Alterações na superfície do Parque Nacional do Catimbau (PE-Brasil): consolidação dos aspectos biofísicos na definição dos indicadores ambientais do bioma Caatinga

Universidade Federal de Pernambuco Centro de Filosofia e Ciências Humanas Programa de Pós-Graduação em Geografia

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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Filosofia e Ciências Humanas Programa de Pós-Graduação em Geografia

CÉLIA CRISTINA CLEMENTE MACHADO

ALTERAÇÕES NA SUPERFÍCIE DO PARQUE NACIONAL DO CATIMBAU (PE-BRASIL):

CONSOLIDAÇÃO DOS ASPECTOS BIOFÍSICOS NA DEFINIÇÃO DOS INDICADORES AMBIENTAIS DO BIOMA CAATINGA

Tese apresentada ao corpo docente do Programa de Pós-Graduação em Geografia da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutora em Geografia.

Orientadora: Profa Dra. Eugênia Cristina Gonçalves Pereira Coorientadores: Profa. Dra. Josiclêda Domiciano Galvíncio

Prof. Dr. Bernardo Barbosa da Silva

Recife - Pernambuco - Brasil 2014

Catalogação na fonte

Bibliotecário Rodrigo Fernando Galvão de Siqueira, CRB-4 1689

M149a Machado, Célia Cristina Clemente.

Alterações na superfície do Parque Nacional do Catimbau (PE-Brasil): consolidação dos aspectos biofísicos na definição dos indicadores ambientais do bioma Caatinga / Célia Cristina Clemente Machado. – Recife: O autor, 2014. 221 f. : il. ; 30 cm.

Orientadora: Profa. Dra. Eugênia Cristina Gonçalves Pereira. Coorientadora: Profa. Dra. Josiclêda Domiciano Galvíncio. Coorientador: Prof. Dr. Bernardo Barbosa da Silva.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Pernambuco, CFCH. Programa de Pós-Graduação em Geografia, 2014.

Inclui referências e apêndice.

1. Geografia. 2. Unidades de conservação. 3. LANDSAT (Satélites). 4. Evapotranspiração. 5. I. Pereira, Eugênia Cristina Gonçalves (Orientadora). II. Galvíncio, Josiclêda Domiciano (Coorientadora). III. Silva, Bernardo Barbosa da. (Coorientador). IV. Título.

910 CDD (22.ed.) UFPE (BCFCH2015-12)

CÉLIA CRISTINA CLEMENTE MACHADO

ALTERAÇÕES NA SUPERFÍCIE DO PARQUE NACIONAL DO CATIMBAU (PE-BRASIL):

CONSOLIDAÇÃO DOS ASPECTOS BIOFÍSICOS NA DEFINIÇÃO DOS INDICADORES AMBIENTAIS DO BIOMA CAATINGA

Tese defendida e aprovada pela banca examinadora

Orientador: _______________________________________________ Profa. Eugênia Cristina Gonçalves Pereira (UFPE)

2° Examinador: _______________________________________________ Profa. Maria Lúcia Brito da Cruz(UECE)

3° Examinador: ______________________________________________ Profa. Janaína Barbosa da Silva (UFCG)

4° Examinador: _____________________________________________ Profa. Leidjane Maria Maciel de Oliveira (UFPE)

5° Examinador: _______________________________________________ Prof. Ranyére Silva Nóbrega (DCG/UFPE)

RECIFE - PE 09/12/2014

ii

Para minha mãe Emília (In memoriam), a quem eu devo tudo, e meu pequeno Tomás, a minha luz.

iii AGRADECIMENTOS

Este trabalho não seria possível sem a preciosa contribuição de diversas pessoas às quais expresso minha sincera gratidão.

Ao meu esposo e amigo Manoel Albuquerque, por todo o apoio, paciência e cumplicidade. Assim como, por seu cuscuz com ovos.

A Tomás, meu querido filho, cujos olhos ternurentos me alegram em qualquer situação.

A minha irmã Paula, que mesmo em outro hemisfério, consegue com suas palavras me dar alento e coragem para continuar.

Aos meus familiares pela força, em especial, ao Rui, à Valérie e ao meu pai. A Cidália e família, que sempre me trataram como de sua própria família. A Roberta, Helder e Luciana, meus irmãos, o carinho de nossa amizade.

A Profa. Dra. Eugênia Pereira, pela sua orientação, incentivo e amizade. Obrigada por todos os ensinamentos e pela confiança que depositou em mim!

A Profa. Dra. Josiclêda Galvíncio, pela amizade e ensinamentos.

Ao Prof. Dr. Bernardo da Silva, por quem eu tenho grande admiração! Obrigada pela orientação e ensinamentos que sempre me facultou de forma totalmente despretenciosa.

Aos professores da banca: Dra. Maria Lúcia Brito da Cruz, Dra. Janaina Barbosa da Silva, Dr. Ranyère Nóbrega Silva e Dra. Leidjane Maria Maciel de Oliveira, agradeço por todas as colaborações e sugestões.

Leidinha, meu sincero afeto. 42 abraços!

A todos os colegas e amigos da UFPE: Tiago, Josemary, Hewerton, Keyla, Antônio Marcos, Pedro, Manuela e Cristiane. Em especial a Natalício, Christianne Fonseca, Lucas e Daniel, pelo vosso apoio em campo.

Ao INPE e ao ITEP/APAC pela disponibilização de imagens e dados meteorológicos.

Ao Programa de Pós-Graduaçao em Geografia, por acolher e fomentar o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pela concessão da bolsa de doutorado.

A todos que contribuíram direta e indiretamente a este trabalho.

iv

"Existem muitas hipóteses em ciência que estão erradas. Isso é perfeitamente aceitável, elas são a abertura para achar as que estão certas".

v SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ... viii

LISTA DE TABELAS ... xi

LISTA DE SÍMBOLOS ... xiii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... xvi

INTRODUÇÃO ... 1

CAPÍTULO 1 ... 6

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 6

1.1. Unidades de conservação - conceito e evolução ... 7

1.1.1. Panorama de proteção dos biomas brasileiros ... 9

1.2. O sensoriamento remoto e suas aplicações no estudo dos recursos naturais... 12

1.3. O Balanço de radiação e de energia da superfície terrestre ... 16

1.3.1. O Balanço de radiação ... 17

1.3.2. O Balanço de energia ... 20

1.4. Evapotranspiração estimada por sensoriamento remoto ... 22

1.5. Estimativa do balanço de energia por meio do SEBAL e do METRIC ... 24

1.6. Sequestro de carbono pela vegetação ... 29

1.7. Índice de Área Foliar (IAF) ... 33

1.8. Satélites da série Landsat ... 35

CAPÍTULO 2 ... 39

CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO ... 39

2.1. Aspectos hidrográficos ... 42

2.2. Aspectos da geologia e características do relevo local ... 44

2.3. Aspectos pedológicos ... 47

2.4. Aspectos climáticos ... 50

2.5. Aspectos da vegetação ... 53

CAPÍTULO 3 ... 55

ÍNDICE DE ÁREA FOLIAR DA CAATINGA OBTIDO POR SENSORIAMENTO REMOTO E MEDIÇÕES DE CAMPO ... 55

3.1. Introdução ... 56

3.2. Material e métodos ... 59

3.2.1. Obtenção e tratamento dos dados e das imagens... 59

3.2.2. Radiância espectral ... 60

3.2.3. Reflectância espectral planetária ... 60

3.2.4. Reflectância espectral corrigida ... 61

vi

3.2.6. Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (IVDN) ... 62

3.2.7. Índice de Vegetação Ajustado por Solo (IVAS) ... 62

3.2.8. Índice de Vegetação Realçado (EVI) ... 62

3.2.9. Índice de Área Foliar (IAF) ... 63

3.2.10. Coleta dos dados com o LAI-2200 ... 63

3.2.11. Análise estatística ... 65

3.3. Resultados e discussão ... 66

3.4. Conclusões ... 71

CAPÍTULO 4 ... 72

DETERMINAÇÃO DA ACURÁCIA DO SALDO DE RADIAÇÃO E DA EVAPOTRANSPIRAÇÃO ESTIMADOS COM OS ALGORITMOS SEBAL E METRIC EM CAATINGA ... 72

4.1. Introdução ... 73

4.2. Material e métodos ... 77

4.2.1. Obtenção e tratamento dos dados e das imagens... 77

4.2.2. O método SEBAL e METRIC... 78

4.2.3. O método da FAO Penman-Monteith (FAO-PM) ... 83

4.2.4. Análise estatística ... 85

4.3. Resultados e discussão ... 86

4.4. Conclusões ... 89

CAPÍTULO 5 ... 90

DETECÇÃO DE ALTERAÇÕES NO USO E COBERTURA DO SOLO DO PARQUE NACIONAL DO CATIMBAU PELA ANÁLISE DE PARÂMETROS BIOFÍSICOS ... 90

5.1. Introdução ... 91

5.2. Material e métodos ... 93

5.2.1. Obtenção e tratamento dos dados e das imagens... 93

5.2.2. Obtenção dos parâmetros biofísicos ... 95

5.2.3. Detecção de mudanças ... 98

5.3. Resultados e discussão ... 99

5.3.1. Análise preliminar: estatística descritiva dos parâmetros biofísicos ... 99

5.3.2. Análise da precipitação e sua correlação com os parâmetros biofísicos ... 100

5.3.3. Análise da variabilidade espaço-temporal dos parâmetros biofísicos e sua relação com o clima e aspetos geomorfológicos... 105

5.3.4. Detecção de mudanças no uso e cobertura do solo usando o Rn ... 117

5.4. Conclusões ... 122

CAPÍTULO 6 ... 123

ESTIMATIVA POR SENSORIAMENTO REMOTO DO BALANÇO DE ENERGIA E DA PRODUTIVIDADE PRIMÁRIA BRUTA NO PARQUE NACIONAL DO CATIMBAU ... 123

vii

6.1. Introdução ... 124

6.2. Materiais e métodos ... 128

6.2.1. Processamento das imagens de satélite e dados meteorológicos ... 128

6.2.2. Balanço de energia - cômputo da ETr pelo METRIC ... 129

6.2.3. Produtividade primária bruta (PPB) ... 129

6.2.4. Análise estatística ... 131

6.3. Resultados e discussão ... 131

6.3.1. Análise do Balanço Hídrico (BH) no ano dos imageamentos ... 131

6.3.2. Componentes do balanço de energia ... 134

6.3.3. Evapotranspiração Real Diária ... 136

6.3.4. Carbono fixado pela vegetação no PNC ... 139

6.4. Conclusões ... 144

CAPÍTULO 7 ... 145

UNIDADES DE CONSERVAÇÃO E SUAS MÚLTIPLAS TERRITORIALIDADES - UMA REFLEXÃO SOCIAL E ECONÔMICA SOBRE O PARQUE NACIONAL DO CATIMBAU ... 145

7.1. Introdução ... 146

7.2. Unidades de conservação: origens, impactos e alternativas ... 147

7.2.1. Unidades de conservação e suas origens ... 147

7.2.2. Unidades de conservação e seus impactos socio-econômicos ... 148

7.3. As unidades de conservação brasileiras: uma análise social e econômica do Parque Nacional do Catimbau ... 150

7.3.1. Uma revisão sobre as origens das UC's no Brasil ... 150

7.3.2. O Parque Nacional do Catimbau: origens e conflitos sociais ... 152

7.3.2.1. A reserva Kapinawá, origens e conflitos ... 153

7.3.3. Manejo do Parque Nacional do Catimbau - sugestões para conciliar a conservação da natureza e o bem-estar da população ... 156

7.4. Conclusões ... 158

CONCLUSÕES GERAIS ... 160

REFERÊNCIAS ... 163

viii LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Crescimento das áreas protegidas designadas a nível nacional no planeta, entre 1911 e 2011. A linha pontiada assinala o período desde o qual se observa um

incremento exponencial...8

Figura 2. Distribuição espacial de 177.547 áreas protegidas nacionais no planeta. As áreas protegidas com uma componentes marítima estão representadas a azul e as áreas protegidas terrestres estão representadas a verde...8

Figura 3. Espectro eletromagnético...13

Figura 4. Curva espectral da vegetação, água e solo...14

Figura 5. Representação esquemática do balanço de radiação de ondas curtas na superfície terrestre...17

Figura 6. Representação esquemática do balanço de radiação na superfície terrestre...18

Figura 7. Esquema do balanço de energia de um sistema vegetado...21

Figura 8. Diagrama representativo do ciclo de carbono...30

Figura 9. Localização da área de estudo, Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, em composição RGB das bandas 5,4 e 3, destacando-se os limites do Parque Nacional do Catimbau (base de dados do Ministério do Meio Ambiente - MMA), os limites municipais e estaduais (IBGE, 2001), a área de amortecimento de 10 km e a estação meteorológicas de Arcoverde...41

Figura 10. Rede de drenagem do Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, e da sua área de amortecimento...43

Figura 11. Hipsometria e declividade do Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil e da sua área de amortecimento...45

Figura 12.Unidades geoambientais e geomorfológicas do Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil e da área de amortecimento...46

Figura 13. Tipos de solos presentes no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil e na sua área de amortecimento...49

Figura 14. Distribuição da precipitação e da temperatura média anual no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil e na sua zona de amortecimento...51

Figura 15. Gráfico representativo das normais climatológicas (1961-1990) mensais, para a estação de Arcoverde (Código: 82890), relativas a temperatura média compensada e a precipitação acumulada. Dados: INMET...52

Figura 16. Balanço hídrico normal mensal por Thornthwaite e Mather (1955) utilizando as normais climatológicas (1961-1990) mensais, da estação de Arcoverde (Código: 82890), relativas a temperatura média compensada e a precipitação acumulada...52

Figura 17. Uso e cobertura do solo no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil e na sua área de amortecimento...54

Figura 18. Localização do Parque Nacional do Catimbau - PE e dos pontos de leitura do IAF ao longo da estrada dos Breús...64

Figura 19. Boxplot das leituras do IAF obtidos com o LAI-2200 no PNC, representando a mediana, os quartis (25 e 75%), os percentis 5 e 95 e os outliers (esferas pretas)...66

Figura 20. Regressão exponencial entre o IAF (m2 m-2) coletado no campo com o LAI-2200 e o IVDN estimado com correção da reflectância, a partir de uma imagem TM Landsat 5...68

ix

Figura 21. Diagrama representativo das etapas computacionais para obtenção Rn, utilizando o

algoritmo SEBAL...78

Figura 22. Esquema representativo do processo iterativo para obtenção do fluxo de calor

sensível (H)...81

Figura 23. Local de medição da ETr usando o método da FAO-PM. Vegetação alterada

próxima à estação de Arcoverde...85

Figura 24. Valores de Rn (A) e ETr (B) nos dias de passagem do satélite sobre o PNC obtidos

utilizando o SEBAL e o METRIC (barras cinzas) e a FAO-PM (barras vermelhas). Os valores exibidos correspondem à média dos 6 pixels no entorno da estação de Arcoverde (PNC)...87

Figura 25. Estatística descritiva do índice de área foliar (IAF - A), temperatura da superfície

(Ts - B), albedo (α - C) e saldo de radiação (Rn - D) referente aos valores mínimo, máximo, médio e desvio padrão, para todas as imagens pré-selecionadas (Parque Nacional do Catimbau)...100

Figura 26. Representação gráfica das médias dos pixels para cada imagem do (A) índice de

área foliar, (B) temperatura da superfície, (C) albedo da superfície e (D) saldo de radiação, no Parque Nacional do Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil (pontos a azul) e linha de tendência usando regressão polinomial...105

Figura 27. Índice de Área Foliar (IAF) computado para todas as imagens do Parque Nacional

do Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil e da sua zona de amortecimento (ZA). Na legenda, hipsometria de referência do PNC...106

Figura 28. Zona norte do Parque Nacional do Catimbau. A. Domínio da Caatinga arbustiva; B.

Plantio de palma forrageira (Opuntia sp)...107

Figura 29. Zona sudeste do Parque Nacional do Catimbau. A. Relevo escarpado da Serra de

Jerusalém; B. Vegetação arbórea-arbustiva no topo da Serra de Jerusalém, 900 m de altitude...108

Figura 30. Temperatura da superfície (Ts) computado para todas as imagens do Parque

Nacional do Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil e da sua zona de amortecimento (ZA). Na legenda, hipsometria de referência do PNC...110

Figura 31. Albedo da superfície (α) computado para todas as imagens do Parque Nacional do

Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil e da sua zona de amortecimento (ZA). Na legenda, hipsometria de referência do PNC...113

Figura 32. Evidência da relação geomorfologia-clima-vegetação e sua influência sobre com os

parâmetros biofísicos (IAF, Ts, α e Rn) no extremo SE do Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...114

Figura 33. Saldo de radiação (Rn) computado para todas as imagens do Parque Nacional do

Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil e da sua zona de amortecimento (ZA). Na legenda, hipsometria de referência do PNC...116

Figura 34. Percentagem de área ocupada por cada classe de uso e cobertura do solo no Parque

Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil de cada imagem e representação de suas linhas de comportamento ao longo do tempo...117

Figura 35. Pasto para criação de gado dentro dos limites do Parque Nacional do Catimbau,

Pernambuco, Brasil (Ponta da Vargem)...118

Figura 36. Detecção de mudanças no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil

representada pela imagem da diferença e pela imagem realçada...119

Figura 37. Destaque das mudanças ocorridas nas localidades Ponta da Várzea, Carnaúba,

Brejinho de Baixo e do Catimbau, a sul do Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, entre 1990 e 2010. Evidência da invasão de área urbanizada para o interior do Parque e

x consequentes respostas dos parâmetros biofísicos (IAF, Ts, α e Rn)...121

Figura 38. Localização dos tipos de cobertura do solo analisados. Parque Nacional do

Catimbau, Pernambuco, Brasil...129

Figura 39. Balanço hídrico normal mensal por Thornthwaite e Mather (1955) do ano de 2001,

no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, utilizando dados da estação meteorológica de Arcoverde-PE. A representa os níveis de deficiência (DEF) e excesso de água (EXC) do solo, B representa os valores de precipitação, evapotranspiração potencial (ETP) e real (ETR) e C representa o armazenamento de água no solo (ARM) considerando CAD de 150 mm. A barra a preto representa a data do imageamento (6-10-2001)...132

Figura 40. Balanço hídrico normal mensal por Thornthwaite e Mather (1955) do ano de 2003,

no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, utilizando dados da estação meteorológica de Arcoverde-PE. A representa os níveis de deficiência (DEF) e excesso de água (EXC) do solo, B representa os valores de precipitação, evapotranspiração potencial (ETP) e real (ETR) e C representa o armazenamento de água no solo (ARM) considerando CAD de 150 mm. A barra a preto representa a data do imageamento (26-09-2003)...132

Figura 41. Balanço hídrico normal mensal por Thornthwaite e Mather (1955) do ano de 2007,

no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, utilizando dados da estação meteorológica de Arcoverde-PE. A representa os níveis de deficiência (DEF) e excesso de água (EXC) do solo, B representa os valores de precipitação, evapotranspiração potencial (ETP) e real (ETR) e C representa o armazenamento de água no solo (ARM) considerando CAD de 150 mm. A barra a preto representa a data do imageamento (21-09-2007)...133

Figura 42. Balanço hídrico normal mensal por Thornthwaite e Mather (1955) do ano de 2010,

no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil, utilizando dados da estação meteorológica de Arcoverde-PE. A representa os níveis de deficiência (DEF) e excesso de água (EXC) do solo, B representa os valores de precipitação, evapotranspiração potencial (ETP) e real (ETr) e C representa o armazenamento de água no solo (ARM) considerando CAD de 150 mm. A barra a preto representa a data do imageamento (29-09-2010)...133

Figura 43. Variação dos valores dos componentes do balanço de energia e da ETr em cinco

diferentes coberturas do solo, nos dias 06 de outubro de 2001, 26 de setembro de 2003, 21 de setembro de 2007 e 29 de setembro de 2010. Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...134

Figura 44. Evapotranspiração real diária (ETr) estimada para todas as imagens em estudo do

Parque Nacional do Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil e da sua zona de amortecimento...138

Figura 45. Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (IVDN), Fração Evaporativa (FE),

Saldo de Radiação Instantâneo (Rn - W m-2) e Produção Primária Bruta (PPB - g C m-2 dia-1), do dia 29 de setembro de 2010, Parque Nacional do Catimbau - PE...140

Figura 46. Produção Primária Bruta (PPB - g C m-2dia-1) dos dias 06 de outubro de 2001, 26 de setembro de 2003, 21 de setembro de 2007 e 29 de setembro de 2010 no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...142

Figura 47. Localização do Parque Nacional do Catimbau (PNC), Pernambuco, Brasil, destacando-se os limites da reserva dos Kapinawá, os limites do PNC e a área de amortecimento...153

Figura 48. Pajé dos índios Kapinawá após ritual de Toré. Ponta da Vargem, Pernambuco,

Brasil...154

Figura 49. Fotos ilustrando o potencial arqueológico, paisagístico, biológico e geomorfológico

xi LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Porcentagem da Meta Nacional de Áreas Protegidas para 2010 alcançada até agosto

de 2010 ...11

Tabela 2. Características dos sistemas sensores Landsat MSS e Landsat TM...36 Tabela 3. Descrição das bandas e faixas espectrais correspondentes ao TM Landsat 5,

coeficientes de calibração mínimo (a) e máximo (b), irradiância solar espectral no topo da atmosfera (ESUNλ) e coeficientes das diferentes bandas usados no cômputo do albedo. Wλi é o

peso de cada banda na composição do albedo planetário...60

Tabela 4. Temperatura do ar média e precipitação total 5, 10, 20 e 30 dias antes do

imageamento e antes da coleta de dado com o LAI-2200...64

Tabela 5. Estatística descritiva das leituras de IAF realizadas em campo com o LAI

2200...66

Tabela 6. Resultados da correlação de Pearson Product Moment para cada par de variáveis:

valores de P e do coeficiente de correlação. Resultados da regressão exponencial realizada entre a variável dependente IAF e as variáveis independentes (IV's): valor de P, F, R² e a equação de ajuste. A negrito destaca-se os dois maiores R² obtidos e suas respectivas equações...67

Tabela 7. Desvios relativos (DR) e raiz do erro quadrático médio (REQM) resultantes pela

comparação entre as estimativas de IAF obtidas com as equações de Allen et al. (2002), Galvíncio et al. (2013) e novo modelo com as 15 leituras de IAF separadas para validação...69

Tabela 8. Dia sequencial do ano (DSA), data e hora local da passagem do satélite, ângulo de

elevação solar (β), inverso do quadrado da distância relativa Terra-Sol (dr) e variáveis da

estação meteorológica no instante de passagem do satélite (após interpolação): temperatura do ar – Ta (ºC), umidade relativa – UR (%), velocidade do vento a 2 m - U2m (m s

-1

), radiação solar 24h – Rs24h (W m

-2

)...77

Tabela 9. Desvio absoluto e relativo dos valores obtidos de Rn e ETr24h nas imagens de satélite

utilizando o SEBAL e o METRIC, em relação aos resultados obtidos com o método padrão de referência da FAO-PM. Em vermelho encontram-se destacados os menores desvios...87

Tabela 10. Dia sequencial do ano (DSA), data e hora local da passagem do satélite, ângulo de

elevação solar (β), inverso do quadrado da distância relativa Terra-Sol (dr) e variáveis da

estação meteorológica no instante de passagem do satélite (após interpolação): temperatura do ar – Ta (ºC), umidade relativa – UR (%), velocidade do vento a 2 m - U2m (m s

-1

), radiação solar 24h – Rs24h (W m

-2

)...94

Tabela 11. Descrição das bandas e faixas espectrais correspondentes ao OLI Landsat 8

utilizadas neste trabalho, fatores multiplicativos (FM) e aditivos (FA) para cálculo da radiância e reflectância espectral da imagem de 04/08/2013, irradiância solar espectral no topo da atmosfera (ESUNλ) e peso de cada banda na composição do albedo planetário

(Wλi)...97

Tabela 12. Intervalo de valores de saldo de radiação (Rn) a que correspondem cada uma das

classes na imagem de mudanças realçadas do Parque Nacional do Catimbau...99

Tabela 13. Valores de precipitação acumulada 5, 10, 20 dias, 1, 2, 3, 4, 5 e 6 meses antes de

cada imageamento na estação de Arcoverde-PE...101

Tabela 14. Valores de P e de coeficiente de correlação (CC) obtidos entre os acúmulos de

xii analisados (α - albedo da superfície; IAF - índice de área foliar; Ts - temperatura da superfície e Rn - saldo de radiação), utilizando a correlação de Pearson. A negrito encontram-se os pares de variáveis que obtiveram correlação significativa. Parque Nacional do Catimbau...103

Tabela 15. Quantificação dos pixels de cada classe da imagem de mudanças realçadas e qual a

porcentagem de área que cada uma representa no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...119

Tabela 16. Quantidade de pixels da classe 1 (forte diminuição) existentes em cada buffer e sua

porcentagem em relação ao total presente na imagem das mudanças realçadas. Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...120

Tabela 17. Resultados da ANOVA de uma via realizada utilizando os dados de excesso/déficit

hídrico mensal para cada ano em estudo. Dados da estação meteorológica de Arcoverde-PE. Destacam-se em negrito as comparações com diferenças estatisticamente significativas...134

Tabela 18. Estatística descritiva - valores mínimo, máximo, médio e desvio padrão, da ETr em

cada imagem selecionada (Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil)...136

Tabela 19. Datas das imagens do TM, temperatura do ar máxima (Tmax) e mínima (Tmin),

umidades relativas máxima (URmax) e mínima (URmin), radiação fotossinteticamente ativa diária (RFA), valores de T1 e T2, referentes aos dias selecionados para a pesquisa no Parque Nacional do Catimbau - PE...139

Tabela 20. Datas das imagens; PPB segundo imagens TM (PPBTM) e segundo o produto

MOD17A2 (PPBMOD) de um pixel central da Chapada de São José (CSJ), da Serra de Jerusalém

(SJ), próximo à Vila do Catimbau (VC) e da média dos pixels no PNC (todos em g C m-2 dia-1); Desvio Absoluto (DA) e Desvio Relativo (DR) entre o PPBTM e o PPBMOD entre todas as

imagens...141

Tabela 21. Estatística descritiva das imagens-PPB - máximo (PPBMAX - g C m -2

dia-1), mínimo (PPBMIN - g C m

-2

dia-1), médio (PPBMED - g C m -2

dia-1), desvio padrão (PPBDESVPAD - g C m -2

dia-1), PPB integrado em todo o PNC (PPBPNC - ton C dia -1

) e PPB médio na parcela de Caatinga Subúmida em Patamares Estruturais (PPBCSPE - g C m

-2

dia-1), para cada um dos dias selecionados, no Parque Nacional do Catimbau, Pernambuco, Brasil...143

xiii LISTA DE SÍMBOLOS

"a" e "b" Coeficientes obtidos com base nas componentes do balanço de energia dos pixels âncoras (frio e quente)

A Altura máxima média da vegetação (m)

Cλ,i Parâmetro determinado para cada banda do sensor TM

Ci Coeficientes fornecidos através de modelo de transferência radiativa,

determinados para cada banda espectral i cp Calor específico do ar à pressão constante

dr Inverso do quadrado da distância relativa Terra-Sol

Dr Depleção da zona radicular

ea Pressão atual de vapor de água (kPa)

es Pressão de saturação do vapor média (kPa)

ESUNλ Irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (W m-2 μm-1)

ET Evapotranspiração (mm dia-1) ETc Evapotranspiração das culturas

ETo_H Evapotranspiração de referência horária

ETH Evapotranspiração horária

ETo Evapotranspiração de referência (mm dia-1) ETo_24 Evapotranspiração de referência diária

ETr Evapotranspiração real (mm dia-1) FE24h Fração evaporativa diária

FEinst Fração evaporativa instantânea

FETo_H Fração da evapotranspiração de referência horária

FETo_24 Fração da evapotranspiração de referência diária

FH Fluxo de calor sensível associado à advecção de massa (W m-2) FLE Fluxo de calor latente associado à advecção de vapor de água (W m-2) G Fluxo de calor no solo (W m-2)

H Fluxo de calor sensível (W m-2) K Constante de Von Karman (0,41)

K1 K2 Constantes de radiação específicas da banda termal do TM Landsat 5

Kc Coeficiente de cultura

Kch Kc para vegetação que cobre totalmente o solo

Kcfull Kc no pico do desenvolvimento da vegetação

Kcmin Kc mínimo para solo nu

Ks Coeficiente de umidade do solo kt Coeficiente de turbidez atmosférica

xiv LE Fluxo de calor latente (W m-2)

Lλ,i Radiância espectral monocromática de cada banda(W m-2 sr-1 μm-1)

Patm Pressão atmosférica (kPa)

P Fração média da TAW que pode ser esgotada da zona radicular antes de ocorrer estresse hídrico

rc Resistência total da superfície

rah Resistência aerodinâmica ao transporte de calor

RAW Água imediatamente disponível Rn Saldo de radiação (W m-2) Rn24h Saldo de radiação diário (W m

-2

) ROC,INC Radiação de onda curta incidente (W m

-2

)

ROL, ATM Radiação de onda longa emitida pela atmosfera na direção da superfície (W m -2

) ROL, ATM,REF Radiação de onda longa refletida pela superfície

ROL,EMI Radiação de onda longa emitida pela superfície (W m -2

) Rs24h Total de radiação solar obtida ao longo do dia

SVAT Soil Vegetation Atmosphere Transfer models Ta Temperatura do ar

TAW Água total disponível na zona radicular (mm) Tmax e Tmin Temperatura máxima e mínima, respectivamente

Topt Temperatura média do ar (°C) do mês de máximo IVDN

Tdia Temperatura média diária do ar (°C).

T1 T2 Contribuição da temperatura na eficiência de uso da luz pelas plantas

u200 Velocidade do vento a 200 m (m.s -1

) u* Velocidade de fricção (m s-1)

u2 Velocidade do vento a 2 metros de altura (m s -1

) UR Umidade relativa do ar (%)

URmin Umidade relativa mínima

ux Velocidade do vento (m s -1

) na altura Zx

ux Velocidade do vento a X metros de altura

W Água precipitável (mm)

Wλi Pesos de cada banda na composição do albedo planetário

Z Altitude de cada pixel (m)

Zx Altura (m) em que ocorreu a medição da velocidade do vento

Z1 e Z2 Níveis acima do dossel da vegetação a 0,1 m e 0,2 m, respectivamente

Zom Coeficiente de rugosidade ao transporte de momentum (m)

α Albedo

xv αatm Porção da radiação solar refletida pela atmosfera

αtoa Albedo planetário

β Ângulo elevação solar

γ Constante psicrométrica (kPa°C-1)

Δ Declividade da curva de pressão de vapor (kPa°C-1) ΔF Variação do armazenamento de energia (W m-2)

ΔHLE Variação do armazenamento de calor, sensível e latente (W m-2) ε Eficiência de uso da luz pela vegetação (g C MJ-1)

ε' Eficiência máxima de uso da luz pela vegetação (g C MJ-1) εNB Emissividade de cada pixel no domínio espectral da banda termal

η Ângulo zenital do sensor TM (próximo de 0) θ Ângulo zenital solar

ρar Massa específica do ar

ρIV Fluxo radiante refletido no infravermelho próximo

ρV Fluxo radiante refletido no vermelho

ρλi Reflectâncias monocromáticas relativas a cada uma das sete bandas espectrais

do Landsat 5 TM

ρsup,i Reflectividade à superfície da banda i

ρatm,i Refletância atmosférica

τinc,i Transmissividade atmosférica relativa à radiação solar incidente na superfície

τasc,i Transmissividade relativa à radiação refletida pela superfície, obtidos para as

bandas i

τ Transporte de momentum

τasc Transmissividade relativa à radiação refletida pela superfície

τinc Transmissividade atmosférica relativa à radiação solar incidente na superfície

xvi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AGTURC Associação de Guias de Turismo do Catimbau AP Área Protegida

APAC Agência Pernambucana de Águas e Clima APA Área de Proteção Ambiental

APF African Parks Foundation

APM Automatic point measurement

ARIB Área de Relevante Interesse Biológico ARM Armazenamento de água no solo ASCE American Society of Civil Engineers

ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer

BE Balanço de energia

BERB Balanço de radiação pela razão de Bowen BH Balanço Hídrico

BOC Balanço de Onda Curta BOL Balanço de Onda Longa BR Balanço de Radiação

CAD Capacidade de armazenamento

CDB Convenção sobre Diversidade Biológica das Nações Unidas CNM Catimbau National Monument

CNP Catimbau National Park

CNUC Cadastro Nacional de Unidades de Conservação CONABIO Comissão Nacional de Biodiversidade

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente COPs Conferência das Partes

COP3 Terceira Conferência das Partes

CSPE Caatingas Subúmidas em Patamares Estruturais DA Desvio absoluto

DEF Deficiência de água DESVPAD Desvio Padrão

DOL's Distúrbios Ondulatórios de Leste DPM Desvio percentual médio

DR Desvio relativo DSA Dia sequencial do ano dT Diferença de temperatura E.U.A. Estados Unidos da América

xvii ERTS Earth Resources Technology Satellite

ESA European Space Agency

ESDR Earth Science Data Record ESEC Estação ecológica

ESRO European Space Research Organization ET Evapotranspiração

ETM+ Enhanced Thematic Mapper Plus ETP Evapotranspiração potencial

EVI Índice de vegetação realçado (do inglês: Enhanced Vegetation Index) EWRI Environmental and Water Resources Institute

EXC Excesso de água

FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO-PM FAO Penman-Monteith

FE Fração evaporativa FLONA Floresta Nacional

FPAR Fração da radiação de RFA absorvida pela vegetação FUNAI Fundação Nacional do Índio

GDEM Global Digital Elevation Model GEE Gases do efeito de estufa GloVis Global Visualization Viewer

GOCNAE Grupo de Organização da Comissão Nacional de Atividade Espaciais GOFC-GOLD's Fine Resolution design documents

GPP Gross Primary Production

IAF Índice de área foliar (m2 m-2)

IAFAllen IAF de acordo com Allen et al. (2002)

IAFcampo IAF coletado em campo com LAI-2200

IAFGalvíncio IAF de acordo com Galvíncio et al. (2013)

IAFf Índice de área da folhagem

IAIL Índice de área de interceptação da luz IAP Índice de área da planta

IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis IBDF Instituto Brasileiro de Desenvolvimento Florestal

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ICID Comissão Internacional de Irrigação e Drenagem

ICMBio Instituto Chico Mendes de Conservação da Biodiversidade INMET Instituto Nacional de Meteorologia

xviii IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

ITEP Instituto Tecnológico do Estado de Pernambuco IUCN International Union for Conservation of Nature IV IV sem correção atmosférica

IVcorrigido IV com correção atmosférica

IVs Índices de vegetação

IVAS Índice de vegetação ajustado aos efeitos do solo IVDN Índice de vegetação da diferença normalizada I&M Programa de Inventário e Monitoramento

LAI Leaf Area Index

Landsat Land Remote Sensing Satellite LDCM Landsat Data Continuity Mission LULC Land Use Land Cover

MDE Modelo Digital de Elevação

METRIC Mapping Evapotranspiration at High Resolution and with Internalized Calibration

MMA Ministério do Meio Ambiente MNC Monumento Natural do Catimbau

MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODTRAN Moderate Resolution Atmospheric Transmission MONAT Monumento Natural

MSS Multispectral Scanner

NASA National Aeronautics and Space Administration NC Níveis de cinza

ND Número digital

NOAA National Oceanic Atmospheric Administration

OLI Operational Land Imager

ONG Organização não governamental PA Protected Area

PARNA Parque Nacional

PISG Perímetro Irrigado São Gonçalo PM Penman-Monteith

PNC Parque Nacional do Catimbau PPB Produtividade Primária Bruta

RDS Reserva de Desenvolvimento Sustentável REBIO Reserva biológica

xix REF Reserva de Fauna

REM Radiação Electromagnética REQM Raiz do erro quadrático médio RESEX Reserva Extrativista

RGB Red, Green, Blue

RFA Radiação Fotossinteticamente Ativa

RFAA Radiação Fotossinteticamente Ativa Absorvida RMSE Root mean square error

Rn Saldo de radiação ou radiação líquida RPPN Reservas Particulares do Patrimônio Natural RS Índice da Razão Simples

RVS Refúgio da Vida Silvestre

SAC Sequestro e armazenamento de carbono SEBAL Surface Energy Balance Algorithm for Land SEBS Surface Energy Balance System

SEMA Secretaria de Meio Ambiente

SLC Scan Line Corrector

SMARTS Simple Model of Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine SNE Sociedade Nordestina de Ecologia

SNUC Sistema Nacional de Unidades de Conservação SPOT Satellite Pour l'Observation de la Terre SR Sensoriamento Remoto

SRTM Shuttle RadarTopography Mission S-SEBI Simplified Surface Energy Balance Index

SUDENE Superintendência de Desenvolvimento do Nordeste SUDEPE Superintendência de Desenvolvimento da Pesca SUDHEVEA Superintendência de Desenvolvimento da Borracha

TM Thematic Mapper

TOPODATA Banco de dados geomorfométricos do Brasil Ts Temperatura da superfície

TSEB Two-Source Energy Balance UC Unidade de Conservação UCS Uso e cobertura do solo

UFPE Universidade Federal de Pernambuco

UNEP-WCMC United Nations Environment Programme - World Conservation Monitoring Centre

xx U.S.A. United State of America

USGS United States Geological Survey UV Ultravioleta

V Vermelho

VCAN's Vórtices Ciclônicos de Altos Níveis

WCPA Comissão Internacional de Parques Nacionais WDPA World Database on Protected Areas

WWF World Wide Fund for Nature

ZA Zona de amortecimento

xxi RESUMO

O Parque Nacional do Catimbau (PNC), Pernambuco - Brasil, até o momento da finalização deste trabalho, carece de um plano de manejo, apresenta uma grave deficiência de infraestrutura e uma alienação da população perante as necessárias atividades de conservação. Assim, esta Tese de Doutorado tem por objetivo geral a detecção de alterações no uso e cobertura do solo no PNC, através de imagens TM Landsat 5 e do uso de técnicas de sensoriamento remoto, bem como, analisar a influência humana sobre essas alterações. Para isso, utilizaram-se os indicadores ambientais selecionados pelo Programa de Inventário e Monitoramento (I&M), criado nos Estados Unidos da América. Esses indicadores incluem parâmetros biofísicos associados aos balanços de energia, evapotranspiração (ET) e produtividade primária bruta (PPB). Uma calibração prévia do índice de área foliar (IAF) foi realizada para melhorar as estimativas deste índice de vegetação (IV), que é parte integrante do cômputo dos indicadores ambientais analisados. Para avaliar qual o algoritmo mais adequado para estimativa do saldo de radiação e da evapotranspiração diária (Rn24h e

ET24h), compararam-se as estimativas realizadas com o METRIC e com o SEBAL com

dados de estação meteorológica, sendo que o primeiro apresentou melhores resultados. O saldo de radiação (Rn) revelou ser o parâmetro mais adequado para o estudo da variação espaço-temporal do uso e cobertura do solo no PNC. A análise das alterações espaço-temporais ocorridas à superfície utilizando este parâmetro, demonstrou uma clara diminuição de seus valores, entre 1990 e 2010, em resultado da substituição da vegetação arbórea fechada, por uma vegetação arbustiva e por áreas de influência antrópica, como pastagens, solo exposto e zonas urbanas. Essas mudanças ocorreram, principalmente, nas proximidades dos limites do parque devido à pressão das localidades presentes na zona de amortecimento. Esse mesmo padrão de mudança foi detectado nas análises dos fluxos de energia, água e carbono realizadas. A Caatinga demonstrou contribuir de forma significativa para o sequestro de carbono no Nordeste, aumentando a importância de sua preservação e da criação de unidades de conservação como o PNC, face às atuais preocupações relacionadas com o aumento dos gases do efeito estufa (GEE) na atmosfera e, consequente aquecimento global. Para inferir sobre a influência humana sobre as alterações ocorridas no PNC, uma análise socioeconômica foi realizada tendo-se concluído que a elaboração de um plano de manejo, inexistente até a data de conclusão deste trabalho, assim como, o esclarecimento e a integração da população local nas atividades de conservação, é fundamental. Assim, se propõe a alteração da categoria de UC em vigor no PNC (Parque Nacional) para Monumento Natural (Monumento Natural do Catimbau - MNC), possibilitando a integração das muitas famílias residentes no interior e no entorno do parque, nos planejamentos de conservação para melhor gerenciamento do espaço, considerado de preservação ambiental e cultural.

Palavras-chave: Unidades de conservação, TM Landsat 5, balanço de energia,

xxii ABSTRACT

Catimbau National Park (CNP), Pernambuco - Brazil, until this work finalization, have no management plan, incipient infrastructure and an alienation of the local population towards the necessary conservation activities. Thereby, this work aims to detect land use and land-cover (LULC) modifications in CNP, using Landsat 5 TM imagery and remote sensing techniques, as well as to verify the human influence in those modifications. For this, environmental indicators, selected by the Inventory and Monitoring (I&M) Program created in the U.S.A., were used. I&M indicators include biophysical parameters related to energy balance, evapotranspiration and gross primary production (GPP). A previous calibration of the Leaf Area Index (LAI) was performed to improve this vegetation index (VI) estimates, which is an important component of the other environmental indicators analyzed. To evaluate which algorithm is more adequate to estimate daily net radiation and evapotranspiration (Rn24h and ET24h), estimates

performed with SEBAL and METRIC were compared to meteorological station data. METRIC showed better results. Net radiation (Rn) revealed to be the more adequate parameter to study the spatial and temporal variation of LULC in CNP. Surface spatial and temporal modifications analysis, showed a clear decrease of Rn values, between 1990 and 2010, as a result of closed arboreal vegetation substitution by shrubs and by man influenced areas: pasture, exposed soil and urban zones. Those modifications occurred mainly in CNP borders due to local populations pressure largely located in the park buffer zone. This same pattern was observed using energy, water and carbon fluxes analyzes. Caatinga showed to significantly contribute to carbon sequestration in Brazilian Northeast, increasing its conservation importance and the creation of more protected area like CNP in face of today concerns related to greenhouse gas emissions increase and global warming. To infer about the main cause of the observed modifications, a socioeconomic analyzes was performed. The creation of a management plan, absent till this work conclusion, and the clarification and integration of local population in the conservation activities is essential. So, this work proposes to change the current CNP classification from National Park to Natural Monument (Catimbau Natural Monument - CNM), allowing the integration of the many families living inside and in the Park surroundings, in the planning conservation, ensuring a better management of the space, considered as one for environmental and cultural preservation.

Keywords: Protected areas, TM Landsat 5, net radiation, evapotranspiration, gross

1

2 INTRODUÇÃO

Unidades de conservação (UC's), áreas protegidas (AP) ou parques são os pilares da conservação. Representam santuários onde as espécies e suas populações podem persistir e onde as comunidades e ecossistemas podem manter suas funções ecológicas, contribuindo para a preservação da biodiversidade do planeta, em face ao aumento da população humana, à intensificação do uso da terra e à fragmentação da paisagem.

Uma vez que as UC's representam a principal estratégia nacional e internacional adotada pelos governos para a conservação da natureza, os seus números têm vindo a aumentar exponencialmente desde a década de 1970. De acordo com os dados estatísticos mais recentes do World Database on Protected Areas (WDPA), em 2010, o número de UC's subiu para impressionantes 157.897, que correspondia a cerca de 12,7% da superfície terrestre (UNEP-WCMC, 2012). Em termos de área terrestre, as áreas protegidas são agora um dos tipos de uso da terra mais importante do planeta. No entanto, apesar desses números impressionantes, pesquisas revelam perdas de biodiversidade, extinções, degradação de sistemas e propagação de patógenos a um ritmo alarmante. Entende-se, por isso, a importância de um eficiente inventário e monitoramento para caracterização e manejo das áreas protegidas. As áreas ao redor das UC's também necessitam de atenção, uma vez que, muitos dos habitats e recursos que influenciam as funções ecológicas dentro dos parques, estão localizados nas zonas de amortecimento. Dessa forma, alterações no uso e cobertura do solo das zonas limítrofes das UC's e em suas zonas de amortecimento podem influenciar significativamente os recursos naturais dos parques.

A detecção de alterações espaço-temporais no uso e cobertura do solo é facilitada pelas técnicas de sensoriamento remoto, dada a sua maior operacionalidade, baixo custo e maior cobertura espacial. Wang (2012) explica que uma vantagem particular que o sensoriamento remoto faculta para o monitoramento de áreas protegidas é informação para compreender o estado passado e presente, as alterações que ocorreram mediante diferentes fatores de impactos e práticas de manejo, as tendências das alterações quando comparadas com áreas adjacentes e as implicações dessas mudanças sobre as funções dos ecossistemas. Isso é refletido como componente dos estudos das alterações no uso e cobertura do solo, cujas informações são críticas para melhorar o entendimento das interações humanas com o ambiente e, para providenciar fundamentos científicos para a sustentabilidade, vulnerabilidade e resiliência dos sistemas terrestres e de suas funções.

3

Em 1998, foi criado o Programa de Inventário e Monitoramento (I&M), pelo Congresso dos Estados Unidos da América (E.U.A.) com intuito de identificar indicadores ambientais críticos, chamados de "sinais vitais", para o monitoramento a longo prazo da "saúde" dos parques. Após longo trabalho de uma equipe interdisciplinar, foram identificados esses indicadores que auxiliariam nos trabalhos de monitoramento dos parques. Esses indicadores incluem parâmetros associados aos balanços de radiação e de energia, evapotranspiração (ET) e produtividade primária bruta (PPB).

Interações entre componentes do balanço de radiação condicionam as trocas de calor e massa superfície/atmosfera e possibilitam a identificação de alterações naturais ou antrópicas decorrentes de alterações no uso e cobertura do solo (MACHADO et al., 2010; SILVA et al., 2011).

Diversos autores pesquisaram o balanço de energia em diferentes situações e ressaltaram a utilidade deste para a modelagem atmosférica, importante para a observação de alterações climáticas em curso no planeta, e para a estimativa da ET que, por sua vez, é essencial para o manejo dos recursos hídricos em áreas irrigadas, para gestão de bacias hidrográficas, para monitoramento da vegetação nativa em UC's e para modelagem climática e hidrológica (FERNANDES, 2007; TEIXEIRA, 2010; SILVA et al., 2010a,b).

O conhecimento da ET das culturas e da vegetação em geral é de grande importância para a gestão de bacias hidrográficas e áreas de proteção ambiental, para a modelagem climática e hidrológica e tem diversas aplicações agrícolas, tais como, a programação da irrigação (PEREIRA et al., 1997).

Como indicador da produtividade do ecossistema, a PPB providencia uma medida integrada das condições do ecossistema, incorporando influências climáticas sazonais e medidas por satélite da condição vegetal, assim como, informações sobre topografia, solos e disponibilidade hídrica (GROSS et al., 2012). Para além de sua importância no monitoramento da vegetação, o conhecimento da PPB é fundamental para os estudos de mudanças climáticas, uma vez que está diretamente relacionada ao carbono efetivamente extraído da atmosfera pelos ecossistemas terrestres.

A diversidade de ferramentas de sensoriamento remoto disponíveis para observar as condições das UC's é cada vez maior. No entanto, várias considerações levaram à seleção das imagens do sensor Thematic Mapper (TM) do satélite Landsat 5 como componente-chave para este trabalho. As imagens TM Landsat 5 apresentam um

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equilíbrio vantajoso de resoluções espacial, espectral e temporal para estudos ambientais. Os dados são gratuitos, o que significa que os recursos disponíveis podem ser unicamente alocados para o processamento e interpretação dos dados. E o mais importante, é a consistência e extensa coleção dos dados, possibilitando colocar as atuais mudanças no contexto dos eventos passados.

Uma vez que áreas protegidas existem dentro de um sistema Sociedade-Natureza, caracterizado por fortes interações entre componentes ecológicos e humanos, uma análise dos impactos sociais e econômicos da implementação dos parques auxilia na interpretação dos dados sobre a principal causa das alterações observadas e na formulação de soluções.

Justificativa

O Parque Nacional do Catimbau (PNC-PE), até o momento da finalização deste trabalho, carece de um plano de manejo. Apresenta uma deficiência de estrutura e equipamentos de apoio, assim como, de uma equipe técnica adequadamente formada, para apropriado monitoramento de seus 623 km² e uma alienação da população perante as necessárias atividades de conservação, apesar de ter sido criado há mais de 10 anos. A degradação de algumas áreas, especialmente, na periferia e em sua zona de amortecimento, devido à ocupação humana, é bem visível. Assim, este é um exemplo de parque que em muito se beneficiaria em usufruir das técnicas de sensoriamento remoto como auxiliares para o monitoramento das alterações de uso e cobertura do solo, dado o seu baixo custo e ampla cobertura espacial. Parâmetros biofísicos associados ao balanço de radiação e de energia, à evapotranspiração e à produtividade primária bruta são indicadores precisos do estado da vegetação e de sua variabilidade espaço-temporal. Funcionam como "sinais vitais" do parque e seu monitoramento possibilita acompanhar a "saúde" geral do PNC.

Hipótese da pesquisa

A análise dos “sinais vitais” (parâmetros biofísicos) do PNC, usando imagens TM Landsat 5, seria uma valiosa ferramenta para monitoramento da sua superfície, pois possibilitaria a detecção espaço-temporal das alterações no uso e cobertura do solo e verificar as tendências dessas alterações quando comparadas com áreas adjacentes. Além disso, uma análise socioeconômica da população residente no parque ou nas suas

5

proximidades possibilitaria inferir sobre as causas das alterações observadas e formular soluções.

Objetivos

Esta Tese de Doutorado tem por objetivo geral a detecção de alterações no uso e cobertura do solo do Parque Nacional do Catimbau (PNC), através de imagens TM Landsat 5 e, usando para o efeito, diversos parâmetros biofísicos associados aos balanços de radiação e de energia, à evapotranspiração (ET) e à produtividade primária bruta (PPB), indicadores dos "sinais vitais" do parque, assim como, inferir sobre a influência humana sobre essas alterações.

Neste contexto, os objetivos específicos deste estudo são:

 Ajustar a equação do índice de área foliar (IAF) para a vegetação natural do PNC, uma vez que este é um parâmetro integrante do cálculo de muitos outros parâmetros biofísicos;

 Verificar qual a metodologia de cálculo dos balanços de radiação e de energia que melhor se ajusta ao PNC: escolher entre SEBAL e METRIC;

 Analisar as alterações ocorridas no uso e cobertura do solo do PNC, através do estudo da variabilidade espaço-temporal do IAF, do albedo da superfície (α), da temperatura da superfície (Ts) e do saldo de radiação (Rn), componentes do balanço de radiação;

 Avaliar o comportamento dos vários componentes do balanço de energia, com ênfase na ET, através da detecção de alterações espaço-temporais;

 Detectar alterações espaço-temporais da PPB e avaliar a capacidade de fixação de carbono do PNC;

 Analisar os impactos sociais e econômicos da implementação do PNC, sua relação com as alterações do uso e cobertura do solo e apresentação de alternativas.

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CAPÍTULO 1

7 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1.1. Unidades de conservação - conceito e evolução

Unidades de conservação (UC's), áreas protegidas (AP) ou parques são, de forma bem simplificada, áreas nas quais se aplicam determinadas medidas restritivas no uso do solo, com o intuito de proteger uma determinada feição natural ou cultural presente no local. A autoria da ideia de preservação é desconhecida, mas sabe-se que é bem antiga: os Assírios, uma civilização do Oriente Médio, estabeleceram reservas ainda antes do nascimento de Cristo; na Idade Média, a Europa apresentava numerosas áreas de proteção da natureza sob responsabilidade do rei; e na Índia, áreas protegidas existem há mais de um século (RUNTE, 1979).

Apesar de todas essas iniciativas anteriores, a criação do Parque Nacional de Yellowstone, em 1872, foi um marco na evolução do conceito de parque, uma vez que deu origem aos sistemas de UC's que se reproduziram mundialmente. Assim, é nos Estados Unidos da América (E.U.A.) que nasce o conceito de bem público nacional de usufruto democrático aliado a noção de proteção (MORSELLO, 2008).

Gradualmente, as percepções de ambiente mudaram, especialmente, em resposta à evolução no campo das ciências naturais (BRITO, 2000). Assim, à visão de parque para lazer e turismo, foi progressivamente adicionada uma perspectiva ambientalista de preservação da natureza e de sua vida selvagem. O intenso desenvolvimento econômico, em nível mundial, provocou uma considerável melhoria do bem-estar da população, que resultou em um espantoso aumento demográfico, a custo da destruição e transformação dos ambientes naturais. Brito (2000) refere que as áreas protegidas são uma tentativa de contrabalançar o rumo econômico mundial, desempenhando o papel de "antíteses do desenvolvimento".

Dessa forma, se percebe que o conceito de área protegida foi evoluindo com o tempo e foi progressivamente ganhando mais força, tendo iniciado de forma lenta até os anos de 1920 e 1930, período em que apresentou um aumento significativo. Estacionou durante a Segunda Guerra Mundial, mas nos anos de 1950 o incremento tomou um novo impulso. A Figura 1 representa o total de área protegida em km2 desde 1911 até 2011 (IUCN; UNEP-WCMC, 2012) e nela constata-se um incremento exponencial e sem interrupções desde a década de 1970. Em termos de área terrestre, as áreas protegidas representam cerca de 12,7% da superfície (excluindo a Antártida), sendo agora um dos tipos de uso da terra mais importante do planeta (Figura 2) (CHAPE et al., 2008).

8 Figura 1. Crescimento das áreas protegidas designadas a nível nacional no planeta,

entre 1911 e 2011. A linha pontiada assinala o período desde o qual se observa um incremento exponencial.

Fonte: União Internacional para a Conservação da Natureza (IUCN), Programa Ambiental das Nações Unidas – Centro de Monitoramento da Conservação Mundial (UNEP-WCMC).

Figura 2. Distribuição espacial de 177.547 áreas protegidas nacionais no planeta. As

áreas protegidas com uma componentes marítima estão representadas a azul e as áreas protegidas terrestres estão representadas a verde.

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À medida que aumentava o número de parques estabelecidos pelo mundo, aumentava a confusão em relação ao conceito de parque, resultando em uma variedade enorme de significados. Essa inconsistência foi vista como prejudicial para alcançar o apoio popular, para encorajar estratégias de planejamento e, na comparação de características de parques para fins científicos. Assim, a partir de 1930, inicia-se a tentativa de estabelecer um conceito único através de acordos internacionais de proteção à natureza. Com esse objetivo, em 1933 realiza-se em Londres a Convenção para a Preservação da Flora e Fauna em seu Estado Natural. Em 1940, é assinada a “Convenção de Washington” onde se afirmava que os países signatários deveriam empreender esforços para o estabelecimento de novas áreas protegidas em seus territórios. Após várias convenções internacionais, em 1948 é criada a União Internacional para a Proteção da Natureza que veio a originar em 1965 a União Internacional para a Conservação da Natureza (IUCN), a qual perdura até os dias de hoje. Um marco importante dessa organização foi a criação, em 1958, da Comissão Internacional de Parques Nacionais (WCPA) que apresentava como uma das suas principais funções, inventariar todas as áreas protegidas do mundo. Atualmente, a definição de Área Protegida ou Unidade de Conservação reconhecida pela IUCN é: “Uma superfície de terra e/ou mar especialmente consagrada à proteção e manutenção da diversidade biológica, assim como dos recursos naturais e patrimônio cultural associados, e gerida através de meios jurídicos, ou outros meios eficazes.”

1.1.1. Panorama de proteção dos biomas brasileiros

O Brasil, com uma área de cerca de 8,5 milhões de km², alberga uma fatia considerável de toda a diversidade de espécies do mundo. Ocupa o primeiro lugar da listagem mundial de diversidade de primatas (55 espécies, 24% do total mundial), plantas com flor (55.000 espécies, 22% do total mundial), peixes de água-doce (mais de 3.000 espécies, três vezes mais que qualquer outro país) entre outros (MCNEELY et al., 1990). Assim se entende a responsabilidade do país em se destacar também a nível de superfícies protegidas.

O Sistema Nacional de Unidades de Conservação (SNUC), legalmente instituído em 2000 (Lei 9.985, 18 de julho de 2000), congrega todas as áreas protegidas, separando-as em dois grupos: (1) proteção integral, que não podem ser habitadas pelo homem e onde é permitido apenas uso indireto de recursos naturais; e (2) uso sustentável, que admitem a presença de moradores e tentam compatibilizar a

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conservação da natureza com o uso sustentável dos recursos naturais (SILVA, 2005). No Quadro 1 encontram-se os vários tipos de unidades de conservação existentes e seus objetivos.

Quadro 1. Tipos de unidades de conservação, seu domínio, ocupação e objetivos.

UC- TIPO DOMÍNIO E OCUPAÇÃO OBJETIVOS

P

I

Público, as propriedades particulares inseridas em seus limites devem ser desapropriadas

Preservar a natureza e realizar pesquisas científicas

RESERVAS BIOLÓGICAS

(REBIO)

Público, as propriedades particulares inseridas em seus limites devem ser desapropriadas

Preservar integralmente os recursos naturais, sem interferência humana direta ou modificações ambientais PARQUES

NACIONAIS

(PARNA)

Público, as propriedades particulares inseridas em seus limites devem ser desapropriadas

Preservar ecossistemas naturais de grande relevância ecológica e beleza cênica

MONUMENTOS

NATURAIS

(MONAT)

Público. Podem ser constituídos por áreas particulares, desde que seja possível compatibilizar os objetivos da unidade com a utilização da terra e dos recursos naturais do local pelos proprietários

Preservar sítios naturais raros singulares

REFÚGIOS DA VIDA SILVESTRE

(RVS)

Público. Podem ser constituídos por áreas particulares, desde que seja possível compatibilizar os objetivos da unidade com a utilização da terra e dos recursos naturais do local pelos proprietários

Proteger ambientes naturais para manter as condições de reprodução de espécies residentes ou migratórias

U

S

Proteger a diversidade biológica, disciplinar o processo de ocupação e assegurar a sustentabilidade do uso dos recursos naturais

ÁREAS DE

RELEVANTE

INTERESSE

BIOLÓGICO

(ARIB)

Público ou privado. Geralmente de pequena extensão, com pouca ou nenhuma ocupação humana

Manter os ecossistemas naturais de importância regional ou local e regular o uso admissível dessas áreas FLORESTAS

NACIONAIS

(FLONA)

Público, sendo que as áreas

particulares incluídas em seus limites devem ser desapropriadas

Uso múltiplo sustentável dos recursos florestais e a pesquisa científica

RESERVAS EXTRATIVISTAS

(RESEX)

Público, com uso concedido às populações extrativistas tradicionais, sendo que as áreas particulares incluídas em seus limites devem ser desapropriadas.

Proteger os meios de vida e a cultura das populações extrativistas e assegurar o uso sustentável dos recursos naturais da unidade. RESERVAS DE

FAUNA (REF)

Público, sendo que as áreas

particulares incluídas em seus limites devem ser desapropriadas.

Proteção da fauna de espécies nativas, terrestres ou aquáticas, residentes ou migratórias.

RESERVAS DE DESENVOLVIMEN TO SUSTENTÁVEL

(RDS)

Público, sendo que as propriedades particulares incluídas em seus limites devem ser, quando necessário, desapropriadas.

Preservar a natureza e assegurar as condições e os meios necessários para a reprodução e a melhoria dos modos e da qualidade de vida das populações tradicionais. RESERVAS PARTICULARES DO PATRIMÔNIO NATURAL (RPPN)

Privado, é estabelecido um termo de compromisso entre o proprietário e o governo de forma a que seja apenas permitida a pesquisa científica e a visitação com objetivos turísticos, recreativos e educacionais

Conservar a diversidade biológica