Areas at steep slopes in the catchments with high occupation by family farmers in Southern Brazil, even with a high surface covered with regenerated forests, are characterized by the persistence of sources of rural and urban pollution that are undermining the quality of aquatic systems. The unfair use of soil outside its capability, the adoption of inadequate soil tillage systems, the integrated system of animal production (poultry and swine) in quantities environmentally intolerable and the untreated domestic sewage from small villages are the main factors responsible for the input of high amounts of phosphorus into watercourses. In this context, the present doctoral thesis aims (i) monitoring the temporal variation in sediment-bound phosphorus in sub-catchments under different land-use and soil tillage systems and (ii) assessment of the potential of sediments from rural and urban sources to behave as source or sink of phosphorus for aquatic systems. In the Guaporé River catchment, six representative headwater sub-catchments with contrasting land-use and soil management were monitored. The selected sub-catchments were characterized by: (i) predominance of native forest (control); (ii) predominance of areas transformed to agriculture recently, but under conventional tillage CT (sub1); (iii) areas under CT, but with predominance of Ilex plantations (sub2); (iv) predominance of tobacco cultivation of long term under CT (sub3); (v) intensive agriculture under no-tillage NT (sub4); and (vi) intensive agriculture under NT and receiving untreated sewage of a twenty thousand inhabitant town (sub5). In addition, five points of the main river (P1 to P5) were monitored: the first one is located near to the junction of the sub-catchments 4 and 5, and the last one at the outlet of the watershed. Suspended and bed sediments were collected, comprising ten field campaigns performed in the monitoring period of 24 months (October 2012 to October 2014). The different fractions of phosphorus (P) of sediment were analyzed considering the bioavailability. The P sorption-desorption parameters in the sediments were estimated. The conversion of native forest for annual crops production areas promotes the production of sediments with higher amounts of total, inorganic and labile phosphorus. The values of maxima phosphorus adsorption capacity, instantaneous available and potentially available phosphorus forms, desorption rate and mobility index of phosphorus in sediments collected in the different sub-catchments in the following order: native forest < CT < CT with the intensive production of tobacco < NT < NT in the rural area plus urban sewage. A highly positive correlation was observed between different phosphorus fractions (especially the labile phosphorus), as well as different parameters of sorption/desorption, and amounts of iron and aluminum in sediments. It was found the highest amount of labile phosphorus in sediments collected at the end of winter and beginning of spring, particularly in the areas where tobacco is cultivated under CT. / As áreas de bacias hidrográficas declivosas e densamente ocupadas pela agricultura familiar no Sul do Brasil, apesar de apresentarem grande superfície com florestas regeneradas, caracterizam-se pela persistência de fontes de poluição rurais e urbanas que vêm comprometendo a qualidade dos sistemas aquáticos. O uso do solo fora de sua aptidão, a adoção de sistemas de manejo inadequados, o sistema integrado de produção animal (aves e suínos) em quantidades ambientalmente intoleráveis e o não tratamento dos esgotos domésticos das pequenas cidades são fatores responsáveis pelo aporte de grandes quantidades de fósforo aos cursos d água. Nesse contexto, a presente tese de doutorado visa (i) monitorar a variação temporal do fósforo ligado aos sedimentos em sub-bacias com diferentes usos e manejo do solo e (ii) avaliar o potencial dos sedimentos de fontes rurais e urbana em atuarem como fonte ou dreno de fósforo aos sistemas aquáticos.Na Bacia Hidrográfica do Rio Guaporé RS/Brasil foram monitoradas seis sub-bacias de cabeceira representativas de uso da terra e de sistemas de manejo do solo contrastantes. As sub-bacias selecionadas caracterizavam-se por:i) predomínio demata nativa (controle); (ii) predomínio de áreas transformadas em agricultura recentemente, mas sob sistema de cultivo convencional SCC (sub1); (iii) áreas emSCC, mas com predomínio de produção de erva-mate (sub2); (iv) predomínio de áreas emSCC há longa data para cultivo do tabaco (sub3 ); (v) predomínio de agricultura intensiva, mas sob o sistema plantio direto SPD (sub4); e (vi) predomínio de agricultura intensiva sobSPD e recebendo esgoto não tratada de uma cidade com 20 mil habitantes (sub5). Adicionalmente, monitoraram-se cinco pontos no rio principal (P1 a P5), sendo que o primeiro está localizado na junção das sub-bacias 4 e 5 e o último é o exutório da bacia.Coletaram-se sedimentos de fundo e em suspensão, em dez campanhas de campo, durante 24 meses (10/2012 a 10/2014). Foram analisadas as diferentes frações de fósforo no sedimento, de acordo com a biodisponibilidade e estimaram-se os parâmetros de adsortividade e dessortividade do fósforo no sedimento. A conversão da mata nativa para implantação de culturas anuais induz a produção de sedimentos com maiores teores de fósforo total, fósforo inorgânico e fósforo lábil. Os valores da capacidade máxima de adsorção, fósforo instantaneamente disponível, fósforo potencialmente disponível, taxa de dessorção e índice de mobilidade de fósforo dos sedimentos coletados nas diferentes sub-bacias aumentaram na seguinte ordem: mata nativa < SCC < SCC intenso com produção de tabaco < SPD < SPD no meio rural mais esgoto urbano. Foram observadas correlações positivas dasdiferentes frações de fósforo (em especial aquela relacionada ao P lábil), bem como dos diferentes parâmetros de sorção/dessorção, com os teores de ferro e alumínio do sedimento.Foi encontrado maior teor de fósforo lábil nos sedimentos coletados no final do inverno e início da primavera,particularmente naqueles correspondentes aos locais onde se cultiva tabaco em SCC.

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For this analysis, we simulated runoff for three volumes of downloads 5; 7; 10 m³, represented each with their respective hydrograph and blade height by passing the flood wave. These flows were mixed with the particulate material produced from the local ground of the campus area, sieved to smaller than 75 micron, which is used for varying the initial concentration for tests. The experimental data were fit to a model first order decay, Meira optimum slug flow in through non-linear regression using decay kinetic parameters (k d) and equilibrium concentration (C *). Fractions removed and the mathematical adjustment were evaluated and executed for each single event along the length of the lawn channel monitored in 26 positions. The peak of the hydrograph was investigated in the range of 11 ± 2 L / s and time base (tb) determined at the unloading point on the channel varied from 15, 25 and 35 minutes. The transit time in the channel (tT) was approximately 10.5 ± 2.5 m, corresponding to 0.14 ± speed 0,02 m / s. The maximum efficiency of particulate matter removing over the lawn channel length ranged from 47 to 81% in 20-90 m positions. Whereas all concentrations of investigates, it was found that for 15 minutes tB, the average maximum efficiencies were on the order of 64 ± 3% to ± 26 position of 31 m. TB to 25 minutes the average maximum were of the order of 73 ± 3% to 59 ± 24 m positions. Finally, for 35 minutes tB the average maximum efficiencies were obtained in the range of 65 ± 3% in the 73 ± 15 m positions. The ratio tb / tT correlated 0.98 with the position of maximum efficiency. The maximum removal positions are related to the decay constant (Kd). It was found that 70% of the values of the decay constant (Kd) is between 0.005 and 0.015 s-1, and to disregard the hydrograph represented by tB 15 minutes, 90% of the data is contained in it Halftone 0.005 Kd ≤ ≤ 0.015 s-1 and 85% in the range 0.007 ≤ 0.012 ≤ Kd s-1. It was identified direct and proportional relation of the equilibrium concentration (C *) and initial concentration (Co). / O estudo desenvolvido analisou o comportamento de remoção de sedimento para um canal gramado construído em escala real, 100m de extensão, declividade de 2% e largura de base de 0,7m, localizado na Universidade Federal de São Carlos, São Carlos - SP. Para tal análise, foram simulados escoamentos superficiais para três volumes de descarregamentos: 5; 7; 10m³, representados cada um com seu respectivo hidrograma e altura de lâmina pela passagem da onda de cheia. Estes escoamentos foram misturados com o material particulado produzido a partir do solo local da região do campus, peneirado para dimensões menores que 75μm, o qual foi utilizado para variação da concentração inicial para os ensaios realizados. Os dados experimentais foram ajustados a um modelo de decaimento de primeira ordem, em escoamento ideal pistonado por meio de regressão não linear, usando os parâmetros cinéticos de decaimento (kd) e de concentração de equilíbrio (C*). As frações removidas e o ajuste matemático foram avaliados e realizados para cada evento isolado, ao longo do comprimento do canal gramado e monitorados em 26 posições. O pico dos hidrogramas investigados foi da ordem de 11±2L/s, e o tempo de base (tB) determinado no ponto de descarregamento no canal variou de 15, 25 e 35 minutos. O tempo de trânsito no canal (tT) foi da ordem de 10,5±2,5 minutos, correspondente à velocidade de 0,14±0,02m/s. A eficiência máxima de remoção de material particulado ao longo do comprimento do canal gramado variou de 47 a 81% em posições de 20 a 90m. Considerando todas as concentrações investigadas, verificou-se que para tB de 15 minutos, a média das máximas eficiências foram da ordem de 64±3% para posição de 31±26m. Para tB de 25 minutos a média das máximas foram da ordem de 73±3% para posições de 59±24m. Finalmente, para tB de 35 minutos a média das máximas eficiências obtidas foram da ordem de 65±3% nas posições de 73±15m. O quociente tB/tT apresentaram correlação de 0,98 com a posição de máxima eficiência. As posições de máxima remoção estão relacionadas à constante de decaimento (kd). Verificou-se que 70% dos valores da constante de decaimento (kd) estão entre 0,005 e 0,015 s-1, sendo que ao desconsiderar o hidrograma representado por tB de 15 minutos, 90% dos dados estão contidos no intervalo 0,005 ≤ kd ≤ 0,015s-1 e 85% no intervalo 0,007 ≤ kd ≤ 0,012s-1. Foi identificada relação direta e proporcional da concentração de equilíbrio (C*) e concentrações iniciais (Co).

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:03:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AnneKFR_DISSERT.pdf: 446021 bytes, checksum: 247b6b8e1c94c43a75ed6fa260d6757a (MD5) Previous issue date: 2014-03-11 / A regi?o semi?rida sofre escassez h?drica. A fim de regularizar a disponibilidade h?drica nos per?odos de estiagem, s?o constru?das barragens. No entanto, a qualidade da ?gua armazenada tem sofrido os efeitos do descarte irregular de res?duos no meio ambiente e das atividades antr?picas exercidas nas bacias hidrogr?ficas. A degrada??o h?drica pode ser constatada a partir do monitoramento dos par?metros de qualidade da ?gua. Estes dados podem ser analisados atrav?s de m?todos estat?sticos tais como a An?lise de Componentes Principais e a an?lise de agrupamento, que seleciona indiv?duos com caracter?sticas semelhantes. O objetivo deste trabalho ? realizar oagrupamento dos reservat?rios do Rio Grande do Norte, com base nos par?metros de qualidade da ?gua, para a identifica??o de grupos homog?neos de reservat?rios em termos de fontes de polui??o. Ser?o objeto desse estudo as bacias Piranhas-A?u, Apodi-Mossor?, Trair?, Potengi e Cear?-Mirim. Os par?metros merc?rio, chumbo, cromo, f?sforo total, nitrog?nio total e zinco contribu?ram para a forma??o da primeira componente principal, que pode indicar polui??o por metais pesados; s?lidos totais, DBO, OD e cobre, para a segunda componente, que pode ser indicativo de polui??o por mat?ria org?nica e atividades antr?picas; e clorofila a , c?dmio e n?quel, para a terceira componente, que pode indicar eutrofiza??o e polui??o por metais pesados. De posse das componentes principais se procedeu o agrupamento dos reservat?rios, formando-se quatro grupos distintos. Os grupos 1 e 2 s?o constitu?dos por reservat?rios da Bacia Piranhas-A?u, que apresentou maiores valores de metais pesados. O grupo 3, constitu?do por reservat?rios das bacias Cear?-Mirim, Potengi e Trair?, apresentou maiores valores de DBO e s?lidostotais e o grupo 4 ? formado por reservat?rios da Bacia Apodi-Mossor?. Nas Bacias do Trar? e Piranhas-A?u deve ser coibido o lan?amento desordenado de efluentes e fontes de polui??o difusas, e implantado um sistema de coleta de esgoto para minimizar a polui??o por mat?ria org?nica

Abstract Streams and rivers have been extensively altered by humans. Channelization and land use have changed stream habitats and water quality with adverse effects on biota and ecosystem functions. Impacted streams have been targets for restoration, but there is considerable lack of understanding how streams should be restored in an ecologically effective way. In this doctoral thesis, I studied the impacts of channelization (for timber floating) and agricultural diffuse pollution on stream biota. I also studied the effectiveness of restorations of forestry impacted streams stressed by excessive sand sedimentation from catchment drainage. Finally, I also studied the effects of mosses, fine sediment and enhanced dispersal on stream macroinvertebrate communities and ecosystem functions. I found that channelization did not have effect on diatom, macrophyte, macroinvertebrate and fish assemblages, whereas diffuse pollution had strong effects, with no interactions between the two stressors. I showed that excessive sedimentation from forest drainage was harmful for stream biota but had no effect on leaf decomposition and algal accrual rate. Restoration with boulders reduced sand cover and was more beneficial for in-stream biodiversity, whereas restoration with wood tended to increase hydrological retention of stream channels, thereby altering riparian plant assemblages toward more natural composition. In a mesocosm experiment, I found mosses to have a strong impact on macroinvertebrate communities and ecosystem functions. Mosses increased organic matter retention and reduced algal accrual rate and leaf decomposition. The effect of mosses on macroinvertebrates was stronger than that of sand sedimentation, and mosses mitigated some of the negative effects of sand. Extensive dispersal had a distinct imprint on invertebrate community composition but did not blur the effect of mosses and sand on communities, suggesting strong local-scale environmental control of composition. My thesis emphasizes that priority in stream restoration should be in the mitigation of diffuse pollution rather than restoration of channel morphology, especially in streams where channel alteration has been fairly modest, as in the case of timber floating. Addition of both boulders and large wood likely yields the best biodiversity response in the restoration of forestry impacted streams. Mosses are a key component of boreal lotic ecosystems; therefore, the recovery of mosses may be a prerequisite for the full recovery of biodiversity and ecosystem integrity of boreal streams. / Tiivistelmä Ihmisen toiminta on laajasti muokannut virtavesiä. Uomien kanavointi ja maankäyttö ovat muuttaneet virtavesien elinympäristöjä ja veden laatua, millä on ollut haitallisia vaikutuksia virtavesien luonnon monimuotoisuuteen ja ekosysteemin toimintaan. Huonokuntoisia virtavesiä on kunnostettu paljon, mutta ymmärrys siitä, kuinka virtavesiä tulisi kunnostaa parhaan ekologisen lopputuloksen saavuttamiseksi, on edelleen vajaata. Tutkin tässä väitöskirjassa uittoperkausten ja maatalouden hajakuormituksen merkitystä ja yhteisvaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin. Tutkin myös kunnostusten vaikutusta hiekasta kärsivissä metsätalouden muokkaamissa puroissa, sekä vesisammalten, hiekan ja eliöiden levittäytymisen merkitystä purojen pohjaeläinyhteisöjen ja ekosysteemin toimintojen muovautumisessa. Havaitsin, että uoman perkauksilla ei ollut vaikutusta virtavesien eliöyhteisöihin, mutta hajakuormituksen vaikutus oli voimakas. Perkauksella ja hajakuormituksella ei ollut yhteisvaikutuksia eliöyhteisöihin. Osoitin, että metsäojituksista aiheutuva ylimääräinen hiekan sedimentaatio on haitallista virtavesien eliöille, mutta sillä ei ollut vaikutusta lehtikarikkeen hajotukseen tai päällyslevien tuotantoon. Kunnostukset joissa käytettiin kiveä vähensivät hiekan peittävyyttä ja olivat hyödyllisempiä uoman eliöstölle kuin kunnostukset, joissa tehtiin puurakennelmia. Puukunnostukset kuitenkin lisäsivät uoman vedenpidätyskykyä ja siten muokkasivat rantavyöhykkeen kasvillisuutta luonnontilaisemmaksi. Havaitsin, että vesisammalilla on voimakas vaikutus pohjaeläinyhteisöjen koostumukseen. Sammalet vaikuttivat ekosysteemin toimintoihin lisäämällä eloperäisen aineksen pidättymistä ja vähentämällä lehtikarikkeen hajotusta ja päällyslevien tuotantoa. Sammalten vaikutus pohjaeläimiin oli voimakkaampi kuin hiekan, ja sammalet kykenivät jopa lieventämään joitakin hiekan negatiivisia vaikutuksia. Eliöiden levittäytymisellä oli selvä vaikutus yhteisöjen koostumukseen, mutta se ei hävittänyt hiekan ja sammalen vaikutusta, mikä viittaa korkeaan ympäristötekijöiden merkitykseen yhteisöjen rakentumisessa. Tutkielmani korostaa, että maatalousjokien tilan parantamisessa hajakuormituksen hallinta tulisi olla ensisijainen kunnostustavoite uoman rakenteen kunnostamisen sijaan. Metsätalouden vaikutuksista kärsivissä puroissa kivi- ja puumateriaalin käyttö samanaikaisesti tuottaa luultavimmin laajimman vaikutuksen purojen monimuotoisuuteen. Sammalilla on merkittävä vaikutus muiden eliöiden yhteisökoostumukseen ja ekosysteemin toimintoihin, joten sammalten palautuminen on tärkeä kunnostustavoite virtavesissä, joissa on luonnostaan paljon sammalkasvustoa.