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The Midwest US has experienced significant changes in agricultural land use and management practices in recent decades. Cropland expansion, crop rotation change, and crop phenology changes could lead to divergent environmental impacts on linked ecosystems. The overall objective is to examine agricultural land use and management changes and their impacts on water quality in the Midwest US, which is addressed in three separate studies. The first study examined spatial and temporal dimensions of agricultural land use dynamics in east-central Iowa, 2001-2012. Results of this study indicated that increases in corn production in response to US biofuel policies had been achieved mainly by altering crop rotation. This study also examined spatial relationships between cultivated fields and crop rotation practices with respect to underlying soils and terrain. The most intensively cultivated land had shallower slopes and fewer pedologic limitations than others, and the corn was planted on the most suitable soils. The second study characterized key crop phenological parameters (SOS and EOS) for corn and soybean and analyzed their spatial patterns to evaluate their change trends in the Midwest US, 2001-2015. Results showed that MODIS-derived SOS and EOS values are sensitive to input time-series data and threshold values chosen for crop phenology detection. The non-winter MODIS NDVI time-series input data, and a lower threshold value (i.e., 40%) both generated better results for SOS and EOS estimates. Spatial analyses of SOS and EOS values displayed clear south-north gradient for corn and trend analyses of SOS revealed only a small percentage of counties showed statistically significant earlier trends within a user-defined temporal window (2001-2012). The third study integrated remote sensing-derived products from the first two studies with the SWAT model to assess impacts of agricultural management changes on sediment and nutrient yields for three selected watersheds in the Midwest US. With satisfied calibration and validation results for stream flows, sediment and nutrient yields, considered under differing management scenarios, were compared at different spatial scales. Results showed that intensive crop rotation, advancing the planting date with the same length of growing season, and longer growing seasons, dramatically increased, maintained, and slightly reduced sediment, total nitrogen, and total phosphorous yields, respectively. Overall, these studies together illuminate relationships between broad-scale agricultural policies, management decisions, and environmental impacts, and the value of multi-temporal, broad-scale, geospatial analysis of agricultural landscapes. / Ph. D.

Land alterations including deforestation, unsustainable land management practices and an increase in cultivated areas have occurred in the Upper Ruvu watershed in recent decades threatening water and natural resources. This study, which used a combination of remote sensing techniques, field experiments, watershed monitoring, and modeling was designed to investigate impacts of environmental changes on hydrology and soil erosion. The objectives were to: map the extent of land use and land cover change and its influence on soil erosion; correlate the contribution of climate variability and human activities to the changes in hydrology at headwater and watershed scales; estimate surface runoff, sediments and Curve Number at plot scale, and model streamflow responses to changes in land use and land cover using the SWAT watershed model. Results indicate that areas covered by forest decreased from 17% in 1991 to 4% of the total watershed area in 2015. However, areas covered by cropland increased from 14% to 30% of the total watershed area from 1991 to 2015, respectively. Further, results indicate that site characteristics affect runoff and sediment yield as higher soil loss was estimated from cropland with a mean of 28.4 tha-1 in 2015 from 19.8 tha-1 in 1991. Results from monitoring show high sediment loads were from the most disturbed watersheds, compared to Mbezi. Analysis of trends for the long term records at the watershed showed that rainfall had significant decreasing trends. At annual scale, climate variability contributed 46% and human activities contributed 54% of the changes in streamflow. Results from the rainfall simulation experiments show upland rice had higher runoff (48 mmh-1) and soil loss (94 gm-2) compared to grassland and forest. Results from the model outputs showed that average streamflow decreased by 13% between 1991 and 2015. Average peak flows increased by 5% and 12% for 2000 and 2015, respectively compared to the baseline. Land alterations had impacts on surface runoff which increased by 75% and baseflow decreased by 66% in 2015 from the baseline. These results highlight the main areas of changes and provide quantitative information to decision makers for sustainable land and water resources planning and management. / Ph. D.

Die vorrangige Zielstellung dieser Dissertation war die Berechnung nicht erschlossener landwirtschaftlicher Potenziale des Europäischen Russlands. Wir haben ein räumliches Allokationsmodell entwickelt, dass die jährlichen Acker- und Ackerbrachflächen von 1991 bis 2009 kartiert. Diese Daten haben wir anschließend in ein dynamisches Vegetationsmodell integriert und damit berechnet, dass während der postsowjetischen Aufgabe von 31 Millionen Hektar Ackerland bis 2009 470 TgC in Boden und Vegetation gebunden wurden. Anschließend haben wir ein Pflanzenwachstumsmodell auf regionale Weizenerträge kalibriert und darauf basierend durchschnittliche Ertragslücken von 1.51-2.10 t ha−1 für natürliche (künstlich unbewässerte) und 3.14-3.30 t ha−1 für künstlich bewässerte Anbaubedingungen ermittelt. Die Karte der Ackerbrachflächen, räumlich-explizite Informationen über die Kohlenstoffspeicherung in Boden und Vegetation infolge der Ackerflächenaufgabe sowie unsere Ergebnisse der Ertragslückenberechnung haben wir zur Berechnung von Weizenproduktionspotenzialen verwendet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Europäische Russland erhebliche Potenziale mobilisieren kann – bis zu 32 Millionen Tonnen für künstlich unbewässerte Bedingungen – obwohl ausschließlich jüngere Ackerbrachen zur Rekultivierung in unserem Modell berücksichtigt wurden. Ältere Brachflächen haben häufig große Mengen Kohlenstoff in Boden und Vegetation gespeichert; die Rekultivierung ältere Brachflächen würde zu hohen Emissionen führen. Eine wesentliche Schlussfolgerung dieser Dissertation ist daher, dass Produktionssteigerungen vorrangig durch Flächenintensivierung der bestehenden Ackerflächen erzielt werden sollten. Allerdings können die Ergebnisse dieser Arbeit helfen, Brachen für die Rekultivierung zu bestimmen, deren Rekultivierung relativ geringe Kohlenstoffemissionen nach sich ziehten. Zudem können die Ergebnisse dieser Arbeit nützlich sein, landwirtschaftliche Produktionsmittel effizienter einzusetzen. / This dissertation addresses the primary objective to systematically quantify untapped agricultural potentials in European Russia, where widespread abandoned agricultural lands and large yield gaps co-exist. We developed a spatial allocation model to produce annual cropland and cropland abandonment maps. Feeding the new maps into a dynamic vegetation model revealed that 470 Tg of carbon was sequestered in soil and vegetation due to the abandonment of 31 million hectares of cropland. Thus, the environmental consequences limit the potential for cropland expansion to abandoned cropland. We then calibrated a crop growth model for provincial wheat yields in European Russia and found average yield gaps of 1.51–2.10 t ha−1 under rainfed conditions and 3.14–3.30 t ha−1 under irrigated conditions. The cropland abandonment maps, spatial information on carbon sequestration due to cropland abandonment, and the estimates of yield gaps allowed us to estimate the potential of European Russia to increase its wheat production and to account for the carbon tradeoffs of cropland expansion. We demonstrated that European Russia can substantially increase its wheat production (up to 32 Mt under rainfed conditions). This increase is despite a limited expansion of wheat cultivation to the recently abandoned cropland to reduce the trade-off from the high carbon emissions in re-cultivating older, abandoned cropland where most carbon is stored. Therefore, intensification of the existing croplands is recommended to be the major driver for future growth in agricultural production. This dissertation can help policy makers and agribusiness owners identify areas suitable for cropland expansion, better target agricultural inputs and infrastructures, as well as guide adaptation strategies to the volatile climate conditions. Moreover, this dissertation contributes to better identifying and balancing trade-offs between environmental impacts and increasing agricultural production in European Russia.

Visando conciliar pressões antrópicas para o desenvolvimento das atividades sócio-econômicas com a conservação dos ecossistemas, os serviços ambientais associados aos recursos hídricos são claros benefícios e índices quantitativos que podem ser tomados como parâmetros na tomada de decisões para o uso da terra. No Brasil o Código Florestal prescreve as Áreas de Preservação Permanente (APPs) ao longo das margens dos rios, em topos de morro e áreas de alta declividade como setores onde estes serviços serão potencialmente expressivos. Os efeitos da extensão da vegetação ripária podem variar conforme as características geomorfológicas e extensão da bacia, com os ainda escassos resultados de estudos indicadores da faixa segura de vegetação ripária necessária para minimizar os efeitos das vazões máximas e prover a disponibilidade hídrica em bacias hidrográficas com relevância para o abastecimento humano, como é o caso da bacia do rio Piracicaba, e em bacias de pequena escala, onde também se concentra a agricultura familiar e são as efetivas áreas de mananciais dos grandes reservatórios. O objetivo desta tese foi avaliar o impacto causado pelas APPs ripárias e de áreas íngremes (reflorestamento ripário e de áreas íngremes) no regime hidrológico da bacia do rio Piracicaba ( ~12000 km²) e na sua sub-bacia, Ribeirão das Posses (12 km²) a partir de simulações com o modelo hidrológico distribuído SWAT. A avaliação do efeito das APPs nas bacias foi realizada a partir de simulações numéricas com o modelo SWAT calibrado e validado, com referência aos regimes de vazão e evapotranspiração dos principais ecossistemas dominantes. As simulações foram compostas de cenários variando-se as faixas de extensão do reflorestamento ripário e reflorestamento das áreas íngremes em pequena escala (Ribeirão das Posses, Extrema, MG) e mesoescala (Rio Piracicaba). Os cenários com reflorestamento (ripário e áreas íngremes) reduziram o escoamento superficial em ambas as bacias e aumentaram o escoamento básico em Posses, reduzindo este em Piracicaba. Os resultados dos cenários com maior reflorestamento ripário indicaram para as bacias do Ribeirão das Posses e do Rio Piracicaba, respectivamente, uma queda de aproximadamente 24% e 4% do escoamento superficial, e no escoamento básico um aumento de 2% e redução de 2%. A redução do escoamento superficial reduziu as vazões extremas máximas em aproximadamente 13% no exutório e 28% na cabeceira do Ribeirão das Posses, enquanto no Rio Piracicaba a redução foi de aproximadamente 4% em toda a bacia. As vazões de estiagem no Ribeirão das Posses aumentaram na cabeceira e no exutório em 19 e 9%, respectivamente, enquanto no Rio Piracicaba a vazão de estiagem teve uma redução de até 2%. Os resultados sugerem que as APPs, nas formas de reflorestamento ripário e nas áreas íngremes em pequena escala, mostram uma redução do escoamento superficial e da vazão média anual, mas que em termos de serviços ambientais reflete-se favoravelmente na redução dos eventos de inundação devido à diminuição dos pulsos hidrológicos extremos, e no aumento da vazão de estiagem devido ao aumento do escoamento básico. Na mesoescala mostrou-se analogamente uma qualidade favorável de serviço ambiental nas vazões máximas, mas desfavorável na vazão de estiagem, o que, todavia, deve ser analisada em conjunção com o ajuste dos parâmetros de recarga do aquífero raso e profundo do modelo nesta escala. O estudo indica as APPs como promotoras de serviços ambientais hidrológicos dominantemente favoráveis, a contar pela possibilidade real de recomposição florestal em bacias de menores escalas, com ênfase na influência dos processos nas imediações da rede de drenagem onde habitam as populações rurais que poderiam se beneficiar dos serviços mais direta e frequentemente. / Aimed at reconciling human pressures for the development of socio-economic activities with the conservation of ecosystems, ecosystem services associated with water resources are benefits and quantitative indices that can be taken as parameters in decision-making for land use. In Brazil, its Forest Code prescribes the Permanent Preservation Areas (PPAs) along rivers banks, steep areas and areas of high slope as sectors where these services will be potentially significant. The effects of the size of riparian vegetation may vary depending on geomorphological characteristics and extension of the basin. There are few studies indicators of the safe range of riparian vegetation necessary to minimize the effects of peak flows and provide water availability in relevant river basins for water supply, like Piracicaba river basin, and in small scale watershed, which also focuses on the family farms and are also effective watershed areas of large reservoirs. The objective of this thesis was to evaluate the impact of the riparian and steep PPAs areas in the hydrological regime of the Piracicaba river basin (~ 12000 km²) and its sub-basin, Ribeirão das Posses (12 km²), in Extrema, MG, by means of numerical simulations. Evaluation of the effect of PPAs in the watersheds was carried out using the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessement Tool) calibrated (for streamflow and evapotranspiration of the main ecosystems of the basin) and validated (for streamflow). Scenarios were composed of varying extension of riparian reforestation and afforestation of steep areas in small scale (Ribeirão das Posses) and in mesoscale (Piracicaba). The (riparian and steep area) reforestation scenarios reduced surface runoff in both watersheds and increased baseflow in Posses but reduced it in Piracicaba. The results of the annual average scenarios with greater riparian reforestation indicated a runoff decrease of 24% in Ribeirão das Posses and of 4% in Piracicaba. As for the baseflow, it increased by 2% and decreased by 2%, respectively in the two watersheds. The reduction of runoff reduced the maximum streamflows in the mouth in 13% and in 28% at the head of the Ribeirão das Posses. While in Piracicaba, these were reduced to approximately 4% in the entire watershed. Low flows in Posses increased the head and mouth in, respectively, 19% and 9%, while in Piracicaba drought streamflow had a modest reduction of up to 2%. The results suggest that the PPAs, in the forms of riparian and steep reforestation on a small scale, show a reduction of runoff and mean annual flow, but in terms of environmental services reflects favorably on the reduction of flood events due the reduction of extreme hydrological pulses, and the increase of low flow due to increased base flow. The mesoscale showed analogously a favorable quality in providing environmental services in peak flows, but unfavorable as to dry season flow, which however should be analyzed in conjunction with adjusting the parameters of the model of low and deep aquifer recharge at this scale. The study suggest the PPAs as promoters of environmental hydrological services dominantly favorable, emphasizing the benefits of reforestation in smaller scale watersheds, influencing processes nearby the drainage area, where rural populations could be benefited from services more directly and frequently.

Areas cultivated with eucalyptus forests have increased in Southern Brazil, and the effects on hydrosedimentological processes are not well known particularly at the watershed scale and in watersheds where land use has been changing. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model has been applied in a few forested watersheds to evaluate and predict effects of commercial forest cultivation or land use change in hydrological processes, whilst erosion processes has not been the main goal. The present study aimed (i) to evaluate the effects of eucalyptus plantation on hydrosedimentological processes, and to evaluate the efficiency and limitations of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model to simulate streamflow and sediment yield (daily and monthly) in nested eucalyptus watersheds and in two paired watersheds with eucalyptus and grassland, and (ii) to identify the contribution of the bank channel, unpaved roads and eucalyptus stands sediment-sources for two different size fractions of sediment (< 0.063 mm and 0.063-2 mm) deposited along the drainage network, and suspended sediment collected in the outlet of small watersheds. SWAT was used to evaluate hydrological and erosion processes for two nested forest watersheds (watershed-0.98 km2 and sub-watershed-0.39 km2) and two paired watersheds in Pampa Biome, one with grassland (1.10 km2) and other with eucalyptus (0.83 km2). Measured streamflow and sediment yield at the watersheds outlets was used to evaluate model sensitivity to selected model parameters, and for calibration from 2009 to 2013 for nested watersheds, and from 2009 to 2013 for paired watersheds. Time series plots and standard statistical measures were used to verify model predictions. For nested watersheds, predicted monthly streamflow was very good during calibration for the watershed and for the sub-watershed, respectively. Predicted monthly sediment yield was very good and satisfactory for the watershed, and unsatisfactory for the sub-watershed. Simulations for daily time-scale were satisfactory to predict streamflow and sediment yield for the watershed. For the sub-watershed, predicted streamflow was satisfactory , but sediment yield was unsatisfactory . For paired watersheds, predicted monthly streamflow was good during calibration for the grassland watershed and for the eucalyptus watershed. Predicted monthly sediment yield was satisfactory for the grassland watershed, and very good and satisfactory for eucalyptus watershed. Daily simulations were satisfactory to predict streamflow in both grassland and eucalyptus watersheds. The results suggest that the SWAT model is a promising tool to evaluate hydrological processes in Brazilian watersheds. However, more field work with continuous monitoring is required and empirical equations of SWAT must change to better represent the processes that predominate in each watershed and to represent the hydrological and erosion processes in sub-daily time-scale and, especially, for small watersheds where the time of concentration is less than one day. Sediment-sources was evaluated using geochemical properties, determined by inductively coupled plasma mass spectrometry and X-ray fluorescence analyses, and the data used to calculate proportional contributions of sediment. Source contributions were determined at points spatially-distributed along the main channel of the watershed. Source determination for in-stream sites was done using samples collected in one spot to evaluate source-contribution of area upstream of this site of interest to indicate how different sources dominate at different downstream locations. To examine whether different size-fractions shared similar origins, two size fractions of both source and suspended samples including fine (<0.063 mm) and coarse (0.063 2 mm) particles were analyzed. Fingerprinting approach indicated particle-size and location of sources within a watershed are major factors affecting the measured contribution of sources for coarse and fine sediments. The closer a sediment sampling site is to a potential source, the more likely this sediment-source will dominate the sampled material, especially for coarse particles. Based on the classification analysis, the relative contribution of each source to eroded sediments was bank channel, i.e. from the stream network. Modeling results and sediment-source identification can provide an improved understanding effect of land use or change in land use on sediment yield in watershed scale, which are useful and may be used as a management tool of natural resources. / Áreas cultivadas com florestas de eucalipto têm aumentado no Sul do Brasil e os efeitos sobre os processos hidrossedimentológicos são pouco conhecidos, especialmente em escala de bacia hidrográfica e para áreas em que ocorreu mudança no uso do solo. O modelo Soil and Water Assesment Tool (SWAT) tem sido utilizado em bacias hidrográficas florestais para avaliar e simular o efeito do cultivo de florestas comerciais ou mudança de uso do solo sobre os processos hidrológicos, mas os processos erosivos não têm sido avaliados. O presente estudo objetivou (i) avaliar os efeitos do plantio de eucalipto sobre os processos hidrossedimentológicos e a eficiência e as limitações do SWAT em simular o escoamento superficial e produção de sedimentos (diários e mensais) em bacias hidrográficas embutidas, ocupadas com eucalipto, e em duas bacias hidrográficas pareadas ocupadas principalmente com eucalipto e com campo natural, e (ii) identificar a contribuição das fontes margem da rede de drenagem, as estradas e os povoamentos de eucalipto na geração de duas diferentes frações de sedimentos (< 0,063 mm e 0,063-2 mm) depositados ao longo da rede de drenagem, e de sedimentos em suspensão coletados no exutório de bacias embutidas. O SWAT foi utilizado para avaliar os processos hidrológicos e de erosão em duas bacias florestais embutidas (bacia-0,94 km2 e sub-bacia-0,39 km2) e em duas bacias hidrográficas pareadas no Bioma Pampa, uma com campo natural (1,10 km2) e outra com eucalipto (0,83 km2). A vazão e a produção de sedimentos medidas nas seções de monitoramento das bacias hidrográficas foram utilizadas para avaliar a sensibilidade dos parâmetros selecionados do modelo e para calibração para as bacias embutidas (2009-2013), e para as bacias pareadas (2009-2013). As séries temporais e os parâmetros estatísticos foram utilizados para avaliar o potencial preditivo do modelo. Para as bacias embutidas, a representação da vazão mensal foi muito boa durante a calibração para a bacia e para a sub-bacia, respectivamente. A representação da produção de sedimentos mensal foi muito boa e satisfatória para a bacia, e insatisfatória para a sub-bacia. As simulações na escala diária foram satisfatórias para a representação da vazão e da produção de sedimentos para a bacia. Para a sub-bacia, a representação da vazão foi satisfatória, mas da produção de sedimentos foi insatisfatória. Para as bacias hidrográficas pareadas, a representação da vazão mensal foi boa durante a calibração para a bacia com pastagem e para a bacia com eucalipto. A representação da produção de sedimentos mensal foi satisfatória para a bacia com pastagem, e muito boa e satisfatória para a bacia com eucalipto. As simulações diárias foram satisfatórias para a vazão em ambas as bacias pareadas. Os resultados sugerem que o modelo SWAT é uma ferramenta promissora para avaliar processos hidrológicos em bacias hidrográficas brasileiras. No entanto, fazem-se necessários mais tempo de monitoramento contínuo das variáveis hidrossedimentológicas e alteração de equações empíricas do SWAT para melhor representar processos erosivos que predominam em cada bacia e para representar os processos hidrológicos e erosivos em escala sub-diária, especialmente para pequenas bacias em que o tempo de concentração é menor do que um dia. As fontes de sedimentos foram avaliadas por meio do uso de propriedades geoquímicas, determinadas por análises de espectrometria de massas com plasma e de fluorescência de raios-X. A contribuição das fontes de sedimentos foi determinada em pontos espacialmente distribuídos ao longo do canal principal da bacia. Amostras de sedimento de um ponto de coleta foram utilizadas para avaliar a contribuição das fontes da área de contribuição à montante desse local de interesse e para indicar o a diferença da contribuição dessas fontes em diferentes localizações à jusante. Para avaliar se as diferentes frações de sedimentos tem origem semelhante, duas frações de tamanho de partículas das fontes e amostras de sedimento fino (< 0,063 mm) e grosso (0,063-2 mm) foram analisadas. A técnica fingerprinting indicou que o tamanho das partículas e localização das fontes dentro da bacia hidrográfica são os principais fatores que afetam a contribuição das fontes para a produção de sedimentos finos e grossos. As fontes mais próximas do local de amostragem são as potenciais fontes de sedimentos, sendo provável que essa fonte de sedimentos será dominante na amostra de sedimentos, principalmente para as frações grossas. Com base na análise de classificação, a contribuição relativa de cada fonte indicou que a principal fonte de sedimentos foi a margem do canal da rede de drenagem. Os resultados da modelagem e identificação das fontes de sedimentos contribuem para uma melhor compreensão do efeito do uso do solo ou da alteração no uso sobre a produção de sedimentos na escala de bacia hidrográfica, que são úteis e podem ser utilizados como ferramenta de gestão dos recursos naturais.

Visando conciliar pressões antrópicas para o desenvolvimento das atividades sócio-econômicas com a conservação dos ecossistemas, os serviços ambientais associados aos recursos hídricos são claros benefícios e índices quantitativos que podem ser tomados como parâmetros na tomada de decisões para o uso da terra. No Brasil o Código Florestal prescreve as Áreas de Preservação Permanente (APPs) ao longo das margens dos rios, em topos de morro e áreas de alta declividade como setores onde estes serviços serão potencialmente expressivos. Os efeitos da extensão da vegetação ripária podem variar conforme as características geomorfológicas e extensão da bacia, com os ainda escassos resultados de estudos indicadores da faixa segura de vegetação ripária necessária para minimizar os efeitos das vazões máximas e prover a disponibilidade hídrica em bacias hidrográficas com relevância para o abastecimento humano, como é o caso da bacia do rio Piracicaba, e em bacias de pequena escala, onde também se concentra a agricultura familiar e são as efetivas áreas de mananciais dos grandes reservatórios. O objetivo desta tese foi avaliar o impacto causado pelas APPs ripárias e de áreas íngremes (reflorestamento ripário e de áreas íngremes) no regime hidrológico da bacia do rio Piracicaba ( ~12000 km²) e na sua sub-bacia, Ribeirão das Posses (12 km²) a partir de simulações com o modelo hidrológico distribuído SWAT. A avaliação do efeito das APPs nas bacias foi realizada a partir de simulações numéricas com o modelo SWAT calibrado e validado, com referência aos regimes de vazão e evapotranspiração dos principais ecossistemas dominantes. As simulações foram compostas de cenários variando-se as faixas de extensão do reflorestamento ripário e reflorestamento das áreas íngremes em pequena escala (Ribeirão das Posses, Extrema, MG) e mesoescala (Rio Piracicaba). Os cenários com reflorestamento (ripário e áreas íngremes) reduziram o escoamento superficial em ambas as bacias e aumentaram o escoamento básico em Posses, reduzindo este em Piracicaba. Os resultados dos cenários com maior reflorestamento ripário indicaram para as bacias do Ribeirão das Posses e do Rio Piracicaba, respectivamente, uma queda de aproximadamente 24% e 4% do escoamento superficial, e no escoamento básico um aumento de 2% e redução de 2%. A redução do escoamento superficial reduziu as vazões extremas máximas em aproximadamente 13% no exutório e 28% na cabeceira do Ribeirão das Posses, enquanto no Rio Piracicaba a redução foi de aproximadamente 4% em toda a bacia. As vazões de estiagem no Ribeirão das Posses aumentaram na cabeceira e no exutório em 19 e 9%, respectivamente, enquanto no Rio Piracicaba a vazão de estiagem teve uma redução de até 2%. Os resultados sugerem que as APPs, nas formas de reflorestamento ripário e nas áreas íngremes em pequena escala, mostram uma redução do escoamento superficial e da vazão média anual, mas que em termos de serviços ambientais reflete-se favoravelmente na redução dos eventos de inundação devido à diminuição dos pulsos hidrológicos extremos, e no aumento da vazão de estiagem devido ao aumento do escoamento básico. Na mesoescala mostrou-se analogamente uma qualidade favorável de serviço ambiental nas vazões máximas, mas desfavorável na vazão de estiagem, o que, todavia, deve ser analisada em conjunção com o ajuste dos parâmetros de recarga do aquífero raso e profundo do modelo nesta escala. O estudo indica as APPs como promotoras de serviços ambientais hidrológicos dominantemente favoráveis, a contar pela possibilidade real de recomposição florestal em bacias de menores escalas, com ênfase na influência dos processos nas imediações da rede de drenagem onde habitam as populações rurais que poderiam se beneficiar dos serviços mais direta e frequentemente. / Aimed at reconciling human pressures for the development of socio-economic activities with the conservation of ecosystems, ecosystem services associated with water resources are benefits and quantitative indices that can be taken as parameters in decision-making for land use. In Brazil, its Forest Code prescribes the Permanent Preservation Areas (PPAs) along rivers banks, steep areas and areas of high slope as sectors where these services will be potentially significant. The effects of the size of riparian vegetation may vary depending on geomorphological characteristics and extension of the basin. There are few studies indicators of the safe range of riparian vegetation necessary to minimize the effects of peak flows and provide water availability in relevant river basins for water supply, like Piracicaba river basin, and in small scale watershed, which also focuses on the family farms and are also effective watershed areas of large reservoirs. The objective of this thesis was to evaluate the impact of the riparian and steep PPAs areas in the hydrological regime of the Piracicaba river basin (~ 12000 km²) and its sub-basin, Ribeirão das Posses (12 km²), in Extrema, MG, by means of numerical simulations. Evaluation of the effect of PPAs in the watersheds was carried out using the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessement Tool) calibrated (for streamflow and evapotranspiration of the main ecosystems of the basin) and validated (for streamflow). Scenarios were composed of varying extension of riparian reforestation and afforestation of steep areas in small scale (Ribeirão das Posses) and in mesoscale (Piracicaba). The (riparian and steep area) reforestation scenarios reduced surface runoff in both watersheds and increased baseflow in Posses but reduced it in Piracicaba. The results of the annual average scenarios with greater riparian reforestation indicated a runoff decrease of 24% in Ribeirão das Posses and of 4% in Piracicaba. As for the baseflow, it increased by 2% and decreased by 2%, respectively in the two watersheds. The reduction of runoff reduced the maximum streamflows in the mouth in 13% and in 28% at the head of the Ribeirão das Posses. While in Piracicaba, these were reduced to approximately 4% in the entire watershed. Low flows in Posses increased the head and mouth in, respectively, 19% and 9%, while in Piracicaba drought streamflow had a modest reduction of up to 2%. The results suggest that the PPAs, in the forms of riparian and steep reforestation on a small scale, show a reduction of runoff and mean annual flow, but in terms of environmental services reflects favorably on the reduction of flood events due the reduction of extreme hydrological pulses, and the increase of low flow due to increased base flow. The mesoscale showed analogously a favorable quality in providing environmental services in peak flows, but unfavorable as to dry season flow, which however should be analyzed in conjunction with adjusting the parameters of the model of low and deep aquifer recharge at this scale. The study suggest the PPAs as promoters of environmental hydrological services dominantly favorable, emphasizing the benefits of reforestation in smaller scale watersheds, influencing processes nearby the drainage area, where rural populations could be benefited from services more directly and frequently.

Applications of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) are common. However, few attempts have focused on the tropics like in the Yen Bai province, Vietnam. Annual water-induced soil erosion (WSE) rates and surface runoff (SR) were estimated. The Nam Kim and Ngoi Hut watersheds were calibrated with accepted agreement between simulated and observed discharge. Correlations between precipitation, land covers, surface runoff and WSE were indicated. Although the estimated average WSE 4.1 t ha−1 year−1 (t ha−1 y−1) was moderate, some steep-bare areas were suffering serious soil loss of 26 t ha−1 y−1 and 15% of the province was calculated at the rate of 8.5 t ha−1 y−1. We found that the changes in WSE significantly correlated with land use changes. As calibrated SR matched closely with the measured data, we recommend SWAT applications for long-term soil erosion assessments in the tropics. / Những ứng dụng của mô hình công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) đã được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên có rất ít nghiên cứu tập trung vào khu vực nhiệt đới như tỉnh Yên Bái của Việt Nam. Trong nghiên cứu này, giá trị trung bình năm (2001-2012) nước chảy bề mặt (NCM) và xói mòn đất do nước (XM) đã được đánh giá trên cơ sở mô hình SWAT. Các thông số thủy văn của hai lưu vực sông là Nậm Kim và Ngòi Hút được tính toán và kiểm nghiệm với sự trùng hợp tương đối tốt giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo. Mối liên hệ giữa lượng mưa, phủ bề mặt, NCM và XM cũng được phân tích và trình bầy chi tiết. Mặc dù giá trị XM năm được ước lượng ở mức trung bình cho toàn Tỉnh (4,1 tấn/ha/năm) nhưng ở một số khu vực nơi có độ dốc lớn và phủ mặt ít lại có lượng XM năm ở mức cao, 26 tấn/ha/năm và 15% tổng diện tích của Tỉnh có giá trị XM là 8,5 tấn/ha/năn. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự liên hệ mật thiết giữa sự thay đổi phủ mặt tới giá trị XM. Trên cơ sở kết quả kiểm nghiệm mô hình khả quan, chúng tôi đề xuất sử dụng mô hình SWAT để đánh giá XM trong thời gian dài cho vùng nhiệt đới.