Quando se propõe um estudo dos processos hidrogeomorfológicos associados à dinâmica do uso do solo em uma bacia hidrográfica, é preciso elaborar uma breve discussão sobre os fatores (variáveis) que condicionam este processo. Parte-se do princípio da entrada de energia em uma bacia (precipitação) e os fatores que contribuem para uma maior ou menor dissipação desta, tais como: cobertura vegetal, morfologia das vertentes, tipo de solo, uso e ocupação do solo.
1.1.1- Precipitação pluviométrica como entrada de energia
Segundo Ayoade (1986), a precipitação é um elemento importante a ser analisado, pois, através dela, pode-se caracterizar o índice pluviométrico de uma determinada região, contribuindo assim para a definição das estações.
A precipitação funciona como o mecanismo de entrada de energia em um sistema. Os dados de precipitação de uma determinada bacia hidrográfica são de extrema importância, para quantificar a resposta de outras variáveis como: produção de sedimentos, infiltração, vazão, dentre outras que compõem o ciclo hidro-sedimentológico.
Quando as gotículas formadas através da condensação do vapor de água atingem um determinado peso, são precipitadas devido a força gravitacional em direção à superfície terrestre. Parte dessa precipitação não atinge o solo, devido à evaporação durante a própria queda, ou pela interceptação através da vegetação. Parte da precipitação que atinge o solo será infiltrada e parte voltará para a atmosfera no
processo de evaporação, seja ele diretamente ou por intermédio da vegetação (evapotranspiração). Mas, quando a precipitação excede aos processos reguladores do ciclo hidrológico, (retenção de água pela vegetação, infiltração, etc) surgem as primeiras incisões de erosão do solo de diversas maneiras, (superficiais e subsuperficiais).
A intensidade da chuva tem sido estudada por vários pesquisadores, que procuram um valor crítico a partir do qual inicia-se o processo de erosão do solo. Guerra (1995), destaca, que vários autores indicam intensidades diferentes de precipitação, para o início da erosão, dentre eles: Hudson (1965), o qual retrata que a intensidade é de aproximadamente 25 mm/h; Boardman e Robinson (1985), concluíram que a intensidade da chuva capaz de provocar erosão é de aproximadamente 5 mm/h. Morgan (1997), conclui que a intensidade crítica é de 10 mm/h e Richter e Negendank (1997), em suas pesquisas, afirmaram que a intensidade crítica é de 6mm/h; e Essa diferenciação pode ser explicada devido às características das áreas estudadas, pois cada uma apresenta suas particularidades em relação as condições físicas e antrópicas.
Beasley (1972), afirma que uma gota de água da chuva golpeando o solo úmido, forma uma microcratera, compactando a área sob o centro da gota e arremessando pequenas partículas de solo para fora dá área do impacto. A energia cinética da chuva está relacionada com sua intensidade, o tempo de duração, massa, tamanho das gotas e velocidade. Conforme Evans (1980), um grande percentual de gotas (>4 mm), pertencem à intensidade entre 50 e 100mm/h.
Rodrigues (1982), apresenta uma relação entre diâmetro, velocidade final e altura da queda para atingir 95% da velocidade final em metros. Ao correlacionar estas informações o autor conclui que uma gota de diâmetro máximo (6,0 mm) alcança uma velocidade final de 9,3 (ms-1) a uma altura de 7,2 metros em queda livre. Já, gotas com diâmetros menores adquirem mais rapidamente sua velocidade final.
Bertoni e Lombardi (2005), concluem que a energia cinética de uma gota de 5 mm de diâmetro é equivalente ao trabalho de elevar um corpo de 46 gramas a uma altura de 1 cm, promovendo as chamadas micro-crateras devido ao impacto causado.
Portanto, a energia cinética, a intensidade da chuva e sua duração, vão causar maior ou menor desagregação do solo conforme suas características de cobertura. Em áreas específicas como é o caso dos Faxinais existentes na área de estudo, mesmo que o dossel amenize o impacto da gota da água da chuva, as gotas que se formaram no atravessamento, atingiram a velocidade terminal causando erosão por salpico. Este
processo decorre por o Faxinal1 ser caracterizado de árvores entre 10 e 20 metros de altura sem sub-bosque e, principalmente sem a serrapilheira, devido o trânsito constante de animais.
1.1.2-O papel da cobertura vegetal nos processos erosivos.
Um elemento importante na frenagem da erosão é a vegetação, pois quando ocorre a precipitação, a vegetação se encarrega de diminuir o impacto das gotas no solo.
Sem uma cobertura significativa de vegetação, o lençol freático situa-se em posição bem abaixo do nível sob condições naturais. Com o desmatamento ocorre a diminuição da concentração da umidade no solo por ocorrer uma maior perda de água por runoff2, aumentando a evaporação devido ao aumento da temperatura do solo, pois sem vegetação os raios solares atuam com mais intensidade sobre o solo desprotegido (MONCHANOV, 1971; LENCASTRE e FRANCO, 1984; BIGARELLA e MAZUCHOWSKI, 1985;; NIMER, 1988; FEDEROV e MARUNICH 1989; FARIA 1994; ANTONELI, 2004).
Mota (1995), define a vegetação como reguladora do fluxo natural das águas, sendo um condicionante físico de maior importância na ocupação de uma bacia hidrográfica. O desmatamento provoca ainda alterações nos canais fluviais, como aumento das vazões e assoreamento além de menor recarga no aqüífero, dentre outras alterações.
Coelho Netto (1995), afirma que a vegetação tem como uma de suas múltiplas funções o papel de interceptar parte da precipitação (P), pelo armazenamento de água nas copas arbóreas (A), de onde é perdida para a atmosfera através da interceptação da vegetação. A água atinge o solo por meio das copas (atravessamento At) e através do escoamento pelos troncos Ft (fluxo de água no tronco).
Se a superfície está revestida com mata, a copa das árvores absorve a maior parte da energia cinética das gotas da chuva e o manto das folhas sobre o solo (serrapilheira)3 amortece o restante do impacto (LEPSCH 2002).
A interceptação da água da chuva pela vegetação, depende de vários fatores como: características da precipitação, condições climáticas, precipitações anteriores,
1 Faxinal- refere-se apenas aquelas áreas que mantém a característica da flora original e da criação de animais de forma extensiva mas de forma individual, sem uso comum das pastagens (Sistema de Faxinal).
2 Runoff - refere-se a todos os processos que culminam com fluxo no canal perene de 1a ordem de uma bacia. Não discrimina os vários processos ou tempo de resistência da água coletada em uma bacia.
3 Serrapilheira- camada de matéria orgânica sob uma vegetação, composta de galhos folhas e frutos.
tipo e densidade da vegetação, composição da vegetação (espécies) e período do ano.
Blacke (1975), concluiu em suas pesquisas que em florestas para pequenos volumes de precipitação (< 0,3 mm) todo volume é retido, e para precipitações superiores a 1 mm, de 10 a 40% pode ficar retido.
Hewlett (1969), afirma que o dossel intercepta em média de 10% a 25% da precipitação. Durante uma chuva de pouco volume e de pequena duração, a interceptação chega a atingir 100 %, ou seja, a água não entra em contato com o solo.
Quando existe um excedente de água e a mesma chega ao solo, fica armazenada na porção externa superior do solo, que comporta os detritos orgânicos que caem da vegetação (galhos, folhas, frutos sementes e flores), chamadas de serrapilheira (As). A serrapilheira é formada por duas camadas que dão origem aos horizontes O1 e O2 do solo. O horizonte O1 é composto por detritos recém caídos, que ainda não sofreram decomposição. O horizonte O2 no qual os detritos já sofreram decomposição sendo transformado em matéria orgânica, rica em húmus que além de fortalecer as raízes, tem maior facilidade de reter a água, contribuindo assim com a frenagem da erosão, além de constribuir para o aumento da estabilidade dos agregados.
Silva et al. (2003) discutem a importância da serrapilheira e do sub-bosque, estes exercem um papel fundamental para frenagem da erosão, principalmente em florestas cujo dossel ultrapassa os 8 (oito) metros de altura. Árvores deste porte, inicialmente interceptam boa parte da água da chuva, mas uma parte acaba precipitando no chamado processo de atravessamento. Conforme o tamanho da gota, ela atingirá sua velocidade terminal em queda livre (sem interceptação), o que acarretaria um poder maior de erosão por splash4.
Dentro desta temática, Thomaz e Antoneli (2008) após monitoramento da exposição das raízes de erva-mate (Ilex paraguariensis) em uma área agrícola de Guarapuava –PR., constataram que ocorreu uma correlação positiva entre o diâmetro do tronco das árvores de erva-mate com a remoção de solo em volta deles. Para tanto, os autores atrelam este fato a duas causas, primeiro está relacionado ao plantio das árvores (árvores com idades diferentes). Sendo assim, as plantas mais velhas estão há mais tempo expostas aos efeitos erosivos provocados pelo próprio manejo. A segunda causa está relacionada às alturas das árvores, onde as árvores mais velhas atingem 3 e 4 metros de altura e, em alguns casos até 5 metros. As folhas das árvores de erva-mate
4 Efeito splash- impacto da gota da água da chuva no solo que potencializa as perdas de de solo
apresentam característica peculiar, seu formato funciona como pequenos coletores de água. Isso faz com que ocorra um atravessamento de água mais concentrado, gerando possivelmente gotas de diâmetros maiores que aqueles oriundos da própria chuva.
A cobertura vegetal atua ainda como um obstáculo que diminui a energia do material em movimento. Em função dos obstáculos existentes como: porte arbóreo, vegetação de sub-bosque e a serrapilheira, o fluxo difuso tem sua energia dissipada e conseqüente redução da capacidade de transporte o que segundo Casseti (1991), minimiza a morfogênese e conseqüente assoreamento das partes mais baixas da bacia.
A interceptação da água da chuva pela vegetação, depende de uma série de fatores como: características da precipitação e condições climáticas, localização geográfica, topografia, estação do ano, características da Floresta.
Coelho Neto (1985), ao pesquisar os processos de interceptação da água da chuva em uma floresta no Rio de Janeiro observou que a interceptação florestal aumenta na estação menos chuvosa (maio à agosto), onde ocorre mudanças tanto nas características das chuvas, (chuvas de menor intensidade), como na quantidade de água utilizada pela vegetação.
Timoti (1992), mensurando a precipitação interna em duas florestas distintas (Floresta degradada e floresta preservada) na região de Cubatão, em São Paulo, obteve valores de 72,1% de precipitação interna sobre a floresta degradada por poluição atmosférica e, 65,5% de precipitação interna sobre a floresta preservada.
Britez et al. (1998), em experimentos na Ilha do Mel, Paraná, sobre duas formas de florestas (floresta seca e floresta paludosa), obtiveram dados de precipitação interna correspondente a 77 e 79% sobre a floresta seca e 64 e 76% para a floresta paludosa.
Corroborando com esta questão, Arcova et al. (2003), analisando os percentuais de interceptação em um fragmento da Mata Atlântica, concluíram que uma maior parte das chuvas atinge o solo florestal no período chuvoso, chegando a ordem de 85% do total de precipitação efetiva. No período em que houve uma redução nos índices pluviométricos, o atravessamento, em média foi de 72%.
O fluxo por tronco, mesmo que seja representado por uma pequena parcela do atravessamento de água dos eventos chuvosos, se torna de grande importância nos processos de entrada de água no solo. Bruijnzeel (1990), considera que percentuais entre 1 e 2% do atravessamento total da água da chuva provém do escoamento pelo tronco. Já Nalon e Vellardi (1992), calcularam em uma Floresta em Cubatão, São Paulo, valores reduzidos de escoamento pelo tronco correspondendo a apenas 0,3%.
Cicco et al. (1986), em uma microbacia experimental no estado de São Paulo, encontraram escoamento pelo tronco 1,1%. Neste sentido, Miranda (1992), afirma que os valores variam em torno de 1,8% da precipitação efetiva. Sendo que os menores valores tendem a corresponder a árvores de maior diâmetro. Segundo o mesmo autor as palmáceas tendem a apresentar quantidade de fluxo por tronco maior, devido as suas características como geometria, composição do tronco e estrutura do dossel da planta.
Portanto, a vegetação atua como regulador de entrada e permanência de água no solo, mas quando remove-se a vegetação, tanto nas áreas agrícolas quanto urbanas, o solo fica exposto aos efeitos pluvioerosivos.
Drew (1986), afirma que o desmatamento, ou desflorestamento exerce efeito considerável nas perdas de solo pela erosão. Como o pequeno agricultor, na maioria das vezes, não dispõe de terras férteis em planícies ou fundo de vale, resta apenas transformar as florestas de encostas íngremes em terras agricultáveis, contribuindo assim com a erosão acelerada. Quando a remoção da vegetação é efetuada em uma encosta íngreme, o problema é ainda mais sério: devido à força da água, todo o material retirado ao longo do percurso, vai ser depositado no fundo de vales ou se conecta com os rios, assoreando e contaminando, comprometendo assim o ambiente aquático.
A vegetação funciona como um regulador de entrada de água no solo, auxiliando os processos de infiltração, principalmente pelo aumento da matéria orgânica sob as áreas florestais. Com o aumento da matéria orgânica, Bertoni e Lombardi Neto (2005), afirmam que há um aumento na porosidade e na retenção de água no solo.
Para avaliação dos processos de infiltração de água, é importante ressaltar o tipo de formação vegetal e principalmente como é a dinâmica dessa vegetação (características de espécies). Neste caso, cita-se como exemplo, a Floresta Ombrófila Mista, onde algumas espécies perdem suas folhas durante o inverno (espécies caducifólias), proporcionando assim um atravessamento mais intenso da água da chuva.
Estas espécies propiciam um aumento nos percentuais de serrapilheira sob este bioma nos meses de inverno. Cabe ressaltar que a dinâmica do uso e ocupação destas áreas florestadas (Ombrófila Mista) são de grande importância para avaliação da infiltração de água no solo, por estas áreas serem utilizadas como criação extensiva de animais.
Essa forma de ocupação promove um rearranjo nas condições do solo, devido à compactação e remobilização da serrapilheira.
Shpak (1971), conclui que existem variações no armazenamento de água no solo sob diferentes tipos de vegetação. Em suas pesquisas em solo russo, conclui que na
estação de crescimento, as camadas superficiais em áreas abertas, secam mais rapidamente do que em áreas florestadas. Ao passo que no outono, as camadas mais profundas do solo, são mais secas sob florestas do que em áreas abertas. Conclui ainda, que tais variações dependem do tipo de solo, e principalmente do uso e ocupação deste solo.
Nas áreas de cultivo, a própria cultura exerce influência na distribuição da água da chuva, dependendo da morfologia da planta, há um fluxo maior pelo tronco que em alguns casos excede a capacidade de infiltração, potencializando o escoamento superficial. Wischmeier e Smith, (1978), vem corroborar com este questão, afirmando que as copa das plantas, mesmo interceptando as gotas de chuva, permitem que elas, ao precipitarem da copa, adquiram energia cinética suficiente para provocar erosão, se o solo estiver descoberto. Além disso, a cobertura do solo pela copa das plantas não tem efeito (redução) sobre a enxurrada.
A dinâmica da desagregação do solo através do gotejamento é explicado por Bertoni e Lombardi Neto, (2005), na qual os autores concluem que as gotas da água da chuva interceptadas pela copa das plantas, ao caírem, têm sua energia potencial transformada em energia cinética e, ao tocarem a superfície do solo, a energia cinética é transformada em energia mecânica, a qual proporciona a desagregação do solo, que pode potencializar o seu selamento e por conseguinte o escoamento superficial.
No caso da fumicultura, o formato das folhas potencializam o gotejamento, pois as próprias folhas atuam como pequenas calhas coletoras de água, que acabam concentrando seu fluxo em um determinado local na superfície do solo (sulcos), contribuindo com o escoamento superficial, principalmente se o solo da entrelinha estiver descoberto (sem camada morta).
1.1.3- O processo de infiltração como agente regulador dos processos erosivos A infiltração consiste na entrada de água na camada superficial do solo, podendo ser influenciada pelas propriedades do solo, pelo modo como a água atinge a superfície do solo e, principalmente pela forma de uso e ocupação deste solo.
Para Reichardt (1990), a infiltração de água no solo envolve três processos interdependentes: entrada de água no topo do solo, armazenamento dentro do solo e transmissão de água através do solo.
Segundo Coelho Netto (1995), o termo infiltração foi proposto por HORTON (1933) para expressar a água que é absorvida pelo solo ao longo de um evento
pluviométrico. As características físicas da cobertura do solo limitam a infiltração de água no mesmo. Sendo assim, o processo de infiltração resulta da relação de interdependência dos mecanismos de entrada de água na superfície (input), estocagem e de transmissão de umidade do solo.
A capacidade de infiltração em um solo é influenciada por vários fatores como:
intensidade e duração da chuva, umidade antecedente, textura do solo, cobertura vegetal, tipo de uso do solo e formas de uso da terra (manejo) (DUNNE e LEOPOLD, 1978). De acordo com Carduro e Dorfman (1988), condições, como porosidade, umidade, atividade biológica, cobertura vegetal, rugosidade superficial e declividade do terreno, dentre outras, influem grandemente na infiltração da água no solo.
A partir do início da precipitação, o solo começa a aumentar seu teor de umidade, diminuindo assim o poder de infiltração. A intensidade da precipitação é que indica o potencial de absorção de água no solo. Se a intensidade da precipitação for igual ou inferior a capacidade de infiltração, não ocorrerá escoamento superficial, mas se a intensidade da precipitação exceder a capacidade de infiltração, o excedente iniciará um pequeno fluxo na superfície.
Silva (1999), afirma que após o término da precipitação, o solo começa perder umidade por evaporação, absorção através das plantas, escoamento sub-superficial ou hipodérmico, que se processa nas primeiras camadas do solo após a infiltração da água da chuva, e escoamento subterrâneo ou escoamento de base, que é a água que migra em direção ao lençol freático, sendo responsável pelo abastecimento dos cursos de água em épocas de estiagem.
Portanto, a água que infiltra no solo movimenta-se através do espaço poroso existente, através do processo de percolação e, eventualmente, atinge uma zonas totalmente saturadas, formando o lençol freático, que irá alimentar rios e oceanos, dando assim continuidade ao ciclo hidrológico.
Os percentuais de infiltração, são influenciados também pelo uso e ocupação do solo, principalmente em áreas onde há constante pisoteio dos animais (áreas de faxinais e pastagens).
Antoneli e Thomaz (2009), ao mensurarem as taxas de infiltração em 7 (sete) tipos de uso do solo em período seco (agosto) e período úmido (dezembro) na área de estudos (Bacia do Arroio Boa Vista), concluíram que, a infiltração de água no solo mensurada nos diferentes usos nos meses de agosto (período seco) e dezembro (período úmido) apresentou diferenças estatísticas significativas. A infiltração foi maior nos
ensaios realizados em agosto, sendo que o uso com agricultura mecanizada apresentou a maior taxa de infiltração total nos dois períodos avaliados. Estes percentuais estão diretamente ligados à dinâmica das áreas agricultáveis da área de estudo.
No período mais seco (agosto), as áreas estão sob o domínio da cobertura vegetal de inverno (forragem de inverno), isso facilita o processo de infiltração, pois esta cobertura, ajuda a manter a umidade no solo sem promover o encrostamento, quando este é exposto aos raios solares.
No período mais úmido (dezembro), os solos agricultáveis da bacia estão sob o domínio do cultivo do tabaco, onde é revolvido constantemente para eliminação das ervas daninhas e principalmente para aumentar a aeração. Com este revolvimento constante, há uma absorção maior da água no solo. Contrariamente, o uso do solo com pastagem, registrou a menor taxa de infiltração nos dois períodos avaliados. Este fato advém, da compactação do solo dessas áreas, devido ao constante pisoteio dos animais.
Em relação à redução na taxa de infiltração total em comparação a agosto e dezembro, segundo os mesmos autores, verificou-se que os usos com capoeira e reflorestamento com eucalipto registraram as menores reduções na infiltração. Os usos do solo com floresta, agricultura mecanizada, Faxinal e erva mate apresentaram reduções na taxa de infiltração semelhante. Portanto, o padrão e a dinâmica do uso do solo na área de estudo, apresenta diferentes respostas na capacidade de infiltração de água.
Dalla Rosa (1981), afirma que em solos intensamente cultivados pelos preparos convencionais, o surgimento de camadas compactadas, com redução do volume de macroporos e aumento de microporos, determinam uma diminuição do volume de poros ocupado pelo ar e um aumento na retenção de água. Nos processos de redução dos percentuais de infiltração de água no solo, ocorre um aumento nas taxas de escoamento superficial e consequentemente uma taxa maior de remoção do solo. SCHICK et al.
(2000).
Segundo Bertol et al. (2001), em solos intensamente cultivados o surgimento de camadas compactadas determina a diminuição do volume de poros ocupado pelo ar e o aumento na retenção de água. Em decorrência disto, os autores concluem que há uma diminuição da taxa de infiltração de água no solo, com consequente aumento das taxas de escoamento superficial.
Segundo Bertol et al. (2001), em solos intensamente cultivados o surgimento de camadas compactadas determina a diminuição do volume de poros ocupado pelo ar e o aumento na retenção de água. Em decorrência disto, os autores concluem que há uma diminuição da taxa de infiltração de água no solo, com consequente aumento das taxas de escoamento superficial.