Effects of conversion of native cerrado vegetation to pasture on soil hydro-physical properties, evapotranspiration and streamflow on the Amazonian agricultural frontier

Abstract

Understanding the impacts of land-use change on landscape-hydrological dynamics is one of the main challenges in the Northern Brazilian Cerrado biome, where the Amazon agricultural frontier is located. Motivated by the gap in literature assessing these impacts, we characterized the soil hydro-physical properties and quantified surface water fluxes from catchments under contrasting land-use in this region. We used data from field measurements in two headwater micro-catchments with similar physical characteristics and different land use, i.e. cerrado sensu stricto vegetation and pasture for extensive cattle ranching. We determined hydraulic and physical properties of the soils, applied ground-based remote sensing techniques to estimate evapotranspiration, and monitored streamflow from October 2012 to September 2014. Our results show significant differences in soil hydro-physical properties between the catchments, with greater bulk density and smaller total porosity in the pasture catchment. We found that evapotranspiration is smaller in the pasture (639 ± 31% mm yr-1) than in the cerrado catchment (1,004 ± 24% mm yr-1), and that streamflow from the pasture catchment is greater with runoff coefficients of 0.40 for the pasture and 0.27 for the cerrado catchment. Overall, our results confirm that conversion of cerrado vegetation to pasture causes soil hydro-physical properties deterioration, reduction in evapotranspiration reduction, and increased streamflow.

Alterações no ciclo hidrológico e na perda de solo devido aos diferentes usos do solo e variações climáticas em área de Cerrado

“…Áreas de Cerrado nativo são fontes primárias para a expansão de áreas agrícolas nos trópicos (Gibbs et al, 2010;Lapola et al, 2013) e isso pode ocasionar alterações significativas em processos hidrológicos (Loarie et al, 2011;Oliveira et al, 2014;Nobrega et al, 2017). Entretanto, a quantificação das variáveis do balanço hídrico, particularmente da evapotranspiração em áreas de Cerrado, permanece como objeto de discussão na comunidade científica ao longo dos anos (Oliveira et al, 2005;Garcia-Montiel et al, 2008;Giambelluca et al, 2009;Cabral et al, 2015).…”

“…Os fluxos de água no ambiente podem ser observados e modelados em diversas escalas de espaço-tempo: local ou regional (Wendland et al, 2007;Giambelluca et al, 2009;Cabral et al, 2010b;Cabral et al, 2012;Cabral et al, 2015;Nobrega et al, 2017); e em macro escala (Gatti et al, 2014;Oliveira et al, 2014;Getirana, 2015;Melo et al, 2016).…”

“…Em relação ao escoamento superficial, somente o solo exposto apresentou diferença significativa em relação aos outros usos do solo. Portanto, os resultados concordam com estudos anteriores, em que o uso do solo exerce funções regulatórias no ciclo hidrológico, e a vegetação nativa possui o papel de equilíbrio dos fluxos de água e energia (Krishnaswamy et al, 2013;Nobrega et al, 2017). hídrico para cada uso do solo estão relacionados no Apêndice C. Observou-se que no Cerrado sensu stricto, a vegetação adaptou-se ao período seco com a redução gradual da demanda de água pela evapotranspiração e o decréscimo no armazenamento de água no solo, que se tornou negativo à medida que as reservas acumuladas durante o período chuvoso foram consumidas (Oishi et al, 2010;Christoffersen et al, 2014;Cabral et al, 2015;.…”

“…Essas áreas de Cerrado nativo são fontes primárias para a expansão de áreas agrícolas nos trópicos (Gibbs et al, 2010;Lapola et al, 2013), podendo ocasionar alterações significativas em processos hidrológicos e na conservação do solo (Loarie et al, 2011;Oliveira et al, 2014;Nobrega et al, 2017). Esses processos em zonas tropicais e subtropicais são diferentes de outras regiões do globo, pois possuem maior disponibilidade de energia solar e estão mais suscetíveis a mudanças no meio, que incluem a influência antrópica.…”

“…Portanto, é importante a execução desses estudos experimentais para fornecer novas perspectivas e soluções para diminuir a erosão do solo e promover o equilíbrio do ciclo hidrológico frente às constantes alterações no uso do solo (Dotterweich, 2013;Nobrega et al, 2017). Pesquisas desse tipo podem ser realizadas utilizando parcelas experimentais que consistem em uma vertente topográfica delimitada por chapas metálicas que formam um volume de controle, onde o escoamento superficial e o solo erodido são constantemente coletados em uma única saída, sendo também possível determinar a evapotranspiração e o conteúdo de água no solo (Toy et al, 2002;Morgan, 2009;Sadeghi et al, 2013;Mwango et al, 2016;Oliveira et al, 2016;Strohmeier et al, 2016;Youlton et al, 2016b;Zhao et al, 2017).…”