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Um estudo que avalia o impacto das mudanças climáticas no rendimento e necessidades de água de rega da cana-de-açúcar na bacia de incomáti, no distrito da manhiça, usando o modelo aquacrop da fao. O estudo combina diferentes abordagens para a escolha do modelo e avalia o desempenho do modelo aquacrop usando vários índices. Além disso, o documento aborda as limitações do modelo aquacrop e sua aplicação em diferentes condições climáticas e de culturas.
Tipologia: Teses (TCC)
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Autor: Jaime David Francisco Pechiço Supervisor: Prof. Doutor Rui Miguel Coelho Lemos Brito UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE FACULDADE DE AGRONOMIA E ENGENHARIA FLORESTAL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL Mestrado em Gestão de Solos e Águas Maputo, Outubro de 2017
i Impacto das Mudanças Climáticas sobre o Rendimento e Necessidades de água da Rega da Cana-de-açúcar ( Saccharum officinarum ) na Bacia do Incomáti: Caso do Distrito da Manhiça Por: Jaime David Francisco Pechiço Dissertação submetida ao Programa de Mestrado em Gestão de Solos e Águas da Faculdade de Agronomia e Engenharia Florestal na Universidade Eduardo Mondlane, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Gestão de Solos e Águas , sob supervisão do Prof. Doutor Rui Miguel Coelho Lemos Brito. Maputo, outubro de 2017
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O Distrito da Manhiça, situado na bacia hidrográfica do rio Incomáti tem a produção da Cana-de- açúcar como a principal actividade socioeconómica. Contudo, com as projectadas mudanças climáticas espera-se que a produção desta cultura seja afectada. Assim sendo torna-se imprescindível a quantificação desses impactos e previamente identificar e discutir as potenciais medidas de adaptação. O objectivo deste estudo foi de avaliar o impacto das mudanças climáticas sobre o rendimento (R) e necessidades de água de rega (Nar) da Cana-de-açúcar no Distrito da Manhiça. Foram usados dados climáticos projectados pelos modelos (de circulação global) IPSL (cenário seco) e CNRM (cenário húmido) para 2081 a 2100 (período de referência: 1981 – 2010) sob cenário de emissão SRES A 2 do IPCC - AR 4. O modelo agrícola da FAO Aquacrop versão 5 foi usado para simular os rendimentos e necessidades de água de rega, assim como avaliar o uso do mulching e a alteração das datas de plantação como medidas de adaptação às mudanças climáticas. Durante o período de referência, apenas a temperatura mínima ( tmin ) apresentou tendências de aumento significativo de 0.032º C.ano-^1. Os modelos CNRM e IPSL projectaram aumentos de 2. e 3.07º C na temperatura máxima (tmax), respectivamente e 4.31 e 3.68º C na temperatura mínima, respectivamente. O modelo Aquacrop simulou com moderada precisão (r^2 = 0.26, RMSEn = 13.1%, d = 0.5 ton. ha-^1 , r^2 =0.26 e E = - 1.7 ton. ha-^1 ) os rendimentos da cana-de-açúcar nas condições da área de estudo. São projectados aumentos significativos (p =0.0000) dos rendimentos em 10.75 % e 12.24 % para os modelos CNRM e IPSL , respectivamente. São também projectados aumentos significativos nas Nar, mas apenas para as condições do modelo IPSL em 16. 9 3%. Com as actuais prácticas, esperam-se aumentos significativos (p=0.000) dos rendimentos. O uso do mulching apenas teve efeito significativo (p = 0.0001) sobre as Nar, reduzindo em 6.01 % e 17.46% no período de referência e sob modelo CNRM respectivamente. A alteração da data de plantação apenas teve efeito nas Nar, onde contribuiu para o aumento das Nar no período de referência e sob modelo IPSL e reduziu nas condições do modelo CNRM. Os projectados aumentos no R e Nar estão relacionados aos aumentos na temperatura, [CO 2 ] e redução da precipitação ( IPSL ). Sob as condições da área de estudo, o mulching pode ser considerado como medida de adaptação eficaz, uma vez que pode reduzir a demanda hídrica e consequentemente os custos associados. As melhores datas de plantação serão abril e julho para os modelos IPSL e CNRM , respectivamente. Palavras-chave : Rendimentos, Necessidade de água de rega, Aquacrop, modelos e mulching.
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Manhiça district located in Mozambican side of Incomáti river basin have agriculture, mainly sugarcane production as primary socioeconomic activity. However, like other agriculture sectors, sugarcane farming is expected to be significantly affected by projected changing of climate. So that, quantifying those impacts on sugarcane production and discuss potential adaptation measure for minimizing those impacts is very important. The aim of this study was to assess the impact of climate change on yield and irrigation water requirement of sugarcane. The Aquacrop 5 model was combined with climatic data projected by two models (general circulations) IPSL (dry scenario) and CNRM (wet scenario) to 2081- 2100 (baseline 1981-2010) under A 2 emissions scenarios from IPCC AR4. In baseline period, only minimum temperature showed increases trends in rate of 0. degrees Celsius per year. The CNRM and IPSL GCMs projected increasing of maximum temperature in 2.6 and 3.07 degrees Celsius, respectively and minimum temperature in 4.31 C and 3.68 degrees Celsius, respectively. Aquacrop model simulated yield with moderate precisions (r^2 = 0.26, RMSEn = 13.1%, d = 0.5 ton. ha-^1 and E = - 1.7 ton. ha-^1 ). For future, is projected significant increasing (p =0.000) of yield in 10.75 % and 12.24 % for wet scenario (CNRM) and dry scenario (IPSL), respectively. Irrigation water requirement is only projected to increase in 16.93% for IPSL scenario. Mulching don’t have significant effect on sugarcane yield for both periods, however its reduce irrigation water requirement in 6.01 % and 17.46 for baseline and CNRM scenarios, respectively. Shifting planting data from reference (April) don’t have significant effect on sugarcane yield, but increases irrigation water requirement for baseline and for CNRM scenarios, while reducing for IPSL models. The increasing on sugarcane yield and irrigation water requirement is related with increasing of temperature, CO 2 and reduce of precipitation (IPSL model. For the Manhica district conditions, mulching can be used as adaptation measure because reduces the demand for irrigation. Planting in April and July will be the better option for IPSL and CNRM, respectively. Keywords: Yield, Irrigation water requirement, Aquacrop, Models, Mulching
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A Deus pelo dom da vida, assim como pela presença constante em minha vida. Ao meu supervisor, o Prof. Doutor Rui Brito pela orientação e paciência na transmissão dos conhecimentos usados durante a realização do presente estudo. Á Aliança para a Revolução Verde em Africa (AGRA) e ao Departamento da Engenharia Rural da Faculdade de Agronomia e Engenharia Florestal, em especial aos Professores Zélia Menete (PhD) e Daniel Chongo (PhD), a Enga^ Paula Viola (MSc), Sra Esménia Amaral, pela bolsa de estudo disponibilizada assim como a logística para a realização do curso. Aos Docentes do Curso de Mestrado em Gestão de Solos e Água da Universidade Eduardo Mondlane, especialmente ao Prof. Doutor Sebastião Famba pelas sugestões transmitidas durante a realização da presente dissertação. A açucareira da Maragra, especialmente ao Engenheiro José Macovela, Felizardo Muianga e Gaven Tylor, pelos dados e informações disponibilizadas, que posteriormente usados na realização do estudo. Á minha família, especialmente os meus pais: David Pechiço e Joana Massitela, irmãos: Denito, Alberto, Francisco, Délcia, Miguel e Délcio Pechiço, e aos de mais familiares pelo amor e apoio incondicional prestados durante a realização do trabalho. Aos amigos e/ou Colegas do Mestrado em Gestão de Solos e Água (2014-16), especialmente, Orlando Tuco-Tuco, Dionísio Varela, Elton Manhique, Luísa Mondlane e Sofia Martinho pelo apoio e companheirismo demostrados durante as diversas etapas do curso. E aos que não foram mencionados, mas que directa ou indirectamente contribuíram para a concretização deste projecto, vai o meu muito: OBRIGADO.
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DECLARAÇÃO DE HONRA ................................................................................................................... ii RESUMO .................................................................................................................................................... iii ABSTRACT ................................................................................................................................................ iv DEDICATÓRIA ............................................................................................................................................... v AGRADECIMENTOS .............................................................................................................................. vi ÍNDICE ...................................................................................................................................................... vii LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................... ix LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................................. x LISTA DE ABREVIATURAS, ACRÓNIMOS E SIGLAS ...................................................................xiii LISTA DE ANEXOS ................................................................................................................................xvi
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 1 1.1.Generalidades .................................................................................................................................... 1 1.2. Problema de Estudo e Justificação ................................................................................................. 2 1.3. Objectivos do Estudo ....................................................................................................................... 3 1.4. Hipóteses de Estudo .................................................................................................................... 3 1.5. Delimitações do estudo ................................................................................................................ 4 2. REVISAO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................................... 5 2.1. Factores que afectam a produção da Cultura da Cana-de-açúcar .............................................. 5 2.2. Irrigação e Necessidades hídricas da Cana-de-açúcar ................................................................. 6 2.3. Sistema de Produção da Cana-de-açúcar em Moçambique ......................................................... 8 2.2. Mudanças Climáticas ..................................................................................................................... 11 2.2.1. Potenciais Causas das Mudanças Climáticas ....................................................................... 11 2.2.2. Tendências Observadas e Projecções Climáticas em Moçambique .................................... 13 2.2.3. Impactos das Mudanças Climáticas na Agricultura ............................................................ 16 2.2.3. Impactos das Mudanças Climáticas Sobre a Cultura da Cana-de-açúcar ........................ 20 2.2.4. Medidas de Adaptação aos Impactos das Mudanças Climáticas na Agricultura ............. 22 2.3. Modelação dos Impactos das Mudanças Climáticas ................................................................... 23 2.3.1. Dados e Cenários Climáticos .................................................................................................. 23 2.3.2. Modelo Aquacrop na avaliação do impacto das Mudanças Climáticas na agricultura .... 26 3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................................ 31 3.1. Descrição do Distrito da Manhiça ................................................................................................ 31
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Tabela 1 .Características dos cenários de emissão do quarto relatório de avaliação (AR4) do Painel Internacional de Mudanças Climáticas (IPCC)............................................................................. 25 Tabela 2. Modelos de circulação geral do quarto relatório do Painel Intergovernamental das Mudanças climáticas (AR4-IPCC) e seus respectivos centros e países de origem, usados em estudos de modelação das mudanças climáticas ........................................................................... 26 Tabela 3. Principais componentes do modelo Aquacrop e os dados de entrada, usados durante a simulação do rendimento e do balanco hídrico............................................................................. 29 Tabela 4. Principais características que compõem a componente da cultura da cana-de-açúcar e os valores (intervalos) predefinidos pelo Aquacrop .......................................................................... 37 Tabela 5. Valores das características do solo dos campos da Açucareira da Maragra, na camada de 0 a 100 cm, usados na simulação dos rendimentos e necessidades de água de rega pelo modelo Aquacrop. ...................................................................................................................................... 38 Tabela 6. Interpretação dos valores das estatísticas usadas na avaliação do desempenho do modelo Aquacrop, em simular os rendimentos (ton.ha-^1 ) em função das condições da Açucareira da Maragra. ........................................................................................................................................ 40
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Figura 1. Evolução da Produção (em toneladas) e a respectiva área da plantada pela cana-de- açúcar pelas açucareiras em Moçambique durante o período entre o período de 1980 a 2014. ..... 9 Figura 2. Rendimentos (em toneladas) obtidos pelas companhias açucareiras actualmente operacionais em Moçambique, e as áreas plantadas. ...................................................................... 9 Figura 3. Evolução da produção (em toneladas) da cana-de-açúcar por cada companhia actualmente operacionais em Moçambique .................................................................................. 10 Figura 4. Evolução das concentrações (em ppm e ppb) atmosféricas ao nível global dos principais gases de efeito estufa (dióxido de carbono, metano e oxido nitroso) observadas durante os últimos 2000 anos ...................................................................................................................................... 12 Figura 5. Oscilação das temperaturas (máxima e mínima) médias anuais (em oC) registadas no período entre 1951 a 2006, na região sul de Moçambique (províncias de Maputo, Gaza e Inhambane). .................................................................................................................................. 14 Figura 6. Padrão médio mensal da precipitação (em mm/mês) assim como a oscilação dos totais anuais (mm) observados em Moçambique durante o período entre 1960 a 2006. ....................... 15 Figura 7. Fluxograma do Aquacrop indicando os componentes do sistema contínuo solo-planta- atmosfera, os parâmetros de fenologia, produção de biomassa e da produção final. As linhas contínuas indicam ligações directas entre as variáveis e os processos enquanto as linhas tracejadas indicam a retroalimentação. .......................................................................................................... 28 Figura 8. Localização geográfica do distrito da Manhiça, seus limites geográficos, postos administrativos, das duas açucareiras assim como a estacão meteorológica do NCEP-CFSR. ... 31 Figura 9. Padrão médio anual da temperatura (máxima e mínima) em oC para o distrito da Manhica, observado durante o período de referência (1981 a 2010). ........................................... 32 Figura 10. Padrão médio anual da Precipitação (Prec-mm), da evapotranspiração de referência (ETo-mm) e metade da Evapotranspiração de referência (0.5*ETo-mm) registado durante o período de referência (1981 a 2010) no distrito da Manhica. ....................................................... 33 Figura 11. Variação da temperatura máxima e mínima (oC) e da precipitação (mm) durante o período de referência (1981 a 2010), e as respectivas expressões matemáticas (equações lineares e coeficientes de determinação) que mostram a sua variabilidade ao longo desse período. ........... 42
xii seguidas pela mesma letra minúscula, não diferem estatisticamente (teste t de student a 5% de significância). ................................................................................................................................ 51 Figura 21. Efeito do mulching no rendimento (R em ton.ha-^1 ) e nas necessidades de água de rega (Nar em mm) da cana-de-açúcar observado durante o período de referência e projectado para o futuro nas condições dos modelos CNRM e IPSL. As barras mais finas representam o rendimento enquanto as mais espessas as necessidades de agua de rega. ....................................................... 53 Figura 22. Variação percentual do rendimento (rend), necessidades de água de rega (Nar), precipitação (Prec) e da evapotranspiração de referência em função da alteração da data de plantação de abril (padrão) para janeiro, julho e outubro nas condições da AdM........................ 54
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Sigla Significado oC Graus celsius AC Ascensão capilar AD Água Disponível AdM Açucareira da Maragra AdX Açucareira de Xinavane AR (4 ou 5) Assessment Report B Biomassa CCCMA Centro Canadense de Modelação e Analise Climática (Inglês) CEPAGRI Centro de Promoção da Agricultura CFC Clorofluorcarbonetos CFSR Sistema de Previsão Climática de Reanalise (Inglês) CH 4 Metano cm.dia-^1 centímetro por dia CMIP3 Modelos de Intercomparação acoplados, fase 3 (Inglês) CMIP5 Modelos de Intercomparação acoplados, fase 5 (Inglês) CNRM Centro Nacional de pesquisas meteorológicas (Francês) CO 2 Dióxido de Carbono d Índice de concordância de Willmott DAP Dias Após a Plantação DJF Dezembro, Janeiro e Fevereiro Dr Drenagem dS.cm-^1 decisimens por centímetro E coeficiente de desempenho do modelo de Nash-Sutcliffe ET Evapotranspiração ETc Evapotranspiração da Cultura
xv ppm Partes por milhão PST Percentagem de Sódio Trocável R Rendimento RCP Trajectórias Representativas das concentrações (inglês) r^2 Coeficiente de determinação RMSEn Raiz quadrada média do erro, normalizada SON Setembro, Outubro e Novembro SRES Relatório Especial de Cenários de Emissão (Inglês) ton.ha-^1 toneladas por hectare Tr Transpiração UKMO Escritório de Meteorologia do Reino Unido (Inglês) USDA Departamento de Agricultura das Nações Unidas da América (Inglês) WP Productividade da Água ZCIT Zona de Convergência Inter Tropical
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Anexo 1. Variação entre a temperatura máxima (Dtmax), temperatura mínima (Dtmin) e precipitação (Dprec) entre o período de referência e futuro simulado pelos modelos gerais de circulação ...................................................................................................................................... 71 Anexo 2. Rendimentos obtidos na Açucareira da Maragra e os simulados pelo modelo Aquacrop entre 2002 a 2016, a diferença percentual e os índices estatísticos usados na comparação entre os rendimentos medidos e simulados ................................................................................................ 71 Anexo 3. Correlação entre os valores da temperatura média anual estimada pelos modelos do Global weather e os observados na estacão meteorológica da açucareira da Maragra, linha de tendência linear, a equação que expressa essa correlação e o coeficiente de determinação ......... 72 Anexo 4 .Correlação entre os valores da temperatura média anual estimada pelos modelos do Global weather e os observados na estacão meteorológica da açucareira da Maragra, linha de tendência linear, a equação que expressa essa correlação e o seu respectivo coeficiente de determinação ................................................................................................................................. 73 Anexo 5. Valores da precipitação (Prec-mm), evapotranspiração de referência (ETO-mm), rendimentos (ton.ha-^1 ) em sequeiro (Rend Seq) e irrigado (Rend Irr), Necessidades de água de rega (Nar-mm) e eficiência do uso de água de rega (Euar-ton.ha-^1 .mm-^1 ) com e sem mulching durante o período de referência (1980 a 2010) para as condições de Açucareira de Maragra, distrito da Manhiça......................................................................................................................................... 74 Anexo 6. Valor da precipitação e evapotranspiração de referência anuais das diferentes datas de plantação avaliadas, durante o período de referência (1981 a 2010) para o distrito da Manhiça. 75 Anexo 7. Valor dos rendimentos em sequeiro (R seq) e irrigação (R irr), necessidades de água de rega (Nar) e eficiência do uso da água de rega (Euar) para as diferentes datas de plantações simulados pelo modelo Aquacrop, durante o período de referência (1981-2010) para as condições da Açucareira da Maragra, da Maragra......................................................................................... 77 Anexo 8. Projecções para futuro (2081 a 2100) segundo os modelos CNRM e IPSL, das variáveis temperatura mínima (Tmin), máxima (Tmax), precipitação (Prec), evapotranspiração de referência (Eto), rendimento em sequeiro (R seq), irrigado (R irr), necessidades de água de rega (Nar) e eficiência do uso da água de rega (Euar), nas condições do distrito da Manhiça ......................... 78
xviii Anexo 20. Valores dos rendimentos (sequeiro e irrigado), necessidades de água de rega e eficiência do uso da água nas diferentes data de plantação avaliadas no futuro sob modelo IPSL .............. 87 Anexo 21. Efeito da alteração das datas de plantação no rendimento (sequeiro e irrigado), necessidades de água de rega e eficiência do uso de água de rega entre os meses de Janeiro e Julho em relação a Abril, durante o período futuro (1981 a 2010 no modelo IPSL............................... 88 Anexo 22. Efeito da alteração das datas de plantação no rendimento (sequeiro e irrigado), necessidades de água de rega e eficiência do uso de água de rega entre o mês de Outubro em relação a Abril, durante o período futuro (1981 a 2010) sob modelo IPSL, distrito da Manhiça 88 Anexo 23. Valores da precipitação anual estimada pelos modelos do GW, e os índices usados na comparação e avaliação dos dados estimados .............................................................................. 89 Anexo 24. Valores da temperatura minima mensal observados na AdM e estimados pelos modelos do GW para o distrito da Manhiça, e os índices usados na comparação entre eles ...................... 90 Anexo 25. Valores da temperatura máxima mensal observados na AdM e estimados pelos modelos do GW para o distrito da Manhiça, assim como os índices usados na sua comparação ............... 91
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1.1. Generalidades As Mudanças Climáticas resultarão no aumento da temperatura (máxima e mínima), nas concentrações do dióxido de carbono (CO 2 ) e do Ozono (O 3 ), alteração do padrão da precipitação e aumento da frequência da ocorrência de eventos extremos (secas, cheias, ciclones e ondas de calor), podendo causar problemas ambientais durante o século XXI (Marin et al. , 2013 e Brito & Holman, 2012). As projecções feitas para o final do seculo XXI, pelos modelos de circulação geral (MCG’s) do quarto relatório de avaliação do Painel Intergovernamental das Mudanças Climáticas (IPCC-AR 4 ) apontam para aumentos na temperatura até 4.8º C, da [CO 2 ] de 280 ppm (na era pré- industrial) para 970 ppm , aumento e redução da precipitação entre 5 a 20 % (Trenberth et al. , 2007). Dada a sua estreita dependência ao clima, a agricultura será o sector que mais sofrerá os impactos das mudanças climáticas (Schmidhuber e Tubiello, 2007). Os impactos das mudanças climáticas na agricultura serão mais expressivos nos países em desenvolvimento, principalmente os da Africa Sub-Sahariana pela contribuição da agricultura na sua economia (Tubiello, 2007). Em Moçambique, onde a agricultura é o sector considerado como base da economia e contribui com cerca de 29% do produto interno bruto (PIB), os impactos das mudanças climáticas serão agravados pela fraca capacidade adaptativa, sua localização geográfica a jusante das bacias hidrográficas partilhadas e a extensa costa marítima aliados a Zona de convergência Inter tropical (ZCIT) (Maure et al. , 2012). Este sector tem as culturas de rendimento, incluindo a Cana-de-açúcar ( Saccharum officinarum L ) as que mais contribuem para a economia através das exportações. A Cana-de-açúcar é a segunda cultura mais produzidas com cerca de 3.6 milhões de toneladas anuais (em 2014) produzidas numa área de 59 mil ha, com projeções de aumento da área assim como da produção dado aumento da demanda pelo açúcar e outros derivados (CEPAGRI, 2015 e Zacarias & Esterhuizen, 2015). Contudo, dada dependência ao clima pela cultura é imprescindível que antecipadamente sejam conhecidos os impactos das projectadas mudanças climáticas sobre o rendimento desta cultura, por forma a garantir o aumento sustentável da área assim como da produção.
