Submitted by Valquíria Barbieri (kikibarbi@hotmail.com) on 2018-03-20T18:43:03Z No. of bitstreams: 1 DISS_2014_Fernando Alexandre Rieger.pdf: 817083 bytes, checksum: a3874e80862147026a8eda5b422039da (MD5) / Approved for entry into archive by Jordan (jordanbiblio@gmail.com) on 2018-04-10T18:38:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISS_2014_Fernando Alexandre Rieger.pdf: 817083 bytes, checksum: a3874e80862147026a8eda5b422039da (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-10T18:38:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISS_2014_Fernando Alexandre Rieger.pdf: 817083 bytes, checksum: a3874e80862147026a8eda5b422039da (MD5) Previous issue date: 2014-03-07 / CAPES / A erosão hídrica é uma das principais causas de degradação dos solos no mundo, gerando importantes impactos econômicos e ambientais. O aumento da pressão sobre os recursos naturais água e solo em virtude da expansão da agropecuária e silvicultura para produção de alimentos, fibras e energia, apresenta-se como um desafio a ser equacionado no contexto da sustentabilidade. Dessa forma, torna-se cada vez mais premente a necessidade do uso de técnicas/processos que permitam o uso mais adequado dos recursos naturais água e solo, respeitando suas limitações quanto aos aspectos quantitativos e qualitativos. Nesse contexto, os sistemas integrados de produção, tais como a integração Lavoura, Pecuária e Floresta (ILPF), bem como as demais práticas/sistemas que preconizem a manutenção da cobertura do solo, apresentam-se como importante possibilidade para o uso sustentável da água e do solo. Objetivou-se com a realização do presente trabalho estudar as perdas de água e solo, sob chuva natural, em diferentes configurações de uso e cobertura da terra. A pesquisa foi conduzida no campo experimental da Embrapa Agrossilvipastoril, no município de Sinop, estado de Mato Grosso. O clima da região, segundo a classificação de Köppen, é Aw (clima tropical), com temperatura e precipitação média anual de 24,7 °C e 1.974 mm ano-1, respectivamente. O solo no local do experimento é classificado como Latossolo Vermelho Amarelo, com textura argilosa com horizonte A moderado, apresentando relevo suave ondulado de 0 a 8 % de declive. As unidades experimentais constaram de parcelas instaladas em seis diferentes usos e coberturas do solo, respectivamente: Pastagem, sistema com integração Lavoura e Floresta, área com plantio de Eucalipto, Lavoura com sucessão soja e milho, Solo Descoberto e Mata. As parcelas experimentais possuem dimensões de 22 x 6 m (132 m2), delimitadas, superior e lateralmente, por chapas galvanizadas de 3,00 x 0,30 m, cravadas no solo aproximadamente 0,15 m. Na extremidade inferior foram instaladas calhas coletoras do escoamento, a qual, através de um cano de PVC, conduzia o escoamento às caixas de coleta. A precipitação total no período de estudo foi de 1.997,1 mm, sendo 384,2 mm no ano de 2012 e 1.613 mm no ano de 2013, concentrando-se no período de janeiro a março de 2013. O mesmo ocorre com a erosividade da chuva que teve os maiores picos nos meses de precipitações mais elevadas, apresentando valores de 2.789 em janeiro, 3.009 em fevereiro e 3.625 MJ mm ha-1 h-1 em março, com total anual de 16.092 MJ mm ha-1 h-1 ano-1. Os valores obtidos para as perdas de água variaram de 10,3 mm a 675,3, o que representou 0,5 e 33,8 % da precipitação acumulada no período de estudo, respectivamente para os tratamentos Mata e Solo Descoberto. A perda de água no tratamento Solo Descoberto foi, em média, 94% superior aos demais tratamentos, o que evidencia o efeito da cobertura vegetal sobre a redução do escoamento superficial. As perdas de solo nos tratamentos estudados ficaram abaixo da tolerância da perda de solo anual, com exceção do tratamento Solo Descoberto onde constatou-se que a perda de solo foi 1,5 vezes maior do que o limite tolerável. / The soil erosion is one of main drivers of soil degradation in Brazil, and it has causing great economic and environmental impacts. The increasing pressure on natural resources, such as water and soil, due to the expansion of agriculture and livestock for food, fiber and energy production, poses a great challenge to be managed in the context of sustainable development. In this regard, it is compelling the need for techniques that enables the sustainable use of water and soil, respecting their quantity and quality limitations. In this context, the integrated systems, as crop, livestock and forest integration (ILPF), as well as additional practices/systems that favor the maintenance of soil cover, are an important possibility to achieve the sustainable use of water and soil. The aim of this work was to study the water and soil losses under natural rainfall in different land use and cover settings. The research was carried out in the experimental field of Embrapa Agrosilvopastoral, in Sinop, state of Mato Grosso. The climate of the region is classified as Aw, according to Köppen, with average temperature and rainfall of 24,7 °C and 1.974 mm ano-1, respectively. The soil in the experimental area is classified as a dystrophic red yellow heavy clay Latosol, presenting plain to soft undulated relief (0 to 8 %). The treatments comprised six experimental plots under different land use and cover, respectively a perennial pasture, crop and forestry integrated system (ILF), eucalyptus plantation, soybean-corn crop in succession cropping, bare soil and forest. The plot size is 22 m long and 6m wide (132 m2), bounded by galvanized sheets of 3.00 x 0.30 m, inserted 0.15 m into the soil. In the lower end of the plots were placed a collecting trough that leads the runoff, through a PVC pipe, to tanks. The total rainfall during the study period was 1.997,1 mm, respectively 384,2 mm in 2012 and 1.613 mm in 2013, with concentrating period from January to March 2013. The same occurs with rainfall erosivity that presented the highest values during the months with high precipitation, ranging from 2.789 in January, 3.009 in February and 3.625 MJ mm ha- 1 h- 1 in March, with mean annual rainfall erosivity of 16.092 MJ mm ha- 1 h- 1 year- 1. The water losses ranged from 10,3 to 675,3mm, which represented 0,5 and 33,8 % of the total rainfall during the study period, respectively for treatments under forest and bare soil. The water loss in the treatment under bare soil was, on average, 94 % higher than the others, which demonstrates the effect of vegetation in reducing runoff. Soil losses in the evaluated treatments were below the average tolerance limits, except for the treatment under bare soil, where it was found that soil loss was 1,5 times higher than the average tolerance limits.

A espacialização de atributos dos solos é necessária com vistas ao planejamento e monitoramento do solo. As imagens do satélite Landsat 5 Thematic Mapper (TM) são utilizadas em estudos relacionados aos recursos naturais por fornecerem informações da superfície das terras em áreas amplas e de difícil acesso. Nesse trabalho objetivou-se gerar uma imagem multitemporal de solo exposto através de imagens de satélite e, com ela, mapear atributos da superfície do solo. A área de estudo é a região de Piracicaba, SP, onde foram selecionadas treze imagens do Landsat TM. Amostras da camada mais superficial dos solos foram coletadas em 740 pontos, e nelas analisados vários atributos do solo. Por meio da reflectância espectral dos objetos das imagens de satélite foram obtidas informações de solo exposto e eliminados outros alvos. As imagens foram adquiridas em série histórica e sobrepostas, gerando uma composta final com solo exposto. Os atributos do solo que obtiveram boa correlação com as bandas dessa imagem foram quantificados por meio da técnica de regressão multivariada e espacializados. Mapas pré-existentes de geologia e pedologia auxiliaram no entendimento da variabilidade espacial da textura e cor dos solos na paisagem. A taxa de variação do solo exposto em uma imagem individual variou de 7 a 20 %, enquanto a unificada atingiu 53 % da área total. Valores de reflectância entre as bandas TM3 e TM4 contrapostos representando a linha do solo e curva espectral média de espectros de amostras de solos obtidas em laboratório apresentaram semelhança com as de satélite. Entre os atributos estudados, a argila obteve a melhor correlação com R2 de 0,75, erro baixo e RPD acima de 2. Outros atributos relacionados com a argila também obtiveram boa correlação, como matéria orgânica (MO) e capacidade de troca de cátions (CTC) com R2 de 0,4 e 0,34 respectivamente. / The knowledge of spatial distribution of soil attributes is necessary for soil planning and monitoring. Landsat 5 Thematic Mapper (TM) images are used in studies related to natural resources for providing the land surface information in large areas and in areas of difficult access. This work aimed to create a multi-temporal image of bare soil through satellite scenes and map soil attributes from the surface. The study area is located in Piracicaba region, SP, where thirteen Landsat TM scenes were selected. Samples of the soil superficial layer were collected at 740 points, and several soil properties were analyzed. Spectral reflectance of different objects from satellite images was obtained and only exposed soil information was selected. Images were acquired in historical series and overlapped, generating a final composed image with bare soil. Soil attributes that presented good correlation with the bands were quantified by multivariate regression and mapped. Pre-existing maps of geology and soil helped in understanding soil texture spatial variability and color in the landscape. The soil variation rate in an individual exposed image ranged from 7 to 20%, while the unified reached 53% of the total area. Obtained values of reflectance between TM3 and TM4 bands representing the soil line and average spectral curve of laboratory soil samples were similar to the satellite ones. Among the soil attributes studied, clay presented the best correlation with R2 value of 0.75, low error and RPD value above 2.0. Other attributes related to clay also presented good correlation, such as organic matter (OM) and cation exchange capacity (CEC) with R2 values of 0.4 and 0.34 respectively.

A espacialização de atributos dos solos é necessária com vistas ao planejamento e monitoramento do solo. As imagens do satélite Landsat 5 Thematic Mapper (TM) são utilizadas em estudos relacionados aos recursos naturais por fornecerem informações da superfície das terras em áreas amplas e de difícil acesso. Nesse trabalho objetivou-se gerar uma imagem multitemporal de solo exposto através de imagens de satélite e, com ela, mapear atributos da superfície do solo. A área de estudo é a região de Piracicaba, SP, onde foram selecionadas treze imagens do Landsat TM. Amostras da camada mais superficial dos solos foram coletadas em 740 pontos, e nelas analisados vários atributos do solo. Por meio da reflectância espectral dos objetos das imagens de satélite foram obtidas informações de solo exposto e eliminados outros alvos. As imagens foram adquiridas em série histórica e sobrepostas, gerando uma composta final com solo exposto. Os atributos do solo que obtiveram boa correlação com as bandas dessa imagem foram quantificados por meio da técnica de regressão multivariada e espacializados. Mapas pré-existentes de geologia e pedologia auxiliaram no entendimento da variabilidade espacial da textura e cor dos solos na paisagem. A taxa de variação do solo exposto em uma imagem individual variou de 7 a 20 %, enquanto a unificada atingiu 53 % da área total. Valores de reflectância entre as bandas TM3 e TM4 contrapostos representando a linha do solo e curva espectral média de espectros de amostras de solos obtidas em laboratório apresentaram semelhança com as de satélite. Entre os atributos estudados, a argila obteve a melhor correlação com R2 de 0,75, erro baixo e RPD acima de 2. Outros atributos relacionados com a argila também obtiveram boa correlação, como matéria orgânica (MO) e capacidade de troca de cátions (CTC) com R2 de 0,4 e 0,34 respectivamente. / The knowledge of spatial distribution of soil attributes is necessary for soil planning and monitoring. Landsat 5 Thematic Mapper (TM) images are used in studies related to natural resources for providing the land surface information in large areas and in areas of difficult access. This work aimed to create a multi-temporal image of bare soil through satellite scenes and map soil attributes from the surface. The study area is located in Piracicaba region, SP, where thirteen Landsat TM scenes were selected. Samples of the soil superficial layer were collected at 740 points, and several soil properties were analyzed. Spectral reflectance of different objects from satellite images was obtained and only exposed soil information was selected. Images were acquired in historical series and overlapped, generating a final composed image with bare soil. Soil attributes that presented good correlation with the bands were quantified by multivariate regression and mapped. Pre-existing maps of geology and soil helped in understanding soil texture spatial variability and color in the landscape. The soil variation rate in an individual exposed image ranged from 7 to 20%, while the unified reached 53% of the total area. Obtained values of reflectance between TM3 and TM4 bands representing the soil line and average spectral curve of laboratory soil samples were similar to the satellite ones. Among the soil attributes studied, clay presented the best correlation with R2 value of 0.75, low error and RPD value above 2.0. Other attributes related to clay also presented good correlation, such as organic matter (OM) and cation exchange capacity (CEC) with R2 values of 0.4 and 0.34 respectively.

A expansão agropecuária governa as mudanças no uso do solo no Brasil devido à alta demanda dos mercados interno e externo por alimento, fibra e energia. Entretanto, os efeitos e os processos decorrentes dessas alterações no ciclo hidrológico e na conservação do solo são pouco estudados de forma experimental em regiões de clima tropical e subtropical. No Estado de São Paulo, o uso do solo acontece de forma intensiva, as áreas de Cerrado nativo estão fragmentadas e pastagens vêm sendo substituídas por plantações de cana-de-açúcar devido à alta demanda por etanol e açúcar. Este trabalho tem como objetivo compreender as relações, trocas, variações e tendências das componentes do balanço hídrico e dos processos erosivos em potenciais mudanças no uso do solo que são encontradas no Sudeste do Brasil: de condições naturais (Cerrado sensu stricto) para pastagem, cana-de-açúcar e solo exposto. Para isso, foram monitorados, nos diferentes usos do solo, as condições meteorológicas, o escoamento superficial, a evapotranspiração, o conteúdo de água no solo, a erosão do solo e a flutuação do nível freático do aquífero. As alterações no uso do solo modificam significativamente o balanço hídrico, com aumento do escoamento superficial (pelo menos 14 mm ano-1) e diminuição da evapotranspiração (pelo menos 529 mm ano-1) quando o Cerrado sensu stricto é substituído por pastagem ou cana-de-açúcar. Entretanto, no Cerrado sensu stricto o volume de água disponível para percolação ao longo da zona não saturada e potencial recarga do aquífero tende a ser menor que em áreas agrícolas. As observações mostram que o solo exposto e a cana-de-açúcar possuem os maiores valores erosão do solo (16,00 ± 5,97 t ha-1 ano-1 e 0,64 ± 0,49 t ha-1 ano-1, respectivamente). Além disso, há semelhanças entre as taxas de perda de solo na pastagem (0,11 ± 0,04 t ha-1 ano-1) e no Cerrado sensu stricto (0,14 ± 0,06 t ha-1 ano-1). Devido às curtas séries de dados de escoamento superficial e erosão do solo, a adoção de modelos de base física como o WEPP (Water Erosion Prediction Project), é alternativa viável para simulações que considerem as variabilidades climáticas de regiões subtropicais. Projeções climáticas revelam que não ocorrerão alterações significativas nas respostas (escoamento superficial e erosão do solo) em relação ao clima base atual apesar do aumento significativo na precipitação nos cenários mais drásticos (entre 5% e 9%). Por fim, a manutenção do ciclo hidrológico e o controle da erosão do solo alcançados pelo Cerrado sensu stricto são benefícios que contrastam com a diminuição da recarga potencial do aquífero em áreas de vegetação densa. A cana-de-açúcar e a pastagem são usos do solo concorrentes e seus efeitos nos padrões hidrológicos e na erosão do solo se equilibram. / The agricultural expansion in Brazil drives land use changes due to the higher demand of internal and external markets for food, fiber and fuel. However, the effects and processes that result from these changes on hydrological cycle and soil conservation are not well explored in an experimental approach under tropical and subtropical climates. The land use is intense in the State of São Paulo, where the undisturbed woodlands in the Cerrado biome are fragmented and pasturelands are transformed in sugarcane plantations due to the higher sugar and ethanol demands. This thesis aims to comprehend the relations, trade-offs and variations of the water balance components and soil erosion processes under potential land use changes that can be found in southeastern Brazil: from natural landscapes (wooded Cerrado) to pastureland, sugarcane and bare soil. They were monitored in these different land uses: meteorological conditions, runoff, evapotranspiration, soil moisture content, soil erosion, and water table fluctuation. The land uses changes significantly influence the water balance, increasing the runoff (at least 14 mm yr-1) and decreasing evapotranspiration (at least 529 mm yr-1) when wooded Cerrado is substituted by pasture or sugarcane. Nevertheless, the soil water content available for deep percolation through the unsaturated zone and potential aquifer recharge in the wooded Cerrado tend to be smaller than in agricultural fields. Soil loss observations reveal that bare soil and sugarcane have the highest rates (16.00 ± 5.97 t ha-1 yr1 and 0.64 ± 0.49 t ha-1 yr-1, respectively). Additionally, there are similarities between the soil loss rates of pastureland (0.11 ± 0.04 t ha-1 yr-1) and wooded Cerrado (0.14 ± 0.06 t ha-1 yr-1). Due to the short-period observations of runoff and soil erosion, the use of a process-based model such as WEPP (Water Erosion Prediction Project) is a feasible alternative for simulations considering climatic variability under subtropical conditions. Projected climates reveal that in spite of significant increased rainfall (between 5% and 9%) in the most drastic scenarios, there are no significant changes on runoff and soil erosion rates in relation to the actual baseline climate. Finally, the hydrological stability and soil erosion control are benefits reached by the wooded Cerrado that contrast with the decrease in potential aquifer recharge in a dense vegetation area. Sugarcane and pasture are concurrent land uses and their effects on hydrological patterns and soil erosion are equivalent.

A expansão agropecuária governa as mudanças no uso do solo no Brasil devido à alta demanda dos mercados interno e externo por alimento, fibra e energia. Entretanto, os efeitos e os processos decorrentes dessas alterações no ciclo hidrológico e na conservação do solo são pouco estudados de forma experimental em regiões de clima tropical e subtropical. No Estado de São Paulo, o uso do solo acontece de forma intensiva, as áreas de Cerrado nativo estão fragmentadas e pastagens vêm sendo substituídas por plantações de cana-de-açúcar devido à alta demanda por etanol e açúcar. Este trabalho tem como objetivo compreender as relações, trocas, variações e tendências das componentes do balanço hídrico e dos processos erosivos em potenciais mudanças no uso do solo que são encontradas no Sudeste do Brasil: de condições naturais (Cerrado sensu stricto) para pastagem, cana-de-açúcar e solo exposto. Para isso, foram monitorados, nos diferentes usos do solo, as condições meteorológicas, o escoamento superficial, a evapotranspiração, o conteúdo de água no solo, a erosão do solo e a flutuação do nível freático do aquífero. As alterações no uso do solo modificam significativamente o balanço hídrico, com aumento do escoamento superficial (pelo menos 14 mm ano-1) e diminuição da evapotranspiração (pelo menos 529 mm ano-1) quando o Cerrado sensu stricto é substituído por pastagem ou cana-de-açúcar. Entretanto, no Cerrado sensu stricto o volume de água disponível para percolação ao longo da zona não saturada e potencial recarga do aquífero tende a ser menor que em áreas agrícolas. As observações mostram que o solo exposto e a cana-de-açúcar possuem os maiores valores erosão do solo (16,00 ± 5,97 t ha-1 ano-1 e 0,64 ± 0,49 t ha-1 ano-1, respectivamente). Além disso, há semelhanças entre as taxas de perda de solo na pastagem (0,11 ± 0,04 t ha-1 ano-1) e no Cerrado sensu stricto (0,14 ± 0,06 t ha-1 ano-1). Devido às curtas séries de dados de escoamento superficial e erosão do solo, a adoção de modelos de base física como o WEPP (Water Erosion Prediction Project), é alternativa viável para simulações que considerem as variabilidades climáticas de regiões subtropicais. Projeções climáticas revelam que não ocorrerão alterações significativas nas respostas (escoamento superficial e erosão do solo) em relação ao clima base atual apesar do aumento significativo na precipitação nos cenários mais drásticos (entre 5% e 9%). Por fim, a manutenção do ciclo hidrológico e o controle da erosão do solo alcançados pelo Cerrado sensu stricto são benefícios que contrastam com a diminuição da recarga potencial do aquífero em áreas de vegetação densa. A cana-de-açúcar e a pastagem são usos do solo concorrentes e seus efeitos nos padrões hidrológicos e na erosão do solo se equilibram. / The agricultural expansion in Brazil drives land use changes due to the higher demand of internal and external markets for food, fiber and fuel. However, the effects and processes that result from these changes on hydrological cycle and soil conservation are not well explored in an experimental approach under tropical and subtropical climates. The land use is intense in the State of São Paulo, where the undisturbed woodlands in the Cerrado biome are fragmented and pasturelands are transformed in sugarcane plantations due to the higher sugar and ethanol demands. This thesis aims to comprehend the relations, trade-offs and variations of the water balance components and soil erosion processes under potential land use changes that can be found in southeastern Brazil: from natural landscapes (wooded Cerrado) to pastureland, sugarcane and bare soil. They were monitored in these different land uses: meteorological conditions, runoff, evapotranspiration, soil moisture content, soil erosion, and water table fluctuation. The land uses changes significantly influence the water balance, increasing the runoff (at least 14 mm yr-1) and decreasing evapotranspiration (at least 529 mm yr-1) when wooded Cerrado is substituted by pasture or sugarcane. Nevertheless, the soil water content available for deep percolation through the unsaturated zone and potential aquifer recharge in the wooded Cerrado tend to be smaller than in agricultural fields. Soil loss observations reveal that bare soil and sugarcane have the highest rates (16.00 ± 5.97 t ha-1 yr1 and 0.64 ± 0.49 t ha-1 yr-1, respectively). Additionally, there are similarities between the soil loss rates of pastureland (0.11 ± 0.04 t ha-1 yr-1) and wooded Cerrado (0.14 ± 0.06 t ha-1 yr-1). Due to the short-period observations of runoff and soil erosion, the use of a process-based model such as WEPP (Water Erosion Prediction Project) is a feasible alternative for simulations considering climatic variability under subtropical conditions. Projected climates reveal that in spite of significant increased rainfall (between 5% and 9%) in the most drastic scenarios, there are no significant changes on runoff and soil erosion rates in relation to the actual baseline climate. Finally, the hydrological stability and soil erosion control are benefits reached by the wooded Cerrado that contrast with the decrease in potential aquifer recharge in a dense vegetation area. Sugarcane and pasture are concurrent land uses and their effects on hydrological patterns and soil erosion are equivalent.

The productivity of agricultural and forest ecosystems in regions at higher latitudes is to a large extent governed by low temperature and moisture conditions. Environmental conditions are acting both above- and below-ground and regulating carbon fluxes and evapotranspiration. However, the understanding of various feedbacks between vegetation and environmental conditions is still unclear. In this thesis, two studies were conducted to understand the physical and biological processes. In the first study, the aim was to simulate soil temperature and moisture dynamics in the bare soil with seasonal frost conditions in China. In the second study, the aims were to model seasonal courses of carbon and evapotranspiration and to examine the responses of photosynthesis, transpiration and respiration on environmental conditions in a boreal Scots pine ecosystem in Finland. In both studies the CoupModel was applied to simulate the dynamic responses of the systems. Both sites represented investigations from which a high number of measurements were available. To understand to what extent the data could be used to increase the understanding of the systems, the Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) was applied. The GLUE method was useful to reduce basic uncertainties with respect to parameter ranges, model structures and measurements. The strong interactions between soil temperature and moisture processes have indicated by a few behavioral models obtained when constrained by combined temperature and moisture criteria. Model performance on sensible and latent heat fluxes and net ecosystem exchange (NEE) also indicated the coupled processes within the system. Seasonal and diurnal courses were reproduced successfully with reduced parameter ranges. However, uncertainties on what is the most general regulation for transpiration and NEE are still unclear and need further systematic investigations. / QC 20101206

From the Proceedings of the 1974 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 19-20, 1974, Flagstaff, Arizona / Reliable information on soil-water status is required in order to make accurate water balance studies of watersheds, to determine the survival probabilities of various types of vegetation between rainfalls in low rainfall areas, and to determine the susceptibility of the uppermost soil to wind erosion. Simple solarimeters may help to accomplish this objective. Bare soil albedo was a linear function of the water content of a very thin surface layer of soil, and albedo correlated well with water contents of thicker soil layers. In addition, albedo measurements could be used to delineate the 3 classical stages of soil drying. Albedo may also be used to differentiate between the initial potential rate phase of evaporation following an application of water, and the succeeding falling rate phase. Results of applying this technique to a field of Avondale clay loam indicate that 20% to 25% of the water applied by either irrigation or rain will be lost by stage 1 potential evaporation, independent of seasonal variations in evaporative demand. Presently the techniques developed are applicable only to bare soil surfaces.