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Impact assessment of climate change on N2O emissions in Brazilian sugarcane

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Leite, Emily Aquino
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-13082025-163918/
Resumo: The escalating demand for food and energy necessitates innovative strategies to address global challenges while combating climate change. Sugarcane (Saccharum spp.) has emerged as a vital resource for reducing greenhouse gas (GHG) emissions and advancing energy sustainability. Crop modeling plays a pivotal role in devising adaptation strategies by capturing the intricate interactions among genetics, environment, and management that shape crop development and growth. Process-based crop models (PBMs) provide a mechanistic framework to simulate these dynamics, offering valuable insights for agricultural planning and decision-making. This study employed the DSSAT/SAMUCA model, calibrated for the RB867515 cultivar, to simulate sugarcane growth under the influence of a green cane trash blanket (GCTB). The SAMUCA model captures the role of GCTB in regulating soil temperature, moisture, and rhizosphere processes, critical for crop performance. Complementing this, the DSSAT/CENTURY model was used to assess soil organic matter and nutrient dynamics, focusing on carbon-nitrogen fluxes and the decomposition of organic matter. Together, these models, integrated into the DSSAT v4.8 platform, were applied to simulate sugarcane yield, water productivity (WP), and N2O emissions across nine agroclimatic zones in Brazil under three future climate scenarios-SSP1-2.6, SSP3-7.0, and SSP5-8.5-for the 2040-2070 period. Simulations incorporated variations in atmospheric CO2 concentrations and soil water content to evaluate the impacts of climate change. Results revealed that elevated CO2 levels and warmer climates have the potential to enhance sugarcane yields. However, these gains may be offset by a projected 5%-30% increase in N2O emissions relative to baseline levels. High-emission scenarios, such as SSP3-7.0 and SSP5-8.5, demonstrated amplified nitrogen emissions, driven by the decomposition of accumulated GCTB biomass and increased microbial activity. These findings highlight the urgent need for climate-resilient strategies to optimize WP and mitigate emissions, ensuring the long-term sustainability of sugarcane production and its pivotal role in the global energy transition.
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spelling Impact assessment of climate change on N2O emissions in Brazilian sugarcaneAvaliação do impacto das mudanças climáticas nas emissões de N2O na cana-de-açúcar brasileiraSaccharum spp.Saccharum spp.Climate changeDSSATDSSATEmissões de N2OModelagemModelingMudanças climáticasN2O emissionsThe escalating demand for food and energy necessitates innovative strategies to address global challenges while combating climate change. Sugarcane (Saccharum spp.) has emerged as a vital resource for reducing greenhouse gas (GHG) emissions and advancing energy sustainability. Crop modeling plays a pivotal role in devising adaptation strategies by capturing the intricate interactions among genetics, environment, and management that shape crop development and growth. Process-based crop models (PBMs) provide a mechanistic framework to simulate these dynamics, offering valuable insights for agricultural planning and decision-making. This study employed the DSSAT/SAMUCA model, calibrated for the RB867515 cultivar, to simulate sugarcane growth under the influence of a green cane trash blanket (GCTB). The SAMUCA model captures the role of GCTB in regulating soil temperature, moisture, and rhizosphere processes, critical for crop performance. Complementing this, the DSSAT/CENTURY model was used to assess soil organic matter and nutrient dynamics, focusing on carbon-nitrogen fluxes and the decomposition of organic matter. Together, these models, integrated into the DSSAT v4.8 platform, were applied to simulate sugarcane yield, water productivity (WP), and N2O emissions across nine agroclimatic zones in Brazil under three future climate scenarios-SSP1-2.6, SSP3-7.0, and SSP5-8.5-for the 2040-2070 period. Simulations incorporated variations in atmospheric CO2 concentrations and soil water content to evaluate the impacts of climate change. Results revealed that elevated CO2 levels and warmer climates have the potential to enhance sugarcane yields. However, these gains may be offset by a projected 5%-30% increase in N2O emissions relative to baseline levels. High-emission scenarios, such as SSP3-7.0 and SSP5-8.5, demonstrated amplified nitrogen emissions, driven by the decomposition of accumulated GCTB biomass and increased microbial activity. These findings highlight the urgent need for climate-resilient strategies to optimize WP and mitigate emissions, ensuring the long-term sustainability of sugarcane production and its pivotal role in the global energy transition.A crescente demanda por alimentos e energia exige estratégias inovadoras para enfrentar os desafios globais enquanto se combate as mudanças climáticas. A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) tem se destacado como um recurso essencial para a redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE) e o avanço da sustentabilidade energética. A modelagem de culturas desempenha um papel fundamental na formulação de estratégias de adaptação, capturando as complexas interações entre genética, ambiente e manejo que moldam o desenvolvimento e o crescimento das culturas. Modelos de culturas baseados em processos (PBMs) fornecem uma estrutura mecanística para simular essas dinâmicas, oferecendo insights valiosos para o planejamento e a tomada de decisões agrícolas. Este estudo utilizou o modelo DSSAT/SAMUCA, calibrado para o cultivar RB867515, para simular o crescimento da cana-de-açúcar sob a influência da palha de cana (GCTB). O modelo SAMUCA captura o papel da GCTB na regulação da temperatura e umidade do solo, além dos processos na rizosfera, críticos para o desempenho da cultura. Complementarmente, o modelo DSSAT/CENTURY foi utilizado para avaliar a dinâmica da matéria orgânica e dos nutrientes do solo, com foco nos fluxos de carbono e nitrogênio e na decomposição da matéria orgânica. Juntos, esses modelos, integrados na plataforma DSSAT v4.8, foram aplicados para simular a produtividade da cana-de-açúcar, a produtividade da água (WP) e as emissões de N2O em nove zonas agroclimáticas no Brasil, sob três cenários climáticos futuros-SSP1-2.6, SSP3-7.0 e SSP5-8.5-no período de 2040 a 2070. As simulações consideraram variações nas concentrações atmosféricas de CO2 e no conteúdo de água do solo para avaliar os impactos das mudanças climáticas. Os resultados indicaram que níveis elevados de CO2 e climas mais quentes têm o potencial de aumentar a produtividade da cana-de-açúcar. No entanto, esses ganhos podem ser compensados por um aumento projetado de 5% a 30% nas emissões de N2O em relação aos níveis de referência. Cenários de altas emissões, como SSP3-7.0 e SSP5-8.5, demonstraram emissões de nitrogênio intensificadas, impulsionadas pela decomposição da biomassa acumulada da GCTB e pela maior atividade microbiana. Esses achados destacam a necessidade urgente de estratégias resilientes ao clima para otimizar a WP e mitigar emissões, garantindo a sustentabilidade de longo prazo da produção de cana-de-açúcar e seu papel fundamental na transição energética global.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPMarin, Fábio RicardoLeite, Emily Aquino2025-05-07info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-13082025-163918/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPReter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-08-14T12:50:02Zoai:teses.usp.br:tde-13082025-163918Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-08-14T12:50:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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