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Assessing soil erosion due to land use change at the Alqueva reservoir surrounding area
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Soil erosion is one of the most dynamic environmental and economic threats in Mediterranean regions. As a consequence of water availability in the surrounding area of the Alqueva reservoir, new challenges were created. The conversion from native Montado grassland to intensive and irrigated agriculture, the development of golf resorts and the ongoing climate change were insufficiently considered for the erosion problem during the environmental impact study of the Alqueva project, and consequently there is an urgent need to delineate a sustainable land management for the region.
The main objective of this investigation was to assess current and future soil erosions in the surrounding area of the Alqueva reservoir using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) in combination with Geographic Information Systems (GIS). Different soil erosion factors, the main causes and consequences, and also spatial variability and seasonality were investigated, and a simulation model was developed to support decision based on the acquired scientific knowledge.
On the first part of the study, the RUSLE equation was applied at field scale, and different land uses were selected for erosion assessment (Montado grassland, lucerne cultivation, olive orchard and vineyard). The spatial variability analysis (with geostatistics and HJ-Biplot) indicates that the intensification of land use, with tillage practices and vegetation removal, is likely to increase the susceptibility to soil erosion (soil erodibility). The effect of seasonality on soil erosion was confirmed, with the autumn season contributing the most to annual soil erosion (around 65%).
Future soil erosion scenarios were investigated for the entire study area, according to the expected land use changes (which affect vegetation cover) and climate changes (which affect rainfall-runoff erosivity). The forecasting scenarios of land use changes indicated that the intensive agriculture area is likely to increase, as well as sparse and xerophytic vegetation and rainfall-runoff erosivity. As a consequence, soil erosion in the study area is forecasted to increase from 1.78 t/ha to 3.65 t/ha by 2100. A backcasting scenario was investigated by considering the application of soil conservation practices, that will decrease soil erosion considerably to an average of 2.27 t/ha. For each scenario studied, the sediment delivery was assessed, and for the worst case scenario in 2100, an annual sedimentation value of 182 000 tonnes is predicted for the study area. Finally it was developed a dynamic simulation model for soil erosion performed on Stella, and a graphic user interface as a decision support tool allowing the user (e.g. decision maker) to create, modify, save, and select site specific data. The system simulates the risk for soil erosion for particular local characteristics and land use, and then suggesting soil conservation practices to decrease susceptibility to erosion.
In conclusion, due to its characteristics, the study area is very vulnerable to land degradation processes, which is expected to worsen in the future. The distribution maps provide for a better understand of soil erosion and its processes under local conditions, and for the identification of critical periods, high-risk areas, and their respective causes. This information is crucial to delineate local strategies for sustainable land management, and future scenarios reveal the importance of considering the effects of land use and climate change. The decision support system is a useful tool for the exchange of scientific knowledge; however, close collaboration between scientists and local stakeholders is essential to preserve the natural resources and avoid unnecessary costs. In future research, collaboration with international projects will be important to exchange information and knowledge as a key element in the global effort to fight land degradation and to promote sustainable land management.
A erosão do solo é um dos mais dinâmicos problemas ambientais e económicos nas regiões mediterrânicas. Como consequência da disponibilidade de água, a zona envolvente da albufeira do Alqueva apresenta agora novos desafios e têm-se verificado alterações na paisagem local resultantes sobretudo do aumento do cultivo intensivo em regadio. Além disso, prevê-se um aumento de projetos turísticos (com áreas de golfe) e a produção de biomassa para bioenergia. Estas alterações do uso do solo, associadas às expectáveis alterações climáticas, podem intensificar a erosão do solo na região, a qual terá impactos não só a nível da sustentabilidade e produtividade do solo, mas também no aumento da sedimentação e degradação da qualidade da água da albufeira do Alqueva. Face a esta problemática, e para a definição de uma estratégia de conservação do solo na região, era urgente avaliar os efeitos dessas alterações na erosão do solo, questão à qual foi dada pouca significância aquando da avaliação de impacte ambiental do projeto Alqueva. Este foi o principal objetivo desta investigação, e envolveu o uso da RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) em combinação com Sistemas de Informação Geográfica (SIG) para avaliar a atual e futura erosão do solo na área envolvente à albufeira do Alqueva, compreender quais as principais causas e efeitos, bem como variações espaciais e temporais da mesma. Outro objetivo da tese era criar uma ferramenta de apoio à decisão que sustentasse a gestão e planeamento do uso do solo na região. A investigação foi assim dividida em três partes. A primeira parte envolve a aplicação da RUSLE em áreas experimentais (Herdades) selecionadas, para obtenção de mapas de distribuição da erosão do solo e dos respetivos fatores, incluindo uma análise da variabilidade espacial das propriedades do solo e correlações em diferentes usos do solo, efetuada com recurso a técnicas de geostatística e HJ-Biplot. Uma análise detalhada da sazonalidade de alguns fatores e a sua preponderância na erosão anual do solo é igualmente inserida nesta fase. Na segunda parte é efetuada a simulação de futuros cenários de erosão do solo, para toda a área de estudo, de acordo com as expectáveis alterações climáticas e modificações do uso do solo, sendo para isso utilizada uma abordagem “forecasting” e “backcasting”. Por fim, é apresentada um sistema de simulação da erosão do solo construída com base na informação adquirida e com objetivo de apoiar a tomada de decisão na região. As áreas experimentais foram selecionadas de forma a incluir diferentes usos do solo, nomeadamente o uso tradicional (montado) e outros usos com recurso à rega (cultivo de luzerna, olival e vinha). Os resultados indicam que a intensificação do cultivo com rega, leva a um aumento da suscetibilidade à erosão do solo (erodibilidade do solo), consequência principal das frequentes mobilizações do solo e remoções da vegetação, Confirma-se através dos mapas de distribuição, a variabilidade sazonal da erosão do solo relacionada com as alterações na cobertura pela vegetação e variação da intensidade das precipitações ao longo do ano. Existe uma maior vulnerabilidade à erosão no outono, quando a erosividade das chuvas atinge o seu máximo e a vegetação (especialmente em sistemas naturalizados) é ainda muito baixa após um longo período quente e seco como o verão. Verifica-se que a erosão durante esta estação pode contribuir com cerca de 65% para a erosão anual. Após a análise dos futuros cenários de alteração de uso do solo na área de estudo, verifica-se que há uma tendência para o aumento da agricultura de regadio e como consequência das alterações climáticas, um aumento da vegetação esparsa e xerofítica (que afeta a cobertura pela vegetação) e a intensificação da erosividade da precipitação. Como consequência das alterações uso do solo e do clima, é estimado um aumento da erosão do solo de 1.78 t/ha em 2006 para 3.65t/ha em 2100. De acordo com o cenário “backcasting” que considera a implementação de práticas de conservação do solo, apesar das alterações do uso do solo e do clima, espera-se uma diminuição da erosão para 2.27 t/ha (cerca de 38%). Para cada cenário estudado foram analisados os valores de sedimentação, nomeadamente a quantidade de sedimentos que efetivamente escoam na albufeira, e estima-se que para o pior cenário (em 2100) o valor anual seja cerca de 182 000 toneladas. O sistema dinâmico de simulação da erosão é criado de forma a apoiar a gestão do uso do solo na área de estudo. Este sistema inclui um modelo empírico da erosão do solo criado através do programa Stella, e uma interface criada para que o utilizador (e.g. gestor na região) ao inserir as características locais ou simplesmente selecionando uma área no mapa, consiga uma simulação da suscetibilidade de um determinado solo à erosão. De acordo com o uso e gestão estabelecidos, e a simulação efetuada, são sugeridas recomendações de práticas sustentáveis para prevenção da erosão do solo. Através dos resultados desta investigação conclui-se que é indispensável a implementação de uma estratégia sustentável de gestão e conservação do solo na área envolvente à albufeira do Alqueva. Devido às características da região existe um elevado risco de erosão do solo e o mesmo é expectável de agravar face às alterações climáticas e de uso do solo na região. Os mapas de distribuição e todos os cenários estudados são uteis não só na identificação de períodos mais críticos para a erosão do solo, mas também no reconhecimento de áreas de elevada vulnerabilidade, e as principais causas e consequências de determinadas modificações. Os futuros cenários revelam a importância da definição de uma estratégia baseada não só nas características locais e padrões de sazonalidade, mas também considerando os efeitos das alterações climáticas e de uso do solo. Uma ferramenta de apoio à decisão, como o modelo criado, é útil na partilha do conhecimento científico com os gestores e decisores da região. No entanto, a estreita colaboração entre cientistas e agentes locais é essencial de forma a salvaguardar os recursos naturais da região e evitar custos desnecessários associados. Como futura pesquisa, a colaboração com projetos internacionais será determinante na partilha de conhecimento e estratégias utilizadas fundamentalmente em áreas com problemática semelhante (região mediterrânica).
A erosão do solo é um dos mais dinâmicos problemas ambientais e económicos nas regiões mediterrânicas. Como consequência da disponibilidade de água, a zona envolvente da albufeira do Alqueva apresenta agora novos desafios e têm-se verificado alterações na paisagem local resultantes sobretudo do aumento do cultivo intensivo em regadio. Além disso, prevê-se um aumento de projetos turísticos (com áreas de golfe) e a produção de biomassa para bioenergia. Estas alterações do uso do solo, associadas às expectáveis alterações climáticas, podem intensificar a erosão do solo na região, a qual terá impactos não só a nível da sustentabilidade e produtividade do solo, mas também no aumento da sedimentação e degradação da qualidade da água da albufeira do Alqueva. Face a esta problemática, e para a definição de uma estratégia de conservação do solo na região, era urgente avaliar os efeitos dessas alterações na erosão do solo, questão à qual foi dada pouca significância aquando da avaliação de impacte ambiental do projeto Alqueva. Este foi o principal objetivo desta investigação, e envolveu o uso da RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) em combinação com Sistemas de Informação Geográfica (SIG) para avaliar a atual e futura erosão do solo na área envolvente à albufeira do Alqueva, compreender quais as principais causas e efeitos, bem como variações espaciais e temporais da mesma. Outro objetivo da tese era criar uma ferramenta de apoio à decisão que sustentasse a gestão e planeamento do uso do solo na região. A investigação foi assim dividida em três partes. A primeira parte envolve a aplicação da RUSLE em áreas experimentais (Herdades) selecionadas, para obtenção de mapas de distribuição da erosão do solo e dos respetivos fatores, incluindo uma análise da variabilidade espacial das propriedades do solo e correlações em diferentes usos do solo, efetuada com recurso a técnicas de geostatística e HJ-Biplot. Uma análise detalhada da sazonalidade de alguns fatores e a sua preponderância na erosão anual do solo é igualmente inserida nesta fase. Na segunda parte é efetuada a simulação de futuros cenários de erosão do solo, para toda a área de estudo, de acordo com as expectáveis alterações climáticas e modificações do uso do solo, sendo para isso utilizada uma abordagem “forecasting” e “backcasting”. Por fim, é apresentada um sistema de simulação da erosão do solo construída com base na informação adquirida e com objetivo de apoiar a tomada de decisão na região. As áreas experimentais foram selecionadas de forma a incluir diferentes usos do solo, nomeadamente o uso tradicional (montado) e outros usos com recurso à rega (cultivo de luzerna, olival e vinha). Os resultados indicam que a intensificação do cultivo com rega, leva a um aumento da suscetibilidade à erosão do solo (erodibilidade do solo), consequência principal das frequentes mobilizações do solo e remoções da vegetação, Confirma-se através dos mapas de distribuição, a variabilidade sazonal da erosão do solo relacionada com as alterações na cobertura pela vegetação e variação da intensidade das precipitações ao longo do ano. Existe uma maior vulnerabilidade à erosão no outono, quando a erosividade das chuvas atinge o seu máximo e a vegetação (especialmente em sistemas naturalizados) é ainda muito baixa após um longo período quente e seco como o verão. Verifica-se que a erosão durante esta estação pode contribuir com cerca de 65% para a erosão anual. Após a análise dos futuros cenários de alteração de uso do solo na área de estudo, verifica-se que há uma tendência para o aumento da agricultura de regadio e como consequência das alterações climáticas, um aumento da vegetação esparsa e xerofítica (que afeta a cobertura pela vegetação) e a intensificação da erosividade da precipitação. Como consequência das alterações uso do solo e do clima, é estimado um aumento da erosão do solo de 1.78 t/ha em 2006 para 3.65t/ha em 2100. De acordo com o cenário “backcasting” que considera a implementação de práticas de conservação do solo, apesar das alterações do uso do solo e do clima, espera-se uma diminuição da erosão para 2.27 t/ha (cerca de 38%). Para cada cenário estudado foram analisados os valores de sedimentação, nomeadamente a quantidade de sedimentos que efetivamente escoam na albufeira, e estima-se que para o pior cenário (em 2100) o valor anual seja cerca de 182 000 toneladas. O sistema dinâmico de simulação da erosão é criado de forma a apoiar a gestão do uso do solo na área de estudo. Este sistema inclui um modelo empírico da erosão do solo criado através do programa Stella, e uma interface criada para que o utilizador (e.g. gestor na região) ao inserir as características locais ou simplesmente selecionando uma área no mapa, consiga uma simulação da suscetibilidade de um determinado solo à erosão. De acordo com o uso e gestão estabelecidos, e a simulação efetuada, são sugeridas recomendações de práticas sustentáveis para prevenção da erosão do solo. Através dos resultados desta investigação conclui-se que é indispensável a implementação de uma estratégia sustentável de gestão e conservação do solo na área envolvente à albufeira do Alqueva. Devido às características da região existe um elevado risco de erosão do solo e o mesmo é expectável de agravar face às alterações climáticas e de uso do solo na região. Os mapas de distribuição e todos os cenários estudados são uteis não só na identificação de períodos mais críticos para a erosão do solo, mas também no reconhecimento de áreas de elevada vulnerabilidade, e as principais causas e consequências de determinadas modificações. Os futuros cenários revelam a importância da definição de uma estratégia baseada não só nas características locais e padrões de sazonalidade, mas também considerando os efeitos das alterações climáticas e de uso do solo. Uma ferramenta de apoio à decisão, como o modelo criado, é útil na partilha do conhecimento científico com os gestores e decisores da região. No entanto, a estreita colaboração entre cientistas e agentes locais é essencial de forma a salvaguardar os recursos naturais da região e evitar custos desnecessários associados. Como futura pesquisa, a colaboração com projetos internacionais será determinante na partilha de conhecimento e estratégias utilizadas fundamentalmente em áreas com problemática semelhante (região mediterrânica).
Description
Tese de doutoramento, Ciências do Mar, da Terra e do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015
Keywords
Gestão ambiental Erosão do solo Uso do solo Alterações climáticas Sazonalidade Sedimentação Conservação do solo Sustentabilidade Albufeira do Alqueva