Agrobiologia Seropédica, RJ

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1 A CULTURA DE CANA- DE-AÇÚCAR NO BRASIL: PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ETANOL E A PROTEÇÃO DO MEIO AMBIENTE. Agrobiologia Seropédica, RJ Segundo Urquiaga Claudia Jantalia Bruno Alves Robert Boddey Pesq. Embrapa Agrobiologia, Prof. Depto. Solos e Fitotecnia, UFRRJ Campo Grande, 25 agosto 29

2 Cidade antiga. Madagascar Terrazos andinos O desenvolvimento da humanidade foi baseado na disponibilidade de solos férteis, água e biomassa energética.

3 Evolução da matriz energética do mundo Biomassa (Lenha) Hidro Nuclear Gás Natural Biomassa moderna e H2 Solar Solar 5 Petróleo Carvão 1 Outros Fonte: Nakícenovic, Grübler and MaConald,

4 Emissões de GEEs por setor no Brasil Energia (17%) Resíduos (1%) Agricultura (25%) Indústria (1%) Mudança no uso da terra e desmatamento (56%) Teixeira et al (26) Considerando as emissões pela agricultura e uso da terra registradas no Inventário de GEEs, o Brasil é o 4 o maior poluidor do planeta

5 Consumo global anual de N-fertilizante de 196 a 22 8 Consumo global de N-fertilizante (Tg ano -1 ) Anos Fonte: FAO. (http/

6 Consumo de fertilizantes nitrogenados no Brasil 3 25 Consumo de N (Gg) (IFA, 24)

7 CO CO 2 2 CO CO 2 CO 2 2 CO 2 N 2 1 kg/ha N ~ 45 kg/ha CO 2 N 2 N 2 Adubo Nitrogênio 1 kg/ha N ~ 1 kg N 2 O ~ 5 kg/ha CO 2 N 2 O Assumindo-se uma eficiência de uso do fertilizante de 5%, e que 25% do N aplicado passa a formar a matéria orgânica do solo NH 4 + NO 3-1 kg/ha N ~ 11 kg/ha CO 2 C-MOS

8 Balanço energético: Parâmetro indicador da sustentabilidade dos programas bioenergéticos Balanço energético positivo: energia produzida > energia investida

9 A FBN e o balanço o energético A. Processo Industrial Energia fóssil N 2 + 3H NH 3 (78% Ar) Gás G s Natural 45 o C (Fertilizante) 2 atm. B. FBN (bactéria Diazotrófica) Processo Haber-Bosch (~2 Mcal/kg N-Fertil.) N Fotossínteses N 2 + 6H NH 3 (Nitrogenasa) ATP

10 A CULTURA DE CANA DE AÇÚCAR NO BRASIL: PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ÁLCOOL E A PROTEÇÃO DO MEIO AMBIENTE A experiência brasileira!!!!

11 Área: 8,2 milhões de hectares colhidas, e 9,4 Mha plantadas Produção: 4 milhões de T de açúcar (3,65% PIB) 24,5 bilhões de litros de álcool + 8,5 Bilhões US$ em exportação (açúcar e álcool) Empregos: + 4 milhões (diretos e indiretos) Brasil 27/8 Fonte:

12 Rendimento médio nacional de cana de açúcar Sudeste: 9 t/ha Nordeste: 61 t/ha Média Nacional: 79,5 t/ha

13 Balanço energético da cana-de-açúcar Operação MJ/ha/ano A. No Campo Óleo diesel 1589 Màquinas 1384 Insumos e aplicação 5865 Transporte da cana para usina 258 Aplicação da vinhaça 656 Colheita (6% queimada, 4% crua) 778 Total 1233 B. Na Usina Insumos 488 Construções e máquinas 2123 Total 2611 Total energia fóssil Energia total do etanol produzido em 1 ha de cana (79,5 ton. cana, 6.5 Litros etanol) Balanço energético 9,35 (Boddey et al., 29; Urquiaga et al., 25)

14 A FBN e a nutrição nitrogenada de gramíneas -N Pensacola -N Batatais (Dobereiner & Day, 1959)

15 1 Mg de colmos/ ha : 2 kg N ha -1 (cana planta) 12 a 18 kg N ha -1 (socarias) Orlando Filho et al., 198 Alta extração de N Colmo exportado para usina Queima da palha Cana de Açúcar Baixas aplicações de N 8 kg ha -1 socarias 3 kg ha -1 cana-planta Rápido esgotamento da reserva de N no solo?? Sistema de reposição natural de N (Salcedo et al., 1988)

16 RB

17 Presença de bactérias diazotróficas e funcionamento da nitrogenase em plantas de cana-de-açúcar. (James & Olivares, 1998; Urquiaga et al, 25)

18 Contribuição da FBN em cana-de-açúcar no Brasil Usina Cruangi Pernambuco Usina Jatiboca OP Destilaria Atenas S/A Fornecedores Minas Gerais Usina Santa Cruz S/A Usina Barcelos S/A Campus Leonel Miranda Rio de Janeiro Usina São José OP Usina Santa Cruz OP Usina Iracema S/A São Paulo

19 Contribuição da FBN (%) na cultura da cana-deaçúcar em diferentes regiões do Brasil. Técnica de abundância natural de 15 N (δ 15 N). 37,9% ( 7%). Boddey et al. (21) 31,% (3 76%). Yoneyama et al. (1997)

20 Em variedades de cana eficientes para FBN, este fenômeno pode contribuir com mais de 6% da demanda de nitrogênio pela cultura

21 Contribuição da Fixação biológica de nitrogênio na nutrição nitrogenada de diferentes variedades de cana de açúcar. Técnicas de diluição isotópica de 15 N e Balanço de N total 35 N accumulation (g N m -2 ) N from N 2 fixation N from soil CB CB 45-3 NA IAC SP SP SP Sugarcane variety S. barberi S. spontaneum *Dados de Urquiaga, Cruz & Boddey, 1992, Soil Sci. Soc. Am. J. 56:15-114

22 KRAKATAU

23 Contribuição global da fixação biológica de nitrogênio (FBN) em 1 var. de cana de açúcar em 15 anos de cultivo (13 cortes), estimado pelo balanço de N total do sistema soloplanta na profundidade de -6cm. Solo Planossolo. Variedades de cana FBN Balanço de N N no Solo % kg de N ha -1 N na P. Aérea Inicial Final N-Total acumulado CB ab 465 ab* a 472 a 1318 cd CB45-3 b -21 b 5522 a 4254 a 1246 cd KRAKATAU 67 a 1513 a 5353 a 497 a 1896 a SP ab 157 ab 5374 a 4774 a 1657 ab SP a 1182 a 587 a 57 a 1199 d SP ab 639 ab 521 a 4675 a 1175 de SP a 12 a 4475 a 4188 a 1487 bc SP ab 66 ab 4967 a 4251 a 1323 cd CHUNNEE b -217 c 4971 a 3852 a 91 ef RB a 576 ab 4273 a 45 a 843 f CV Em cada coluna os valores seguidos pela mesma letra não diferem entre ssi pelo teste Tukey (p=.5) (Urquiaga et al. em preparação)

24 Fatores que afetam o potencial de rendimento e a FBN na cultura de cana-de-açúcar 1. Umidade do solo:.fundamental para todo processo biológico.. Zoneamento agrícola. Em estudo!!. Irrigação/Fertirrigação. 2. Nutrição mineral: micronutrientes (Mo) 3. Genótipo vegetal: Variedades 4. Manejo de sementes: Mudas microprop. 5. Manejo da colheita (Colh. Cana crua) 6. Inoculação com bactérias diazotroficas.

25 Bactérias diazotróficas associadas à cultura de cana de açúcar Beijerinckia spp. (Döbereiner, 1961) Gluconacetobacter diazotrophicus (Cavalcante & Döbereiner, D 1988) Herbaspirillum seropedicae (Gilles et al., 1991) H. rubrisubalbicans (Baldani et al., 1996) Burkholderia sp (Boddey et al., 1995) Erwinia; Azotobacter; (Purchase,198; Graciolli et al., 1983) Derxia; Azospirillum; Enterobacter

26 Ensaios de casa de vegetação. Bactérias Aplicação por imersão Preparação de sementes Seleção de estirpes INOCULANTE.e de campo PODE SER UTILIZADO TAMBEM NA FASE DE MICROPROPAGAÇÃO APLICADO DIRETAMENTE ENTE NOS COLMOS INOCULALAÇÃO POR IMERSÃO (3 A 6 MIN) ENSAIOS DE CAMPO PARA MEDIR A PRODUTIVIDADE TRATAMENTO TÉRMICO OPCIONAL Aplicado na soueira por pulverização

27 Efeito da inoculação de bactérias diazotróficas na acumulação de biomassa seca da parte aérea (MSPA) e raízes (MSR), biomassa total e acumulação de nitrogênio pela parte aérea das plantas de cana, var. RB Tratamentos Bactérias MSPA MSR Biomassa N total g g g mg 1 Controle 1 4,2 a4 9,18 a3 13,2 a3 16,45 a2 2 Controle 2 2,74 a2 7,42 a2 1,16 a2 11,41 a1 3 Controle 3 4,64 a4 11,1 a3 15,65 a3 31,87 a4 4 Hb1 H. seropedicae 3,29 a3 6,26 a2 9,55 a2 15,66 a2 5 Hcc 12 H. seropedicae 2,75 a2 5,5 a1 7,8 a2 11,83 a1 6 Ys 17 A. amazonense 1,6 a1 1,18 a1 2,78 a1 6,81 a1 7 Luc 24 Burkholderia sp. 4,8 a4 1,66 a3 14,74 a3 17,45 a1 8 Zms 152 H. seropedicae 1,97 a1 2,28 a1 4,25 a1 1,65 a1 9 3M B. silvatlantica 3,47 a3 2,82 a1 6,29 a1 16,81 a2 1 Ppcrh 24 Burkholderia sp. 1,62 a1 2,39 a1 4,1 a1 7,67 a1 11 Psp 32 G. diazotrophicus 3,42 a3 6,67 a2 1,9 a2 1,36 a1 12 IBSBF 172 H. rubrisubalbicans 3,48 a3 1,9 a3 14,38 a3 13,1 a1 13 PRJ 55 G. diazotrophicus 2,87 a2 6,81 a2 9,68 a2 11,48 a1 14 M6 H. rubrisubalbicans 2,55 a2 7,93 a2 1,48 a2 1,74 a1 15 Mistura (5 estirpes) 5,17 a4 14,2 a4 19,37 a4 23,92 a3 16 Mistura (3 estirpes) 3,49 a3 9,49 a3 12,98 a3 13,29 a1 CV % Toletes plantados sem aplicação do tratamento térmico; 2. Tolete tratado com tratamento térmico antes do plantio. 3. Idem ao controle 2, mas com adição de nitrogênio.

28 Inoculante para cana de açúcar 5 pacotes contendo 125 g de turfa + bactéria = mistura con agua

29 Promoção do crescimento Inoculado Controle

30 ADUBAÇÃO VERDE Crotalaria spectabilis crescendo em pre-plantio de cana-de-açúcar (Conteúdo de N total: 12 kg N/ha) Usina Coruripe. Maceió, Alagoas.

31 Impacto da cultura de cana na preservação do solo e o meio-ambiente Influencia da cultura no conteúdo de matéria orgânica do solo e emissão de gases de efeito estufa. 1. Importância das raízes ( 7 a 1 t/ha ano, base seca). 2. Manejo : Queima vs. Não queima 3. O etanol de cana e a mitigação do efeito estufa.

32 Aquecimento Global CO 2 Fotossíntese Slide cortesia de Brigitte Feigl, CENA, USP

33 Fontes de contribuição de energia fóssil e de GEE na produção de etanol de cana de açúcar Em todas as etapas da produção de cana-de-açúcar e seu processamento para produzir etanol tem ingressos de energia convencional (energia fóssil) Por exemplo: 1. Óleo diesel para aração e preparação do solo 2. Fabricação de fertilizantes (gás natural) e seu transporte e aplicação (óleo diesel). 3. A colheita e transporte da cana do campo para a usina. 4. A construção das usinas (cimento, aço etc) e fabricação das máquinas do campo (tratores, arados, colheitadeiras) e o maquinário da usina.

34 Emissões de outros gases de efeito estufa Além do CO 2 tem dois gases importante que também absorver a radiação infra-vermelha (o calor): Óxido nitroso (N 2 O) e metano (CH 4 ) N 2 O é derivado do N dos fertilizantes e resíduos, especialmente sob condições de alta umidade. As quantidades emitidas de N 2 O são pequenos (<1 % N) mas este gás é aprox. 31 vezes mais ativo na absorção de calor do que o CO 2. Metano é liberado quando a palha da cana é queimada ou quando a vinhaça é adicionada ao solo. Metano é aprox. 21 vezes mais ativo na absorção de calor do que o CO 2.

35 Manejo da cultura de cana de açúcar Variação no estoque de C do solo 6% 4% Estudos em áreas sob cana de açúcar nos Estados de Pernambuco e Espírito Santo indicam que a manutenção da palha (não queima) contribui pouco no incremento do conteúdo de C no solo.

36 Usina Alcon, Conceição da Barra, ES Região de Mata Atlântica Argissolo Estoque de C num Argissolo sob vegetação nativa, pastagem de Brachiaria humidicola e cana de açúcar, cultivados por 22 anos após a deforestação. Campos et al, 23

37 Usina Alcon Conceição da Barra, RJ Vegetação nativa (Floresta) Solo não perturbado Representação dos tratamentos Pastagem (1 anos) Native vegetation (Forest) Pastagem (22 anos) Cana de açúcar (12 anos) Vegetação nativa (Floresta) Vegetação nativa Cana de açúcar Pastagem (Brachiaria)

38 Abundancia natural de δ 13 C do perfil do solo sob vegetação nativa, cana de açúcar e pastagem de B. humidicola 2 Depth (cm) Sugar Cane Native vegetation Pasture δ 13 C Campos et al, 23

39 Distribuição de raízes de cana de açúcar no perfil de um Argissolo (Typic Hapludult) 2 cm 4 6 Variedade de cana: RB Ciclo: 3 a soca (4.5 anos). Usina Santa Cruz, Campos dos Goytacazes, RJ. 8 11

40 Usina Cruangi-PE. Pesquisas de

41 Estoque de C-total no solo após 16 anos de cultivo 7 b a Carbono (kg ha -1 ) V + V -1cm + Q - Q - N 1-2cm + N Floresta 2-4cm 4-6cm Resende et al (25)

42 Impacto da mudança do manejo de queima para não queima em cana. Expto. 16 anos. Mean cane yield (Mg ha -1 ) a a a a Usina Cruangi, Timbauba, PE* b a Cane burned Trash conserved a a a a b a b Year a a a b Rainfall (mm) a b a b a b a a b Rainfall (mm) Incremento no conteúdo de C do solo pelo manejo de cana crua = ~3 kg C ha -1 ano -1 em 16 anos *Resende et al., 26, Plant Soil 281:

43 Emissões gases de efeito estufa, GEE (CO 2, N 2 O e CH 4 ) durante as etapas de produção de bio-etanol Etapa de produção Gás efeito estufa emitido (por ha) CH 4 N 2 O CO 2 CO 2 eq. a g de CH 4 ou N 2 O ha -1 ano -1 kg ha -1 ano -1 Plantio da cana Manejo da cultura Colheita * Produção de etanol Ψ Distribuição do etanol Emissão total de GEE fóssil * Metano produzido na queima da palha

44 Comparação das emissões de gases efeito estufa nos sistemas de colheita manual da cana queimada e da colheita mecanizada da cana crua Colheita manual cana queimada Fonte da emissão CH 4 (g ha -1 ) N 2 O (g ha -1 ) Emissão CO 2 fóssil (kg ha -1 ) Total (kg CO 2 eq. ha -1 ) 1. A queima da cana Mão de obra e transporte ,6 327,6 TOTAL 2192,7 Colheita mecanizada cana crua 1. Combustível colheitadeira GEEs embutido na colheitadeira Mão de obra 151,5 151,5 4. Mineralização dos resíduos 471,4 146 TOTAL 444,8

45 Impacto nas emissões de GEE pela produção de etanol de cana de açúcar 1 ha de cana de açúcar produz ~6.5 Litros de etanol, o qual serviria para que uma camioneta cabina dupla de 2,4 L motor Flex percorra aproximadamente 46.8 km. Para essa mesma distancia o mesmo carro requerera de 4,5 L de gasolina pura. A emissão total de GEE (N 2 O, CH4 & fóssil CO2) pelo uso de 6,5 L de etanol é = kg CO 2 eq. A emissão total de GEE pelo uso de 4.5 L de gasolina pura = kg CO 2 eq. Assim, o total de emissões evitadas ( Seqüestro de carbono ) de 1 ha de cana de açúcar empregada na produção de bioetanol = 13,2 kg CO 2 ha-1 (3.6 Mg C ha -1 ) ano -1.

46 Emissão de GEEs em uma viagem de 1 km percorrida pelo mesmo veiculo com três combustíveis diferentes: Modelo Motor Combustível S1 cabine simples S1 cabine simples S1 cabine simples S1 cabine simples S1 cabine simples Rendimento Km/L Potência Máxima GEEs emitido kg CO 2 Emissão evitada (%) 2.8 turbo Diesel 13,5 14 CV 29, flexpower 2.4 flexpower 2.4 flexpower 2.4 flexpower Gasolina pura 1,4 141 CV 35,1 Gasolina brasileira (23% etanol) Etanol (milho) Etanol (cana-de-açúcar) 9,5 141 CV 28, ,2 147 CV 21, ,2 147 CV 6,92 8 O veículo a álcool emitiria somente 2 % dos GEEs do que se rodasse a gasolina pura! Ou O uso do bio-etanol proporciona uma mitigação de 8 % das GEEs emitidas em comparação com o uso de gasolina pura.

47 Na situação atual, um veículo rodando 1 km com etanol, em vez de gasolina brasileira, reduz as emissões de GEEs em 76%. Comparado com a gasolina pura, a redução de GEEs é de 8%. Se a colheita de cana crua passar dos atuais 4% da área para 1%, as emissões de GEEs da produção de etanol de cana diminuirá dos atuais para 2.194,8 kg CO 2 eq ha -1 ano -1. Caso a prática da queima para colheita da cana seja completamente eliminada e toda a colheita seja feita mecanicamente, os valores da redução das emissões alcançarão 87%.

48 A palha de cana: Fonte adicional de energia, seja como fonte direta (termoelétricas) ou na produção de etanol de segunda geração

49 Impacto nas emissões de GEEs da expansão da área utilizada para a produção de etanol da cana-de-açúcar Duas perguntas: 1. Quais terras estão sendo convertidas para a produção de etanol. 2. Qual é a diferença das emissões de GEEs no uso atual da terra comparado com a substituição da produção de etanol da cana.

50 Hectare 5x1 6 4x1 6 3x1 6 2x1 6 Mudança do uso da terra no Estado de São Paulo 21 a 27 Cana de açúcar em SP aumentou 1,5 M ha desde 21. Soja+milho encolheu,35 Mha de 25 a 27 IBGE só relata as áreas de pastagens em 1996 e 26, mas os dados indicam que recentemente a área está diminuindo. Cana-de-açúcar Soja + Milho (1a safra) Citrus Café B Parece que a maior expansão da cana foi nas áreas de pastagens de baixa produtividade 1x

51 Impacto nas emissões de GEE pela mudança no uso da terra para produção de cana Uma pastagem de baixa produtividade (.7 unidades animal, UA ha -1, sob pastejo emite ao redor 2.84 kg CO 2 eq ha -1 ano -1, principalmente CH 4 do rumem e N 2 O derivado da urina. Se não variar o estoque de C do solo, na mudança da pastagem para cana as emissões de GEE passariam de 2.84 a 3.3 kg CO 2 eq. Para a mudança das áreas produtoras de soja/milho para cana de açúcar, a emissão adicional de GEE seria de = 1.58 kg CO 2 eq. Pelo tanto, quando áreas sob pastagens ou produtoras de grãos passam a ser ocupadas por cana, o aumento na emissão de GEE varia ao redor de 1,5 Mg CO 2 eq ano-1, o qual é muito menor do que a mitigação (>13 Mg ha -1 ano -1 ) promovida pela produção de etanol.

52 A cultura de cana de açúcar e as perdas de solo por erosão

53 Potencial de perdas de solo por erosão: Influência do fator cultura e seu manejo (Fator C) Cobertura/Tratamento Fator C Local Autor Solo descoberto 1, Algodão,53 Mandioca,53 Soja,22 Bacia do rio Ivaí, PR Santos et al. (1999). Milho + Feijão Duas arações e,29 Caruaru, PE Margolis et al. (1985). gradagem Café,1346 Pindorama, SP Prochnow et al. (25). Cana,11 São Paulo De Maria et al. (1994) Pastagem produtiva,1 Campinas, SP Donzelli et al. (1992) Eucalipto,25 Aracruz, ES Martins (25) Mata,1

54 Expansão da área cultivada com culturas energéticas Cana de açúcar: área atual de 9,4 Mha (18% da área cultivada nacional). (IBGE, 28) Expansão para as áreas de pastagens degradadas!!

55 Pastagens no Brasil Área total: 217 Mha Gado: 17 2 Mcab. Pastagens degradadas:13mha B. brizantha 4 años B. brizantha 9 años (IBGE, 28)

56 Pastagem consorciada de B. ruziziensis:s. guianensis cv. Mineirão, Uberlândia MG. Brachiaria Brach/Stylosanthes S. guianensis evita a perda de peso animal na época seca do Cerrado (Ayarza et al., 2)

57 Sistema Integração Lavoura-Pecuaria 59 dias após a colheita de milho

58 Desafios da pesquisa Zoneamento agrícola Melhoram. Genético/ Biotecnologia: - Eficiência fotossintética. - Problemas de estresse ambiental e sanidade. - Interação planta- microrganismos (FBN). Aumentar a eficiência agronômica (N-fertilizante). Aumentar a eficiência industrial da produção de álcool. Otimizar a contribuição da FBN na agricultura. Otimizar o uso de inoculantes

59 Muito Obrigado!