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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In recent decades, the increased demand for food, both nationally and internationally has driven agricultural expansion in Brazil. Biophysical, social, and economic factors have made Brazilian Cerrado one of the biomes with the greatest capacity to occupy its territory with crops. This expansion has started in the 1970s, and currently, the Brazilian Cerrado accounts for 40% of the national agricultural production. Western Bahia is one of the most active agricultural frontiers globally in this biome, with a rapid increase in agricultural and irrigated areas. This study aims to make a hydrological, climatic, and water availability analysis and the impacts that this growth can caused in the last 40 years, from 1980 to 2020. First, considering the period 1980-2015, a climate analysis showed a significant reduction in rainfall of up to 12% since the 1980s, and a reduction in river flows, both for dry and rainy seasons. Seven sub-regions in Western Bahia were identified with a potential risk of conflicts over water use. These regions experienced a 150-fold increase in the irrigated area since 1990s and 90% from 2010 to 2018. In recent years, these conflicts have become more frequent due to a combination of factors: climate variability, increased demand for water resources, and continued trends of decreasing precipitation. Second, in a complementary analysis, extending the analysis period to 2020, it was investigated how the interaction of large-scale (represented by Atlantic Multidecadal Oscillation – AMO) and mesoscale (topography) processes can affect the region’s climate variability. Precipitation and river discharge data indicate a continued reduction. Precipitation has decreased by 11.5% since 1980s. The rainiest bimester, December and January (DJ), indicated a significant negative correlation with AMO (R = -0.62, α = 0.01), showing that precipitation decreases in DJ when the AMO index is positive. Within these 40 years, the five rainiest and driest DJs were selected. The rainiest ones showed that large-scale mechanisms interact with the local topography, promoting a stronger convection and high rainfall rates over the region. There is a regional suppression of convection for this driest DJ bimesters, including over the topographic gradient, shifting the convection center further west, and decreasing rainfall in Western Bahia. The climate variability in the region and the intense growth of irrigation have made the potential of conflicts over water use more frequent. Furthermore, with the continuous increase in North Atlantic temperatures, it is unlikely that the wet climatic conditions existing before the early 1990s will return. Thus, precipitation in the region will be affected, putting pressure on water availability and directly impacting economic activities dependent on climate. Keywords: Climate change. Water security. Hydroclimatic analysis. Nas últimas décadas, o aumento da demanda por alimentos tanto nacional quanto internacionalmente impulsionou a expansão agrícola no Brasil. Fatores biofísicos, sociais e econômicos fizeram do Cerrado brasileiro um dos biomas com maior capacidade de ocupação de seu território com cultivos agrícolas. Essa expansão teve início na década de 1970 e, atualmente, o Cerrado brasileiro responde por 40% da produção agrícola nacional. O Oeste da Bahia é uma das fronteiras agrícolas mais ativas do mundo neste bioma, com rápido aumento de áreas agrícolas e irrigadas. Este estudo tem como objetivo fazer uma análise hidrológica, climática, de disponibilidade hídrica e dos impactos que esse crescimento causou nos últimos 40 anos, de 1980 a 2020. Primeiramente, considerando o período 1980-2015, uma análise climática mostrou uma redução significativa nas chuvas de até 12% desde a década de 1980 e redução das vazões dos rios, tanto na estação seca quanto na chuvosa. Sete sub-regiões do Oeste da Bahia foram identificadas com risco potencial de conflitos pelo uso da água. Essas regiões tiveram um aumento de 150 vezes na área irrigada desde 1990 e 90% de 2010 a 2018. Nos últimos anos, esses conflitos se tornaram mais frequentes devido a uma combinação de fatores: variabilidade climática, aumento da demanda por recursos hídricos e continuidade das tendências de diminuição da precipitação. Em segundo lugar, em uma análise complementar, considerando o período 1980-2020, investigou-se como a interação de processos de grande escala (representada pela Oscilação Multidecadal do Atlântico – AMO) e de mesoescala (topografia) podem afetar a variabilidade climática da região. Os dados de precipitação e descarga fluvial indicam uma redução contínua. A precipitação diminuiu 11,5% desde a década de 1980. O bimestre mais chuvoso, dezembro e janeiro (DJ), indicou uma correlação negativa significativa com a AMO (R = -0,62, α = 0,01), mostrando que a precipitação diminuiu em DJ quando o índice AMO é positivo. Nesses 40 anos, foram selecionados os cinco DJs mais chuvosos e secos. Os mais chuvosos mostraram que mecanismos de grande escala interagem com a topografia local, promovendo convecção mais forte e altas taxas de chuva sobre a região. Há uma supressão regional da convecção para os bimestres DJ mais secos, inclusive sobre o gradiente topográfico, deslocando o centro de convecção mais para oeste e diminuindo as chuvas no Oeste da Bahia. A variabilidade climática da região e o intenso crescimento da irrigação tornaram mais frequente o potencial de conflitos pelo uso da água. Além disso, com o aumento contínuo das temperaturas do Atlântico Norte, é improvável que as condições climáticas úmidas existentes antes do início da década de 1990 retornem. Assim, a precipitação na região será afetada, pressionando a disponibilidade hídrica e impactando diretamente as atividades econômicas dependentes do clima. Palavras-chave: Mudanças climáticas. Segurança hídrica. Análises hidroclimáticas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O oeste da Bahia passou por uma grande expansão agrícola nos últimos anos e nessa região estão localizados alguns dos maiores produtores agrícolas do Brasil. Por conta disso, entre 1990 e 2015, 31% da vegetação natural da região foi convertida para regiões de pastagem e agricultura. Essa mudança de uso do solo pode ter afetado as vazões dos rios da região. O objetivo desse trabalho é avaliar a magnitude desse impacto. Esse tipo de análise pode ser feito por meio da modelagem. Primeiro foi necessário calibrar os modelos INLAND (Integrated Model of Land Surface Processes) e THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) para simularem a hidrologia da região. Foram calibrados um total de 19 parâmetros resultando numa simulação com um índice de eficiência de Kling-Gupta (KGE) de 0,83 para o período de calibração e de 0,80 para o período de validação. Depois foram simulados cenários sem desmatamento e sem aquífero. A diferença entre o cenário controle e o cenário sem desmatamento mostrou que a substituição da vegetação natural por áreas agrícolas e pastagens aumenta o volume do aquífero (diminuindo a evapotranspiração) e consequentemente a vazão (tanto a média quanto os valores mínimos e máximos). A diferença entre o cenário controle e o cenário sem aquífero mostrou que o aquífero ajuda a estabilizar a vazão mantendo valores mais altos de vazão mínima. Esses resultados, apesar de parecerem positivos, podem estar escondendo uma possível mudança climática que pode diminuir a precipitação da região e no levar no futuro a uma diminuição da vazão. Portanto, é preciso que os tomadores de decisão leve esse estudo como um alerta e passem a monitorar o uso do solo e os seus impactos na vazão para evitar possíveis futuros conflitos no uso da água. Palavras-chave: Calibração. Desmatamento. Aquífero. Vazão. The west of Bahia, a region where is located some of the largest agricultural producers in Brazil, has undergone a major agricultural expansion in recent years. As a result, between 1990 and 2015, 31% of the region's natural vegetation was converted to pasture and agricultural regions. This change in land use may have affected river flows in the region. The purpose of this work is, by computational modeling, to assess what type of impact is it. First, it was necessary to calibrate the INLAND (Integrated Model of Land Surface Processes) and THMB (Terrestrial Hydrology Model with Biogeochemistry) models to simulate the hydrology of the region. A total of 19 parameters were calibrated resulting in a simulation with a Kling-Gupta efficiency index (KGE) of 0.83 for the calibration period and 0.80 for the validation period. Then two scenarios were simulated, one without deforestation and another without aquifer. The no-deforestation scenario showed that deforestation increases the volume of the aquifer (decreasing evapotranspiration) and consequently the river flow. The no- aquifer scenario showed that the aquifer helps to stabilize the river flow by maintaining higher values of minimum flow. These results, despite appearing positive, may be hiding a possible climate change that could reduce precipitation in the region and lead to a decrease in flow in the future. Therefore, it is necessary that decision makers take this study as a warning and start to observe and analyze more the events in western Bahia. Keywords: Calibration. Deforestation. Aquifer. Flow rate.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Dividida em dois capítulos, esta dissertação apresenta um modelo de programação linear para otimização da atividade agrícola para regiões selecionadas no Oeste da Bahia considerando o modelo de previsão hidroclimática e os indicadores e possíveis ganhos econômicos da adoção do sistema de previsão do início da estação chuvosa na região. No primeiro capítulo a aplicação do modelo de programação linear em diferentes níveis de uso de água demonstrou que o modelo pode fornecer informações para otimizar a atividade agrícola na região, especialmente em cenários de atraso ou redução de chuvas, além de poder guiar ações de governança dos recursos hídricos. O segundo capítulo apresenta os indicadores econômicos da atividade agrícola para o Oeste da Bahia, sendo demonstrado que a equivalência de um hectare irrigado se dá em média em 3.90 hectares de sequeiro e que a adoção do modelo de previsão de início da estação chuvosa pode gerar incrementos de até 30% na geração de receita da atividade agrícola. Palavras-chave: Governança dos recursos hídricos. Valor Bruto da Produção Agrícola. Produtividade da água. Divided into two chapters, this dissertation presents a linear programming model to optimize agricultural activity for selected regions in Western Bahia considering the hydroclimatic forecasting model and the indicators and possible economic gains from the adoption of the rainy season onset forecast in the region. In the first chapter, the application of the linear programming model at different levels of water use demonstrated that the model could provide information to optimize agricultural activity in the region, especially in scenarios of delay or reduction in rainfall, in addition to being able to guide governance actions by water resources. The second chapter presents the economic indicators of agricultural activity for the Western Bahia, showing that the equivalence of an irrigated hectare occurs on average in 3.90 hectares of rainfed land and that the adoption of the forecast model for the beginning of the rainy season can generate increases up to 30% in revenue generation from agricultural activity. Keywords: Water resources governance. Agricultural Production Value. Water productivity.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Em uma das fronteiras agrícolas mais ativas do mundo encontra-se a região Oeste da Bahia, que apresenta diversos fatores favoráveis ao desenvolvimento do agronegócio. Porém por ser localizada em uma região de transição entre o clima sazonal do Cerrado e o semiárido possui limitação em chuvas, o que desencadeou para região um avanço de áreas irrigadas, provocando conflitos sobre os recursos hídricos. O presente estudo teve como objetivo avaliar previsões hidroclimáticas para o início da estação chuvosa (Ic) no Oeste da Bahia utilizando previsões de chuva do modelo climático de circulação geral da atmosfera CFSv2 e dados de precipitação dos produtos TRMM 3B42 e PERSIANN. Para isto foram calculadas a data de início da estação chuvosa para as três bases de dados e métricas de acurácia como MAE e Erro Médio para avaliar a acurácia das previsões de chuva do CFSv2 em relação aos dados observados. Os resultados mostraram que a acurácia das estimativas de Ic pelo CFSv2 possuem um gradiente no sentido oeste-leste da região e que dependem fortemente da data de inicialização das previsões hidroclimáticas. Os resultados também indicaram que com dois meses de antecedência o CFSv2 apresenta um MAE com 15 a 20 dias de diferença para os dados observados. Porém o CFSv2 demonstrou uma inconsistência maior para o extremo leste do Oeste da Bahia. Os testes de acurácia também evidenciaram que em anos de El Niño o CFSv2 tem um MAE de 2 a 8 dias maiores que para média analisada. Concluiu-se que a previsão hidroclimática pelo CFSv2 tem capacidade de dar suporte aos tomadores de decisão na região Oeste da Bahia, contribuindo para um uso mais eficiente dos recursos hídricos na região. No entanto, destaca-se que a previsão hidroclimática para esta região ainda carece de aprimoramentos, como modelos de maior resolução e com volumes de chuvas mais precisos. Palavras-chave: Estação chuvosa. CFSv2. Previsão hidroclimática. Oeste da Bahia. El Niño. In one of the most active agricultural frontiers in the world is the western region of Bahia, which presents several factors favorable to the development of agribusiness. However, because it is located in a transition region between the seasonal climate of the Cerrado and the semi-arid region, it has limited rainfall, which has triggered an advance of irrigated areas for the region, causing conflicts over water resources. The present study aimed to evaluate hydroclimatic forecasts for the onset of the rainy season (Ic) in western Bahia using rain forecasts of the general circulation model CFSv2 and rainfall data of products TRMM 3B42 and PERSIANN. For this, the onset of the rainy season was calculated for the three databases and accuracy metrics such as MAE and Mean Error to evaluate the accuracy of the rainfall forecasts of CFSv2 in relation to the observed data. The results showed that the accuracy of the Ic estimates by CFSv2 has a gradient in the west-east direction of the region and that they depend heavily on the initialization lead of the hydroclimatic forecasts. The results also indicated that two months in advance, CFSv2 presents a MAE with 15 to 20 days difference for the observed data. However, the CFSv2 demonstrated a greater inconsistency to the extreme east of western Bahia. The accuracy tests also showed that in El Niño years the CFSv2 has a MAE of 2 to 8 days higher than for the average analyzed. It was concluded that the hydroclimatic forecast by CFSv2 has the capacity to support decision makers in the Western region of Bahia, contributing to a more efficient use of water resources in the region. However, it is noteworthy that the hydroclimatic forecast for this region still lacks improvements, such as models with higher resolution and more accurate rainfall volumes. Keywords: Rainy season. CFSv2. Hydroclimatic forecast. Western Bahia. El Niño.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O Brasil é um dos principais produtores e exportadores de soja e milho do mundo, atividade econômica que desempenha importante papel para a economia nacional. Uma prática agrícola que obtém grandes rendimentos de soja e milho conjuntamente e que contribui para o destaque na produção desses dois grãos é a adoção dos sistemas safra-safrinha, bastante aplicados em duas grandes regiões produtoras: Mato Grosso e MATOPIBA. Nestes sistemas, a soja é plantada no início da estação chuvosa para garantir que as condições climáticas sejam ainda favoráveis para plantar o milho, sobre a mesma área e no mesmo calendário agrícola. Entretanto, é previsto que as mudanças climáticas causadas pela mudança na composição atmosférica e o desmatamento de biomas naturais como Amazônia e Cerrado, podem ameaçar a sustentabilidade desses sistemas até o meio do século, devido à redução da precipitação durante o início da estação chuvosa, o que provoca perdas de produtividade na soja. O atraso do plantio da soja garante um aumento de sua produtividade, porém acarreta no atraso das datas de plantio do milho, o que coloca em risco a segunda safra. O objetivo deste trabalho foi avaliar os impactos das mudanças climáticas no milho de segunda safra e avaliar, conjuntamente com a soja, a sustentabilidade desses sistemas em cenários futuros. Nossas simulações mostraram uma redução na produtividade do milho à medida que se atrasa seu plantio devido ao atraso no plantio da soja. Uma data limite para o plantio da soja que ocasione um aumento da sua produtividade e que não cause perdas de produtividade no milho é 05 de Outubro. Medidas de adaptação como a redução do tamanho do ciclo fenológico para ambas as culturas foram testadas a partir do impacto na receita bruta do sistema safra-safrinha, considerando que as datas de plantio continuem as mesmas até 2050. Durações de ciclos totais do sistema safra-safrinha de 220, 200 e 180 dias mostraram que à medida que se reduz a duração total do ciclo, maior a receita bruta, sendo a combinação com um total de 180 dias a que mostrou maiores valores, para a região do Mato Grosso. Em cenário com desmatamento intenso, a medida de adaptação sugerida não atenua os efeitos das mudanças climáticas e leva a menores valores de receita bruta. No MATOPIBA, a redução no ciclo fenológico total do sistema não reduz os efeitos das mudanças climáticas em nenhum cenário. Nossa análise de receita bruta mostrou que mesmo usando a combinação de cultivares com menor duração de ciclo não foi possível atingir ou ultrapassar a receita bruta de referência. Outras medidas de adaptação devem ser adotadas conjuntamente com a adaptação de cultivar para o Mato Grosso. Para o MATOPIBA, os efeitos da mudança climática podem ser intensos até o meio do século, portanto a adoção dessas medidas de adaptação deve ser mais intensa do que no MT. An agricultural practice that contributes to a high production of these grains is double cropping, widely adopted in the main producing regions: Mato Grosso and MATOPIBA. In this system, soybean is planted in the beginning of the rainy season to ensure that climatic conditions are still favorable to plant maize, in the same area and same agricultural calendar. However, in the next years it is expected a climate change as a consequence of changes in atmospheric composition and deforestation of Amazonia and Cerrado biomes. This would affect the sustainability of double cropping until the middle of century, due to a decrease in precipitation in the beginning of rainy season, which leads to a reduction of soybean productivity. Delaying soybean planting dates increase its productivity, but also causes a delay in maize planting dates, which may lead to losses in maize productivity. The goals of this work are to evaluate climate change effects on second crop maize and the sustainability of double cropping system until 2050, in the main producing regions. The simulations showed a decrease in maize productivity as soybean is planted later. The soybean planting date threshold that ensures an increase in soybean productivity without losses in maize productivity is October 05. Adaptation measures, such as the reduction of phenological cycle of both crops, were tested from the gross revenue for the system in the future, considering that planting dates do not change until 2050. Total cycle lengths of the system of about 220, 200 and 180 days showed that as total cycle duration reduces, the gross revenue of the system increases, being 180 days combination the one that has higher gross revenue in MT. In a scenario with intense deforestation, the suggested adaptation measure does not attenuate the effects of climate change and leads to lower gross revenue values. In MATOPIBA, the reduction in the total phenological cycle of the system does not reduce the climate change effects in any scenario. The analysis of gross revenue showed that even the combination of cultivars with shorter cycle length could not achieve or exceed the reference gross revenue. Other adaptation measures should be adopted together with cultivars adaptation in MT. The climate change effects in MATOPIBA might be stronger and adaptation measures need to be more intense than in MT.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O desmatamento da Amazônia vem causando mudanças notáveis no ciclo hidrológico, alterando importantes características da precipitação. Estudos anteriores apresentaram evidências de que o desmatamento pode afetar a sazonalidade da precipitação no sul da Amazônia. Este trabalho fornece uma pesquisa integrada sobre como décadas de desmatamento no sul da Amazônia afetaram a estação chuvosa. No Capítulo 1, utilizei dados diários de precipitação de 112 séries temporais advindas de pluviômetros e um recente banco de dados anuais de uso do solo com resolução de 1 km x 1 km englobando o período de 1974 a 2012 para avaliar os efeitos da extensão do desmatamento em diferentes escalas espaciais no início da estação chuvosa e na duração dos veranicos. No Capítulo 2, utilizei dados diários de precipitação TRMM produto 3B42 e o mesmo conjunto de dados anuais de uso do solo para avaliar os efeitos quantitativos do desmatamento no início, fim e duração da estação chuvosa por um período de 15 anos (1998-2012). Além disso, utilizei anomalias do Niño4, dados de vento zonal e dados de desmatamento para explicar e prever a variabilidade interanual do início da estação chuvosa. Utilizando dados advindos de pluviômetros, as análises de correlação indicam um atraso no início da estação chuvosa de ~1,2 a 1,7 dias por cada aumento de 10% no desmatamento. A análise das funções de densidade cumulativa de probabilidade enfatizaram que a probabilidade do início da estação chuvosa ocorrer antes do normal diminui à medida que a fração de desmatamento local aumenta. Além disso, a probabilidade de ocorrência de veranicos no início e no fim da estação chuvosa é maior em áreas com maior desmatamento. Utilizando produtos de precipitação por sensoriamento remoto, o início da estação chuvosa atrasou ~0,38±0,05 dias por ano (5,7±0,75 dias em 15 anos), o fim adiantou ~1,34 ±0,76 dias por ano (20±11,4 dias em 15 anos) e a estação chuvosa se mostrou ~1,81 ± 0,97 dias menor a cada ano (27±14,5 dias em 15 anos). O início, o fim e a duração da estação chuvosa também apresentaram gradientes meridional e zonal ligados a mecanismos climáticos de grande escala. Após remover os efeitos relacionados à posição geográfica e ao ano, também verifiquei uma relação entre o início, fim e duração da estação chuvosa com o desmatamento: atraso no início de ~0,4±0,12 dia, adianto no fim de ~1,0±0,22 dia e decréscimo no comprimento da estação chuvosa de ~0,9±0,34 dia a cada aumento de 10% no desmatamento. Utilizando anomalias de temperatura do Niño4, a posição do jato subtropical do Hemisfério Sul, dados de desmatamento e suas interações, apresentei evidências empíricas da interação entre processos de grande escala e de escala local afetando o início da estação chuvosa na região (r2 = 69%, p

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O fogo florestal estabelece uma função ecológica na produtividade de diversos ecossistemas. No entanto, os regimes de fogo estão sendo profundamente alterados para uma dinâmica de fogos recorrentes, cuja força destrutiva atraiu pesquisadores em todo mundo na busca de respostas para seus efeitos adversos. Embora o poder destrutivo do fogo seja reconhecido, seus impactos econômicos foram pouco estimados, assim como os investimentos realizados em práticas de manejo de incêndios florestais, particularmente em florestas tropicais. Através desse trabalho de pesquisa é possível identificar que a informação econômica sobre os custos (investimentos feitos em práticas de manejo do fogo) e os benefícios (perdas econômicas evitadas pela mitigação) da gama de políticas e programas de gestão de incêndios em todo mundo é insuficiente para tomadas de decisões na gestão de incêndios. Consequentemente, os recursos financeiros não são estrategicamente direcionados para tornar o manejo de fogo mais eficiente na redução de incêndios. Este trabalho, pretende contribuir para essa lacuna de conhecimento através da realização de uma estimativa das perdas econômicas na produção sustentável de madeira na Amazônia Brasileira e uma avaliação de custo- benefício das práticas de manejo de incêndios florestais nesse bioma e no bioma Cerrado. Os resultados foram gerados através de modelos espacialmente explícitos e demonstram que as perdas econômicas pelo fogo na produção sustentável de madeira podem chegar a US$ 183 ± 30 ha/ano em áreas atingidas por incêndios recorrentes próximos a centros de moagem na Amazônia. Além disso, essas perdas podem chegar a US$ 565 ha/ano em regiões de alto lucro agrícola em ambos os biomas. Apesar das altas perdas, osinvestimentos realizados na mitigação do fogo ainda são baixos, em média US$ 3.7 ha/ano em terras públicas e US $ 11,2 ha/ano em terras privadas. Em contrapartida, mesmo que a mitigação seja pouco adotada, os benefícios das práticas de manejo, quando são efetivas na redução do fogo evitam perdas econômicas, que são substancialmente maiores que os custos da mitigação. Em alguns locais de floresta com alto estoque de carbono e em áreas lucrativas de produção agrícola, os benefícios da mitigação podem ser25 vezes maiores que seus custos. Através desse trabalho é possível identificar que os programas de mitigação de incêndios no Brasil não atendem os pontos críticos de perdas econômicas na produção de madeira na Amazônia e devem ser melhor direcionados. Além disso, os benefícios públicos das práticas de manejo somente ocorrem no Cerrado, quando o combustível (o volume de biomassa disponível para queimar) é gerenciado adequadamente, e na Amazônia somente quando há uma ação conjunta entre práticas de supressão, políticas e programas de incentivo para prevenção de fogo. Da mesma forma, a prevenção do fogo gera benefícios privados significativos para produtores agrícolas envolvidos ativamente em programas de mitigação de incêndios. The forest fire establishes an ecological function in the productivity of several ecosystems. However, fire regimes are being profoundly altered to a recurrent fire dynamic whose destructive force has drawn researchers around the world in search of answers to their adverse effects. Although the destructive power of fire is recognized, its economic impacts have been poorly estimated, as have investments in forest fire management practices, particularly in tropical forests. Through this research work it is possible to identify that economic information on costs (investments made in fire management practices) and the benefits (economic losses avoided by mitigation) of the range of fire management policies and programs worldwide is insufficient for decision making in fire management. Consequently, financial resources are not strategically directed to make fire management more efficient in reducing fire. This work intends to contribute to this knowledge gap through an estimate of the economic losses in the sustainable production of wood in the Brazilian Amazon and a cost-benefit assessment of forest fire management practices in this biome and the Cerrado biome. The results were generated through spatially explicit models and demonstrate that the economic losses by fire in sustainable wood production can reach US$ 183 ± 30 ha/year in areas affected by recurrent fires near grinding centers in the Amazon. In addition, these losses can reach US$ 565 ha/year in regions of high agricultural profit in both biomes. Despite high losses, investments in fire mitigation are still low, averaging US$ 3.7 ha/year on public lands and US$ 11.2 ha /year on private lands. On the other hand, even if mitigation is little adopted, the benefits of management practices, when they are effective in reducing fire avoid economic losses, which are substantially greater than mitigation costs. In some high-carbon forest sites and profitable areas of agricultural production, mitigation benefits can be 25 times greater than their costs. Through this work it is possible to identify that the fire mitigation programs in Brazil do not meet the critical points of economic losses in the production of wood in the Amazon and should be better targeted. In addition, the public benefits of management practices only occur in the Cerrado, when the fuel (the volume of biomass available to burn) is properly managed, and in the Amazon only when there is a joint action between suppression practices, policies and incentive programs for fire prevention. Likewise, fire prevention generates significant private benefits for agricultural producers actively involved in fire mitigation programs.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Devido à sua localização na fronteira agrícola, às interações com os pecuaristas e o seu domínio de mercado, os grandes abatedouros são potenciais pontos de alavancagem na cadeia de abastecimento de carne bovina. No entanto, o seu real papel na promoção da produção sustentável de carne bovina ainda não foi determinado. Esta dissertação analisa mudanças após o início da operação de vários grandes abatedouros para cinco variáveis: três relacionadas à intensificação – produção de proteínas e calorias de culturas e taxa de lotação – e duas relacionadas ao impacto ambiental – taxa de mudança de uso do solo e emissões de gases de efeito estufa. A análise é concentrada nos grandes abatedouros localizados nos dois biomas mais importantes da pecuária brasileira, Amazônia e Cerrado. Primeiramente, são selecionados 12 grandes abatedouros que começaram a operar em meados do período de 2000 e 2013 e delimitada suas zonas de influência. Em segundo lugar, foram delimitadas zonas de controle em regiões distantes da influência dos grandes frigorificos, unidades de conservação e terras indígenas. Em seguida, foram calculadas as mudanças nas cinco variáveis de estudo ao longo do período escolhido. Na Amazônia, os resultados mostram uma redução da taxa de mudança de uso do solo e das emissões de gases de efeito estufa nas zonas de influência e controle. Para as variéveis de intensificação, as proteínas e calorias advinda das culturas apresentam aumento significativo em ambas as zonas, enquanto a taxa de lotação não apresentou mudança nas zonas sob influência dos frigoríficos. No Cerrado, todas as variáveis mostram as mesmas respostas em ambas as zonas de influência e controle. Esses resultados não suportam a idéia de que os grandes abatedouros promovem a intensificação da pecuária ou melhorias na sustentabilidade da pecuária de corte na Amazônia e Cerrado. Due to their location at the agricultural frontier, their interactions with ranchers and their market domination, large slaughterhouses are potential leverage points in the beef supply chain for achieving sustainable beef production in Brazil. However, their actual role in promoting sustainable production has not yet been ascertained. This dissertation analyzes changes after the start of operation of several large slaughterhouses for five variables: three related to agricultural intensification – protein and calorie production from crops and cattle stocking rate – and two related to environmental impact – land use change rate and greenhouse gas emissions. I focus my analysis on the large slaughterhouses located in the two most important Brazilian biomes for cattle ranching, Amazonia and the Cerrado. First, I selected 12 large slaughterhouses that started operations midway between 2000 and 2013, and I delimited their influence zones. Second, I delimited control zones in regions far from the influence of large slaughterhouses and outside conservation units and indigenous lands. Next, I calculated changes in the five study variables over the study period. In the Amazon, the results show a reduction of the land use change rate and greenhouse gas emissions in both the influence zones and the control zones. For the intensification variables, protein and calories from crops increased significantly in both zones, while the stocking rates do not change in the zones under slaughterhouse influence. In the Cerrado, all variables show the same responses in both the influence and control zones. These results do not support the idea that the large slaughterhouses promote either intensification of cattle ranching or improvements in the sustainability of cattle ranching activity in the Amazon and the Cerrado.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico A agricultura possui um grande potencial de mitigação das mudanças climáticas por meio da adoção de práticas de manejo capazes de estocar carbono no solo. Para compreender melhor a influência das práticas de uso do solo na dinâmica de carbono no solo, este trabalho teve como objetivo analisar a influência dos sistemas de manejo agrícolas nos estoques de carbono do solo no Brasil utilizando uma meta-análise. De 92 artigos considerados, 26 foram selecionados para análise estatística do estoque de carbono na profundidade de 0-20 cm, sob quatro sistemas de manejo: adubação química (ADU), adubação verde (ADUV), integração lavoura-pastagem (ILP1) e sistema de plantio direto (SPD). A análise estatística foi separada em duas, conforme as especificações do grupo controle nos artigos analisados: a área em que foi utilizada o sistema/prática agrícola vs. área não manejada (NM) e área em que foi utilizada o sistema/prática agrícola vs. vegetação nativa (VN). Os resultados estatísticos mostraram que solos sob as práticas de ADU possuem taxa de mudança de C no solo positiva, de 0,32 MgC/ha/ano, porém sob o efeito priming, esta taxa pode se apresentar negativa, enquanto o SPD apresentou 0,45 MgC/ha/ano. Ambos os tratamentos foram estatisticamente significativos (α = 10%). ADUV apresentou estoque de C no solo negativo, comparada a pastagens e ILP1 mostrou ser definida pelo tempo de implantação, textura do solo e grupo controle comparativo, obtendo, também, taxa de C negativa. Entretanto, nenhum dos dois foram estatisticamente significativos. Em relação à VN, apenas a combinação de pastagem com sistema de plantio direto possui potencial da taxa de acúmulo de C no solo ser positiva. Agriculture has a great potential for mitigation of climate change through the adoption of management practices capable of storing carbon in the soil. To better understand the influence of soil management practices on soil carbon dynamics, this study aimed to analyze the influence of agricultural management systems on soil carbon stocks in Brazil using a meta-analysis. From 92 articles considered, 26 were selected for statistical analysis of the carbon stock in the depth of 0-20 cm, containing 4 management systems: chemical fertilization (ADU), green manuring (ADUV), crop-pasture integration (ILP1) and no-tillage system (SPD). Two statistical tests were carried out, according to the control group specifications in the analyzed articles: managed vs. unmanaged area (NM) and managed vs. native vegetation (VN). The statistical results showed that soils under ADU practices have a positive soil C accumulation rate, 0.32 MgC/ha/year, but under the priming effect, this rate may be negative, while SPD presented 0.45 MgC/ha/year in the soil. Both treatments were statistically significant. ADUV showed negative soil C stock, compared to pastures, and ILP1 showed to be defined by the implantation time, soil texture and comparative control group, also obtaining a negative C rate. However, neither were statistically significant. When comparing the management systems with Natural Vegetation as Control (VN), only the combination of pasture with no-tillage system, showed in ILP1, has the potential to accumulate soil C.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Modelos biofísicos de crescimento de cultura consideram os fatores naturais de crescimento e produtividade das culturas agrícolas, mas negligenciam a influência de fatores econômicos no processo. Por outro lado, modelos estatísticos de natureza agroeconômica são utilizados para simular a produção de culturas sob a influência de variáveis econômicas, porém ignorando eventos biofísicos, como por exemplo a influência de uma seca. Este trabalho acopla um modelo agroeconômico a um modelo biofísico de crescimento da cultura de soja. Este trabalho fez simulações espacialmente distribuídas da produtividade de soja no território nacional para o período de 1994 a 2012, utilizando três tipos de modelos: um modelo puramente biofísico (INLAND – Integrated Land Surface Model); um modelo puramente agroeconômico (modelo de regressão linear) e um híbrido biofísico-econômico (INLAND/linear). Para o modelo agroeconômico e híbrido foram utilizados como parâmetros econômicos o custo de transporte, o tamanho médio da fazenda e o preço da soja. Utilizando um algoritmo genético (NSGA-II/Optis) foi realizada uma calibração da produtividade de soja em dois níveis hierárquicos. Foram realizadas oito simulações com configurações diferentes destes modelos. Os melhores resultados foram obtidos com os modelos que consideraram variáveis econômicas e climáticas. O modelo empírico, contemplando variáveis econômicas e climáticas, apresentou o melhor resultado entre todas as simulações, contemplando variáveis econômicas e climáticas, chegando a uma correlação de 0,72. O modelo biofísico com a inserção das variáveis econômicas, ou seja, com limitantes econômicos na produtividade de soja, teve a produtividade potencial simulada reduzida a uma produtividade real simulada próxima da observada, com viés médio no período 1994-2012 de -0,01 ton ha -1 . A correlação entre os dados simulados e observados aumentou de 0,12 usando o modelo puramente biofísico para 0,55 usando o modelo hibrido. O modelo puramente biofísico, quando testado xnacionalmente no Brasil, apresentou resultados de produtividade potencial próximos aos campeões de concursos de produtividade de soja. Crop models consider the environmental factors influencing the growth and yield of agricultural crops, but neglect the influence of economic factors on the process. On the other hand, statistical agroeconomic models are used to simulate crop yields under the influence of economic variables, however neglecting biophysical events, such as the influence of a drought. This work couples an agroeconomic model with a soybean crop model. This work simulated spatially distributed soybean yield in Brazil for the period 1994-2012, using three types of models: a purely biophysical model (INLAND – Integrated Land Surface Model); a purely agroeconomic model (linear regression model) and a hybrid biophysical- economic model. For the agroeconomic and hybrid models, the economic parameters used are the cost of transportation, average farm size and the soybean price. Using a genetic algorithm (NSGA-II/Optis) a calibration of the soybean yield was performed at two hierarchical levels. Eight simulations were performed with distinct settings of these models. The best results were obtained with the models that considered purely economic and climate variables. The empirical model, contemplating economic and climate variables, presented the best result among all the simulations reaching a correlation of 0.72. The biophysical model with economic variables introduced economic constraints on the soybean yield, had the simulated potential yield reduced to a simulated real yield close to the observed, with a mean bias of -0.01 ton/ha in the 1994-2012 period. The correlation between simulated and observed data increased from 0.12 using the purely biophysical model to 0.55 using the hybrid model. The purely biophysical model, when tested nationally in Brazil, showed results of potential yield close to the soybean yield contest champions

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Dada a grande extensão do Brasil, sua enorme diversidade de vegetação e heterogeneidade agrícola, o desenvolvimento de políticas agrícolas e de conservação requer uma compreensão dos padrões históricos de uso da terra para todo o país. Somente através da lente da história que as atuais tendências geográficas no uso da terra podem ser totalmente compreendidas e projeções futuras mais precisas podem ser feitas. Este estudo analisa os padrões espaciais da agricultura brasileira entre 1940 e 2014, com ênfase no uso da terra e nas emissões de gases de efeito estufa. Os padrões históricos de uso das terras pela agricultura e emissões de gases de efeito estufa foram investigados usando uma nova base de dados histórico-espacial com resolução espacial de 30” (aproximadamente 1 km x 1 km). Embora a fronteira agrícola ainda esteja expandindo na Amazônia e Cerrado, as taxas são muito menores do que antes, e em toda a parte oriental e sul do país, a área agrícola está diminuindo. A produção de soja e milho aumentou devido ao aumento da área e da produtividade, mas a produção de cana-de-açúcar aumentou principalmente devido à extensificação. As pastagens diminuíram em todas as regiões analisadas, exceto na Amazônia, mas o lento processo de transferência de tecnologia tem mantido a taxa de lotação de bovinos perto de 1 cabeça/ha, indicando um sistema de pecuária ineficiente. O Brasil está se movendo lentamente para uma agricultura mais intensiva e sustentável. Até 1975, o desmatamento da Mata Atlântica e do Cerrado foram as principais fontes de emissões de CO 2 pela mudança de uso da terra. Depois disso, a Amazônia tomou a primeira posição como fonte de emissões de CO 2 . As emissões decorrentes da mudança do uso da terra na Mata Atlântica e nos Pampas diminuíram gradualmente após 1975 e esses biomas tornaram-se sumidouros de CO 2 desde 1990. As emissões agrícolas totais estão diminuindo porque as emissões de CO 2 estão diminuindo e elas são várias vezes maiores (em termos de CO 2eq ) que as emissões de CH 4 e N 2 O. Por outro lado, o aumento da produtividade resulta em aumento das emissões pela agricultura. Brasil está a caminho da redução das emissões por uso do solo propostas na Política Nacional sobre Mudanças no Clima. Sobre as Contribuições Nacionalmente Determinadas no acordo de Paris, em 2015, as taxas passadas de restauração florestal são mais do que suficiente para atingir a medida sugerida no acordo. A conclusão é que o Brasil deveria ser mais audacioso em suas metas. Esses resultados fornecem uma das primeiras visões históricas abrangente e espacialmente explicita do uso da terra pela agricultura e pecuária das emissões de gases de efeito estufa no Brasil, fornecendo ideias claras para orientar futuros planejamentos territoriais, a agricultura sustentável, a formulação de políticas públicas e a tomada de decisões. Given the large size of Brazil, its enormous vegetation diversity and agriculture heterogeneity, the development of national agricultural and conservation policies requires an understanding of historical patterns of land use for the entire country. It is only through the lens of history that the current geographic trends in land use can be fully understood and accurate future projections made. This study analyzes the spatial patterns of the Brazilian agriculture between 1940 and 2014, with emphasis on land use and greenhouse gas emissions. I investigate the historical patterns of agricultural land use and greenhouse gases emissions in Brazil using a new historical-spatial database at spatial resolution of 30” (approximately 1 km x 1 km). Although the agriculture frontier is still expanding in the Amazon and Cerrado, rates are much lower than before, and throughout the eastern and southern part of the country, agricultural land use is actually decreasing. The production of soybean and maize increased due to increase in area and yields, but the production of sugarcane increased predominantly due to extensification. Pasturelands decreased in all regions analyzed, except in Amazonia, but the slow process of technology transference appears to be keeping the Brazilian stocking rate of cattle close to 1.0 head/ha, indicating an inefficient livestock system. Brazil is moving slowly towards a more intensive and sustainable agriculture. Until 1975, deforestation of the Atlantic Forest and Cerrado were the main sources of CO 2 emissions. After that, Amazonia took the first position as source of CO 2 emissions. Emissions from land use change in Atlantic Forest and Pampas decreased gradually after 1975 and these biomes become a sink of CO 2 since 1990. The total agricultural emissions are decreasing because the CO 2 emissions are decreasing and they are several times larger (in CO 2eq terms) than the CH 4 and N 2 O emissions. Brazil is heading towards the reduction of land use change emissions as proposed in the National Policy on Climate Change. About the Nationally Determined Contributions proposed in the 2015 Paris agreement, the past rates in forest restoration are more than sufficient to achieve the suggested measure proposed. The conclusion is that Brazil should be more audacious in its goals. My results provide one of the first comprehensive historical and geographically explicit overview of agricultural land use and greenhouse gases emissions in Brazil, providing clear insights to guide future territorial planning, sustainable agriculture, policy and decision-making.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O Brasil é hoje o segundo maior produtor de soja do mundo, e a cultura é plantada por todo o país. Porém, nem sempre foi assim. As regiões atualmente mais produtivas eram consideradas inaptas para o cultivo da soja nos anos 1970, e a cultura era limitada à região Sul. As novas regiões foram incorporadas à produção apenas depois de desenvolvimentos significativos em melhoramento genético e práticas de manejo. A expansão da soja para essas áreas representou uma grande mudança no clima a que as plantas foram submetidas, e traz importantes lições sobre adaptação às mudanças climáticas futuras. O objetivo deste trabalho é superar a limitação de dados sobre área, produtividade e épocas de plantio para realizar uma avaliação quantitativa em larga escala das mudanças no clima, fotoperíodo e tecnologia da soja durante a expansão e compará-las a expectativas para o clima futuro. É desenvolvido um banco de dados espacialmente explicito de área colhida e produtividade de soja. São estimadas as limitações fotoperiódicas ao plantio das variedades de cada ano usando a latitude mais ao norte onde a soja foi colhida. Essa informação é combinada com dados espacializados de início e fim da estação chuvosa para obter estimativas espaciais e temporais da janela de plantio para o período 1974-2012. As estimativas são consideradas adequadas quando comparadas com datas de plantio recomendadas na literatura. As janelas de plantio da maior parte das regiões produtoras de soja no Brasil eram limitadas pelo fotoperíodo em 1974. Com o desenvolvimento de variedades insensíveis ao fotoperíodo, passaram a ser majoritariamente limitadas pela estação chuvosa em 1984. Esse desenvolvimento também teve o efeito de flexibilizar as datas de plantio, tornando possíveis os sistemas de dupla safra que hoje são comuns no Brasil central. O cultivo da soja se moveu para regiões bem mais chuvosas, sendo a mudança total no excesso de precipitação (P-ETC) de 2.33 mm dia -1 no período 1974-2012. A temperatura média aumentou a uma taxa de 0.49 °C década -1 nesse período, sendo 0.29 °C década -1 devido a tendências locais, mais rápido do que a taxa de aquecimento esperada para 2013-2050 (0.35 °C década -1 ). As produtividades mais altas foram obtidas nas regiões mais quentes. O financiamento e principalmente a coordenação das instituições de pesquisa e desenvolvimento agrícola na direção de objetivos comuns é provavelmente uma estratégia eficiente para adaptar os sistemas agrícolas brasileiros às mudanças climáticas, e deve trazer diversas externalidades positivas. Brazil is today the world's second largest soybean producer, and the crop is cultivated throughout the country. However, this was not always the case. The most productive soybean regions of today were deemed unsuitable for soybean planting until the 1970's, and the crop was limited to southern Brazil. The new regions were incorporated into production only after significant technological developments on soybean breeding and management practices. The expansion of soybeans into those areas represented a major change in the climate experienced by the plants, and provides important lessons on adaptation to future climate change. This work aims to overcome limitations of data on yields, area and planting dates in order to perform a large-scale quantitative assessment of the changes in climate, photoperiod and technology experienced by soybeans during the expansion, and compare them with future climate expectations. A spatially explicit dataset on soybean harvested area and yields is developed. The photoperiod limitations to the planting date of each year's varieties are estimated using the northernmost latitude where soybeans were planted. This information is combined with spatial rainy season onset and end to obtain spatial and temporal estimates of the planting window for the period 1974- 2012. The estimates compare well with planting dates recommended by the literature. With the development of photoperiod-insensitive varieties, planting windows went from being limited by the photoperiod on most of soybean-producing Brazil in 1974 to be limited by the rainy season in 1984. This development also had the effect of flexibilizing planting dates, making feasible the double cropping systems common today in central Brazil. Soybeans moved to much wetter regions, as total change in average excess precipitation (P-ETC) found was 2.33 mm day -1 on the historical period (1974-2012). Average temperatures rose at a rate of 0.49 °C decade -1 during the expansion, 0.29 °C decade -1 being due to local trends, faster than the expected rate for 2013-2050 (0.35 °C decade -1 ). The highest yields were also achieved in the warmer regions. Funding and coordinating agricultural R&D towards unified goals is likely to be an efficient strategy to adapt Brazilian agricultural systems to climate change, and may bring many beneficial side effects.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O oceano Atlântico Tropical é a mais importante fonte de umidade da América do Sul (AS), resultante da ação dos principais sistemas meteorológicos que atuam na região. Contudo, a fonte e o destino no transporte de vapor de água na AS é fortemente influenciada pela floresta Tropical Amazônica. Assim, há necessidade de entender os impactos locais, regionais e globais do desmatamento da floresta amazônica no clima, na agricultura e na geração de energia hidrelétrica. Neste estudo, aplicou-se o método de conservação de massa (bulk-method), para identificar as fontes e os destinos do vapor de água que contribuem para a precipitação nas regiões economicamente relevantes, e os efeitos dos diferentes níveis de desmatamento na floresta amazônica. Os dados utilizados neste trabalho são de 6 cenários de desmatamento do experimento numérico de Pires & Costa [2013]. Os resultados mostram que a contribuição de vapor de água que entra pelo limite Oeste da bacia do Rio Xingu tende a reduzir com o aumento dos níveis de desmatamento. No trimestre Setembro, Outubro e Novembro (SON) há uma tendência de redução marcante da precipitação média mensal na região do Xingu seguindo o aumento das áreas desmatadas, onde os valores das anomalias atingem -86, -79 e -81 mm/mês correspondentes aos cenários de F20, F40 e F60 de desmatamento respectivamente. Esta redução da precipitação varia de 42 a 45% da precipitação total média mensal da bacia do Rio Xingu. As anomalias de precipitação no trimestre Dezembro, Janeiro, Fevereiro (DJF) foram de -42, -31 e -27 mm/mês para F20, F40 e F60 de área desmatada respectivamente. Estas reduções de precipitação correspondem a intervalos de 8 a 13% em relação a 321 mm/mês de precipiração total média mensal da região. Na bacia do Rio Madeira, há uma tendência de entrada de cada vez mais vapor de água na direção norte-nordeste (N-NE) e menos entrada de vapor de água na direção sudeste-leste (SE-E), sugerindo que com aumento dos níveis de desmatamento os ventos alísios (VA) de N-NE tendem a aumentar de intensidade enquanto que, os ventos alíseos de SE-E tendem a enfraquecer. No trimestre SON, os valores das anomalias foram de -19, -21 e -27 mm/mês correspondentes aos cenários de F20, F40 e F60 de desmatamento respectivamente. Estas reduções da precipitação variam entre 10 e 16% em relação a precipitação total média mensal (198 mm/mês) da bacia do Rio Madeira. Além disso, observou-se que o vapor de água evapotranspirado nas regiões do Acre, Rondônia, norte da Bolívia e noroeste do Mato Grosso, sob a influência dos Jatos de Baixos Níveis da América do Sul (JBN), adquirem uma maior redistribuição do alcance continental, se comparadas com áreas de vapor de água evapotranspirada de regiões não influenciadas por este sistema. No semestre de SON-DJF, há cada vez menos vapor de água proveniente da região ao sul da bacia do Rio Xingu sendo transportado para o sul da América do Sul (Paraguai, Uruguai e norte da Argentina). Os resultados aqui apresentados, nos indicam que, embora o desmatamento aumente o potencial convectivo, a disponibilidade de água é marcadamente reduzida, fazendo com que haja uma forte tendência de redução da precipitação e evapotranspiração com o aumento de áreas desmatadas. O complexo, e não-linear, mecanismo de retroalimentação no sistema Solo-Planta-Atmosfera poderia diminuir ou intensificar as mudanças climáticas antropogênicas. The tropical Atlantic Ocean is the most important remote moisture source of South America (SA), resulting from the action of the main acting climate systems in the re- gion. However, the source and transport of water vapor within SA is influenced by pres- ence of the amazon rainforest. So, there is a need to understand the local, regional or global impacts of deforestation on climate, agriculture and power generation. In this study, we use the bulk-method to identify the source of water vapor contributing to pre- cipitation events to economically relevant regions in amazonia and the effect of differ- ent scenarios of deforestation in amazon forest. The data used in this study are of 6 de- forestation scenarios from numerical experiment generated by Pires & Costa (2013). The results show that, the contribution of water vapor entering from the west of the Xingu River basin tends to reduce with increasing of deforestation scenarios. In the quarter of September, October, November (SON), there is a marked reduction trend in the average monthly rainfall in the Xingu region with increasing deforestation, with values of anomalies equal to -86, -79 and -81 mm/month corresponding to the scenarios of F20, F40 and F60 deforestation respectively. This reduction in rainfall ranges from 42 to 45% of the total average monthly rainfall of the Xingu River basin. The values of the anomalies in the quarter December, January, February (DJF) are -42, -31 and -27 mm/month for F20, F40 and F60 of deforested areas respectively. These reductions of rainfall correspond to the range of 8 to 13% of the total of 321 mm/month. For the Madeira River basin, there is an input trend of more and more water vapor in the north-northeast and less water vapor entry from the southeastern-eastern limit, suggest- ing that after deforestation there is an intensification of the trade winds toward north- northwest and weakening in the southeast to east. In the quarter SON the values of the anomalies are -19, -21 and -27 mm/month corresponding F20, F40 e F60 of deforesta- tion scenarios. These reductions of rainfall vary between 10 and 16% relative to the total monthly of Madeira River basin (198 mm/month). Moreover, we observed that the water vapor evaporated in the regions under the influence of SALLJs (Acre, Rondonia, northern Bolivia and northwestern Mato Grosso) acquire a greater redistribution of con- tinental reach, compared with areas of evapotranspiration water vapor not influenced by this system. The semester of SON-DJF, there is less and less water vapor coming from the southern of Xingu River basin being transported to southern South America – Para- guay, Uruguay and north of Argentine. The results presented here, indicate that although deforestation increases the potential convective, the water availability is markedtly re- duced. There is a strong tendency of reduction of precipitation and evapotranspiration with the increase of deforested areas. The complex and non-linear feedback mechanism in the Soil-Plant-Atmosphere system could diminish or intensify anthropogenic climate change.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Há uma grande expectativa global de que produção agrícola total do Brasil irá aumentar como em nenhum outro país do mundo para atender ao aumento da demanda por alimentos até 2050. Ao tentar atender a essa expectativa, o Brasil terá de enfrentar os efeitos de uma grave mudança climática induzida pela mudança na composição atmosférica. Além disso, se o futuro aumento da produção total se assemelhar a dinâmica do passado e a fronteira agrícola avançar sobre biomas naturais como a Amazônia e o Cerrado, corremos um grande risco. Estudos recentes indicam que o desmatamento em grande escala causa mudanças significativas na disponibilidade de água no ambiente e poderia ter implicações para os sistemas agrícolas. Esta tese investiga como a mudança climática e o desmatamento adicional podem afetar a produtividade das principais commodities exportadas pelo país até 2050: soja e pastagens para criação de gado. Foi utilizado um modelo de culturas agrícolas para avaliar os efeitos do clima simulado por quatro modelos do CMIP5 sob o cenário RCP8.5 do IPCC AR5 na produtividade de soja e pastagens. Estes resultados foram contrastados com um segundo grupo de simulações que representam os efeitos de cenários de desmatamento mais severos da Amazônia e do Cerrado no clima regional. As simulações de soja indicam que, dentre as regiões mais produtivas no centro-norte do Brasil, os efeitos das alterações climáticas são dependentes das datas de plantio. A produtividade das cultivares de soja plantadas em setembro, semeadas mais cedo por agricultores que optam por adotar sistemas safra-safrinha (duas culturas no mesmo espaço no mesmo calendário agrícola) deve diminuir expressivamente. No entanto, cultivares de soja que são plantadas em datas posteriores (novembro- dezembro), semeadas principalmente por agricultores que optam por cultivar apenas uma cultura no mesmo calendário agrícola, mostram um aumento da produtividade. A diminuição da produtividade para datas precoces está relacionada a uma tendência de diminuição mais acentuada da precipitação durante estes meses do ano, enquanto o aumento da produtividade em datas mais tardias é devido a um déficit hídrico menor e os efeitos positivos de um aumento da concentração de CO 2 atmosférico. Regiões produtoras do Sul do Brasil também mostram aumento da produtividade de soja até o meio do século, independentemente da data de plantio. Para as regiões produtivas do centro e norte do Brasil, movendo-se as datas de plantio de setembro para datas posteriores pode levar a um aumento da produtividade de soja, mas diminui a probabilidade de adoção de sistemas safra-safrinha. Além disso, cenários de desmatamento mais severos levam a um aumento da perda de produtividade de soja. As simulações de produtividade de pastagens mostram que, assim como no caso da soja, a produtividade das pastagens deve diminuir em regiões centrais e do norte do Brasil e aumentar ligeiramente nas regiões sul. Além disso, níveis mais elevados de desmatamento provocam maior redução da produtividade, e conduzem a perdas de produtividade pelo menos duas vezes maiores. De acordo com todas as simulações deste trabalho, as regiões mais afetadas são onde estão localizados os maiores produtores agrícolas nacionais (Mato Grosso) ou em regiões que começaram a ser exploradas mais recentemente e ainda guardam elevado potencial agrícola como o MATOPIBA, indicando que investimentos do governo nessas regiões sem a consideração apropriada dos riscos climáticos é uma estratégia de elevado risco. Finalmente, em face às mudanças climáticas e com reduzida evidência de que o desmatamento na Amazônia e no Cerrado estejam chegando a um fim, o Brasil deverá rever suas políticas agrícolas e conservacionistas e alcançar imediatamente níveis de desmatamento zero nestes biomas, e criar mecanismos para identificar e traçar soluções para adaptar sua agricultura às mudanças climáticas. There is a wide global expectation that Brazilian total agricultural output will increase like no other country in the world to meet the projected higher demand for food until 2050. While trying to meet this expectation, Brazil will face the effects of a severe climate change induced by the change in atmospheric composition. In addition, if the future increase in total production resembles the dynamics of the past and increasingly deforest natural biomes as the Amazon and the Cerrado, we run a great risk, as recent studies indicate that large-scale deforestation drives significant changes in water availability and could have implication for agricultural systems. This thesis investigates how climate change and additional deforestation may affect the productivity of the main commodities exported by the country until 2050: soybeans and cattle pasture. We used a gridded crop model to assess the effects of the climate simulated by four CMIP5 models under the IPCC AR5 RCP8.5 scenario on soybean and pasture productivity. We contrasted these results with a second group of simulations that account for the effects of more severe Amazon and Cerrado deforestation scenarios on regional climate. Soybean simulations show that, for central-northern Brazilian productive regions, the effects of climate change are dependent on the planting dates. The productivity of soybean cultivars planted in late September, sowed early by farmers who choose to adopt double-cropping systems (two crops on the same land in the same agricultural calendar) is predicted to expressively decrease. However, soybean cultivars that are planted in later dates (November- December), mainly sowed by farmers who choose to grow only one crop in the agricultural calendar, show increased productivity. The decrease in productivity for earlier dates is related to a sharper decreasing trend in precipitation during these months of the year, while the increased productivity in later dates is due to a smaller water deficit and the positive effects of an increased atmospheric CO 2 concentration. Southern Brazilian productive regions also show increased soybean productivity until the middle of the century, despite the planting date. For central-northern Brazilian productive regions, moving planting dates from September to later dates expressively increases soybean productivity, but decreases the probability of adopting double-cropping systems. In addition, increased levels of deforestation lead to increased soybean productivity loss. Pasture simulations show that, as well as in the case of soybeans, pasture productivity is predicted to decrease in central-northern Brazilian regions and slightly increase in southern regions. In addition, higher deforestation levels causes further productivity decrease, and lead to at least twice as large productivity losses. According to all simulations in this work, the regions most affected are either the major Brazilian production region (Mato Grosso) or where the exploration has begun more recently and still hold an expressive agriculture potential as MATOPIBA, indicating that government investments in these regions without the proper consideration of the climate risks are a high-risk strategy. Finally, in the face of climate change and with little evidence that deforestation in Amazonia and Cerrado is ending, Brazil needs to review its agriculture and conservation policies and immediately shift to a new standard of zero deforestation in Amazonia and Cerrado, and create mechanisms to identify and trace solutions to adapt its agriculture to climate change.

Os modelos de interação atmosfera-biosfera (LSMs) são ferramentas fundamentais em pesquisas relacionadas a superfície terrestre, atmosfera, hidrologia, previsão do tempo e clima. Desde o surgimento dos primeiros modelos na década de 60, esses modelos sofreram uma grande evolução e estão se tornando cada vez mais complexos. Esses LSMs simulam uma grande quantidade dos processos que ocorrem na biosfera, como os fluxos de radiação, calor, vapor de água e momentum. Cada um desses processos possui um ou mais parâmetros e o uso correto desses parâmetros são de suma importância para se obter uma simulação realista (confiável). Mas nem sempre é possível coletar ou inferir o valor desses parâmetros. Nesses casos pode-se realizar uma calibração do modelo, que é um conjunto de testes (simulações), com valores aleatórios de parâmetros, que são realizados até que se encontre um bom ajuste do modelo. No entanto, uma calibração simples acaba ajustando o modelo apenas localmente. Para se obter uma calibração que represente toda uma região (com características similares) é preciso realizar uma calibração multi-sítio. Este trabalho apresenta uma ampliação do Optis (software de calibração automática) que possibilita a realização de calibrações multi-sítio do modelo INLAND. Duas técnicas de calibração multi-sítio foram desenvolvidas, a MSMO (Multiple Site Multiple Objectives) e a AMSMO (Average Multiple Sites Multiple Objectives). A diferença entre elas é que, enquanto a MSMO leva em consideração cada sítio de forma independente, a AMSMO faz uma média dos sítios. Um experimento numérico foi realizado comparando as técnicas multi-sítio com calibrações realizadas em um único sítio. Os resultados mostraram que a calibração AMSMO é a que gera uma melhor representação dos sítios usados na calibração, atingindo mais de 80% de ajuste. Land surface models (LSMs) are important tools for research on land surface, atmosphere, hydrology, weather forecast and climate. Since the emergence of the first models in the 1960s, these models experienced substantial evolution and are becoming increasingly complex. A large number of biosphere processes, such as radiation, sensible heat, water vapor and momentum fluxes are simulated by these LSMs. Each process has one or more parameters and the correct choice of these parameters are very important to obtain a realistic simulation. However, collect (or infer) the parameters values is not always possible. In this case, it is suggested to perform a model calibration, which is a set of tests (simulations), with random parameters values, repeated until a good model fit is achieved. However, a simple calibration only adjusts the model locally. To obtain a calibration that represents an entire region (with similar characteristics), it is necessary a multi-site calibration. This work presents an extension of the Optis (an automatic calibration software) that allows multi-site calibrations of the INLAND model. Two multi-site calibration techniques were developed, MSMO (Multiple Site Multiple Objectives) and AMSMO (Average Multiple Sites Multiple Objectives). The difference between them is that MSMO considers the results of each site independently, while AMSMO makes an average of the sites. A numerical experiment was conducted comparing multi- site techniques with calibrations perfomed in a single site. The results showed that AMSMO calibration generates a better representation of the sites used for calibration, with model performance greater than 80% of the best model performance.