Soybean expansion in Brazil: A quantitative assessment of past technological and environmental changes and implications for future climate change

Abstract

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.

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.