MANEJO DE BACIAS HIDROGRÁFICAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

Nivaldo Eduardo Rizzi

Eder Zanetti

niva@ufpr.br

eder.zanetti@fulbrightmail.org

Engenharia Florestal Graduação - Mestrado - Doutorado - Pós-Doutorado

Ciclagem de Nutrientes

Conteúdo

• 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

The Nitrogen CycleAtmospheric

nitrogen

Atmosphericfixation

and deposition

Animalmanures

and biosolids

Industrial fixation(commercial fertilizers)

Crop harvest

Volatilization

Denitrification

Runoff anderosion

Leaching

Organicnitrogen

Ammonium(NH4)

Nitrate(NO3)

Plant residues

Biologicalfixation by

legume plants Plantuptake

Immobilization

Immobilization

Mineralization

Mineralization

Input to soilComponent Loss from soil

-

+

The Phosphorus CycleAnimal

manuresand biosolids Mineral

fertilizers

Crop harvest

Runoff anderosion

Leaching(usually minor)

Organic phosphorus•Microbial•Plant residue•Humus

Primaryminerals(apatite)

Plant residues

Plantuptake

Soil solutionphosphorus•HPO4

-2

•H2PO4-1

Secondarycompounds

(CaP, FeP, MnP, AlP)

DissolutionDissolution

PrecipitationPrecipitation

Mineralsurfaces

(clays, Fe and Al oxides,

carbonates)W

eath

erin

g

Wea

ther

ing

AdsorptionAdsorption

Mineralization

Mineralization

Immobilization

ImmobilizationDesorptionDesorption

Input to soilComponent Loss from soil

Atmosphericdeposition

The Potassium CycleAnimal

manuresand biosolids

Mineralfertilizers

Crop harvest

Runoff anderosion

Leaching

Soil solution potassium (K+)

Plant residues

Plantuptake

Mineralpotassium

Fixedpotassium

Exchangeable potassium

Input to soilComponent Loss from soil

The Sulfur Cycle

Animalmanures

and biosolids

Mineralfertilizers

Crop harvest

Runoff anderosion

Leaching

Absorbed ormineral sulfur

Plant residues

Plantuptake

SulfateSulfur(SO4)

Atmosphericsulfur

Elementalsulfur

Organicsulfur Immobilization

Immobilization

MineralizationMineralization

Bacterial reduction

Bacterial reduction

Bacterial oxidation

Bacterial oxidationOxid

atio

n

Oxid

atio

n

SOSO22 gas gas

Reduced sulfur

Input to soilComponent Loss from soil

VolatilizationAtmosphericdeposition

-

Florestas

LUIZAO,2007

Ciclo de elementos em um ecossistema florestal e desenvolvimento futuro em função das variáveis atmosféricas – balanço hidrológico (PATTERSON,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.

WWDR 3, 2009

Fontes de água utilizadas globalmente e pelos principais setores (2000)

Todos Água para beber

Irrigação Indústria e energia

Água da superfície

Água da superfície

Água da superfícieÁgua 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, 2009

Uso de água subterrânea para irrigação (1995-2005)

Uso de água subterrânea para beber (1995-2005)

Retirada anual(km3)

Retirada anual(km3)

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• 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

WHO/UNICEF, 2009

Saneamento BásicoHouve incremento de 779 milhões de pessoas atendidas por

saneamento básico1 bilhão de pessoas nas áreas rurais ainda praticam a

defecação a céu aberto

Cobertura de saneamento básico nas zonas rurais (2006)

WWDR 3, 2009

Atividades humanas que produzem nitrogênio inorgânico dissolvido, nitrogênio orgânico, fósforo inorgânico e fósforo orgânico nas zonas costeiras

Atividades humanas que produzem nitrogênio inorgânico dissolvido, nitrogênio orgânico, fósforo inorgânico e fósforo orgânico nas zonas costeiras

Antropogênica

Antropogênica

Passivo Ambiental - Água

• Todo dia, 2 milhões ton de resíduos de esgoto são depositados nos cursos d’água. Nos países em desenvolvimento:

– 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

UN WATER, 2010

Contribuição do setor de alimentos para a produção de poluentes orgânicos da água

Renda elevada

Países de baixa renda

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/profiles/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&tbnw=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• 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 AMBIENTAISPolítica de MÚLTIPLOS SERVIÇOS AMBIENTAIS

Redução do risco de fogoRedução do risco de fogoEliminação de agrotóxicosEliminação de agrotóxicosTroca de matriz energética Troca de matriz energética Recuperação de APP e ARLRecuperação de APP e ARL

Desmatamento evitadoDesmatamento evitado

Seqüestro de CarbonoSeqüestro de CarbonoConservação do SoloConservação do Solo

Conservação da Água Conservação Conservação da Água Conservação da Biodiversidadeda Biodiversidade

Transição para uma agricultura de bases ecológicasTransição para uma agricultura de bases ecológicas

Inventário de Pegada HídricaOperacional: o uso direto de água pela produção, manufatura ou atividades

de suportePegada Hídrica da Cadeia Produtiva: o uso indireto de água ao longo da

cadeia produtiva

WFN, 2009

Fazenda Processamento Distribuidor Consumidor

Fluxo de água virtual

Fluxo de água virtual

Fluxo de água virtual

Água verde

Água azul

Água cinza Água cinza Água cinza Água cinzaÁgua azul

Água azul

Água azul

PH Operacional

PH da Cadeia Produtiva PH do Uso final do Produto

Perspectiva de Futuro

Limitar a implantação de atividades pelo risco de escassez de água na bacia hidrográfica

WBCSD, 2009

Fazendas Verticais

Fazendas Verticais

Fazendas Verticais

• 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:– Alface;– Pepino;– Berinjela;– Morango;– Cenoura;– Espinafre;– Soja;– Ervilha;– Tomate;– Trigo;– Batata;– Frango;– Tilápia

• Gerenciamento de Resíduos:– 2.380 m3 / ano

Obrigado!

eder.zanetti@fulbrightmail.org