Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Areas under intensive tobacco crop cultivation have been impacting the water
balance and increasing soil erosion in Southern Brazil. Application of large amounts
of mineral fertilizers, higher than the tobacco requirement, contributes to excessive
phosphorus loads in soil and water bodies. The assessment of potential
environmental impacts due to changes in land use and management practices is
necessary to achieve the sustainable management of natural resources such as soil
and water. In this study the hydrological processes, the sediment yield and the
phosphorus transfer in the Arroio Lino watershed were evaluated by using the Soil
and Water Assessment Tool (SWAT) model. The small watershed (4.18 km2
) is
located in Southern Brazil and its main land use is tobacco crop under conventional
tillage. Measured streamflow and sediment yield at the watershed outlet were used
for model streamflow sensitivity analysis, calibration and validation. Phosphorus
loads at four sub-watersheds (A1, A2, B, C) and at the watershed outlet were used
for model sensitivity analysis and calibration. A Latin Hypercube (LH) and One-factor-
At-a-Time (OAT) sensitivity analysis was performed on input variables. Model
calibration was performed with the Shuffled Complex Evolution Algorithm-Uncertainty
Analysis (SCE-UA). Time series plots and standard statistical measures were used to
verify model predictions. Adaptations of the model parameters for the reality of the
region in which the watershed is located were made during the calibration and
validation of the model. The predicted monthly streamflow matched the observed
values, with a Nash Sutcliffe coefficient (NSE) of 0.87 for calibration and 0.76 for
validation. In an attempt to account for sediment transport and deposition processes
across the landscape, the SWAT model was modified to simulate landscape
sediment transport capacity. The new deposition routine performed better during
calibration (NSE of 0.70) than SWAT standard version (NSE of -0.14) in the studied
watershed. The modified model provided reasonable simulations of sediment
transport across the landscape positions. The results suggest that the integration of
the sediment deposition routine in SWAT increases model predictions accuracy in
steeper areas, while at the same time significantly improves the ability to predict
spatial distribution of sediment deposition areas. The predicted P loads are in the
order of magnitude of the measured ones, however, the model failed to predict the P
loads in three sub-watersheds (A1, A2 and B). Although occupying only 29% of the
total land cover, cropland is the primary source of nutrients in the watershed (80%).
After calibration of streamflow, sediment yield and phosphorus loads, the simulation
of distinct management scenarios was done for the Arroio Lino watershed. Three
scenarios of management practices: conventional tillage (CT), minimum tillage (MT)
and no-tillage cultivation (NT) with reduction of 50% of fertilizer rate application were
tested over a period of 30 years. No-tillage practices did not significantly affect water
yield, but greatly affected sediment yield due to reduction of soil erosion. The soluble
phosphorus losses decreased mainly when the fertilizer doses decreased. The
simulation results suggest that conventional tillage practices should be replaced by
less intensive tillage practices in order to minimize environmental impacts caused by
a single land use. / Áreas com culturas de tabaco cultivadas intensivamente, no sul do Brasil, vêm
afetando a qualidade da água e aumentando a erosão do solo nesta região. A
aplicação de grandes quantidades de fertilizantes minerais, maiores do que a
exigência da cultura, contribui para a excessiva carga de fósforo nos solos e corpos
d'água. A avaliação dos impactos potenciais das mudanças no uso e manejo do solo
é fundamental para propiciar uma gestão sustentável dos recursos naturais como
solo e água. Neste estudo foram avaliados os processos hidrológicos, a produção de
sedimentos e a transferência de fósforo na bacia hidrográfica do Arroio Lino, por
meio do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT). A pequena bacia (4,18
km2
) localiza-se no sul do Brasil e seu principal uso da terra é a cultura de fumo sob
plantio convencional. As vazões e a produção de sedimentos medidos no exutório
da bacia foram utilizadas para análise de sensibilidade, calibração e validação dos
parâmetros do modelo. Cargas de fósforo em quatro sub-bacias (A1, A2, B, C) e no
exutório foram utilizados para a análise de sensibilidade e calibração do modelo. A
análise de sensibilidade foi feita com o uso de um algoritmo que combina as técnicas
de Hipercubo Latino (LH) e One-factor-At-a-Time (OAT). A calibração foi realizada
com o algoritmo Shuffled Complex Evolution (SCE-UA). Análises gráficas e medidas
estatísticas foram utilizadas para verificar as previsões do modelo. Adaptações nos
parâmetros do modelo foram feitas durante as etapas de calibração e validação,
tendo em vista a realidade da região em que a bacia está localizada. Na simulação
de vazões mensais obtiveram-se valores do índice de eficiência de Nash e Sutcliffe
(NSE) de 0,87 na calibração e 0,76 na validação. Com o intuito de representar
melhor os processos de deposição de sedimentos nas encostas, o modelo SWAT foi
modificado com a incorporação de um termo de capacidade de transporte de
sedimentos na paisagem. Com a nova rotina de sedimentos obteve-se um melhor
desempenho durante a calibração (NSE de 0,70) em relação ao modelo SWAT
original (NSE de -0,14). As simulações com o modelo modificado foram satisfatórias
para o transporte de sedimentos em diferentes posições da paisagem. Os resultados
sugerem que a integração da rotina de deposição de sedimentos no SWAT aumenta
a precisão do modelo de previsões em áreas mais íngremes e, ao mesmo tempo,
melhora significativamente a capacidade de prever a distribuição espacial das áreas
de deposição de sedimentos. As previsões de cargas de fósforo foram na ordem de
grandeza das cargas medidas; no entanto, o modelo não conseguiu prever
satisfatoriamente as cargas de fósforo em três sub-bacias (A1, A2 e B). Apesar das
lavouras ocuparem apenas 29% da área total da bacia, de acordo com a simulação
elas são a principal fonte de nutrientes na bacia hidrográfica (80%). Após a
calibração da vazão, da produção de sedimentos e de fósforo, foi realizada a
simulação de cenários de manejo do solo na bacia hidrográfica do Arroio Lino. Três
cenários de práticas de manejo: preparo convencional (PC), cultivo mínimo (CM) e
plantio direto de cultivo (NT) com redução de 50% da taxa de aplicação de
fertilizantes foram testados durante um período de 30 anos. A prática de plantio
direto não afetou significativamente o escoamento, no entanto afetou fortemente a
produção de sedimentos devido à redução da erosão do solo. Houve redução das
perdas de fósforo principalmente devido à redução das doses de fertilizantes. Os
resultados indicam que as práticas de preparo convencional do solo deveriam ser
substituídas por práticas de cultivo mínimo ou direto, a fim de minimizar os impactos
ambientais causados por um determinado uso do solo.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3324 |
| Date | 01 March 2011 |
| Creators | Bonumá, Nadia Bernardi |
| Contributors | Reichert, José Miguel, Paiva, Eloiza Maria Cauduro Dias de, Minella, Jean Paolo Gomes, Collischonn, Walter |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo, UFSM, BR, Agronomia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 500100100005, 400, 300, 300, 300, 300, 300, a85444db-3c89-4606-bf03-0e1915842baa, 52c5f839-479f-40fc-9dfa-dc12f0b502cb, 9038dff9-2055-4ee7-8eb7-1cf687d61bc9, 8f80b919-425c-45a3-a165-17c22b1b8948, 0d607c29-3eab-4e7d-abda-816c95f50762 |
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