide rainfall accumulations over dekadal periods for radar pixels at 1 x 1 km² resolution. To evaluate the spatial behavior of the radar derived rainfall, the Trend Surface Analysis technique was employed with a first degree polynomial regression in a grid model of 51 x 51 dimension, elaborated with the version v.7 of the SURFER® program aiming to map and identify the positive (excess rainfall) and negative (rainfall deficit) residuals in the Assis and Piracicaba regions. BHD effected with rain gage data, and with radar data provided different results for the maps of available water distribution for both regions. In the BHD based in rain gage a more homogenous pattern is perceived in the AD distribution as compared to the BHD computed with radar observations where results show a more heterogeneous rainfall distribution. / Orientador: Paulo Milton Barbosa Landim / Coorientador: Roberto Vicente Calheiros / Banca: Orivaldo Brunini / Banca: Klaus Reichardt / Banca: José Silvio Govone / Banca: Chang Hung Kiang / Doutor

Foram avaliados dois modelos para estimativa do potencial produtivo relativo de cana-de-açúcar. Utilizou-se dados de produtividade (t.ha -1 ) de experimentos, dados de campo da Usina Santa Rita, localizado no município de Santa Rita do Passa Quatro e das áreas de cana-de-açúcar da Usina Costa Pinto em Piracicaba, todas localizadas no Estado de São Paulo, Brasil, para realizar uma comparação entre a produtividade obtida em campo e a produtividade relativa (% da máxima produtividade) estimada pelo modelo matemático. As variáveis de entrada são o fósforo (P, mmolc/kg), potássio (K, mmolc/kg), capacidade de troca de cátions (T, mmolc/kg), saturação por bases (V%) e o teor de argila (Arg%). As avaliações mostraram que o modelo estimou de forma eficiente a produtividade relativa de cana-de-açúcar, com relações altamente significativas (P<0,001) entre produtividade medida no campo e produtividade relativa estimada. Verificou-se que o modelo ganha precisão quando se trabalha em escalas maiores (dados experimentais) em comparação com escalas menores (grandes fazendas). Uma análise de regressão linear múltipla, pelo método stepwise, foi utilizada para verificar quais foram os fatores que influenciaram a produtividade da cana-de-açúcar nos diferentes anos. Verificou-se forte influencia do número de cortes e das variedades, entretanto notou-se que as variáveis do solo utilizados como variáveis de entrada (P,K,T,V,Arg) nem sempre influenciaram a produtividade nos diferentes anos. Constatou-se então que as ferramentas estatísticas podem ser limitadas para elaboração de modelos. Consequentemente o modelo mostrou-se uma ferramenta útil para identificação da capacidade produtiva de áreas para a cana-de-açúcar de maneira holística e integrada em comparação aos métodos estatísticos. O modelo foi aplicado, numa escala regional, no o município de Piracicaba. Através de um sistema de informações geográficas (SIG) foram gerados um mapa de declividade, mapa de distância em relação a 4 usinas da região e uma mapa de produtividade relativa. Os mapas foram úteis na identificação da distribuição espacial da cana-de-açúcar no município. Utilizou-se o modelo climático da FAO para simular a produtividade da cana-de-açúcar mês a mês durante um ano. O mesmo não apresentou correlação com a produtividade média mensal obtida. Este modelo foi concebido para estudos em dimensões continentais com regiões climaticamente contrastantes. Em escala local se mostrou muito sensível ao déficit hídrico para estimar a produtividade da cana-de-açúcar adequado para realizar estimativas, principalmente porque esta cultura é tolerante a períodos de stress hídricos. / Two models of sugarcane were evaluated. The yield (t/ha) out of experimental data, and from fields of the Santa Rita Sugar Mill, located at Santa Rita do Passa Quatro, and from large farms of the Costa Pinto Sugar Mill, located at Piracicaba, all in the State of São Paulo – Brazil were compared to the estimated relative yield (% of the maximum yield) by a mathematical model having as input the soil fertility parameters: potassium content (K, in mol/kg), phosphorus content (P, in mol/kg), cation exchange capacity (T, in mol/kg), base saturation (V, in %) and clay content (Arg, in %), by linear regression. The high significance of the regressions (P<0,001) showed a closed relation between estimated and measured yield. The model gain precision with bigger scales (experimental data) compared to the smaller scales (larger farms). A linear multiple regression statistical analysis, by the stepwise method, were applied to select the soil parameter which most affected the yield. The ratton number and the sugarcane variety were the most important factors determining yield, overcoming the soil fertility parameters which not always affected yield according to this analysis. Consequently, the model was a better tool to identify soil capability for sugarcane yield, in a holistic and integrated manner, than the statistical analysis. The soil model to estimated relative yield were applied tin the regional scale on the Piracicaba county to generate maps of the distance of sugarcane field to the sugar mills, relative sugarcane yield of the fields, and land slopes of the sugarcane fields. The maps were useful to elucidate the sugarcane distribution within the county. An estimation of yield by the FAO model, using weather data as input parameters, showed a large month to month yield variation in discrepancy to the field observations. No significance regressions demonstrated that the yield estimated by FAO model is not related to the field data. This model was created for studies at continental level with contrasting weather differences, but is too sensitive for the water deficit to estimate sugarcane yield at local and regional scale, mainly because this crop is particularly tolerant do periodic water stress.

O presente trabalho foi desenvolvido com objetivo de analisar a classificação climática segundo Köppen e Thornthwaite (comparando os valores de armazenamento de água no solo, evapotranspiração real, deficiência hídrica e excedente hídrico para realização do balanço hídrico cíclico mensal), e de propor uma caracterização edafoclimática referente à região mesoclimática de Santa Maria, RS utilizando uma série histórica de 35 anos (de 1969 a 2003). De acordo com os resultados, as seguintes conclusões podem ser apresentadas: (a) a classificação climática segundo Thornthwaite ou Köppen pode ser feita com base na classe mais freqüente ou utilizando os valores médios de temperatura e de chuva e a capacidade de água disponível de 50 mm; (b) classificação climática segundo Thornthwaite: A r B\'3 a\' (classe mais freqüente) ou B4 r B\'3 a\' (utilizando os valores médios de temperatura e de chuva); (c) classificação climática segundo Köppen: Cfga (classe mais freqüente) ou Cwga (utilizando os valores médios de temperatura e de chuva); e (d) A29/42S,53/42W,95,35,11,7,27,2,20,3,5,5,471,1/5,1235,2672,1802,20,953,887,915,50: caracterização edafoclimática proposta. Isso significa que a evapotranspiração real é pelo menos 90% da evapotranspiração potencial de referência (classe A de disponibilidade hídrica), a localização geográfica é de 29o42\' (latitude sul), 53o42\' (longitude oeste) e altitude de 95 m, e que a série histórica apresenta 35 anos, sendo as temperaturas mínima e máxima mensal de 11oC (julho) e 27oC (fevereiro), a temperatura média anual de 20oC, respectivamente, com coeficiente de variação de 3%, e as chuvas mínima e máxima mensal de 5 mm (maio) e 471 mm (janeiro/maio), as chuvas mínima, máxima e média anual de 1235 mm, 2672 mm e 1802 mm, respectivamente, com coeficiente de variação de 20%, valores médios anuais de evapotranspiração potencial de referência, evapotranspiração real e excedente hídrico de 953 mm, 887 mm e 915 mm, respectivamente, adotando uma capacidade de água disponível de 50 mm. / The present work was developed with the purpose of analyzing the climatic classification by Köppen and Thornthwaite (comparing the values of soil water holding, actual evapotranspiration, water deficit and water excess for cyclic water balance using monthly data), and of proposing an edaphoclimatic characterization related to the mesoclimatic region of Santa Maria, State of Rio Grande do Sul, Brazil, using a historical series of 35 years (from 1969 to 2003). According to the results, the following conclusions can be presented: (a) the climatic classification by Thornthwaite or Köppen can be done based on the modal class or using the mean values of air temperature and rainfall and the soil water holding capacity of 50 mm; (b) the climatic classification by Thornthwaite is A r B\'3 a\' (modal class) or B4 r B\'3 a\' (using the mean values of temperature and rainfall); (c) the climatic classification by Köppen is Cfga (modal class) or Cwga (using the mean values of temperature and rainfall); and (d) A29/42S,53/42W,95,35,11,7,27,2,20,3,5,5,471,1/5,1235,2672,1802,20,953,887,915,50 is the proposed edaphoclimatic characterization. It means the actual evapotranspiration is at least 90% of the potential evapotranspiration (class A of soil water availability), the geographic localization is 29o42\' South (latitude), 53o42\' West (longitude) and altitude of 95 m, using a historic series of 35 years, being monthly minimum and maximum air temperatures of 11oC (July) and 27oC (February), the annual mean air temperature of 20oC, with coefficient of variation of 3%, and the monthly minimum and maximum rainfall of 5 mm (May) and 471 mm (January/May), the annual minimum, maximum and mean rainfall of 1235 mm, 2672 mm and 1802 mm, respectively, with coefficient of variation of 20%, and the annual mean values of potential evapotranspiration, actual evapotranspiration and water excess of 953 mm, 887 mm and 915 mm, respectively, using a soil water holding capacity of 50 mm.

Estudos recentes mostram que as concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera vêm aumentando desde a Revolução Industrial. A esse acréscimo de gases, originado principalmente por atividades antrópicas, como a queima de combustíveis fósseis e o desmatamento, atribui-se a responsabilidade principal pelo aquecimento global. Além da temperatura, a precipitação também tem sofrido variações decorrentes dessas práticas e as projeções climáticas para este século indicam a possibilidade de graves conseqüências para a humanidade. Dentre as atividades econômicas, a agricultura é a mais dependente dos fatores climáticos e as alterações desses fatores afetarão a produtividade das culturas, com efeito sobre o agronegócio como um todo. No presente trabalho, foi utilizado um modelo agrometeorológico para estimar a produtividade da cana-de-açúcar na região de Piracicaba, SP, e, com base nos cenários futuros apresentados no quarto relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), foram avaliados os possíveis impactos que alterações de temperatura, precipitação, insolação e concentração de CO2 na atmosfera poderão causar na produtividade dessa cultura, levando em conta também os avanços tecnológicos. Utilizando-se os cenários de mudanças climáticas adotados para a execução deste estudo, observa-se aumento na evapotranspiração potencial (ETP). A evapotranspiração real também tende a aumentar, porém o aumento não é tão acentuado quanto o da ETP, pois a influência do aumento da temperatura é minimizada pela variação no regime hídrico. Os resultados evidenciam uma redução na disponibilidade dos recursos hídricos, com aumento das deficiências e redução dos excedentes. O aumento da temperatura acarretará aumento da produtividade potencial (PP), já que essa variável afeta positivamente a eficiência do processo fotossintético das plantas C4. Com relação às produtividades reais (PR), nas quais o efeito do déficit hídrico sobre a PP é considerado, observa-se padrão semelhante de variação dos valores obtidos em relação à PP. Ao analisar os cenários de mudanças climáticas, nota-se que a PR tende a aumentar, basicamente, devido ao acréscimo de temperatura, de CO2 e ao avanço tecnológico. A variação da resposta entre os diferentes cortes de cana deve-se ao fato de que os mesmos permanecem no campo em diferentes períodos do ano. Observa-se que a variação das PRs nos diferentes cenários obedece ao mesmo padrão das PPs de cada tipo de cana e que a PR acompanha a tendência da PP, desde que o déficit hídrico seja o mesmo. Se houver aumento ou diminuição no déficit hídrico, a PR integrará os efeitos das variáveis que condicionam a PP, bem como o déficit hídrico. O aumento da produtividade da cana-de-açúcar observado na ocorrência de mudanças climáticas globais poderá ter impactos importantes no setor canavieiro, como a possibilidade de a cultura ser expandida para regiões que estão inviabilizadas de produzir. No entanto, com o aumento da temperatura e a conseqüente elevação das taxas de evapotranspiração, haverá maiores deficiências hídricas, o que exigirá o uso da irrigação, especialmente para as canas socas precoces e médias, que enfrentaram períodos mais longos com baixa disponibilidade de água no solo. / Recent studies show increasingly higher concentrations of greenhouse effect gases in the atmosphere since the Industrial Revolution. The major responsibility for the global warming is attributed to such increase, caused by gases resulting mainly from anthropic activities like burning fossil combustibles and deforestation. Other than temperature, precipitation has also suffered variations due to these practices; furthermore, the climatic projections for this century indicate the possibility of severe consequences for human beings. Agricultural activity depends largely on climatic factors, hence changes in these factors will affect the yield rate of crops, thus adversely affecting the agribusiness as a whole. In this work, an agricultural meteorological model was used to estimate the yield rate of sugarcane activity in the Piracicaba region, SP. Based on future scenarios presented in the fourth report by the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC) and taking into consideration technological advances, it was proceeded an evaluation on the yielding rate of that crop, of the possible impacts caused by changes in temperature, precipitation, insolation and CO2 concentration in the atmosphere. Through the climate change scenarios adopted in this study, it can be observed an increase of the potential evapotranspiration (ETP). Actual evapotranspiration itself also tends to increase, although in a lesser degree than the ETP, since the influence of an increase in temperature is minimized by the variation of the hydrological regimen. The results show a reduction in the availability of water resources, with an increase in deficiencies and a reduction in excesses. Increasingly higher temperatures will cause an increase of the potential productivity (PP), since that variable affects positively the efficiency of the photosynthetic processes of C4 plants. Regarding the actual productivities (PR), in which the effect of the water deficit on PP is considered, it can be observed that the variation is similar to the one obtained for PP. This increase is due to an increase in temperature, in CO2 and to technological advance. The variation of response among different cuts of sugarcane arises from their staying in the field in different periods of the year. The variation of the PRs in different scenarios follows the same pattern as the PPs of each kind of sugarcane, provided that the water deficit is the same. If an increase or decrease of the water deficit occurs, the PR will integrate the effects of the variables that condition PP, as well as the water deficit. The observed increase in sugarcane productivity resulting from global climate changes may have important impacts on the sugarcane sector, such as the possibility that the crop will expand to regions now unfeasible for production. However, with the increase in temperature and the consequent increase in the evapotranspiration rates there will be higher hydric deficiencies, which will require the use of irrigation, especially for early and medium sugarcane ratoon crops hit by longer periods of low availability of water in the soil.

Northeastern Brazil is hydrologically characterized by recurrent droughts leading to a highly vulnerable natural water resource system. The region contains the Caatinga biome, a sparsely studied ecosystem, covering an area of approximately 800,000 km2. Reduced wateravailability is projected to take place in large regions of the globe, including Northeastern Brazil. Given the strong interactions between climate and vegetation, research has addressed climate change effects on natural and agricultural ecosystems. In this context, soil hydraulic properties are essential to assess soil water flow, and thus the ability of soil to supply water to plants at potential rates under different ranges of pressure head. Based on that, the aims of this thesis are: to increase insight in water balance components for the Caatinga biome, under current and future climate scenarios; and to assess the ability of soils in supplying water to plants by the further development of an existing matric flux potential approach, followed by its application to a group of soils from two Brazilian climatic zones (semi-arid and subhumid). Both for current and future climate scenarios, hydrological simulations were performed with SWAP model parameterized for a preserved Caatinga basin of 12 km2. The validation of the simulations was performed using a dataset of daily soil-water content measurements taken at 0.2 m depth in the period from 2004 to 2012. The soil water supplying capacity was evaluated through a multilayer matric flux potential approach, coupling the soil hydraulic properties, root length density and plant transpiration. Regarding the current climate conditions, the Caatinga biome returns 75% of the annual precipitation to the atmosphere, whereas the partitioning of total evapotranspiration into its components (transpiration, evaporation and interception) on annual basis accounts for 41%, 40% and 19%, respectively. Evapotranspiration and air temperature are most sensitive to soil moisture during the periods June-September and December-January. Concerning the future climate, transpiration was enhanced by 36%, soil evaporation and interception losses reduced by 16% and 34%, respectively. The amount of precipitation returned to the atmosphere was on average 98%. For both climate scenarios, the soil-plant-atmosphere fluxes seem to be controlled by the surface soil layer (0-0.2 m) which provides, on average, 80% of the total transpiration, suggesting that the Caatinga biome may become completely soil-water pulse dominated under scenarios of reduced water availability. The matric flux potential analysis revealed that soils from the semiarid zone were able to deliver water to plants at potential rates under a wider range of bulk soil pressure head (-36 to -148 m), whereas the soils from the wetter zone showed more hydraulic restriction with limiting soil water potential above -1.5 m. For the analyzed soils, only a negligible increase in available water results from decreasing the root water potential below -150 m, therefore, in order to adapt to water-limited conditions, plant species may invest in other adaptive strategies, rather than spending energy in structures that allow a reduction of the lower suction limit in their tissues. / O Nordeste do Brasil é hidrologicamente caracterizado por secas recorrentes, tornando os recursos hídricos naturais altamente vulneráveis. Nesta região está o bioma Caatinga, ocupando uma área de aproximadamente 800.000 km2. Cenários de déficit hídrico são projetados para grandes regiões do globo, incluindo o Nordeste brasileiro. Devido às interações entre clima e vegetação, várias pesquisas têm abordado os efeitos das mudanças climáticas sobre os ecossistemas naturais e agrícolas. Neste contexto, as propriedades hidráulicas do solo são essenciais para avaliar o movimento de água, e assim a capacidade de fornecimento de água às plantas. Com base nesta contextualização, os objetivos desta tese são: simular os componentes do balanço hídrico do bioma Caatinga para cenários climáticos atuais e futuros; e avaliar a capacidade de alguns solos em fornecer água às plantas a partir de uma abordagem de potencial de fluxo matricial. Para os cenários climáticos atuais e futuros, simulações hidrológicas foram realizadas com o modelo SWAP, parametrizado para uma microbacia de 12 km2, inserida em área de Caatinga preservada. A validação das simulações foi processada a partir de medidas diárias do conteúdo de água do solo na profundidade de 0,2 m no período de 2004 a 2012. A capacidade do solo em fornecer água às plantas foi avaliada através da atualização de uma função de potencial de fluxo matricial, que acopla as propriedades hidráulicas do solo, densidade de comprimento radicular e transpiração das plantas, aplicada a um grupo de solos da zona climática semiárida e sub-úmida. Como resultados principais destacam-se: nas condições climáticas atuais, o bioma Caatinga retorna 75% da precipitação anual para a atmosfera como evapotranspiração, particionada entre seus componentes (transpiração, evaporação e intercepção) em 41%, 40% e 19%, respectivamente. Evapotranspiração e temperatura do ar foram sensíveis à umidade do solo durante os períodos de junho-setembro e dezembro-janeiro. Em relação ao cenário climático futuro, a taxa de transpiração foi acrescida em 36%. A evaporação do solo e a interceptação foram reduzidas em 16% e 34%, respectivamente. A quantidade de precipitação devolvida para a atmosfera foi em média 98%. Para ambos os cenários climáticos, é sugerido que os fluxos de água no sistema solo-planta-atmosfera são controlados pela camada superior do solo (0-0,2 m), fornecendo, em média, 80% do total transpirado, indicando que, caso os cenários de disponibilidade hídrica reduzida se confirmem, o bioma Caatinga pode se tornar completamente dependente dos pulsos de água no solo. A partir do potencial de fluxo matricial limitante revelou-se que os solos da região semiárida são capazes de manter o fluxo de água às plantas em taxas potenciais em condições de solo seco (potencial matricial limitante variando de -36 a -148 m), enquanto que, os solos da região mais úmida indicaram severa restrição hidráulica, com potencial matricial limitante maior do que -1,5 m. Ainda para os solos analisados, a atribuição de potencial na superfície da raiz inferior a -150 m não ocasionou aumento de disponibilidade hídrica, indicando que valores menores que -150 m não implicam em uma estratégia viável para suportar baixa disponibilidade hídrica.