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Doctoral Thesis
Full name
Nicole Costa Resende Ferreira
Knowledge Area
Date of Defense
Piracicaba, 2017
Miranda, Jarbas Honorio de (President)
Chu, Maria
Duarte, Sergio Nascimento
Pilau, Felipe Gustavo
Yanagi, Silvia de Nazaré Monteiro
Title in English
Effects of climate change on corn: numerical simulation of soil water dynamics in a corn crop in Illinois (USA)
Keywords in English
Climate changes
Dynamic of water
Abstract in English
Given the importance of climate conditions in the agricultural environment, more specifically in the transport of water in the soil, there is a need to understand the effects of climate change on the water dynamics in the soil. This influence of climate conditions in the agricultural environment seems to be important in evapotranspiration, water availability for plants and roots, and for other processes. Many theoretical models have been developed to characterize the physical processes involved in water and transport. Climate prediction models such as the suite of models in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) make it possible generate climate data that can be used to characterize physical and biological processes. This research focuses on two main aspects: 1) the effects of climate change on the occurrence of extreme events that may affect agricultural processes in the region of Urbana-Champaign, in Illinois (USA) and 2) the effects of climate change on the dynamic of soil water in a corn crop (two fields, ANW and ASW) in the studied area. To explore the impacts of climate change on the occurrence of extreme events, the errors of some climate models from CMIP5 were evaluated and the models were subsequently used to develop indices to represent the occurrence of extreme events. These indices were calculated from observed data, and historical and future simulations, considering pessimistic and optimistic scenarios of climate change. The model that best represents the climate in the region was used to provide input data for Hydrus simulation of the soil water dynamics in two fields with different drainage system layout. These simulations with the Hydrus model were made for current conditions and for near term, midcentury, and end of century time periods (2011-2040, 2041-2070, 2071-2100, respectively). The results indicate that the variation of precipitation in the future may result in increased in one (RX1DAY) and five days (RX5DAY) maximum precipitation, and in the number of consecutive dry days (CDD) and consecutive wet days (CWD). Changes in temperature will be reflected as an increase of the indices of maximum and minimum values of temperatures and summer days (TNn, TNx, TXn, TXx and SU); and decreasing of the index of icing and frost days (ID, FD). This increasing of temperatures will represent a risk for agriculture, due to increased evapotranspiration, which will increase crop water demand and can create a hydric stress. Results of Hydrus simulations of surface flux, cumulative surface flux, runoff, cumulative runoff, soil water storage and cumulative infiltration, with input data from the IPSL model, are presented. These variables are critical in a corn crop, and are dependent on climate variables, soil conditions, parameters of the study region, drainage system, crop characteristics, inter alia. The ANW field had lower values of surface flux and cumulative surface flux comparing to the ASW field. This results is indicative that the risk associated with the ASW drainage system layout is higher than that of the ANW drainage system layout, related to the wider spacing between drains and the difficulty in removing water at the required rate. In general, the maximum and average values of surface flux and cumulative surface flux, will increase over time. In addition, it is noticeable that all Hydrus simulation indicates increasing maximum surface runoff and cumulative surface runoff over time. Percentile changes in average runoff and cumulative runoff are dependent on the period simulated. Increases range from 5.61 to 24.4% in the short term (2011-2040), 16.45 to 39.32% in the medium term (2041-2070) and 3.32 to 19.98% in the long term (2071-2100) compared to historical simulation. The maximum values of infiltration tend to be higher in all simulations when compared to the reference period in both fields. Changes in cumulative infiltration are indicative that infiltration will increase in the future. With respect to the correlation between runoff and extreme events, all simulations showed that the correlation between runoff and extreme precipitation events (RX1DAY ranges between 0.76 and 0.78, and RX5DAY ranges between 0.5 and 0.66), are higher than the correlation between runoff and precipitation (ranges between 0.31 and 0.43). This approach can improve the understanding of climate changes impacts on sustainable groundwater management based on adaptive management. Information gained in this work can be used to design monitoring systems to manage a sustainable groundwater in future climate regimes and create mitigation measures to prevent any risk for food security. An implication of the study is that the impact of climate change on water resources is a function of the projection scenario. The study was limited by the use of daily time step, necessitated by the large data sets.
Title in Portuguese
Efeito das mudanças climáticas sobre o milho: simulações numéricas da dinâmica de água em solos na cultura do milho em Illinois (USA)
Keywords in Portuguese
Dinâmica de água
Mudanças climáticas
Abstract in Portuguese
Dada a importância das condições climáticas no ambiente agrícola, mais especificamente no transporte de água, é necessário compreender o efeito da mudança climática dinâmica da água no solo. Muitos modelos teóricos foram desenvolvidos para caracterizar os processos físicos envolvidos no transporte da água. Os modelos de previsão climática, como o conjunto de modelos do CMIP5, permitem gerar dados climáticos que podem ser usados para caracterizar processos físicos e biológicos. Esta pesquisa foca em dois aspectos principais: 1) efeito das mudanças climáticas na ocorrência de eventos extremos que podem afetar os processos agrícolas na região e 2) efeitos das mudanças climáticas na dinâmica da água no solo sob uma cultura de milho (dois campos experimentais, ANW e ASW) em uma região de Illinois (EUA). Os resultados encontrados indicam que a variação da precipitação no futuro pode causar o aumento de RX1DAY, RX5DAY, CDD e CWD. Considerando os eventos extremos de temperatura, percebemos que o aumento da temperatura média, máxima e mínima será refletido no aumento dos indices TNn, TNx, TXn, TXx e SU; e na diminuição dos indices ID e FD. Este aumento de temperaturas representará um risco para a agricultura considerando a evapotranspiração, que aumentará a necessidade de água das plantas e poderá criar um estresse hídrico. Os resultados apresentam as simulações do modelo IPSL aplicado no modelo Hydrus para simular, fluxo superficial, fluxo superficial acumulado, escoamento superficial, escoamento superficial acumulado, armazenamento de água do solo e infiltração acumulada. Essas variáveis são importantes na produção de milho e são função das variáveis climáticas, condições do solo e também alguns parâmetros da região de estudo, como o sistema de drenagem, as características da cultura e outros. O campo ANW apresentou valores mais baixos de fluxo superficial em comparação ao campo ASW. Isso indica que o risco associado ao sistema de drenagem ASW é maior que o ANW, que está relacionado ao maior espaçamento entre os drenos e a dificuldade em drenar a quantidade necessária de água. A tendência do fluxo superficial e do fluxo cumulativo de superfície, em geral, é de aumento em cenários de mudanças climáticas (em valores máximos e médios). Também é notável que toda a simulação indica o aumento do escoamento superficial em termos de valores máximos. O percentil de mudanças nos valores médios de escoamento mostra que a projeção climática tende a aumentar o escoamento superficial em diferentes cenários de simulação. Esta faixa crescente é de 5,61 a 24,4% em curto prazo (2011-2040), 16,45 a 39,32% em médio prazo (2041-2070) e 3,32 a 19,98% em longo prazo (2071-2100) em relação à simulação histórica (1976-2005). Os valores máximos de infiltração tendem a ser maiores em todas as simulações quando comparados ao período de referência (em ambos os campos). Além disso, mudanças na infiltração acumulada indicam que a infiltração média tende a aumentar no futuro. Considerando a correlação entre o escoamento superficial e os eventos de extremos climáticos, todas as simulações indicaram que a correlação entre o escoamento e os eventos extremos de precipitação RX1DAY (varia entre 0,76 e 0,78) e RX5DAY (varia entre 0,5 e 0,66), sendo estas maiores do que a correlação entre o escoamento superficial e a precipitação (intervalos entre 0,31 e 0,43). Conclui-se, portanto, que a ocorrência de eventos de extremos climáticos está mais associada as variáveis estudadas do que a condição climática em si, tendo impactos diretos na agricultura. O estudo mostra diferentes indicações do impacto das mudanças climáticas no recurso hídrico usando diferentes projeções. Uma dificuldade da pesquisa é sobre a grande quantidade de dados ea necessidade de tempo de passagem diário para a integração de variáveis. Esta abordagem pode melhorar a compreensão dos impactos das mudanças climáticas na gestão sustentável das águas subterrâneas com base no gerenciamento adaptativo. As informações obtidas neste trabalho podem ser usadas para projetar sistemas de monitoramento para gerenciar águas subterrâneas de maneira sustentável em regimes climáticos futuros e criar medidas de mitigação para garantir a segurança alimentar.
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