Neste artigo, utilizou-se o método das zonas agroecológicas da FAO como energia de entrada e o rendimento real da cultura, observado em condições de campo ou tabulado em escala municipal pelos institutos de estatística, foi considerado como a energia resultante do processo de bioconversão. Este trabalho teve por objetivo gerar mapas de eficiência para o Estado de São Paulo e analisar qual a importância relativa do clima e do solo na variabilidade espacial da eficiência no Estado de São Paulo

ASSAD, E. D.

LOPES-ASSAD, M. L.

MARIN, F. R.

PILAU, F. G.

SANTOS, M. C.

English

Repository Open Access to Scientific Information from Embrapa

CROP PRODUCTION EFFICIENCY OF SUGARCANE IN THE STATE OF SÃO PAULO: I. CLIMATE AND SOIL ASPECTS FÁBIO R. MARIN 1* ; FELIPE G. PILAU 2 , MARIA L. LOPES­ASSAD 3 ; EDUARDO D. ASSAD 3 ; MARCELO C. SANTOS 5 ¹ Engenheiro Agrônomo, Dr. Pesquisador Embrapa Informática Agropecuária; (19) 3789­5789, marin@cnptia.embrapa.br; 2 Engenheiro Agrônomo, Dr., Bolsista CNPq, Embrapa Informática Agropecuária; 3 Engenheiro Agrônomo, Dr., Professora CCA/UFSCar; 4 Engenheiro Agrícola, Dr., Pesquisador Embrapa Informática Agropecuária; 5 Graduando de Eng. Agronômica da ESALQ/USP, estagiário Embrapa Informática Agropecuária, Apresentado no XV Congresso Brasileiro de Agrometeorologia – 02 a 05 de julho de 2007 – Aracaju – SE ABSTRACT:  A  concept  of  crop  production  efficiency  was  derived  from  thermodynamic efficiency  in  order  to  generate  a  tool  for performance  evaluation  of  agricultural  systems  at local or regional scales. In thermodynamics, efficiency can be calculated by the ratio between output  and  input  energy  employed  in  some  process,  and  to  establish  the  agricultural­ thermodynamic analogy, the input energy to realize some biological process was represented by  potential  (or maximum)  crop  yield  assessed  through any model  based on  environmental variables that affect crop development –  the FAO agroecological method zone were applied here.  The  real  crop  yield, observed  in  commercial  field  conditions  or  tabulated  at  a  county scale  by  national  statistical  services  was  considered  as  the  available  energy  fixed  in  the bioconversion process. This paper intends to estimate the maximum and real sugarcane yields and to generate crop efficiency maps for the State of São Paulo, analyzing how much climate and soil may explain the spatial variability of sugarcane efficiency. KEY­WORDS: climate, soil, spatial modeling. RESUMO: Um conceito da eficiência da produção agrícola  foi derivado da  termodinâmica com  o  objetivo  de  produzir  uma  ferramenta  para  a  avaliação  de  desempenho  de  sistemas agrícolas  em  escalas  locais  ou  regionais  e  de  descrever  os  fatores  que  influem  em  seu desempenho. Em  termodinâmica,  a  eficiência  pode  ser  calculada  pela  relação  entre  energia resultante  de  um processo  e o  total  de  energia utilizado para  sua  consecução. Por  analogia entre  agricultura  e  a  termodinâmica,  a  energia  da  entrada  do  processo  foi  substituída  pela produtividade  potencial  (ou  máxima),  computada  através  de  modelo  baseado  em  variáveis ambientais  que  influem  sobre  o  desenvolvimento  da  cultura.  Neste  artigo,  utilizou­se  o método das zonas agroecológicas da FAO Como energia de entrada e o  rendimento  real da cultura, observado em condições de campo ou tabulado em escala municipal pelos institutos de  estatística,  foi  considerado  como  a  energia  resultante  do processo de bioconversão.  Este trabalho  teve  por objetivo  gerar mapas  de  eficiência  para o Estado de São Paulo  e  analisar qual  a  importância  relativa  do  clima  e  do  solo  na  variabilidade  espacial  da  eficiência  no Estado de São Paulo. PALAVRAS­CHAVE: clima, solo, modelagem espacial. INTRODUTION  :  Ecosystems  can  be  compared  to machines  that  use  the  solar  energy  to remain themselves organized. From the thermodynamics, the efficiency of any process can be expressed by the ratio between useful energy and available energy to realize the process. This concept has been applied to analyze the energy flow in agro­ecosystems since the 60´s years (Holiday, 1966; Monteith, 1972; Monteith, 1977; Kiniry et  al., 1989; Awal &  Ikeda, 2003;Albrizio & Steduto, 2005; Steduto & Albrizio, 2005) and normally make relations between biomass chemical energy and solar radiation. Monteith  (1972)  suggests  that  this  approach  could  be  also  applied  to  improve  the understanding of biophysical factors that intervene with the crop yield. Pinazza (1985) listed four basic  factor  that affect  the  regional  agricultural development: physical,  represented  the regional  pedo­climatic  conditions;  structural,  corresponding  to  the  agricultural  systems  and management practices adopted; institutional, by involving the governmental actions affecting price, credit, commercialization and incentives, and; research and development, relative to the ability to yield increase and to solve problems that restricts the agricultural related activities. Based  on  these  aspects  of  agricultural  systems  performance,  a  hypothesis  that  can  be postulated  is  that  the  crop  efficiency  evaluated  in  a  regional  scale  could  be  a  pointer  of farming development level and this spatial representation could facilitate the identification of the  main  factors  that  affect  the  agricultural  production  and  the  viability  of  the  regional agribusiness. To evaluate the effectiveness of this tool, it was applied the concept of agricultural efficiency to  study  the  sugarcane  performance  in  the  State  of  São  Paulo,  Brazil.  The  importance  of sugarcane  crop  has  been  grown  in  last  years  in  the  context  of  the  global  warming  due  to human activities, as good option of renewable and clean energy. The State of São Paulo is the main Brazilian sugarcane producer, representing more than 60% of production of Brazil. The objective  of  this  paper  was  to  associate  techniques  of  modeling  in  systems  of  geographic information  for  the  attainment  of maps of maximum and  real  productivity  of  sugarcane­of­ sugar  in  the  State  of  São  Paulo  and,  from  them,  to  generate  maps  of  efficiency  of  the production in three different dates, analyzing the  influence of climate and soil  in  the spatial variability of efficiency in two harvests with different socioeconomic conjuncture. MATERIAL AND METHODS: Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) was the source of sugarcane production data of each county of State of São Paulo in the harvests 1995/1996 and 2002/2003. These harvests were select here because it represents two different social  and  economic  conjunctures  of  the  sugarcane  agribusiness  in  Brazil.  Counties production data were converted to observed yield (YO) by dividing it by county harvest area in each year. To assess the potential (YP) – maximum yield without any restriction element ­ and real yield (YR) – estimated yield considering the effect of water deficits on crop yield ­ of sugarcane in the State, one used the agroecological zones method (Doorembos & Kassan, 1979) because it needs few input data and was developed to studies in spatial macro scale, as required by the agriculture  efficiency  approach  applied  here.  The meteorological  data  used  to  simulate  YP and YR were supplied by Brazilian Agrometeorological Monitoring System (AGRITEMPO, 2007)  in a  ten days  time  step and were processed using a  simple computer algorithm. Each time  series  starts  in  the beginning of September and  finishing  at  the end of August of next year. For harvest 95/96 the meteorological station network had 62 data points and for harvest 02/03 the meteorological network was constituted by 103 data points. The crop coefficients were obtained  in Doorembos & Kassan  (1979) by  assuming  a  cycle  length  of 12 months a sugarcane performance similar to a field in its second cultivation year, with some adjustments provided by Barbieri (1993) and Alvarez et al. (2000). YO raster maps, with 90m resolution, were generated by the conversion of county vector data. YP and YR maps were generated by the interpolation of sugarcane modeled data using a 90m resolution digital elevation model from SRTM (Zyl, 2001) to correct  the  interpolation. This procedure  was  possible  because  YR  data  shows  a  strong  relationship  with  geographical coordinates (latitude and longitude) plus altitude (R 2 =0.78, 1% of significance). The  spatial  representation  of  sugarcane  efficiency  was  obtained  with  Spatial  Analyst  mapalgebra module of ArcView 9.2 Package, by the ratio between YO and YR images. The area determination of each efficiency range was also made with this software. To  check  the  influence  of  abiotic  factors  on  sugarcane  crop  efficiency  it  was  applied  two different  statistical  tests.  For  soil,  Spearman  rank  correlation  coefficient  (Snedecor  & Cochran,  1982)  was  utilized  to  compare  values  of  efficiency  for  counties  where meteorological stations were installed with soil agricultural aptitude for sugarcane (Ramalho Filho & Beek, 1995). The non­parametric Spearman test was select because soil aptitude is a discrete  value,  ranging  from 1  to 5,  in  accord  to  soil  quality  degree available  to  sugarcane production, considering the environmental and economically sustainability. To  stablish  the  relationship  between  climate  and  efficiency  it  was  not  possible  to  apply  a simple  statistical  correlation  test  comparing climate conditions  and  efficiency  values.  Since YP and YR was assessed agrometeorological models based on climatic data,  a  strong auto­ correlation would occur in this case, invalidating the posterior inferences. Thus, to analyze the role  of  climate  of  sugarcane  efficiency,  the  Pearson  coefficient  was  applied  in  attempt  to found how much does efficiency change for a given change in climate conditions, when it is being represented by YP (Snedecor & Cochran, 1982). Here it is important to remember that YR  depends  on  only  climate  conditions  and  YO  is  a  entirely  independent  variable. Remembering  that  crop  efficiency  is  the  ratio  between  YO  and  YR,  the  correlation  level between  them  seems  to  be  a  good  approximation  of  the  dependence  degree  between efficiency in relation to climate conditions. RESULTS  AND  DISCUSSION:  Figure  1a  shows  that  YP  in  State  of  São  Paulo  ranged between 29  to 202  ton ha ­1  and  this  range can be considered coherent with maximum yield limits  of  sugarcane  observed  in  experimental  conditions,  when  all  deflationary  factors  are totally  controlled  (Hubert,  1968; Muchow  et  al.,  1994; Maule  et  al.,  2001). Minimum YP values seems to be inconsistent with observed yield in the coldest regions of São Paulo, but as these  values were  found  in  very  few  pixels,  one  did  not  change  it.  Including  the  effect  of water  deficits  on  crop  yield,  it  was  observed  an  expressive  yield  loss  in  relation  to  YP, agreeing with values normally observed in field conditions in the State of São Paulo (Figura 1b  e 1c),  emphasizing  the  importance  of water  to  sugarcane  production. YR values  ranged from 26 to 143 ton ha ­1  in 95/96 and from 24 to 139 ton ha ­1 in 02/03. Figure 1. Maps of potential yield to harvest 95/96 (a) and real yield for São Paulo State for harvests 95/96 (b) and 02/03 (c). Throughout the period analyzed between two harvests it was observed an increment of YO in about  3%,  an  increase  in  the  cropped  area  of  17 %  and  the  rise  of  7%  in  the  number  of counties with economic sugarcane production (data not showed). Figure 2 shows a migration trend of sugarcane to the west region, where it had replaced land originally occupied with low yield  pastures  (Torquato,  2006)  mainly  because  relatively  low  prices  of  these  farms  in comparison  with  central  and  north  regions  of  São  Paulo  State.  The  little  rise  of  mean sugarcane  yield  in  São  Paulo  can  be  partially  attributed  to  the  migration  trend,  since  the economically  production  level  in  west  seems  to  be  below  than  the  common  yield  rangeobserved  in  traditional  sugarcane  plantations  of  São  Paulo,  such  as  Ribeirão  Preto  and Piracicaba. In these regions, sugarcane plantations had been at high quality agricultural soils, where plants can reach high growth rates and high yields. Koffler & Donzeli (1987) claim that the spite of  the sugarcane  seems to be tolerant  to ground less  fertile,  to attain high  levels of productivity adjusted ground more under the physical and chemical aspect is essential. Figure  2.  Spatial  distribution  of  sugarcane  production  in  the  State  of  São  Paulo  at  two different dates. The maps of  sugarcane  efficiency  production  (Figure  3)  indicate  a  rise  in  efficiency  levels throughout the period, especially  in central and north regions, where  the crop yield shows a great  increase.  When  the  comparison  between  efficiency  and  soil  aptitude  variability  was made,  it  was  identified  a  high  degree  of  dependence  between  both,  as  Spearman  test  had indicated. For 02/03 harvest, Spearman coefficient was 0.36, allow to conclude that 36% of crop  efficiency  was  due  to  soil  quality  (Table  1).  For  95/96  harvest,  Spearman  analysis explains 44% of efficiency variation derived from soil characteristics. The difference between two Spearman  coefficients  leads  to  infer  about  the  sugarcane plantations  can  respond more expressively  to  soil  quality  when  other  factor  acting  on  vegetative  development  and  yield formation phases are controlled. About climate, it is easy to establish an inverse relation with soil  relative  importance,  since  when  soil  takes  more  importance  it  becomes  the  major restrictive element of the system. When soil receives recommended amounts of fertilizers, its restrictive aspects lost importance and climate conditions get more importance. Table 1. Spearman (soil variability) and Pearson (climate variability) coefficients, and number of  point  used  in  evaluated  soil  and  climate  influences  on  crop  efficiency  in  two  sugarcane harvest. Harvest  n o . points  Spearman Coefficient Pearson Coefficient 95/96  62  0.435  0.07 02/03  103  0.357  0.13 REFERENCES ALBRIZIO, R.; STEDUTO, P. Resource use efficiency of field­grown sunflower, sorghum, wheat and chickpea  I.  radiation use efficiency. Agricultural  and Forest Meteorology, v.130, p.254­268, 2005. ALVAREZ, I.A., CASTRO, P.R.C.; NOGUEIRA, M.C.S. Crescimento de raízes de cana crua e queimada em dois ciclos. Scientia Agrícola. v.57, n.4 p.653­659. 2000. AWAL, M. A.; IKEDA, T. Effect of elevated soil temperature on radiation­use efficiency in peanut stands. Agricultural and Forest Meteorology, v. 118, n.1­2, p.63­74, 2003. DOORENBOS,  J.;  KASSAM, A.H.  Yield  response  to water.  Rome:  Food  and AgricultureOrganization of the United Nations, 1979. 193p. (Irrigation and Drainage, Paper 33). HOLLIDAY, R. Solar energy consumption  in  relation to crop  yield. Agricultural Progress  , v.41, p. 24­34, 1966. KINIRY,  J.R.;  JONES,  C.A.  O´TOOLE,  J.C.;  BLANCHET,  R.  CABELGUENNE,  M. SAPNEL,  D.A.  Radiation­use  efficiency  in  biomass  accumulation  prior  to  grain­filling  for five grain­crop species. Field Crop Research, v.20, p.51­64, 1989. KOFLER, N.F.; DONZELI,  P.L.  avaliação  dos  solos  brasileiros  para  a  cultura da  cana­de­ açúcar  In:  PARANHOS,  S.B.  (Coord.).  Cana­de­açúcar:  Cultivo  e  Utilização.  Campínas: Fundação Cargill, 1987, v.2. p.19­41. MAULE, R. F., MAZZA, J. A. e MARTHA JR., G. B. Produtividade agrícola de cultivares de cana­de­açúcar  em  diferentes  solos  e  épocas  de  colheita.  Scientia  Agricola,  2001,  vol.58, no.2, p.295­301. MONTEITH,  J.L.  Climate  and  the  efficiency  of  crop  production  in  Britain.  Philosophical Transaction of the Royal Society of London, v.B281, p.277­294, 1977. MONTEITH, J.L. Climatic variation and the growth of crops. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, v.107, n.454, p.749­774. 1981. MONTEITH, J.L. Solar radiation and productivity in tropical ecosystems. Journal of Applied Ecology, v.9, p.747­766, 1972. MUCHOW, RC; SPILLMAN, MF; WOOD, AW; THOMAS, MR. Radiation interception and biomass  accumulation  in  a  sugarcane  crop  grown  under  irrigated  tropical  conditions. Australian Journal of Agricultural Research. v.45, n.1, p.37 – 49. 1994. ORLANDO  FILHO,  J.;  MACEDO,  N.;  TOKESHI,  H.;  Seja  o  doutor  do  seu  canavial. Encarte de Informações Agronômicas, n.67, 1994, 17p. RAMALHO FILHO, A.; BEEK, K. J. Sistema de avaliação da aptidão agrícola das ter ras. 3.ed. Rio de Janeiro: EMBRAPA­CNPS, 1995. 65p. SNEDECOR,  G.W.  &  COCHRAN,  W.G.  1980.  Statistical  Methods.  7  ed.  Iowa  State University Press, Ames. STEDUTO, P.; ALBRIZIO, R. Resource use efficiency of field­grown sunflower, sorghum, wheat  and  chikpea  II.  Water  use  efficiency  and  comparison  with  radiation  use  efficiency. Agricultural and Forest Meteorology, v.130, p. 269­281, 2005. TORQUATO, S.A. Cana­de­açúcar Para Indústria: O Quanto Vai Precisar Crescer. Análise e Indicadores do Agronegócio, v.1, n.10, 2006. Disponível em: www.iea.sp.gov.br VALERIANO, M.M.; PICINI, A.G. Uso de sistema de informação geográfica para a geração de mapas de médias mensais de  temperatura do Estado de São Paulo. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v.8, n.2, p.255­262, 2000. VALLADARES,  G.  S.;  MARIN,  F.R.  Uso  de  Imagens  de  Radar  na  Estimativa  da Temperatura do Ar. Anais. Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, INPE: Goiânia, p. 309­311. 2005.

Crop production efficiency of sugarcane in the state of São Paulo: I. Climate and soil aspects.

http://www.alice.cnptia.embrapa.br/bitstream/doc/4833/1/PLCropproductionMarinCBA2007.pdf

Crop production efficiency of sugarcane in the state of São Paulo: I. Climate and soil aspects.

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository Open Access to Scientific Information from Embrapa