UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA REGIONAL DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO E MEIO AMBIENTE LEONARDO SCHRAMM FEITOSA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA REGIONAL DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO E MEIO AMBIENTE

LEONARDO SCHRAMM FEITOSA

MANEJO DA MATA CILIAR E EUTROFIZAÇÃO DE RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO NORDESTINO

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LEONARDO SCHRAMM FEITOSA

MANEJO DA MATA CILIAR E EUTROFIZAÇÃO DE RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO NORDESTINO

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente

– PRODEMA da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Desenvolvimento e Meio Ambiente. Área de Concentração: Proteção Ambiental e Gestão dos Recursos Naturais.

Orientador: Prof. Dr. José Carlos de Araújo

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Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

S41m Schramm Feitosa, Leonardo.

Manejo da Mata Ciliar e Eutrofização de Reservatórios do Semiárido Nordestino / Leonardo Schramm Feitosa. – 2016.

202 f. : il. color.

Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente, Fortaleza, 2016.

Orientação: Prof. Dr. José Carlos de Araújo.

Coorientação: Prof. Dr. Pedro Henrique Augusto Medeiros .

1. Eutrofização. 2. Chuvas artificiais. 3. Reservatórios. 4. Mata ciliar. 5. Sensoriamento Remoto. I. Título.

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LEONARDO SCHRAMM FEITOSA

MANEJO DA MATA CILIAR E EUTROFIZAÇÃO DE RESERVATÓRIOS DO SEMIÁRIDO NORDESTINO

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente – PRODEMA da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Desenvolvimento e Meio Ambiente. Área de Concentração: Proteção Ambiental e Gestão dos Recursos Naturais.

Aprovada em: 26 / 02 / 2016

BANCA EXAMINADORA

________________________________ Prof. Dr. José Carlos de Araújo

Orientador – UFC

________________________________ Prof. Dr. Antônio Jeovah de Andrade Meireles

Departamento de Geografia/UFC

________________________________ Profa. Dra. Eunice Maria de Andrade Departamento de Engenharia Agrícola/UFC

________________________________ Prof. Dr. Pedro Henrique Augusto Medeiros

Campus Maracanaú/IFCE

________________________________ Profa. Dra. Sônia Maria Duarte Melo Silva Victória

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À Deus.

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AGRADECIMENTOS

À Deus pela vida, bênçãos e proteção.

À minha família que sempre me apoiou nos meus estudos. À minha mãe Cláudia, por sua dedicação aos seus filhos. Ao meu pai Dário, em que o coração não cabe no peito. Às minhas irmãs Lilian e Livia, por sempre acreditarem em meu potencial e fazerem com que me sentisse especial.

A minha namorada Yane Maia Romcy, em especial, que me deu todo apoio tanto nos momentos de comemorações dos resultados, quanto nos momentos de dor e de saudade.

A Universidade Federal do Ceará, por proporcionar uma excelente oportunidade de estudar e contribuir para o desenvolvimento da ciência.

Meus agradecimentos especiais ao Programa Regional de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente (PRODEMA) e seus Professores que contribuíram na ampliação dos conhecimentos nessa nova etapa da minha vida.

Aos professores do PRODEMA, pelos conhecimentos divididos.

Aos professores que participaram da minha banca de defesa da Tese: prof. Jeovah Meireles, profa. Eunice Maria, prof. Pedro Henrique e profa. Sônia Maria.

Aos amigos do PRODEMA: Laldiane, Renata Aline, Renata Torquato, Déborah, Liana, Ademir, Miguel, Delano, Davi, Carol, Zoraia, Socorro, Cláudia, Francivan, Jaqueline, Hélio, Marta, pela amizade.

Ao Projeto CERES e ao CNPq que financiaram toda a pesquisa.

A CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) que concedeu a bolsa de estudo por todo período do doutorado.

Aos amigos do HIDROSED: Mário Wiegand, Cicero Lima, Cristian, Diego, Carol, Thiago Rocha, José Wellington e, em especial, Chistine Farias, pela amizade.

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Em especial à profª Sandra, que me recebeu muito bem e permitiu a realização de grande parte da pesquisa em seu laboratório. Além das brincadeiras e conversas que tivemos.

Em especial à Dra. Saskia Förster, que se dedicou em me receber muito bem no GFZ (Potsdam/Alemanha) e muito comprometida em preparar todo ambiente de trabalho para que eu pudesse desenvolver minha pesquisa e obter bons resultados.

Agradecimento mais que especial ao professor José Carlos de Araújo que através de sua competência, organização e dedicação me orientou durante a elaboração desta dissertação.

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RESUMO

A região semiárida compreende cerca de 70% do território do Nordeste e uma pequena porção do Sudeste do Brasil, sendo o bioma Caatinga o mais predominante, constituído por espécies de plantas caracterizadas pelas quedas das folhas (caducifólia) e pela sua capacidade de regeneração. A vegetação é bastante heterogênea, composta por um mosaico de arbustos e áreas de floresta sazonalmente seca, apresentando grande variação fisionômica e florística, constituída, principalmente, por vegetação de espécies lenhosas e herbáceas, de pequeno porte, ramificadas e, geralmente, dotadas de espinhos e caducifólias. A precipitação média anual varia entre 240 e 1.500mm, concentrada em quatro meses do ano e as temperaturas médias variando entre 26 e 28°C. Poucos estudos quantificam as alterações, na qualidade da água, como resultado do aumento ou diminuição das matas ciliares. A remoção das matas ciliares influencia na qualidade da água dos corpos hídricos, conforme os resultados de várias pesquisas. Alguns trabalhos citam a eficiência da mata ciliar com relação a capacidade em reter e assimilar os nutrientes transportados pelo escoamento superficial. As matas ciliares são florestas de contato próximo com os corpos hídricos e a sua degradação expõe o solo e, assim, facilita o transporte de sedimentos e de nutrientes e pode provocar alterações na qualidade da água dos corpos hídricos. Sendo assim, estudar as matas ciliares, como meio de proteção dos recursos hídricos, torna-se de fundamental importância para a região semiárida. O presente trabalho tem como objetivo principal de pesquisa avaliar a relação entre o manejo das matas ciliares da Caatinga, as exportações de sedimentos e de nutrientes, com o processo de eutrofização nos açudes semiáridos nordestinos. Foi realizada a caracterização da área de estudo, situada na mata ciliar do Açude Marengo, que fica no Assentamento 25 de Maio, inserido nos limites de três municípios: Madalena, Boa Viagem e Quixeramobim. Em seguida foram definidas e instaladas as áreas das parcelas de mata ciliar. Foram instaladas quatro parcelas (manejos): duas parcelas com matas ciliares preservadas – MCP com dois comprimentos diferentes (100x3m² e 30x3m²); uma parcela com matas ciliares raleadas – MCR (100x3m² e 30x3m²) e mais uma parcela sem mata ciliar – SMC (100x3m² e 30x3m²). Para a simulação das chuvas artificiais foi montado um simulador de chuvas com estrutura de irrigação que bombeava água a partir do açude Marengo e estrutura com motobomba, aspersores, tudo PVC e caixas d’água. Foram feitas simulações para separar o período das primeiras chuvas (PCH) e o período chuvoso (PC). As simulações duravam uma hora. Foram avaliados os resultados com relação a quantidade e qualidade de sedimentos, a quantidade e a qualidade dos escoamentos superficiais, avaliando alguns parâmetros físico-químicos.

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ABSTRACT

The semi-arid region comprises about 70% of the Northeast and a small portion of the Southeast of Brazil, the Caatinga biome being the most predominant, consisting of plant species characterized by leaf fall (deciduous) and its regeneration capacity. The vegetation is quite heterogeneous, composed of a mosaic of shrubs and areas of dry season forest, presenting great physiognomic and floristic variation, constituted mainly by vegetation of woody and herbaceous species, small, branched and usually endowed with thorns and deciduous. The mean annual precipitation varies between 240 and 1,500 mm, concentrated in four months of the year and average temperatures varying between 26 and 28 ° C. Few studies quantify changes in water quality as a result of increasing or decreasing riparian forests. The removal of riparian forests influences the water quality of water bodies, according to the results of several surveys. Some studies cite the efficiency of the riparian forest in relation to the capacity to retain and assimilate the nutrients transported by the surface runoff. The riparian forests are forests of close contact with the water bodies and their degradation exposes the soil and, thus, facilitates the transport of sediments and nutrients and can cause changes in the water quality of the water bodies. Therefore, studying the riparian forests, as a means of protecting water resources, is of fundamental importance for the semi-arid region. The main objective of this work is to evaluate the relationship between the management of the Caatinga riparian forests, the sediment and nutrient exports, and the eutrophication process in the semi - arid Northeastern dams. The characterization of the study area was carried out in the Marengo Açude ciliary forest, located in the 25th of May settlement, located in the limits of three municipalities: Madalena, Boa Viagem and Quixeramobim. Then the areas of the riparian forest plots were defined and installed. Four plots (managements) were installed: two plots with preserved riparian forests with two different lengths (100x3m² and 30x3m²); a plot with thinned riparian forests (100x3m² and 30x3m²) and another plot without riparian forest (100x3m² and 30x3m²). For the simulation of the artificial rains a rain simulator with irrigation structure was set up, which pumped water from the Marengo dam and structure with motor pump, sprinklers, all PVC and water boxes. Simulations were carried out to separate the period of the first rains and the rainy season. The simulations lasted an hour. The results were evaluated with respect to the quantity and quality of sediments, the quantity and the quality of the superficial flows, evaluating some physical-chemical parameters.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema dos principais serviços ambientais fornecidos pelas matas

ciliares. Fontes: modificado de Paula Lima e Zakia (2001)... 31

Figura 2 - Mapa do Estado do Ceará (à esquerda), com destaque no Município de Madalena, onde se situa a maior parte do Assentamento 25 de Maio. À direita, mapa das microbacias hidrográficas do assentamento e localização da bacia hidrográfica do açude Marengo. (Fonte: PINHEIRO, 2011)... 53

Figura 3 - Mapa das classes de solos do Assentamento 25 de Maio. (Fonte: PINHEIRO, 2011)... 54

Figura 4 - Mapa de classificação do uso e ocupação do solo do Assentamento 25 de Maio, Madalena-CE no mês de julho do ano de 2010. (Fonte: PINHEIRO, 2011)... 55

Figura 5 - Montagem das Parcelas nas Matas Ciliares... 72

Figura 6 - Esquema das Parcelas... 72

Figura 7 - Simulador de Chuvas Artificiais... 72

Figura 8 - Esquema do Teste Potencial Filtro na faixa de Mata Ciliar de 100m... 72

Figura 9 - Curvas cota-volume das caixas coletoras e suas respectivas equações para obtenção dos volumes escoados... 62

Figura 10 - A esquerda (A) é mostrado o aparelho espectroradiômetro FieldSpec 4 da ASD de campo e a direita (B), o equipamento sendo usado em campo, junto com a “pistola” e o notebook... 71

Figura 11 - Áreas de treinamento na imagem (direita) e ferramenta Region of Interest – ROI tool (esquerda)... 76

Figura 12 - Regressões lineares entre as vazões específicas máximas (Qmax) e lâminas escoadas: 1 – para todos os experimentos realizados nos manejos MCP, MCR e SMC, nas parcelas de larguras 30 e 100m, para ambos os períodos PCH e PC; 2 – para os experimentos realizados no período PCH; 3 – para os experimentos realizados no período PC; 4 – para os experimentos realizados nas parcelas de larguras 30 e 100m, para ambos os períodos PCH e PC, no manejo MCP; 5 - para os experimentos realizados nas parcelas de larguras 30 e 100m, para ambos os períodos PCH e PC, no manejo MCR; 6 - para os experimentos realizados nas parcelas de larguras 30 e 100m, para ambos os períodos PCH e PC, no manejo SMC... 91

Figura 13 - Perfís das vazões específicas máximas (Qmax) e umidade inicial do solo (UI), de acordo com cada experimento de chuvas artificiais... 95

Figura 14 - Correlações entre as UI e as Qmax, e entre as UI e as lâminas escoadas, incluindo todos os manejos e em ambas as larguras de mata ciliar... 96

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Figura 16 - Hidrogramas dos experimentos 1, 2 e 3 nas áreas raleadas de 100m e 30m, no período PCH... 99 Figura 17 - Hidrogramas dos experimentos 1, 2 e 3 nas áreas sem mata ciliar de

100m e 30m, no período PCH... 100 Figura 18 - Hidrogramas dos experimentos 1, 2 e 3 nas áreas preservadas de 100m e

30m, no período PC... ... 101 Figura 19 - Hidrogramas dos experimentos 1, 2 e 3 nas áreas raleadas de 100m e

30m, no período PC... 102 Figura 20 - Hidrogramas dos experimentos 1, 2 e 3 nas áreas sem mata ciliar de

100m e 30m, no período PC... 103 Figura 21 - Boxplot 1: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos,

nas larguras 30 e 100m e para os períodos PCH e PC de forma integrados; Boxplot 2 e 3: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos, nas larguras 30 e 100m, e para os períodos PCH e PC, respectivamente; Boxplot 4: comparação das cargas específicas

produzidas “inter” manejos e por período (PCH e PC), nas larguras 30 e

100m. No boxplot 4 só há diferença significativa (teste de Friedman, p < 0,05) entre os períodos do manejo SMC... 110 Figura 22 - Relação entre a Carga Específica de Sedimentos e Lâmina Escoada... 111 Figura 23 - Relação entre carga específica de sedimentos e CN... 112 Figura 24 - Solos expostos em áreas da Bacia Experimental de Aiuaba (BEA), em

pousio desde 1978, que o grupo Hidrosed da Universidade Federal do Ceará mantém estudos há mais de 13 anos... 120 Figura 25 - Relação entre as cargas específicas de fósforo, para todos os manejos

(nas larguras de 30 e 100m) e lâmina escoada... 122 Figura 26 - Boxplot 1: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos,

100m, mas sem diferença estatística entre os períodos (p > 0,05)... 123 Figura 27 - Relação entre as cargas específicas de ortofosfato, para todos os

manejos (nas larguras de 30 e 100m) e lâmina escoada... 126 Figura 28 - Boxplot 1: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos,

100m, com diferença estatística (p < 0,05) somente no manejo SMC... 127 Figura 29 - Relação entre as cargas específicas de nitrogênio, para todos os manejos

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integrados; Boxplot 2 e 3: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos, nas larguras 30 e 100m, e para os períodos PCH e PC, respectivamente; Boxplot 4: comparação das cargas específicas

100m, com diferença estatística (p < 0,05) nos manejos MCP e MCR... 130 Figura 31 - Relação entre as cargas específicas de nitrato, para todos os manejos

nas larguras 30 e 100m e para os períodos PCH e PC de forma integrados; Boxplot 2 e 3: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos, nas larguras 30 e 100m, e para os períodos PCH e PC, respectivamente; Boxplot 4: comparação das cargas específicas produzidas “inter” manejos e por período (PCH e PC), nas larguras 30 e

100m, com diferença estatística (p < 0,05) nos manejos MCR... 134 Figura 33 - Relação entre as cargas específicas de amônia, para todos os manejos

100m, com diferença estatística (p < 0,05) no manejo MCP... 138 Figura 35 - Relação entre as cargas específicas de DQO, para todos os manejos (nas

larguras de 30 e 100m) e lâmina escoada... 140 Figura 36 - Boxplot 1: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos,

100m, mas sem diferença estatística (p < 0,05) para todos os manejos... 141 Figura 37 - Relação entre as cargas específicas de DBO, para todos os manejos (nas

larguras de 30 e 100m) e lâmina escoada... 144 Figura 38 - Boxplot 1: comparação das cargas específicas produzidas entre manejos,

100m, mas sem diferença estatística (p < 0,05) para todos os manejos... 145 Figura 39 - Relação DQO/DBO para avaliação das cargas de matéria orgânica... 146 Figura 40 - Gráficos 1 a 7 representando as relações entre as cargas específicas, de

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(método Ward) para as amostras de reflectância obtidas em campo. VIS: visível, NIR: infravermelho próximo, SWIRa: infravermelho de ondas

curtas “a”, SWIRb: infravermelho de ondas curtas “b”, FINT: faixa de

interesse (comprimentos de ondas do satélite Rapideye)... 156 Figura 42 - Exemplos de plotagens das reflectâncias obtidas em campo e pelas

imagens Rapideye. Per: pereiro; fb: feijão bravo; preservada: área preservada... 157 Figura 43 - Relação entre as reflectâncias obtidas em campo e as reflectâncias

obtidas pelas imagens Rapideye... 158 Figura 44 - Resultados das classificações supervisionadas (método SVM) para as

imagens Rapideye... 159 Figura 45 - Variação temporal das classes de uso do solo, de acordo com as

classificações supervisionadas das imagens Rapideye... 163 Figura 46 - Resultados da aplicação do Índice SAVI para as imagens Rapideye. Há

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Divisão das cotas das caixas coletoras das parcelas das matas ciliares... 64 Tabela 2 - Variáveis químicas para análise qualitativa dos sedimentos, seguido dos

métodos utilizados nas análises... 65 Tabela 3 - Variáveis químicas monitoradas nas parcelas de matas ciliares estudadas,

seguido dos métodos utilizados nas determinações e sua referência no Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater... 67 Tabela 4 - Fator de Correção para Influência da Cobertura Vegetal (CV) ... 79 Tabela 5 - Fator de Correção para Presença de Depressões e Zonas de Retenção de

Escoamento (CL)... 80 Tabela 6 - Fator de Correção para Presença de Açudes (CA)... 80 Tabela 7 - Valor do Coeficiente A... 82 Tabela 8 - Lâminas escoadas (mm), obtidas a partir da soma de 3 experimentos

realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares... 88 Tabela 9 - Dados hidrológicos medidos, nas parcelas de matas ciliares, durante os

experimentos de chuvas artificias: Imax (mm/min.); lâmina escoada (mm); Qmax (mm/s); UI (%); IC (%)... 93 Tabela 10 - Resultados dos cálculos de precipitação efetiva, perdas iniciais e CN de

cada largura e manejo de matas ciliares... 105 Tabela 11 - Cargas específicas de sedimentos (g/m²), obtidas a partir da soma de três

experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares... 108 Tabela 12 - Cargas específicas de fósforo (mgP/m²), obtidas a partir da soma de três

experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares, por período... 121 Tabela 13 - Cargas específicas de ortofosfato (mg/m²), obtidas a partir da soma de

três experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares, por período... 125 Tabela 14 - Cargas específicas de nitrogênio (mgN/m²), obtidas a partir da soma

de três experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas

ciliares, por período... 129 Tabela 15 - Cargas específicas de nitrato (mg/m²), obtidas a partir da soma de três

experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares, por período... 132 Tabela 16 - Cargas específicas de amônia (mg/m²), obtidas a partir da soma de três

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Tabela 17 - Cargas específicas de DQO (g/m²), obtidas a partir da soma de três experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares, por período... 140 Tabela 18 - Cargas específicas de DBO (mg/m²), obtidas a partir da soma de três

experimentos realizados, em cada largura e manejo de matas ciliares, por período... 143 Tabela 19 - Mudança temporal das áreas de classes de uso do solo (km²), a partir das

classificações supervisionadas (SVM)... 143 Tabela 20 - Média da eficiência de retenção das matas ciliares de larguras de 30 e

100m, de acordo com o gradiente de concentrações de fósforo nos escoamentos superficiais (mgP/L), durante os testes de potencial filtro... 166 Tabela 21 - Concentrações de fósforo (mgP/Kg) no solo, no início e no final de cada

experimento de potencial filtro, além dos incrementos de fósforo (mg/Kg) e percentuais de adsorção no solo... 166 Tabela 22 - Meios de aquisições dos dados, primários e secundário, de entrada do

modelo PLOAD... 167 Tabela 23 - Estimativas das cargas de fósforo para bacia de contribuição direta do

açude Marengo e previsão das concentrações de fósforo, no açude... 169 Tabela 24 - Estimativas das cargas de fósforo para bacia direta do açude Marengo,

sem a área de mata ciliar de largura de 100m... 170 Tabela 25 - Simulação das estimativas de cargas de fósforo para bacia de

contribuição direta do açude Marengo e previsão das concentrações de fósforo, no açude, utilizando iguais pluviometrias anuais... 171 Tabela 26 - Estimativas de cargas de fósforo das Matas Ciliares (MC) de Largura de

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

HIDROSED Laboratório de Hidrossedimentologia

CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

PROBRAL Programa de Bolsas Brasil-Alemanha

LABOMAR Instituto de Ciências do Mar

EQUAL Laboratório de efluentes e qualidade de água

FUNCEME Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos

USEPA US Environmental Protection Agency

DAAD Serviço alemão de intercambio acadêmico

GFZ GeoForschungsZentrum

MOD Matéria Orgânica Dissolvida

DAP Diâmetro a Altura do Peito

SCS Soil Conservation Service

DEM Digital Elevation Model

NDVI Normalized Difference Vegetation Index

NIR Near Infrared

GTP Guanosina Trifosfato

ATP Adenosina Trifosfato

CV Fator de Correção para Influência da Cobertura Vegetal

CL Fator de Correção para Presença de Depressões e Zonas de

Retenção de Escoamento

CA Fator de Correção para Presença de Açudes

Imax Intensidade máxima do experimento de chuva artificial

Qmax Vazão máxima do experimento

UI (%) Umidade Inicial

IC (%) Intensidade de chuva

CN Método da Curva Número

DQO Demanda química de oxigênio

DBO Demanda bioquímica de oxigênio

SVM Support Vector Machine

PLOAD Pollutant Loading Aplication

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ROI Region of Interest

PCH Período das primeiras chuvas

PC Período chuvoso

MCR Mata Ciliar Raleada

SMC Sem mata ciliar

MCP Mata Ciliar Preservada

BEA Bacia Experimental de Aiuaba

VIS Visível

SWIRa Infravermelho de ondas curtas “a”

SWIRb Infravermelho de ondas curtas “b”

FINT Faixa de interesse

Per Pereiro

Fb Feijão bravo

SAVI Soil Adjusted Vegetation Index

ST Sólidos Totais

M Massa total

CST Concentração dos sólidos totais na amostra

Vesc Volume total escoado

NT Nitrogênio total

NO³ Nitrato

PF Estimativa do percentual de retenção de fósforo

Ci Concentração inicial

Vi Volume inicial

Cf Concentração final

Vf Volume final

L Fator de ajuste

TS Tipo de solo

TSi Tipo de solo na bacia

Si áreas dos tipos de solos que estão situados na bacia

S Área total da bacia hidrográfica

L(p) Cálculo da Lâmina Escoada

A Coeficiente que varia entre 0,0025 e 0,0040. Foi utilizado o valor de 0,0033

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P Precipitação pluviométrica média anual (mm).

L600 Coeficiente Padrão Modelo Moller e Cadier

Lp Carga Poluidora do Fósforo (KgP/m2_/ano)

Pj Razão de chuva produtora de escoamento

RVU Coeficiente de escoamento para cada tipo de uso do solo (mm) CU Média de concentração do fósforo para cada tipo de uso (mgP/L),

obtidas pelas simulações de chuvas artificiais

AU Áreas de cada tipo de uso do solo (m2_{), obtidas a partir do}

sensoriamento remoto

Ks Coeficiente de perda de fósforo por sedimentação (1/ano)

t Tempo de detenção hidráulica (ano)

L Carga afluente

N Numero de dados

APP Área de Preservação Permanente

EPA Agência Americana de Proteção Ambiental

N Sed carga específica de nitrogênio no sedimento

N Esc carga específica de nitrogênio no escoamento superficial

SS Solido suspenso

Sed total carga específica total

Exp Experimento

H (mm) Precipitação

H0 Hipótese de nulidade

Hef Precipitação efetiva

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO... 21

2 REFERENCIAL TEÓRICO... 30

2.1 Serviços Ambientais das Matas Ciliares... 30

2.2 Heterogeneidade Ambiental das Matas Ciliares... 37

2.3 Influência das Matas Ciliares nos Processos Hidrológicos... 40

2.4 Relação entre Matas Ciliares e Eutrofização de Açudes... 44

3 MATERIAL E MÉTODOS... 51

3.1 Caracterização da Área de Estudo... 52

3.2 Montagem das Parcelas na Mata Ciliar do açude Marengo... 56

3.3 Relação entre Mata Ciliar e Produção de Escoamentos Superficiais... 57

3.3.1 Simulação de Chuvas Artificiais... 58

3.3.2 Precipitação Efetiva... 60

3.3.3 Escoamento Superficial nos Manejos de Matas Ciliares da Caatinga... 62

3.4 Relação entre Manejo das Matas Ciliares e Produção de Sedimentos e Nutrientes... 64

3.4.1 Produção e Qualidade do Sedimento nas Matas Ciliares da Caatinga... 65

3.4.2 Produção de Nutrientes nas Matas Ciliares da Caatinga... 66

3.4.3 Potencial Filtro das Matas Ciliares da Caatinga... 68

3.5 Produção de Fósforo na Bacia do Açude Marengo... 69

3.5.1 Coleta de Dados Espectrais das Amostras em Campo... 70

3.5.2 Classificação das Imagens RapidEye e Aplicação dos Índices de Vegetação (NDVI e SAVI)... 71

3.5.3 Estimativa do Volume Escoado para o Açude Marengo... 78

3.5.4 Produção de Carga de Fósforo e Potencial Filtro da Mata Ciliar da Caatinga 82 3.6 Tratamento Estatístico e Análise dos Dados... 85

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 88

4.1 Relação entre Manejo das Matas Ciliares, Produção de Escoamento e de Sedimentos... 88

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4.1.2 Discussão... 112

4.2 Relação entre Manejo das Matas Ciliares, Produção de Escoamento e Produção de Nutrientes... 120

4.2.1 Resultados... 120

4.2.2 Discussão... 148

4.3 Produção de Fósforo na Bacia do Açude Marengo... 154

4.3.1 Resultados... 154

4.3.2 Discussão... 172

5 CONCLUSÕES... 180

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1 INTRODUÇÃO

A região semiárida compreende cerca de 70% do território do Nordeste e uma pequena porção do Sudeste do Brasil, incluindo uma faixa de terra ao longo do Rio São Francisco. Essa região possui uma vegetação que está sujeita a déficit hídrico, devido à má distribuição das chuvas, associada às altas temperaturas e ao alto potencial de evapotranspiração (SANTOS et al., 2012).

Situado na região do semiárido, o bioma Caatinga é o único bioma exclusivamente brasileiro e ocupa uma extensa área estimada em cerca de 800.000 km2, correspondendo à maior parte da região do Nordeste brasileiro (SILVA et al., 2004), e constituída por espécies de plantas caracterizadas pelas quedas das folhas (caducifólia) e pela sua capacidade de regeneração (MAMEDE; ARAÚJO, 2008).

A vegetação que compõe a Caatinga é bastante heterogênea, composta por um mosaico de arbustos e áreas de floresta sazonalmente seca (SANTOS et al., 2011; COSTA et al., 2007). Apresenta grande variação fisionômica e florística, relacionadas à grande diversidade de condições ambientais como o relevo, o solo e principalmente o clima (COSTA et al., 2007). É constituída, principalmente, por vegetação de espécies lenhosas e herbáceas, de pequeno porte, ramificadas e, geralmente, dotadas de espinhos e caducifólias (SILVA et al., 2004).

A área de distribuição da Caatinga é dominada pelas irregulares pluviometrias ao longo do ano e entre os anos, resultando em secas severas e periódicas (ARAÚJO et al., 2007). A precipitação média anual varia entre 240 e 1.500mm. A maioria das chuvas (50-70%) está concentrada em quatro meses consecutivos e a estiagem dura de seis a nove meses. As temperaturas médias anuais são altas, variando entre 26 e 28°C (SANTOS et al., 2011).

Nascimento et al. (2003) citam que as condições semiáridas influenciam fortemente as estratégias ecológicas, de adaptação da vegetação, permitindo maior eficiência fisiológica para tolerar a sazonalidade da disponibilidade hídrica na região.

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(2015), em trabalho utilizando técnicas de sensoriamento remoto, analisaram as mudanças da cobertura vegetal de Caatinga natural e concluíram que o bioma Caatinga tem sido modificado, nos últimos 20 anos (entre 1990 e 2010), perdendo bastante área natural para outros tipos de uso do solo, numa taxa média de 0,3% / ano. Independentemente das mudanças da cobertura do solo e do uso não sustentável dos recursos terrestres, o bioma Caatinga tem sido apontado como um dos menos conhecido e mais negligenciado (BEUCHLE et al. 2015).

Na Caatinga, a mata ciliar é representada por toda faixa de vegetação ocorrente nas margens dos cursos d'águas, sejam eles intermitentes ou temporários. São, também, conhecidas como floresta ciliar, mata beiradeira, mata de beira-rio ou mata ripária (AB’SABER, 2000; MARTINS, 2011). As matas ciliares são o conjunto de formações vegetacionais encontradas associadas aos corpos d’água, estendendo-se por dezenas de metros a partir das margens e apresentando marcantes variações na composição florística e na estrutura (MARTINS, 2011).

As matas ciliares da Caatinga são marcadas pela heterogeneidade ambiental e vegetal, promovidas por vários fatores como: as variações edáficas; topográficas; climáticas; a extensão e a largura dos cursos d'água; a variação no período de inundação; além das características florísticas da vegetação circundante (NEBEL et al., 2001; CAMPOS; SOUZA, 2002). Destacam-se por sua riqueza e diversidade botânica (OLIVEIRA FILHO et al., 1995), além de sua importância na manutenção dos cursos d’água, conservação da biodiversidade e contribuindo para o equilíbrio do ecossistema (LOPES; SCHIAVINI, 2007).

As matas ciliares têm como funções principais: a proteção das terras ribeirinhas contra a erosão, devido à resistência oferecida pelo emaranhado de raízes; a proteção de mananciais; anteparo aos detritos transportados pelas enxurradas, e a conservação da qualidade da água dos rios, lagos e açudes para consumo humano, consumo animal e irrigação; abastecimento do lençol freático, a partir da infiltração auxiliada pelas raízes; e auxílio à conservação da vida aquática (MUELLER, 1998).

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(KAGEYAMA, 1986; LIMA, 1989; TABACCHI et al., 2000; SPAROVEK et al., 2002; ANDRADE, 2005; NEILL et al., 2006).

Além disso, as matas ciliares são estoques e zonas de fixação de carbono, servem como habitats da vida selvagem e corredores ecológicos, estabilizam o curso dos rios e fornecem nutrientes como: matéria orgânica, nitratos, amônia, fosfatos, carbono orgânico dissolvido, para os ambientes lacustres mantendo a vida aquática.

Zanzarini (2009) e Ribeiro (1998) citam que nas áreas de matas ciliares ocorre a ciclagem dos nutrientes, havendo uma interação direta com o meio aquático. Muitos pesquisadores citam que as matas ciliares estão envolvidas, indiretamente, no controle dos processos biogeoquímicos do nitrogênio e do fósforo e são capazes de alterar a qualidade da água dos escoamentos superficiais (PINAY et al., 1995; TABACCHI et al., 2000).

Por tratar-se de um ambiente com maior umidade, as áreas de matas ciliares, dentro da Caatinga, abrigam uma flora composta, principalmente, por espécies de porte arbóreo (LACERDA et al., 2007), e, muitas destas, exibem diversificada importância econômica (FERRAZ et al., 2006; MONTEIRO et al., 2006; LUCENA et al., 2008), o que aumenta a pressão antrópica sobre as mesmas e reduz, ainda mais, a conservação destes ambientes.

A degradação das matas ciliares, a partir das ações humanas, transforma estes extensos habitats naturais em muitas frações isoladas, levando à interrupção de corredores ecológicos, à redução de biodiversidade (MARTINS, 2011; MORO et al., 2001), e à redução do fluxo gênico entre as populações de plantas (RÊGO, 2008).

Em muitos casos, as matas ciliares, dentro da Caatinga, podem ser consideradas como fragmentos isolados, ficando descaracterizadas florística e estruturalmente, de forma similar ao que é registrado para as áreas de Mata Atlântica. Nestas áreas, os solos são preferidos para agricultura por serem férteis, por serem mais úmidos ou pela própria proximidade com o curso d'água que facilita a irrigação, sobretudo em áreas que são sujeitas a um longo período seco (ARAÚJO; FERRAZ, 2005; VAN DEN BERG; OLIVEIRA FILHO, 2000).

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heterogeneidade ambiental nesses ecossistemas (BATTILANI et al., 2005). A diversidade de solos e as condições edáficas são consideradas características muito importantes para a influência na diversidade de espécies (PINTO et al., 2005).

A necessidade da presença da mata ciliar é inquestionável e sua importância ecológica vem fazendo com que muitos países elaborem instrumentos jurídicos visando a sua conservação. No Brasil, o novo Código Florestal (Lei nº 12.651, de 25 de maio de 2012) considera como área de preservação permanente as florestas e as demais formas de vegetações naturais situadas ao longo dos rios ou de qualquer curso d’água, ao redor das lagoas, lagos ou reservatórios d’água naturais ou artificiais e nas nascentes, ainda que intermitentes e nos chamados “olhos d’água”. Na referida lei são, também, estabelecidas faixas de proteção cujas dimensões são variáveis em função da largura dos corpos d’água correspondentes.

Tendo em vista a importância das matas ciliares, fundamentada nos diversos serviços ecológicos desempenhados por elas (LIMA; ZAKIA, 2000; LUCENA, 2008; RODRIGUES et al., 2007), a sua degradação compromete a estabilidade dos rios, ocasionando erosão das margens e assoreamento. Apesar das matas ciliares constituírem-se Áreas de Preservação Permanente (APP), não há fiscalização adequada por parte dos órgãos competentes (SILVA et al., 2004).

Na região semiárida brasileira, muitos açudes estão sob altas taxas de evaporação e de déficit hídrico, com redução significativa no volume de água devido à escassez de chuva e a demanda humana durante as estações secas (BOUVY et al., 2003).

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Assim, intensificando a degradação da qualidade da água e tornando as condições dos açudes mais eutróficas (VIDON; HILL, 2004).

Nas últimas duas décadas vários trabalhos pelo mundo vêm demonstrando a importância de se manter as matas ciliares preservadas a fim de manter a recarga hídrica dos rios e dos açudes (DWYER; LOWRANCE, 2006) e minizar os impactos que as condições climáticas e as ações humanas afetam na produção de água.

A maioria dos estudos nas matas ciliares é sobre os aspectos botânicos, com objetivo de compreender a relação entre a heterogeneidade do ambiente físico com a composição florística, a estrutura e a dinâmica da vegetação. Poucos são os estudos que relacionam a qualidade das matas ciliares com a qualidade da água dos corpos hídricos. Há menos trabalhos, ainda, que correlacionem os manejos florestais nas matas cilaires com a eutrofização dos corpos hídricos.

Poucos estudos quantificam as alterações, na qualidade da água, como resultado do aumento ou diminuição das matas ciliares (SINGH, 2014). E, ainda, há um debate em curso sobre se o uso do solo em toda a bacia hidrográfica ou, apenas, na mata ciliar seria mais importante na influência na quantidade e na qualidade da água dos corpos hídricos (DELONG; BRUSVEN, 1991; JOHNSON et al., 1997).

Muitos trabalhos vêm demonstrando que a retirada das matas ciliares e a sua substituição, por outro uso do solo, pode levar a intensificação da entrada de nutrientes e, por consequência, a redução na qualidade da água (SINGH, 2014).

As bacias hidrográficas, com florestas naturais, quase sempre possuem água de melhor qualidade com menos sedimentos e menos poluentes (CALDER et al., 2004). A remoção das florestas tende a aumentar a produção de sedimentos, bem como aumentar os níveis de nutrientes (CALDER et al., 2004, 2007; NORTON; FISCHER, 2000) e, assim, influenciar na qualidade da água dos corpos hídricos (NOVAK et al., 2002).

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deposição dos sedimentos, evitando atingir os corpos hídricos (PHILLIPS, 1989; LOWRANCE et al., 1986).

A maior parte dos sedimentos em suspensão nos rios provém das próprias margens. Para a maior parte dos solos, a cobertura vegetal é o mais importante controle da erosão. Quando, em qualquer parte da bacia, a cobertura vegetação é alterada pela sua remoção é inevitável o aumento da erosão (ESTEVES, 2011).

Algumas pesquisas (NORTON; FISCHER, 2000; NIMIROSKI et al., 2008) correlacionaram características como a vazão nas sub-bacias, com o uso do solo, com as práticas de manejo florestal e com os valores das concentrações dos parâmetros de qualidade da água, como pH, cor, turbidez, coliformes totais, cloreto, nitrato, ortofosfato, ferro e manganês, através de regressões múltiplas.

Apesar da sua importância para a sustentabilidade ambiental, os ecossistemas das matas ciliares são afetados pela urbanização, pelas práticas agrícolas, pelo manejo florestal inadequado e uso intenso do solo (CABEZAS et al., 2010; SNYDER et al., 2003).

A degradação das matas ciliares diminui a cobertura vegetal e aumenta a exposição do solo ao impacto da chuva. Como as matas ciliares são florestas de contato próximo com os corpos hídricos, a exposição do solo, nessas áreas por causa da sua degradação, facilita o transporte de sedimentos e de nutrientes e pode provocar alterações na qualidade da água dos corpos hídricos (CALDER et al., 2007).

Vários pesquisadores relacionam as variáveis da paisagem nas matas ciliares (Norton; Fischer, 2000), o desmatamento nas bacias hidrográficas (VILLAMIZAR; WAICHMAN, 2011; FIGUEIREDO et al., 2010), ou os modelos de manejo florestal Reiter et al. (2009) com as alterações na qualidade da água dos corpos hídricos, por meio de correlação com os parâmetros de qualidade da água.

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prolongadas comprometem o equilíbrio da Caatinga (SOUGNEZ et al., 2010), e tornam os corpos hídricos mais vulneráveis às entradas de sedimentos e nutrientes.

O manejo inadequado tem levado, nas bacias hidrográficas, à graves consequências socioeconômicas e ambientais, como a erosão em áreas agrícolas, empobrecimento das terras agrícolas, assoreamento, redução da capacidade hidráulica dos açudes a jusante (MAMEDE; ARAÚJO, 2008; MEDEIROS et al., 2010), e o comprometimento da qualidade da água dos corpos hídricos, devido à eutrofização.

Os resultados de alguns estudos destacam que o uso do solo nas áreas de mastas ciliares preservadas e as áreas de solo exposto são aspectos mais importantes para a alteração da concentração dos nutrientes e para a variabilidade da qualidade da água de rios (ZANG et al., 2009).

Em geral, boa parte dos nutrientes que adentram nos rios e açudes é controlada pela cobertura vegetal das matas ciliares e das florestas adjacentes (incluindo floresta e arbusto) (ZANG et al., 2009). As matas ciliares capturam e estocam nutrientes em sua biomassa, mas, também, fornecem nutrientes e matéria orgânica ao solo, a partir da decomposição das partes mortas das plantas, contribuindo, assim, na qualidade da água dos escoamentos superficiais (TABACCHI et al., 2000).

O aumento nas concentrações de nutrientes, principalmente fósforo e nitrogênio, nos rios e açudes alteram a qualidade da água e geram um dos principais problemas encontrados em muitos reservatorios do semiárido que é a eutrofização, provocado pelo excesso desses nutrientes (VALIELA; BOWEN, 2002; BERKA et al., 2001).

O excesso de nitrogênio e fósforo nos corpos hídricos (LIANG et al, 2014; SMITH et al, 1999; AGOSTINHO et al, 2005), principalmente oriundos da urbanização, do desmatamento (ALLAN, 2004) e do uso de fertilizantes agrícolas leva à eutrofização, que é uma das principais causas de poluição da água dos açudes no semiárido brasileiro.

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da água (CABEZAS et al., 2010) e a relação com a eutrofização dos açudes, resultante dos impactos oriundos do manejo e do uso e ocupação do solo.

Estudos recentes vêm relacionando o uso e ocupação do solo na bacia hidrográfica com as exportações de fósforo para os açudes e, consequentemente, a ocorrência de eutrofização nos corpos hídricos (EL-KHOURY et al., 2015). As matas ciliares são, então, a barreira natural de proteção dos açudes contra o enriquecimento por nutrientes (HEFTING et al., 2005;. HAYGARTH et al., 2009). Assim, a qualidade da água dos açudes deve ter uma relação com o uso e a cobertura do solo na área das matas ciliares. Além disso, o tipo de vegetação e a qualidade da vegetação na mata ciliar é muito importante para influenciar na eficiência de retenção dos nutrientes.

Estudar, medir e compreender os principais processos que ocorrem nas áreas de matas ciliares é um desafio. Relacionar os processos físicos, como infiltração no solo, escoamento superficial, transporte de sedimentos e de nutrientes, à parámetros da Caatinga, como tipo de solo, tipo de vegetação, pluviometria média da região, manejo etc, é uma tarefa de muita relevância, especialmente considerando que este bioma é altamente vulnerável às ações humanas e que constantemente sofre com secas recorrentes (DE ARAÚJO; PIEDRA, 2009). Estudar as matas ciliares, como meio de proteção dos recursos hídricos, torna-se de fundamental importância para a região semiárida.

O atual projeto de pesquisa trabalha com a seguinte hipótese:

O manejo da mata ciliar de vegetação Caatinga influencia nos processos hidrológicos e altera as exportações de sedimentos e de nutrientes para os açudes do semiárido.

O presente trabalho tem como objetivo geral de pesquisa a avaliação da relação entre o manejo das matas ciliares da Caatinga, as exportações de sedimentos e de nutrientes, e o processo de eutrofização nos açudes semiáridos nordestinos.

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São objetivos específicos desta pesquisa:

Objetivo 1 _– Avaliar a Relação entre Manejo das Matas Ciliares, Produção de Escoamento e de Sedimentos;

Objetivo 2 - Avaliar a Relação entre Manejo das Matas Ciliares, Produção de Escoamento e Produção de Nutrientes;

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2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Serviços Ambientais das Matas Ciliares

As matas ciliares são consideradas corredores extremamente importantes para o movimento da fauna ao longo da paisagem, assim como para a dispersão vegetal. Além das espécies tipicamente ripárias, nelas ocorrem, também, espécies típicas de terra firme, e as matas ciliares, desta forma, são também consideradas como fontes importantes de sementes para o processo de regeneração natural (TRIQUET et al., 1990; GREGORY et al., 1992; SPAROVEK et al., 2002). Este serviço ecológico já é, sem dúvida, razão suficiente para justificar a necessidade da conservação das matas ciliares. A isto, deve-se somar a função hidrológica das matas ciliares na manutenção da integridade da microbacia hidrográfica, representada por sua ação direta numa série de processos importantes para a estabilidade da microbacia, para a manutenção da qualidade e da quantidade de água, assim como para a manutenção do próprio ecossistema aquático (TABACCHI et al., 2000; NEILL et al., 2006; TUNDISI; TUNDISI, 2010).

Há uma interação funcional entre a mata ciliar, os processos geomorfológicos e hidráulicos dos canais e a biota aquática. Esta interação decorre, em primeiro lugar, do papel desempenhado pelas raízes na estabilização das margens. A mata ciliar, também, abastece continuamente o rio com material orgânico, com galhos e, às vezes, até com troncos caídos. Este material orgânico se torna fonte nutricional para a biota aquática (TUNDISI; TUNDISI, 2010).

A rugosidade das margens, proporcionada pela mata ciliar e pela queda de galhos e troncos (resíduos grosseiros), favorece o processo de retenção, por obstruir o fluxo d'água, criando zonas de turbulência e zonas de velocidade diminuída, consequentemente, favorecendo o processo de deposição de sedimentos e retenção de nutrientes e criando, também, microhabitats favoráveis para alguns organismos aquáticos (GREGORY et al., 1991; BESCHTA, 1991; TUNDISI; TUNDISI, 2010).

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contribui para a manutenção da vazão na estação seca do ano (ELMORE; BESCHTA, 1987). Mas há alguns trabalhos que, também, demonstram que a mata ciliar retira água da região marginal dos rios para seus processos fisiológicos e perde muita água por transpiração (SALEMI et al.,2012). Isso demonstra a íntima relação entre rio-mata ciliar, suas relações e seus processos de dependência.

Outro serviço muito importante que as matas ciliares exercem é a manutenção da qualidade da água. A mata ciliar, isolando estrategicamente o curso d'água dos terrenos mais elevados da microbacia, desempenha uma ação eficaz de retenção de sedimentos (MAGETTE et al., 1989), de nutrientes (MUSCUTT et al., 1993) e de pesticidas (BARTON; DAVIES, 1993). Alguns trabalhos demonstram que a mata ciliar preservada pode, também, diminuir significativamente a concentração de pesticidas nos cursos d'água de bacias hidrográficas que tenham atividades agrícolas com uso de tais produtos (BARTON; DAVIES, 1993; SYVERSEN; BECHMANN, 2004). Segundo Syversen e Bechmann (2004), as matas ciliares são bastante eficientes na redução de transferência das partículas de sedimentos, de pesticidas ligados aos sedimentos e dos pesticidas solúveis. A Figura 1 demonstra alguns dos principais serviços ambientais fornecidos pelas matas ciliares.

Figura 1 – Esquema dos principais serviços ambientais fornecidos pelas matas ciliares.

Fontes: modificado de Paula Lima e Zakia (2001).

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Uma pesquisa realizada no Japão sobre o efeito do uso da terra, na erosão do solo e na qualidade das águas superficiais, mostrou que a concentração dos sedimentos suspensos nos cursos d’água foi consideravelmente maior em bacias agrícolas do que em bacias florestadas. O aumento da erosão e da sedimentação, ocorridas por mais de 20 anos de uso da terra, reduziu a capacidade de infiltração na terra e facilitou o processo erosivo durante as chuvas. Isso foi o suficiente para influenciar na constituição das comunidades bentônicas dos rios, sendo observado que a densidade dos macro-invertebrados nas bacias agrícolas foi reduzida para 10-20%, em relação às bacias florestadas (NAGASAKA et al., 2005).

As matas ciliares, localizadas ao longo das margens dos rios e dos reservatórios, têm se mostrado eficientes filtros para os escoamentos superficiais advindos de áreas agrícolas. O processo dominante de retenção, nas matas ciliares, dos sedimentos e dos nutrientes adsorvidos aos sedimentos, que são transportados pelo escoamento superficial, é o aprisionamento ou deposição dos mesmos na mata ciliar (SYVERSEN 2002). Outro processo é a sorção da matéria orgânica ao solo, durante o processo de escoamento superficial, que deve contribuir na diminuição da concentração da matéria orgânica no escoamento que passou pelas matas ciliares. Adicionalmente, ocorre o processo de absorção pelas plantas que, também, reduz a concentração da matéria orgânica nas matas ciliares (SYVERSEN; BECHMANN, 2004).

Nos programas de controle da poluição agrícola difusa, as matas ciliares se destacam (KUUSEMETS; MANDER, 1999), pois reduzem a conexão entre a fonte de poluição potencial e o corpo d_’água receptor, e podem fornecer uma barreira física e bioquímica contra a entrada de poluição no curso de água (MUSCUTT et al., 1993).

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proporcionado pelas matas ciliares, confere, também, significativa estabilidade em termos do processo da ciclagem geoquímica dos nutrientes (MANDER et al., 2005).

A função filtro é um dos principais serviços exercidos pelas matas ciliares. Vários estudos de casos pelo mundo, mesmo em diferentes estruturas de matas ciliares, verificaram a redução significativa das concentrações de nutrientes como fósforo e nitrogênio nos fluxos superficiais e subsuperficiais quando passaram pelas matas ciliares.

A eficiência das matas ciliares para a retenção de nitrogênio (N), de fósforo (P) e de sedimentos varia de acordo com os mecanismos pelos quais esses poluentes são transportados, com a declividade, com o comprimento das vertentes, com o volume e a com velocidade dos fluxos da água, com a decomposição da serapilheira no solo, com a natureza do sedimento, e com a estrutura da vegetação (LOWRANCE et al., 2001).

Três processos atuam na remoção do nitrogênio, por exemplo: (1) absorção e estoque na vegetação; (2) imobilização microbiana e estoque no solo como nitrogênio orgânico; e (3) conversão do nitrogênio para suas formas gasosas pelos microrganismos (processos de nitrificação e denitrificação) (WATTS; SEITZINGER, 2000).

Segundo Knowles (2005) as perdas do nitrogênio fixados nas matas ciliares podem ocorrer devido ao processo de denitrificação realizado pelas bactérias denitrificantes. Essas bactérias podem estar associadas com outro grupo de bactérias, as metanotróficas. Diversas bactérias metanotróficas catalisam o nitrogênio durante o ciclo do nitrogênio, que ocorre nas matas ciliares, incluindo os processo de nitrificação e fixação do nitrogênio.

A mata ciliar, também, age como transformadora quando processos químicos e biológicos mudam a composição química dos componentes. Por exemplo, sobre condições de solos bem oxigenados, bactérias e fungos da mata ciliar convertem nitrogênio e matéria orgânica, do escoamento superficial, em formas inorgânicas como nitrato (NO3) e amônia, que podem ser sintetizadas nas proteínas por plantas ou

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Para o estoque de fósforo nas matas ciliares, atuam os seguintes processos: (1) adsorção no solo; (2) remoção do fósforo inorgânico dissolvido pela absorção das plantas; e (3) imobilização microbiana (MANDER et al., 1997).

Muitos estudos citam a eficiência das matas ciliares na retenção de fósforo nesses ecossistemas (HOFFMANN et al., 2009; COLLINS et al., 2009). A entrada do fósforo nas águas superficiais é complexa, depende da hidrologia e deve incluir os fluxos superficiais e subsuperficiais. A função das matas ciliares de retenção do fósforo, que já estava retido ou que foi transferido para estes ecossistemas, se dá a partir de processos físicos tais como: a infiltração do fósforo dissolvido e a deposição do fósforo particulado (HAYGARTH et al., 2005).

A retenção pode ser vista como o oposto da mobilização e, também, envolve processos físicos, geoquímicos e biológicos. Após a retenção física, o fósforo particulado deve ser retido por processo biológico e o fósforo dissolvido deve ser retido pelos processos geoquímico e biológico, através de sorção e de absorção, respectivamente (HOFFMANN et al., 2009).

A retenção física, geralmente, é o passo inicial de retenção do fósforo que está no escoamento superficial, pois é na superfície do solo que esses processos ocorrem. Duas características ajudam na retenção física nas matas ciliares: a densidade da vegetação acima do solo e a densidade do sistema de raízes, principalmente com maior número de raízes finas. A densidade da vegetação aumenta a rugosidade hidráulica, reduzindo a velocidade do escoamento superficial e a energia disponível para transportar partículas. A densidade do sistema de raízes estimula a infiltração, durante o escoamento superficial, pelo aumento da permeabilidade e porosidade do solo (ZAIMES et al., 2008).

A infiltração, estimulada pela redução da velocidade do fluxo, aumenta o tempo de contato do fósforo dissolvido com a superfície do solo e com a rizosfera. A combinação desses processos resulta numa parcial dissociação e separação dos estoques de fósforo dissolvido e particulado (DORIOZ et al., 2006).

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observaram que a retenção de fósforo era maior em ecossistemas mais complexos, ou seja, com maior riqueza de espécies.

A retenção geoquímica do fósforo nas matas ciliares está, praticamente, relacionado com o fósforo dissolvido, porque o fósforo particulado já está sorvido ao sedimento e é depositado na superfície do solo. Após a infiltração, o fósforo dissolvido percola através dos perfis de solo onde devem ser adsorvidos aos constituintes do solo. Os processos que governam a retenção geoquímica, do fósforo dissolvido nas matas ciliares, são a adsorção e a dessorção, evitando a mobilização do fósforo para os cursos d’água (HOFFMANN et al. 2009).

Os processos de adsorção e de dessorção são governados pela concentração de fósforo na solução (água-solo), que controla a quantidade de fósforo adsorvido. Algumas características do solo, como maior ou menor quantidade da fração argila, presença do elemento Fe(III), podem aumentar o poder de adsorção do fósforo dissolvido e diminuir a mobilização do mesmo nas matas ciliares. A adsorção, no solo, ocorre até a sua completa saturação, por partículas de fósforo, podendo ocorrer dessorção após a sua saturação (STUTTER et al., 2009).

Segundo Cooper et al. (1987) e Lowrance et al. (1988) as matas ciliares, devido à sua localização física na paisagem, permitem a interação das raízes e microorganismos com os poluentes transportados pelos escoamentos superficiais. Em áreas florestais de matas ciliares, os níveis de matéria orgânica no solo são altos, o que aumenta o potencial dos processos de adsorção química.

Para retenção biológica o processo mais estudado e conhecido é a absorção por parte das plantas e da microbiota, que se situam nas matas ciliares. O fósforo é um macronutriente essencial para as plantas e para os microrganismos e é necessário para várias funções vitais. As concentrações de fósforo, nas soluções do solo, são, frequentemente, baixas devido à adsorção, então as plantas e os microrganismos devem lançar enzimas para liberar ânions de fósforo do estoque orgânico do solo, e assim ocorrer a absorção de tal nutriente (RODRIGUEZ; FRAGA, 1999).

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nutrientes na biomassa, das plantas, aumenta rapidamente no início da sucessão, alcança o máximo e depois declina lentamente até zero quando o estágio estável se aproxima. Mas até mesmo em comunidades maduras, onde a absorção do fósforo fica muito baixa, a retenção é importante, pois as plantas podem estocar este nutriente em seus tecidos, sendo as espécies lenhosas as maiores estocadoras.

Espécies diferentes acumulam quantidades diferentes de fósforo. Sovik e Syversen (2008) pesquisaram diferenças na retenção biológica de fósforo entre árvores e gramíneas. Uma solução aquosa de fósforo foi adicionada ao solo vegetado com árvores e outras com gramíneas, e a carga de ortofosfato, no lixiviado, foi avaliada. A retenção de fósforo no lixiviado do solo com árvores foi 40% maior do que no lixiviado do solo com gramíneas, embora os autores concluam que a retenção não ocorreu somente pelo efeito da biomassa vegetal, mas também do solo.

Lowrance et al. (1983) estudaram cargas de nutrientes para a bacia do Little River, na Geórgia, Estados Unidos. Os solos das áreas cultivadas foram separados do rio por uma mata ciliar. Somente 6 a 33% do nitrogênio que entrou na bacia, em precipitação, saiu em deflúvio. Os processos de retenção biológica como a absorção pelas plantas e a denitrificação realizada pelos microrganismos foram os processos mais importantes na retenção do nitrogênio. A maior parte do nitrogênio que entrou na mata ciliar foi na forma inorgânica, 82%, entretanto o nitrogênio remanescente, no deflúvio, estava na forma orgânica, 80%, indicando a conversão da forma inorgânica para a orgânica.

Geralmente, a absorção pelas plantas e a denitrificação são considerados os mais importantes processos responsáveis pela retenção de nitrogênio nas matas ciliares. Entretanto muitas vezes, os nutrientes absorvidos pelas plantas permanecem no sistema, temporariamente, e devem depois ser gradualmente lançados pela mineralização. Assim, as plantas aumentam o tempo de residência dos nutrientes a partir da redução da sua mobilidade (HEFTING et al., 2005).

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em solo saturado, foi o mais importante aspecto na produção de sedimentos, de nutrientes e de bactérias transportadas. Assim, de acordo com o experimento, quanto maior o volume do escoamento e da carga associada, mais larga deve ser a mata ciliar. Mander et al. (2005) citam que a heterogeneidade dos eventos de chuva é um fator importante que influencia o aumento da eficiência de retenção das matas ciliares para os elementos nitrogênio e fósforo. Os melhores resultados ocorrem quando as águas poluídas dos campos adjacentes, das bacias agrícolas, passam pelas matas ciliares em curtos eventos de chuvas intensas (em curto espaço de tempo e com baixa frequência de repetição). Esses resultados foram relatados em diversos estudos em matas ciliares naturais em campos experimentais.

Outro fator que aumenta a eficiência de remoção de nitrogênio e fósforo é a complexidade das matas ciliares, consistindo de diversas comunidades de plantas e diversos tipos de solo, isso faz aumentar a eficiência de remoção. Os processos de retenção dos nutrientes são mais eficientes em ambientes mais complexos, com maior diversidade de plantas e de solo, do que naqueles ecossistemas com estruturas mais simples, observando que a água da saída, das matas ciliares, possuem menores concentrações de nitrogênio e fósforo (MANDER et al., 2005).

2.2 Heterogeneidade Ambiental das Matas Ciliares

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As áreas de matas ciliares são chamadas de regiões de ecótonos e diferentes fitofisionomias são observadas nesses ambientes. A importância ecológica e evolucionária desses ecossistemas é grande porque essas áreas são consideradas importantes repositores da biodiversidade (OLIVEIRA FILHO; RATTER, 1995). Embora essas áreas sejam protegidas pela legislação ambiental, as matas ciliares têm sido alteradas pelas atividades humanas e isso tem levado à degradação e à fragmentação desses ambientes (BATTILANI et al., 2005).

As comparações florísticas entre as formações florestais das matas ciliares têm mostrado que essas áreas são muito diversas (heterogeneidade florística), com valores de similaridades baixos, mesmo entre as áreas de grande proximidade espacial (MERGURO et al., 1996). Vários são os fatores promotores da heterogeneidade florística nas matas ciliares, como: o tamanho da faixa de mata ciliar; o estado de conservação ou de degradação; o tipo vegetacional de origem da formação florestal ciliar; a matriz vegetacional onde a mata ciliar está inserida; o aporte de dissemínulas; entre outros fatores atuantes na seletividade de espécies (IVANAUSKAS et al., 1997).

Os primeiros estágios de vida das plantas são determinados pelas fortes influências ambientais, incluindo as competições inter e intraespecíficas e os vários estresses ambientais. A abundância de espécies diminui e fatores como a presença de luz, de água e de nutrientes determinam o estabelecimento dos indivíduos nos microhabitats favoráveis (RODRIGUES et al., 2007). Diferenças nas características do solo e variações na topografia influenciam na composição florística e na estrutura das comunidades de plantas nas matas ciliares (SCARANO et al., 1997) _– dúvida nesse parágrafo.

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rochoso e populações mais numerosas em microhabitats ciliares (ARAÚJO et al., 2005; ARAÚJO et al., 2007).

Alguns casos de heterogeneidade florística devido à incidência de luz que pode afetar a diferenciação das espécies mais do que as variáveis do solo, havendo uma relação direta entre abertura da copa das árvores e o aumento da incidência de luz nos estratos inferiores. A disponibilidade de luz tem um importante papel no desenvolvimento natural da floresta, isto porque a qualidade e a quantidade de luz determina a sobrevivência das espécies, particularmente afetando a germinação e o crescimento das mudas (MADEIRA et al., 2009).

A incidência de luz durante o período de crescimento das plantas, na estação chuvosa, é uma variável que influencia o estabelecimento de diferentes espécies porque as aberturas existentes na copa das árvores são, especialmente, locais favoráveis para o estabelecimento das mudas. Esse fator pode explicar o efeito da luz, durante a estação chuvosa, na riqueza e na abundância de espécies que ocorre durante o processo de regeneração natural nas matas ciliares. Assim, o estabelecimento dos indivíduos é influenciado pela quantidade da cobertura vegetal, aumentando ou diminuindo a incidência de luz nos estratos inferiores, no período do ano que é mais favorável ao crescimento e estabelecimento das mudas (MADEIRA et al., 2009).

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2.3 Influência das Matas Ciliares nos Processos Hidrológicos

O balanço hídrico em áreas florestadas indica a influência hidrológica da mata ciliar na escala de bacia hidrográfica. A mata ciliar, provavelmente, controla vários processos relacionados com o fluxo superficial e subsuperficial em escala local. Tal controle, local, reflete em complexas estruturas físicas como: a planta viva e os detritos das partes mortas das plantas; e os processos hidráulicos (ex. turbulência). A vegetação viva forma uma barreira fixa, enquanto os detritos, das partes mortas das plantas, formam estruturas móveis, resistentes (detritos lenhosos) ou instáveis (serapilheira). Todas essas estruturas podem obstruir, divergir ou facilitar o fluxo de água e, provavelmente, controlam as propriedades das matas ciliares como, por exemplo, a conectividade hidráulica (DARBY, 1999).

A cobertura florestal das matas ciliares influi positivamente sobre a hidrologia do solo, melhorando os processos de infiltração, percolação e armazenamento de água pelos lençóis freáticos. A barreira natural que as matas ciliares formam diminui a produção do escoamento superficial e contribui para o processo de escoamento subsuperficial, a partir da infiltração no solo. Estas características conduzem à diminuição do processo erosivo (Lima, 1986; Venturieri et al., 2005).

Outro fator importante, nas matas ciliares, é a serapilheira (formada pelo acúmulo de material vegetal depositado sobre o solo) que retém e absorve a água que vem do escoamento superficial, exercendo uma função de esponja e auxiliando, desta maneira, a infiltração da água e a sua retenção no solo, reduzindo as enxurradas. A taxa de infiltração em solos florestais pode ser de 10 a 15 vezes maior do que pastagem e 40 vezes mais que em um solo desprovida de vegetação (Davide et al., 2000).