UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
Engenharia Florestal
Graduação - Mestrado - Doutorado - Pós-Doutorado
MANEJO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS
Ciclagem de Nutrientes
Nivaldo Eduardo Rizzi
Eder Zanetti
[email protected]
[email protected]
Conteúdo
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Ciclagem de nutrientes;
Passivo ambiental de nutrientes na água;
Agricultura e água;
PSA de água;
Perspectiva de futuro
Nutrientes = elementos essenciais aos seres vivos
LBA, 2010
Component
Input to soil
Loss from soil
The Nitrogen Cycle
Atmospheric
nitrogen
Atmospheric
fixation
and deposition
Industrial fixation
(commercial fertilizers)
Crop
harvest
Animal
manures
and biosolids
Volatilization
Plant
residues
Runoff and
erosion
Biological
fixation by
legume plants
Plant
uptake
Denitrification
Organic
nitrogen
Ammonium
(NH+4)
Nitrate
(NO3)
Leaching
Component
Input to soil
Loss from soil
The Phosphorus Cycle
Crop
harvest
Animal
manures
and biosolids
Atmospheric
deposition
Mineral
fertilizers
Plant
residues
Organic phosphorus
•Microbial
•Plant residue
•Humus
Leaching
(usually minor)
Plant
uptake
Soil solution
phosphorus
•HPO4-2
•H2PO4-1
Primary
minerals
(apatite)
Runoff and
erosion
Mineral
surfaces
(clays, Fe and
Al oxides,
carbonates)
Secondary
compounds
(CaP, FeP, MnP, AlP)
Component
Input to soil
Loss from soil
The Potassium Cycle
Crop
harvest
Plant
residues
Animal
manures
and biosolids
Mineral
fertilizers
Runoff and
erosion
Plant
uptake
Exchangeable
potassium
Soil solution
potassium (K+)
Leaching
Mineral
potassium
Fixed
potassium
Input to soil
Component
Loss from soil
The Sulfur Cycle
Atmospheric
sulfur
Atmospheric
deposition
Volatilization
Crop
harvest
Mineral
fertilizers
Animal
manures
and biosolids
Plant
residues
Runoff and
erosion
Elemental
sulfur
Absorbed or
mineral sulfur
Plant
uptake
Organic
sulfur
Reduced sulfur
Sulfate
Sulfur
(SO4)
Leaching
Florestas
Ciclo de elementos em um ecossistema florestal e desenvolvimento futuro em
função das variáveis atmosféricas – balanço hidrológico (PATTERSON,2007)
LUIZAO,2007
CASTANEA – Simula ao mesmo tempo o balanço de carbono e hídrico das florestas
(fotossíntese, respiração, fluxo e carbono, SOC e hidrologia)
A deposição média anual de serapilheira foi de 4.519,1 kg ha-1, mostrando-se variável no
decorrer dos três anos de estudos. O aporte total de macronutrientes ao solo, em kg ha-1 ano-1,
foi de: 28,7 de Ca; 27,3 de N; 4,8 de Mg; 4,6 de K; 2,4 de S e 1,8 de P e o aporte de
micronutrientes, em g ha-1 ano-1, foi de: 6.689,7 de Mn; 1.092,9 de Fe; 142,8 de Zn; 60,0 de B e
16,7 de Cu.
A hidrologia do solo nos Latossolos Amarelos sofre fortes variações sazonais, porém com pequenas
mudanças no conteúdo de água do solo, devido a baixa disponibilidade de água nos solos predominantes
(Nortcliff & Thornes 1981).
A biomassa aérea da floresta foi estimada em 324 t ha-1 (Higuchi et al. 1998)
teores de nutrientes aumentem da base da árvore para a copa:
maiores estoques encontram-se nos troncos (46-57% para árvores com DAP até 45 cm e 28-53%
para DAP > 45 cm);
Os galhos mais finos (diâmetro até 1 cm) têm teores iguais ou similares aos das folhas da árvore
(BIONTE 1997).
A queda e a decomposição de liteira fina - maior entrada anual de nitrogênio (151 kg ha-1), de
cálcio (37 kg ha-1) e de magnésio (14,2 kg ha-1) para o ecossistema
chuvas - maior fonte de fósforo (5 kg ha-1) e o escoamento interno da floresta, pela lavagem da
vegetação, constitui-se na maior entrada de potássio para o solo da floresta (24 kg ha-1) (Brinkmann 1989;
Luizão 1989).
Na floresta intacta, as perdas de nutrientes é reduzida para todos os nutrientes (Brinkmann
1989): estoque de liteira fina 7,9 t ha-1;
estoque de liteira grossa nas Reservas do Cuieiras e INPA/SI: 30 t ha-1.
Fontes de água utilizadas globalmente e pelos principais setores (2000)
Todos
Água para beber
Água da superfície
Água da superfície
Irrigação
Água da superfície
Indústria e energia
Água da superfície
WWDR 3, 2009
Importância das chuvas e da irrigação artificial na agricultura
Irrigação
Chuva
Mundo:
7,1 mil km 3
(80% Chuvas)
50 % de chuvas;
75 % de chuvas;
50 % de irrigação;
75 % de irrigação
WWDR 3, 2009
Uso de água subterrânea para irrigação (1995-2005)
Retirada anual
(km3)
Uso de água subterrânea para beber (1995-2005)
Retirada anual
(km3)
WWDR, 2009
Água na Agricultura
• No nível de planta, o aumento da produtividade depende da melhoria do
germoplasma:
– Aumento do vigor das sementes;
– Maior profundidade das raízes;
– Ampliar o nível de aproveitamento da colheita (harvest index – quantidade de partes
comerciais da planta em relação a biomassa total) e;
– Melhorar a eficiência fotossintética
• O melhoramento genético das variedades modernas de grãos aumentou a
eficiência no uso da água:
•
– Três vezes mais eficiente no arroz
A engenharia genética vai permitir superar obstáculos para desenvolvimento de cultivares
de maior produtividade e resistentes a seca
FAO, 2010
Água na Agricultura
• No nível de propriedade rural, a maior produtividade demanda mudanças no
gerenciamento de água e solos:
–
–
–
–
–
Seleção de espécies e cultivares adequados;
Melhores prática de plantio (nivelamento de solo etc);
Plantio direto;
Sincronizar a aplicação da água com a época mais sensível para o crescimento;
Otimizar o sistema de drenagem para o controle do lençol freático
• Todas as práticas agrícolas que reduzam a evaporação da água (variação dos
espaçamentos, cultivos temporários etc), influenciam, o aumento da produtividade
hídrica das culturas;
• A melhoria do gerenciamento dos nutrientes aumenta proporcionalmente mais a
produtividade do que a evapotranspiração – estão relacionadas;
• O stress hídrico pela falta de água diminui proporcionalmente menos a
produtividade do que a transpiração
FAO, 2010
Evolução da Área Disponível para
Agricultura
Perdas de solo e água, a demanda química de oxigênio, a condutividade elétrica e o pH da
enxurrada, associados à erosão entre sulcos, sob chuva simulada, em área cultivada sob
semeadura direta e submetida às adubações mineral e orgânica.
Os tratamentos estudados foram:
(a) adubação mineral, constituída de NPK;
(b) adubação orgânica, constituída de dejeto líquido de suíno – DLS; e
(c) sem adubação ou testemunha - T.
As maiores perdas de solo e água no experimento foram observadas no tratamento DLS,
independentemente das chuvas simuladas (exceto a perda de solo na última chuva, que foi a
mais elevada), com os tratamentos NPK e T tendo apresentado resultados semelhantes.
Os valores mais elevados de demanda química de oxigênio, condutividade elétrica e pH da
enxurrada também foram observados no tratamento DLS, enquanto os mais baixos ocorreram
no tratamento T (exceto a demanda química de oxigênio no tratamento NPK, que também foi
baixa), independentemente das chuvas simuladas.
Água Cinza
• O impacto da poluição da água pode ser medido
através da quantificação dos volumes necessários
para a diluição os resíduos lançados até o ponto em
que a qualidade da água permanece abaixo de
padrões de qualidade pré-estabelecidos;
• Água Cinza é o volume de água poluída que está
associada a produção de bens e serviços;
Índice de Qualidade de Água
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•
•
Parâmetros convencionais:
– Temperatura;
– pH;
– Bactérias coliformes fecais;
– Total de sólidos em suspensão;
– Oxigênio dissolvido e;
– Nutrientes (N2, Fósforo etc)
Observar ocorrência de eventos extremos na proximidade da data de coleta – distúrbios e
desvios;
Níveis de qualidade:
– Baixa preocupação: 80 a 100 pontos;
– Média preocupação: 40 a 79 pontos;
– Alta precocupação: até 39 pontos
Saneamento Básico
Houve incremento de 779 milhões de pessoas atendidas por
saneamento básico
1 bilhão de pessoas nas áreas rurais ainda praticam a
defecação a céu aberto
Cobertura de saneamento básico nas zonas rurais (2006)
WHO/UNICEF, 2009
Atividades humanas que produzem nitrogênio inorgânico dissolvido, nitrogênio orgânico, fósforo
inorgânico e fósforo orgânico nas zonas costeiras
Antropogênica
Antropogênica
WWDR 3, 2009
Passivo Ambiental - Água
•
Todo dia, 2 milhões ton de resíduos de esgoto são
depositados nos cursos d’água. Nos países em
desenvolvimento:
–
–
•
•
Contribuição do setor de alimentos para a
produção de poluentes orgânicos da água
90 % de esgoto diretamente na água superficial;
70 % de lixo industrial sem tratamento na água superficial;
As projeções do aumento do uso de fertilizantes
para produção de alimentos, e os efluentes de
resíduos líquidos, para as próximas 3 décadas,
indica um incremento de 10 a 20 % do fluxo de
nitrogênio dos rios para os ecossistemas costeiros
Entre 1991 e 2000, mais de 650 mil pessoa
morreram em 2,6 mil desastres naturais – 90 %
relacionados com a água
Países de
baixa renda
Renda elevada
UN WATER, 2010
http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.cgd.ucar.edu/research/profiles/images/2008/rosenbloom1.jpg&imgrefurl=http://www.cgd.ucar.edu/research/profil
es/2009/rosenbloom.profile.html&usg=__V3q6vPsK0lNF_p5JzH28Y5B7oS0=&h=637&w=570&sz=148&hl=fr&start=63&um=1&itbs=1&tbnid=jIgJ26GdvTCY_M:&tbnh=137&t
bnw=123&prev=/images%3Fq%3Dnutrient%2Bcycle%26start%3D42%26um%3D1%26hl%3Dfr%26sa%3DN%26rlz%3D1R2TSCA_frCA363%26ndsp%3D21%26tbs%3Disch:1
Política Nacional de PSA
• Política Nacional dos Serviços Ambientais, cria o
Programa Federal de Pagamento por Serviços
Ambientais e estabelece formas de controle e
financiamento deste Programa.
– Parágrafo único. A Política Nacional dos Serviços
Ambientais tem como objetivo disciplinar a atuação do
Poder Público em relação aos serviços ambientais, de
forma a promover o desenvolvimento sustentável e a
aumentar a provisão desses serviços em todo território
nacional.
Condições de participação – PSA Nacional
• Vedada a participação de uma mesma propriedade
em mais de um dos subprogramas:
– Floresta;
– RPPN e;
– Água
Serviços Ambientais
Os benefícios dos ecossistemas incluem:
• Serviços de suprimento: de necessidades como
comida, água, madeira e fibras
• Serviços regulatório: que afetam clima, enchentes,
doenças, resíduos e qualidade da água
• Serviços culturais: recreação, estética e espirituais
• Serviços de suporte: conservação da biodiversidade,
formação de solo, fotosíntese e ciclagem de
nutrientes
Source: Millennium Ecosystem Assessment, 2005
Estado da Arte
• EUA / EPA (Environmental Protection Agency):
– Agência Nacional de Serviços Ambientais
- Comércio de créditos ambientais:
- Qualidade da água;
- Qualidade do ar;
- Biodiversidade
TMDL
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increasing number of so-called “ TMDLs” (Total Maximum Daily Loads) being developed by states and US
EPA as mandated by the CWA.
A TMDL is the maximum amount of pollution that a water body can assimilate without violating state
water quality standards, and individual states determine the specific TMDLs for specific pollutants in
specific bodies of water.
TMDLs don’t just cover chemicals, but also things like temperature. In theory, they can act /as de-facto
caps for emissions in cap-and-trade water schemes, and approaches based on TMDLs and a handful of
other tools are already being tested across the United States.
The calculations themselves are complex and the subject of much debate, but the existence of TDMLs
identifies the sources and estimates the quantity of pollutants targeted for possible trading. This debate,
in part, helps create the driver for a market – for in a well-structured market, the price of a pollutant will
be tied to the actual amount of reduction necessary to meet the TMDL, and not to an arbitrary cap.
Water quality trading can also occur on a “non-TMDL” waterbody (one that is not impaired or one that
the government has not gotten around to developing a TMDL for), and trading can occur much sooner
because nonpoint sources do not have to meet the TMDL minimum before a trade can occur. This is
generally referred to as “pre-TMDL” trading.
This allowance was made because the TMDL minimum threshold may, in many cases, be too high and
too expensive for nonpoint sources to meet, and could discourage them from pursuing a trade.
Escritório de Serviços Ambientais
•
O Departamento de Agricultura dos EUA (USDA), abriu o Escritório de Serviços e Mercados
dos Ecosssitemas (Office of Ecosystem Services and Markets - OESM) em 2008, sob a batuta
do Serviço Florestal de Sally Collins, destinado a introduzir os mecanismos de mercado nas
políticas florestais do setor.
• UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE OFFICE OF THE SECRETARY
• WASHINGTON, D.C. 20250
• December 15, 2008
• SECRETARY’S MEMORANDUM 1056-001
• Establishment of the Office of Ecosystem Services and Markets
“os agricultores, fazendeiros e reflorestadores do País
fornecem bens e serviços vitais para a sociedade – ativos
naturais chamados de “serviços ambientais”. O Escritório
de Serviços e Mercados dos Ecosssitemas vai permitir que
os agricultores dos EUA tenham melhores condições de
competitividade, comercializem os seus serviços por todo o
mundo e produzam contribuições ainda mais significativas
para o meio ambiente."
Política de MÚLTIPLOS SERVIÇOS AMBIENTAIS
Seqüestro de Carbono
Conservação do Solo
Conservação da Água Conservação
da Biodiversidade
Redução do risco de fogo
Eliminação de agrotóxicos
Troca de matriz energética
Recuperação de APP e ARL
Desmatamento evitado
Transição para uma agricultura de bases ecológicas
Inventário de Pegada Hídrica
Operacional: o uso direto de água pela produção, manufatura ou atividades
de suporte
Pegada Hídrica da Cadeia Produtiva: o uso indireto de água ao longo da
cadeia produtiva
Fluxo de água
virtual
Fazenda
Água verde
Água cinza
Fluxo de água
virtual
Processamento
Água
azul
Água cinza
Fluxo de água
virtual
Distribuidor
Água
azul
Água cinza
Consumidor
Água
azul
Água cinza
Água azul
PH da Cadeia Produtiva
PH
Operacional
PH do Uso final do Produto
WFN, 2009
Perspectiva de Futuro
WBCSD, 2009
Limitar a implantação de atividades pelo risco de escassez
de água na bacia hidrográfica
Fazendas Verticais
Fazendas Verticais
Fazendas Verticais
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Ocupar espaços nas cidades;
Produção agrícola, pecuária e florestal;
Diminui gastos com transporte;
Espaços verdes – reciclagem, limpeza do ar;
Tendência para grandes cidades;
Fazenda com 5 andares:
– US$ 20 a 30 milhões (Nova Iorque) (DESPOMMIER,
2003)
Fazenda Vertical
• Cidade com 50 mil pessoas:
– Animais, peixes e plantas em cultivo orgânico;
– Neutralidade em emissões (sólidas, líquidas e
gasosas);
– Converter Água Cinza em água potável
Fazenda Vertical – 50 mil pessoas
• Produção:
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–
–
–
–
–
–
Alface;
Pepino;
Berinjela;
Morango;
Cenoura;
Espinafre;
Soja;
Ervilha;
Tomate;
Trigo;
Batata;
Frango;
Tilápia
• Gerenciamento de Resíduos:
– 2.380 m3 / ano
Obrigado!
[email protected]