In the coming decades, one of humankind’s main challenges will be to guarantee food supply for a growing population while managing ever more scarce resources, and safeguarding the availability of water and land for natural ecosystems. Brazil is a country with abundance of water and land resources, and has recently become one of the world’s main exporters of agricultural commodities. The Brazilian agricultural sector recently went through unprecedented intensification and extensification processes, which include the expansion of cropland and pasture areas into vulnerable ecosystems. This PhD thesis advances the research field on water and land resources assess- ment by investigating the following processes: i) changes in green water use by major rainfed crops in Brazil during recent decades ii) potential improvements of land and green water productivity for Brazilian rainfed crops, with and without implementation of supplemental irrigation, iii) influences of intensification and expansion of soybean production in Brazil on green water use, and iv) impacts of double-cropping on water use intensity. The process-based biogeophysical crop model EPIC was chosen and applied to simulate water use and crop growth for Brazilian rainfed crops, under diverse management conditions. In Chapter , I simulated yields, water use and water productivity for soybeans, maize, cotton and wheat under different scenarios of agricultural management, for rainfed and irrigated conditions. Chapter focuses on soybean and maize, and analyzes water use for the production of these crops under single and double-cropping conditions. The results show an increase in green water use for the production of maize, cotton, soybeans and wheat from 145 to 263 km3 per year between 1990 and 2013. This increase is in large part due to the expansion of harvested area for soybean production. The analysis of management scenarios shows that improving nutrient management has a larger potential to improve land and water productivity compared to supplemental irrigation. Furthermore, supplemental irrigation would lead to a reduction in water productivity despite marginal improvements in land productivity. The analysis of double-cropping practices for soybean and maize production systems finds a greater water appropriation of these systems avoiding cropland expansion and improving overall water productivity. This thesis improves the understanding of current and future use of land and water, the role of intensification and expansion processes, and interactions between land and water use. The results lead to the main conclusion that harvested area expansion has been a major driving force in the increase of green water appropriation in Brazil in the last decades, but that different intensification processes have led to a more productive use of water and land over time. More importantly, the growth of double-cropping has allowed a decoupling between the appropriation of water and land, allowing a great increase of agricultural water use without further expansion of cropland.
Eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den kommenden Jahr- zehnten wird es sein, die Nahrungsversorgung einer wachsenden Bevölkerung zu gewährleisten, gleichzeitig immer knapper werdende Ressourcen zu bewirtschaften und weiterhin Wasser und Land für natürliche Ökosysteme zu erhalten. Brasilien ist ein Land mit reichen Wasser- und Bodenressourcen und hat sich in jüngster Zeit zu einem der weltweit größten Exporteure von Agrarerzeugnissen entwickelt. Der brasilianische Agrarsektor durchlief in jüngster Zeit beispiellose Intensivierungs- und Ausweitungsprozesse, zu denen auch die Ausweitung von Ackerland und Wei- deflächen in empfindlichen Ökosystemen gehörte. Die vorliegende Dissertation führt das Forschungsfeld der Modellierung von Wasser und Bodenressourcen weiter, indem sie folgende Prozesse untersucht: i) Änderungen der Nutzung von grünem Wasser durch brasilianischen Regenfeldbau in den letzten Jahrzehnten, ii) potentielle Verbesserungen der Land- und Grünwas- serproduktivität für den brasilianischen Regenfeldbau, mit und ohne Durchführung einer zusätzlichen Bewässerung, iii) Einflüsse von Intensivierung und Ausweitung der Sojaproduktion in Brasilien auf die Nutzung von grünem Wasser und iv) die Auswirkungen einer zweimaligen Feldbestellung auf den Wasserfußabdruck. Das prozessbasierte biogeophysikalische Pflanzenmodell EPIC wurde ausgewählt und angewendet, um den Wasserverbrauch und das Pflanzenwachstum für bra- silianischen Regenfeldbau unter verschiedenen Managementbedingungen zu si- mulieren. In Kapitel werden Erträge, Wasserverbrauch und Wasserproduktivität für Sojabohnen, Mais, Baumwolle und Weizen unter verschiedenen Szenarien der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und unter unterschiedlichen Regen- und Be- wässerungsbedingungen modelliert. Kapitel konzentriert sich auf Anbau von Soja und Mais und analysiert den unterschiedlichen Wasserverbrauch bei einer beziehungsweise zwei Ernten im Jahr. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg des Grünwassereinsatzes für die Produktion von Mais, Baumwolle, Soja und Weizen von auf km3 pro Jahr im Zeitraum bis . Dieser Anstieg ist zu einem großen Teil auf die Ausweitung der Anbaufläche für Soja zurückzuführen. Die Analyse von Managementszenarien zeigt, dass die Verbesserung des Nährstoffmanagements ein größeres Potenzial zur Verbes- serung der Land- und Wasserproduktivität hat, als eine zusätzliche Bewässerung. Außerdem führt eine zusätzliche Bewässerung zu einer Verringerung der Wasser- produktivität trotz leichter Verbesserungen der Bodenproduktivität. Die Analyse von zweifacher Ernte pro Jahr in Soja- und Maisproduktionssystemen zeigt zwar eine höhere Wassernutzung, vermeidet aber die Ausdehnung der Anbauflächen und verbessert die Gesamtwasserproduktivität. Diese Arbeit verbessert das Verständnis der aktuellen und zukünftigen Nutzung von Land- und Wasserressourcen, der Rolle der Intensivierung- und Expansionspro- zesse, und der Wechselwirkungen zwischen Land und Wasser. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Ausweitung der Anbaugebiete in den letzten Jahrzehnten eine wichtige Triebkraft für die gesteigerte Verwendung von Grünwasser in Brasilien war, dass aber gleichzeitig verschiedene Intensivierungsprozesse zu einer produktiveren Nutzung von Wasser und Land geführt haben. Noch wichtiger ist, dass die Zunahme von zwei Ernten im Jahr eine Entkopplung zwischen der Bereitstellung von Wasser ivund Land ermöglicht hat, was eine starke Zunahme der Wassernutzung ohne weitere Ausweitung der Anbauflächen ermöglicht.