The contribution of energy from biomass sources is projected to increase in Britain to assist in meeting renewable energy targets and reducing anthropogenic CO2 emissions. With increasing concerns over the sustainability of food crop-based biofuels, purpose-grown lignocellulosic biomass crops such as Miscanthus and short rotation coppice (SRC) willow have been promoted as more sustainable feedstocks for the production of heat and electricity as well as for the future production of liquid biofuels. With the introduction of the Energy Crops Scheme, land-use change (LUC) for lignocellulosic biomass crop production has become increasingly common in Britain in recent decades. However, there is limited understanding of the impact this has on soil organic carbon (SOC) stocks and limited predictability concerning the overall trajectory, magnitude and rate of SOC changes under a range of different conditions. Using a chronosequence of 93 biomass crop plantations in England and Wales, mainly of 1 to 14 years age, empirical models were developed to determine the short term trajectory of SOC stocks following LUC from arable and grassland to SRC willow and Miscanthus production. SOC stocks were calculated for each site using a fixed sampling depth of 30 cm and estimated changes were inferred by comparing with typical pre-change SOC stocks. These results indicate that only LUC from arable crops to SRC willow demonstrated an overall increase in SOC stocks, by an estimated 15.3 ± 2.2 t C ha-1 (± 95% confidence intervals) after 14 years and 68.8 ± 49.4 t C ha-1 after 22 years. LUC from arable crops to Miscanthus and from both arable crops and grassland to SRC willow and Miscanthus demonstrated no overall net effect on SOC stocks. Soil texture and climate data were measured for each site and multivariable models were created to assess the influence of different environmental conditions on SOC trajectory. In most cases the addition of these explanatory variables improved the model fit, and the models provide some preliminary estimates of more region-specific changes in SOC following LUC. Since LUC to biomass crops often causes a loss of SOC, at least in the short term, the potential for pyrogenic carbon (PyC) to ameliorate this effect was investigated. Studies indicate that PyC can interact with and stabilise native SOC, a process termed negative priming, although the potential for PyC to reduce LUC-induced losses of SOC by negative priming has not yet been assessed. Although negative priming has been observed in many studies, most of these are long term incubation experiments which do not account for the impact of environmental weathering of PyC on interactions with native SOC. Here the aim was to assess the impact of environmentally weathered PyC on native SOC mineralisation at different points in LUC from arable crops to SRC willow. Soil was sampled to a 5 cm depth from multiple recently established SRC willow plantations approximately 2 years after amendment with PyC. Cumulative CO2 flux was measured weekly from incubated soil and soil-surface CO2 flux was also measured in the field. The results demonstrate a PyC-induced increase in CO2 flux for the surface 5 cm of soil. However, no net effect on soil-surface CO2 flux was observed in the field. Although the mechanisms for these contrasting effects remain unclear, they do not suggest that PyC can reduce LUC-induced SOC losses through negative priming.

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Compreender o que impulsiona, catalisa ou impede a mudança de uso da terra na fronteira agrícola brasileira é uma condição para o desenho efetivo de políticas locais, o que por sua vez pode ter implicações para a produção de alimentos, a conservação ambiental e as emissões de gases de efeito estufa em todo o mundo. Analisou-se o processo de expansão agrícola em Mato Grosso, o maior produtor agrícola do País, mapeando e quantificando a incorporação de novas áreas de cultivo e a conversão das existentes em campos mecanizados de soja no nível de fazenda. Através de modelagem estatística, também se investigou a influência de variáveis econômicas, agronômicas e logísticas fundamentais nesse processo, considerando as recentes mudanças na legislação ambiental brasileira. Constatou-se que a área convertida para a produção de soja aumentou quase 1,5 milhão de hectares entre 2009 e 2013, porém mais de 70% ocorreram em fazendas que já possuíam soja em anos anteriores. Comparando o poder explicativo de oito modelos de regressão envolvendo diferentes grupos de variáveis, verificou-se que a expansão da soja está fortemente associada à própria presença de soja, bem como de armazéns dentro da distância de 50 a 100 quilômetros. De acordo com o modelo com os melhores resultados, a ampliação da soja também tem probabilidade de ocorrer em áreas de alto valor de conservação natural. Finalmente, a sensibilidade da expansão da soja aos preços correntes do período indicou que ainda há um grande potencial de crescimento agrícola em Mato Grosso, aumentando a importância estratégica de investimentos logísticos inteligentes que promovam o desenvolvimento regional aliado à proteção ambiental. / Understanding what drives, catalyzes or constraints land use change in the Brazilian agricultural frontier is a condition for effective policy design at the local level, which in turn might have implications for food production, environmental conservation and GHG emissions worldwide. We analyzed the process of agricultural expansion in the state of Mato Grosso, the country’s largest agricultural producer, by mapping and quantifying the incorporation of new farming areas and the conversion of existing ones into mechanized soybean fields at the farm-level. Through statistical modeling, we also investigated the influence of key economic, biophysical, environmental and logistics variables on this process while accounting for recent changes in the Brazilian environmental legislation. We found that the area converted to soybean production increased almost 1,5 million hectares between 2009 and 2013, but more than 70% of which in farms that already had some soybean in previous years. By comparing the explanatory power of eight regression models involving different groups of variables, we found that soy expansion is strongly associated with the presence of soybean fields and warehouses within a distance between 50 and 100 kilometers. According to the model with the largest explanatory results, soy expansion is likely to occur also in areas of high conservation value. Finally, the sensitivity of soy expansion to soy prices indicated the potential for further agricultural growth in Mato Grosso while highlighting how crucial smart logistics investments that promote regional development combined with environmental protection.

Os efeitos das alterações de uso da terra na hidrologia das bacias hidrográficas têm sido, ao longo dos anos, amplamente discutidos para pequenas bacias experimentais. O uso de modelos hidrológicos para descrever esse tipo de processo tem se tornado promissor no que tange o estudo de grandes bacias. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar uma metodologia para analisar o impacto das mudanças de uso da terra sobre o regime hidrológico em bacias hidrográficas de grande escala. Este estudo foi realizado por meio de simulação. Para isso foi utilizado um modelo hidrológico distribuído de base física, o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Para realizar simulações de impactos das mudanças de uso da terra, inicialmente avaliou-se a capacidade do modelo MGB-IPH de captar as alterações produzidas pelas mudanças de uso. A análise de sensibilidade mostrou que a vazão gerada na bacia é inversamente proporcional aos parâmetros de índice de área foliar (IAF) e de altura média da vegetação (h), uma vez que quanto maior o IAF, mais interceptação ocorrerá na bacia e, quanto maior o valor de h, mais facilidade haverá nas trocas aerodinâmicas, ambos favorecendo o processo de evaporação. Já em relação aos parâmetros albedo (a) e resistência superficial (rs), a vazão gerada é diretamente proporcional, pois quanto maior o a maior a energia refletida pela superfície e, consequentemente menos energia estará disponível para o processo de evaporação. Em relação à rs, o seu aumento implica em uma menor perda por transpiração, disponibilizando mais água para gerar escoamento. As simulações de análise de sensibilidade mostraram que o MGB-IPH reproduz, de forma coerente, o comportamento médio das bacias submetidas ao desmatamento em um grande número de estudos experimentais. Assim, avaliou-se os impactos das mudanças de uso da terra no regime hidrológico em bacias de grande escala através de um estudo de caso. Este estudo de caso foi realizado na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Os resultados das simulações mostraram que o desmatamento possui forte influência sobre as variáveis hidrológicas, como interceptação, evapotranspiração e vazão. Devido ao desmatamento foram verificadas reduções na interceptação e na evapotranspiração ao longo dos anos. Em relação a vazão, verificou-se que as simulações foram capaz de captar a não estacionariedade existente nas vazões observadas. Além disso, foi possível verificar que a vegetação pode ser associada a 39% dos incrementos observados na vazão média de longo termo, quando comparados os períodos anterior e posterior a 1970 na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Já as variações na precipitação são responsáveis por 61% dos impactos na vazão média. Em relação às vazões extremas foram verificados incrementos, sendo eles mais expressivos nas vazões mínimas do que nas vazões máxima. Assim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é consistente com os efeitos observados na bacia e com os resultados de estudos experimentais realizados em diferentes regiões do mundo. / The effects of land use change on the hydrology of watersheds have been widely discussed during several years in small basins. The hydrological models have been promising for describe the effects of land use change in hydrology in large basins. Thus, the aim of this study was to evaluate a methodology to study the impact of land use changes on the hydrological processes in large basins. This study was conducted by hydrological simulation. For this, a physically based distributed hydrological model, Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH), was used. The ability of MGB-IPH model for study the effects of land-use change in hydrology processes was first analyzed. The results of sensibility analysis showed that the flow generated in the basin is inversely proportional to the parameters of leaf area index (LAI) and average vegetation height (h), since the higher the LAI more interception, and the higher the h easier will be the aerodynamic changes, both favoring the evaporation process . The flow is directly proportional to the parameters albedo (a) and surface resistance (rs), since the greater the a, more energy reflected by the surface, and consequently less energy is available for the evaporation process. The increasing in rs parameter implies a smaller loss by transpiration, and then more runoff is generated. The sensibility analysis showed that the MGB-IPH reproduces consistently, the average behavior of the basins subjected to deforestation on a large number of experimental studies. Thus, we evaluated the impacts of land use changes on the hydrological regime in large-scale basins by a case study. This case study was conducted in the Paraná River Basin. The simulation results showed that deforestation has a strong influence by hydrological variables, such as interception, evapotranspiration and flow. Due to deforestation were observed interception and evapotranspiration reduction over the years. It was found that the simulations were able to capture the non-stationarity in the observed streamflows. Furthermore, we found that 39% of the observed increase in average flow of long term is due to vegetation change, when comparing the periods before and after 1970 in the Paraná River Basin, while the 61% is due precipitation changes. Increments were observed in extreme flows. These increments were more evident at low flows than the maximum flow. Thus, it can be stated that the proposed methodology is consistent with the effects observed in the Rio Paraná basin and with the results of experimental studies conducted in different regions of the world.

This study evaluates the land use changes and forests in Brazil, focusing on deforestation and its greenhouse gas emissions (GHG). More specifically, it analyses: (i) how the specialized literature integrates land-use changes to GHG emissions into a computable general equilibrium (CGE) framework; and (ii) the economic impacts of halting the deforestation. For this purpose, this study was divided into three independent essays. The first essay is theoretical, and evaluates the state of the art of the integration between land-use change and GHG emissions into CGE models. The second essay, is an empirical study about the economic impacts of zero deforestation in the Amazon Biome. The third essay, evaluates the implication of productivity gains in agriculture on land allocation, GHG emissions and the Brazilian economy. The results highlight the difficulties to integrate land use to its GHG emissions, as well as the effectiveness of the deforestation control in the Amazon to reduce national emissions, although it imposes losses to the economy and boosts regional inequalities. Finally, productivity gains in agriculture in turn, also may reduce the domestic emissions, but with no adverse impacts on the economy. However, such effects are limited, as they expire with the productivity gains. / Este trabalho analisa as mudanças do uso da terra e florestas no Brasil, com ênfase no desmatamento e nas emissões de gases de efeito estufa (GEE). Mais especificamente, avaliam-se: (i) como a literatura especializada realiza a integração entre as mudanças do uso da terra e emissões de GEE no arcabouço dos modelos de equilíbrio geral computável (EGC); (ii) os principais impactos em termos econômicos e de emissões, de políticas de redução do desmatamento. Para isso, esta tese foi dividida em três ensaios independentes. O primeiro ensaio, de caráter teórico, avalia as principais contribuições para a integração das mudanças do uso da terra às emissões de gases de efeito estufa em modelos EGC. O segundo ensaio, é um estudo empírico sobre os impactos econômicos do desmatamento zero no Bioma Amazônia. O terceiro ensaio, analisa as implicações de ganhos de produtividade na agropecuária sobre a alocação de terras, emissões de GEE e economia brasileira. Os principais resultados evidenciam as dificuldades para a integração das mudanças do uso da terra às emissões de GEE, bem como a efetividade do controle do desmatamento na Amazônia em reduzir as emissões nacionais, apesar de impor perdas à economia e intensificar as desigualdades regionais. Já os ganhos de produtividade na agropecuária, também reduziram as emissões domésticas, mas, sem impactar negativamente a economia. Porém, tais efeitos são limitados, uma vez que expiram com os ganhos de produtividade.

Os efeitos das alterações de uso da terra na hidrologia das bacias hidrográficas têm sido, ao longo dos anos, amplamente discutidos para pequenas bacias experimentais. O uso de modelos hidrológicos para descrever esse tipo de processo tem se tornado promissor no que tange o estudo de grandes bacias. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar uma metodologia para analisar o impacto das mudanças de uso da terra sobre o regime hidrológico em bacias hidrográficas de grande escala. Este estudo foi realizado por meio de simulação. Para isso foi utilizado um modelo hidrológico distribuído de base física, o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Para realizar simulações de impactos das mudanças de uso da terra, inicialmente avaliou-se a capacidade do modelo MGB-IPH de captar as alterações produzidas pelas mudanças de uso. A análise de sensibilidade mostrou que a vazão gerada na bacia é inversamente proporcional aos parâmetros de índice de área foliar (IAF) e de altura média da vegetação (h), uma vez que quanto maior o IAF, mais interceptação ocorrerá na bacia e, quanto maior o valor de h, mais facilidade haverá nas trocas aerodinâmicas, ambos favorecendo o processo de evaporação. Já em relação aos parâmetros albedo (a) e resistência superficial (rs), a vazão gerada é diretamente proporcional, pois quanto maior o a maior a energia refletida pela superfície e, consequentemente menos energia estará disponível para o processo de evaporação. Em relação à rs, o seu aumento implica em uma menor perda por transpiração, disponibilizando mais água para gerar escoamento. As simulações de análise de sensibilidade mostraram que o MGB-IPH reproduz, de forma coerente, o comportamento médio das bacias submetidas ao desmatamento em um grande número de estudos experimentais. Assim, avaliou-se os impactos das mudanças de uso da terra no regime hidrológico em bacias de grande escala através de um estudo de caso. Este estudo de caso foi realizado na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Os resultados das simulações mostraram que o desmatamento possui forte influência sobre as variáveis hidrológicas, como interceptação, evapotranspiração e vazão. Devido ao desmatamento foram verificadas reduções na interceptação e na evapotranspiração ao longo dos anos. Em relação a vazão, verificou-se que as simulações foram capaz de captar a não estacionariedade existente nas vazões observadas. Além disso, foi possível verificar que a vegetação pode ser associada a 39% dos incrementos observados na vazão média de longo termo, quando comparados os períodos anterior e posterior a 1970 na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Já as variações na precipitação são responsáveis por 61% dos impactos na vazão média. Em relação às vazões extremas foram verificados incrementos, sendo eles mais expressivos nas vazões mínimas do que nas vazões máxima. Assim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é consistente com os efeitos observados na bacia e com os resultados de estudos experimentais realizados em diferentes regiões do mundo. / The effects of land use change on the hydrology of watersheds have been widely discussed during several years in small basins. The hydrological models have been promising for describe the effects of land use change in hydrology in large basins. Thus, the aim of this study was to evaluate a methodology to study the impact of land use changes on the hydrological processes in large basins. This study was conducted by hydrological simulation. For this, a physically based distributed hydrological model, Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH), was used. The ability of MGB-IPH model for study the effects of land-use change in hydrology processes was first analyzed. The results of sensibility analysis showed that the flow generated in the basin is inversely proportional to the parameters of leaf area index (LAI) and average vegetation height (h), since the higher the LAI more interception, and the higher the h easier will be the aerodynamic changes, both favoring the evaporation process . The flow is directly proportional to the parameters albedo (a) and surface resistance (rs), since the greater the a, more energy reflected by the surface, and consequently less energy is available for the evaporation process. The increasing in rs parameter implies a smaller loss by transpiration, and then more runoff is generated. The sensibility analysis showed that the MGB-IPH reproduces consistently, the average behavior of the basins subjected to deforestation on a large number of experimental studies. Thus, we evaluated the impacts of land use changes on the hydrological regime in large-scale basins by a case study. This case study was conducted in the Paraná River Basin. The simulation results showed that deforestation has a strong influence by hydrological variables, such as interception, evapotranspiration and flow. Due to deforestation were observed interception and evapotranspiration reduction over the years. It was found that the simulations were able to capture the non-stationarity in the observed streamflows. Furthermore, we found that 39% of the observed increase in average flow of long term is due to vegetation change, when comparing the periods before and after 1970 in the Paraná River Basin, while the 61% is due precipitation changes. Increments were observed in extreme flows. These increments were more evident at low flows than the maximum flow. Thus, it can be stated that the proposed methodology is consistent with the effects observed in the Rio Paraná basin and with the results of experimental studies conducted in different regions of the world.

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Lake Urmia, located in the north-west of Iran, is one of the largest hypersaline lakes in the world. In recent years, there has been a significant decrease in the lake’s area and volume by 88% and 80% respectively. An integrated water balance model of the Lake Urmia Drainage Basin (LUDB) and Lake Urmia was developed to identify these main drivers of the significant changes, and to investigate the possible future evolution of the lake under effects of projected climate change and land use change. We used an energy balance method to estimate the evaporation from the lake and the Turc-Langbein method to estimate the evapotranspiration from the drainage basin of the lake. Agricultural irrigation water was introduced to the model as an extra precipitation over the irrigated fields, after being subtracted from the surplus runoff (precipitation−evapotranspiration). The agricultural land development was assumed to be linear that changed from 300000 ha at 1979 to 500000 at 2010, which is consistent with the best available data on the actual irrigation development in the basin. We estimated the annual evaporation over the Lake Urmia and the evapotranspiration over its drainage basin as 932 mm and 287 mm respectively. Our results showed that decreased precipitation and increased temperature over the basin since 1995 could explain 68% of the observed lake level decrease. Irrigation developments during the last four decades were found to be responsible for 32% of the observed lake level decrease. Thus the future lake level of the Lake Urmia is very likely to continue to decrease unless the current climate condition will be followed by a period of increased precipitation. If the current climate conditions will prevail also in the future, even a 20% decrease in the irrigated land area, which is actually quite ambitious, will not make the lake recover to its ecological level at the end of 2020.

Os efeitos das alterações de uso da terra na hidrologia das bacias hidrográficas têm sido, ao longo dos anos, amplamente discutidos para pequenas bacias experimentais. O uso de modelos hidrológicos para descrever esse tipo de processo tem se tornado promissor no que tange o estudo de grandes bacias. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar uma metodologia para analisar o impacto das mudanças de uso da terra sobre o regime hidrológico em bacias hidrográficas de grande escala. Este estudo foi realizado por meio de simulação. Para isso foi utilizado um modelo hidrológico distribuído de base física, o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Para realizar simulações de impactos das mudanças de uso da terra, inicialmente avaliou-se a capacidade do modelo MGB-IPH de captar as alterações produzidas pelas mudanças de uso. A análise de sensibilidade mostrou que a vazão gerada na bacia é inversamente proporcional aos parâmetros de índice de área foliar (IAF) e de altura média da vegetação (h), uma vez que quanto maior o IAF, mais interceptação ocorrerá na bacia e, quanto maior o valor de h, mais facilidade haverá nas trocas aerodinâmicas, ambos favorecendo o processo de evaporação. Já em relação aos parâmetros albedo (a) e resistência superficial (rs), a vazão gerada é diretamente proporcional, pois quanto maior o a maior a energia refletida pela superfície e, consequentemente menos energia estará disponível para o processo de evaporação. Em relação à rs, o seu aumento implica em uma menor perda por transpiração, disponibilizando mais água para gerar escoamento. As simulações de análise de sensibilidade mostraram que o MGB-IPH reproduz, de forma coerente, o comportamento médio das bacias submetidas ao desmatamento em um grande número de estudos experimentais. Assim, avaliou-se os impactos das mudanças de uso da terra no regime hidrológico em bacias de grande escala através de um estudo de caso. Este estudo de caso foi realizado na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Os resultados das simulações mostraram que o desmatamento possui forte influência sobre as variáveis hidrológicas, como interceptação, evapotranspiração e vazão. Devido ao desmatamento foram verificadas reduções na interceptação e na evapotranspiração ao longo dos anos. Em relação a vazão, verificou-se que as simulações foram capaz de captar a não estacionariedade existente nas vazões observadas. Além disso, foi possível verificar que a vegetação pode ser associada a 39% dos incrementos observados na vazão média de longo termo, quando comparados os períodos anterior e posterior a 1970 na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Já as variações na precipitação são responsáveis por 61% dos impactos na vazão média. Em relação às vazões extremas foram verificados incrementos, sendo eles mais expressivos nas vazões mínimas do que nas vazões máxima. Assim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é consistente com os efeitos observados na bacia e com os resultados de estudos experimentais realizados em diferentes regiões do mundo. / The effects of land use change on the hydrology of watersheds have been widely discussed during several years in small basins. The hydrological models have been promising for describe the effects of land use change in hydrology in large basins. Thus, the aim of this study was to evaluate a methodology to study the impact of land use changes on the hydrological processes in large basins. This study was conducted by hydrological simulation. For this, a physically based distributed hydrological model, Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH), was used. The ability of MGB-IPH model for study the effects of land-use change in hydrology processes was first analyzed. The results of sensibility analysis showed that the flow generated in the basin is inversely proportional to the parameters of leaf area index (LAI) and average vegetation height (h), since the higher the LAI more interception, and the higher the h easier will be the aerodynamic changes, both favoring the evaporation process . The flow is directly proportional to the parameters albedo (a) and surface resistance (rs), since the greater the a, more energy reflected by the surface, and consequently less energy is available for the evaporation process. The increasing in rs parameter implies a smaller loss by transpiration, and then more runoff is generated. The sensibility analysis showed that the MGB-IPH reproduces consistently, the average behavior of the basins subjected to deforestation on a large number of experimental studies. Thus, we evaluated the impacts of land use changes on the hydrological regime in large-scale basins by a case study. This case study was conducted in the Paraná River Basin. The simulation results showed that deforestation has a strong influence by hydrological variables, such as interception, evapotranspiration and flow. Due to deforestation were observed interception and evapotranspiration reduction over the years. It was found that the simulations were able to capture the non-stationarity in the observed streamflows. Furthermore, we found that 39% of the observed increase in average flow of long term is due to vegetation change, when comparing the periods before and after 1970 in the Paraná River Basin, while the 61% is due precipitation changes. Increments were observed in extreme flows. These increments were more evident at low flows than the maximum flow. Thus, it can be stated that the proposed methodology is consistent with the effects observed in the Rio Paraná basin and with the results of experimental studies conducted in different regions of the world.