MODIFICAES DA DINMICA HIDROLGICA DO SOLO EM RESPOSTA AS MUDANAS
DE USO E COBERTURA: UM ESTUDO DE CASO NA REGIO SERRANA DO RIO DE
JANEIROSarah Lawall (mestranda/PPGG-UFRJ/ [email protected])
Ana Carolina Ferraz dos Santos (graduanda/
DGEO-UFRJ/[email protected]) Pamela de Figueiredo Curvelo da
Silva (graduanda/ DGEO-UFRJ/[email protected]) Patrcia
de Oliveira da Mota ((graduanda/
DGEO-UFRJ/[email protected]) Nelson Ferreira Fernandes
(Prof. Assistente DGEO - UFRJ/[email protected])
A infiltrao o processo de entrada da gua no perfil do solo. Ela
sensvel s mudanas de uso e cobertura podendo alterar as
propriedades fsicas do solo e intensificar o escoamento
superficial. Isso se torna mais grave em reas de relevo acidentado,
como o caso da Bacia Hidrogrfica do Bonfim a qual, possui
marcadamente, trs tipos de uso e cobertura: florestal, agrcola e
pastagem. Com isso, objetiva-se entender o processo de infiltrao e
movimentao da gua no perfil do solo em diferentes reas na bacia do
Bonfim. Como metodologia, na anlise do topo do solo utilizou-se
infiltrmetros de anel duplo mantendo uma carga constante de 10 cm,
obtendo-se a taxa de infiltrao bsica (TIB). J para as profundidades
de 20 e 50 cm foi utilizado o Permemetro (tipo Guelph) modelo IAC
(Instituto Agronmico de Campinas) mantendo uma carga hidrulica
constante de 10 cm, permitindo assim, calcular a condutividade
hidrulica saturada (Ksat). Paralelamente, foi descrito o perfil do
solo in situ visando anlise da algumas propriedades como, textura e
estrutura do solo. Como resultado pode-se observar que, tanto para
TIB quanto Ksat tiveram uma reduo decrescente da infiltrao seguindo
floresta, agricultura e pastagem. Os resultados da TIB nas
florestas so de 2 a 15 vezes superiores s reas agrcolas. Para Ksat
observou-se, nas profundidades de 20 cm, que a Ksat maior nas reas
florestadas em relao agrcola e pastagem (na ordem de 5 a 20). No
entanto, quando se analisa o poo a 50 cm, a Ksat na floresta foi
menor em relao agricultura e a pastagem que mantiveram os valores
encontrados em 20 cm ou tornaram-se maiores nessa profundidade.
Isso pode ser justificado pela atuante atividade biognica na rea de
floresta e o manejo inadequado para esses ambientes na pastagem e
agricultura. Palavras-chave: infiltrao, uso e cobertura,
mensurao.
The infiltration is the process that characterizes the entrance
water in the soil. This process is affected by modifications in
soil use and cover which may alter soil physical properties and
increase surface runoff. These changes become more important in
areas with a hilly topography, such as the Bonfim river drainage
basin, which has three different types of usage and soil cover:
forest, agriculture and grazing. The main purpose here is to
characterize the processes of water infiltration and redistribution
inside the soil profile in different areas of the studied basin. At
the top of the soil profile, the basic infiltration rate (TIB) was
obtained using a double ring infiltrometer with a 10cm constant
head. For the upper portions of the soil profile (20cm and 50cm
depths), in turn, the soil saturated hydraulic conductivity (K sat)
was measured using a Guelph-type field permeameter, also under a
10cm constant head. In parallel, disturbed and undisturbed soil
samples were collected to characterize some soil physical
properties, like texture and
structure. The results show that both TIB and Ksat values
decrease in the following order: forest, agriculture and grazing.
TIB values for soils under forest are 2 to 15 times greater than
the ones measured under agriculture. The results also show that
Ksat values at 20cm depth, for soils under forest, are 5 to 20
times greater than the ones observed for soils under agriculture
and grazing. However, for greater depths (50cm), Ksat values under
forest are smaller than the ones measured at agriculture and
grazing. The higher Ksat values observed for soils under forest at
20cm depths may be due to the characteristics of their A horizon
and the intense associated biogenic activity. Key-words:
infiltration, use and cover, measuring.
O dueto solo e gua so, dentre os recursos naturais, elementos
absolutamente imprescindveis para a manuteno da vida humana e
desenvolvimento socioeconmico populacional. Porm, formas de produo
e reproduo do espao geogrfico, especialmente em ambientes urbanos e
agrcolas, vm comprometendo a qualidade e quantidade desse recurso
deixando dvidas sobre a garantida desse bem para as geraes futuras.
A degradao do solo por retirada da vegetao, manejo inadequado da
produo agrcola e o pastoreio tem comprometido a qualidade das
propriedades fsicas do solo e, por conseguinte, desequilibrando a
relao infiltrao e escoamento superficial. Entende-se como infiltrao
o processo natural de entrada em superfcie e movimentao de gua em
superfcie para interior do solo (DUNE & LEOPOLD, 1978). O
processo de passagem da superfcie para o interior do solo depende
fundamentalmente da disponibilidade para infiltrar, da natureza do
solo, do estado da sua superfcie e das quantidades de gua e ar,
inicialmente presentes no seu interior. Os principais fatores
reguladores desse processo so as caractersticas das precipitaes, as
condies e caractersticas dos solos, umidade antecedente e cobertura
vegetal (Coelho Neto, 1998; Tucci e Clark, 1998). Dentre os fatores
reguladores, a cobertura vegetal tem seu papel de destaque uma vez
que, pode influenciar de forma direta nos demais fatores. A vegetao
reveste o topo do solo protegendo-o dos processos erosivos; fonte
de matria orgnica que, quando transformada em hmus, garante o teor
de gua nos horizontes superficiais e uma boa percolao. Esse
verdadeiro manto que a cobertura vegetal faz no solo, age
positivamente reduzindo o escoamento superficial e a eroso dos
solos (Bertoni e Lombardi Neto, 2008). Neste contexto, a floresta
como uma rea controle dos processos hidrolgicos e das propriedades
dos solos, destacando que neste tipo de cobertura que se encontra o
clmax na inter-relao cobertura vegetal-condies do solo-infiltrao
(Tucci e Clark, 1998). Ento, compreende-se que uma vez substituda,
imediatamente acarretar para o sistema, mudanas significativas na
composio superficial dos solos e, por conseguinte, alteraes na
dinmica hidrolgica local. As principais propriedades fsicas
e hdricas dos solos que tem relao direta com os processos
hidrolgicos e, que servem como parmetros para avaliar as intervenes
nos sistemas so: a textura, a estrutura, a densidade global das
partculas e a permeabilidade. Alteraes e distrbios nesse processo
esto freqentemente atrelados s bruscas mudanas e superposies de
diferentes tipos de uso e cobertura do solo, condicionando
desequilbrios no comportamento hidrolgico de determinadas bacias
hidrogrficas. Esse cenrio de degradao tem sido freqentemente
notificado em bacias hidrogrficas brasileiras, ampliando assim, a
necessidade e o interesse por estudos relacionados ao monitoramento
hidrolgico. O conhecimento do processo de infiltrao fornece
subsdios para um eficiente manejo do solo e da gua, dimensionamento
de reservatrios, estruturas de controle de eroso e inundao, canais
e sistemas de irrigao e drenagem (Pruski et al. 2003). Visando
entender a resposta hidrolgica dos solos em diferentes tipos de uso
e cobertura, esse trabalho se fundamenta, de forma preliminar, no
estudo hidrolgico de uma topossequncia selecionada na Bacia do
Bonfim, regio serrana do Rio de Janeiro, submetida a dois tipos de
usos e cobertura distintos, ou seja, agrcola e florestal. Nessa
encosta foram avaliados alguns parmetros dentre os quais
destaca-se, a capacidade de infiltrao da gua em superfcie (TBI), a
condutividade hidrulica saturada que obtm dados acerca da
permissividade do solo a passagem de gua e por fim, analise desse
meio poroso atravs da caracterizao das fraes granulomtricas. Com
isso, espera-se ressaltar a importncia do estudo da infiltrao
amparada na forma como homem vem produzindo e reproduzindo o espao
geogrfico e como conseqncia, vem deixando marcas que so ora
reparveis ora irreparveis.
Materiais e Mtodos
rea de estudo
A topossequncia selecionada insere-se na bacia hidrogrfica do
Bonfim est localizada na Regio Serrana do Estado do Rio de Janeiro,
nos limites do distrito de Correas no municpio de Petrpolis. Ela
uma das sub-bacias do rio Piabanha, que principal rio que corta a
regio desembocando no Paraba do Sul.
Figura 01: Mapa de Localizao da Bacia do Bonfim, distrito de
Correas-Petrpolis, regio serrana do Rio de Janeiro. Fonte: Coura,
P.H.F. e Lawall, S. Conhecida localmente por vale do Bonfim, esta
bacia tem como principais atividades o plantio de hortalias e o
turismo (ligado ao turismo de aventura e ao ecoturismo). Parte de
sua delimitao integra os limites do Parque Nacional da Serra dos
rgos (criado de 1939), o que tem acarretado uma srie de conflitos
fundirios locais. Em relao ao uso e cobertura do solo, a bacia do
Bonfim bem compartimentada destacando em suas cabeceiras, reas
preservadas com espcies nativas de mata atlntica. J no curso mdio
do rio Bonfim, localiza-se as reas de agricultura intensiva
(olericultura) e em pequena expresso, a pastagem. E por fim, no
baixo curso, a expanso urbana dividindo-se em reas densamente
ocupadas, por populao mais carente e, as casas de veranistas com
luxuosos condomnios. O estudo preliminar da movimentao da gua no
solo foi realizado em uma vertente tendo como uso predominante mata
em estagio de regenerao (aproximadamente 10 anos) por atividade
agrcola pretrita e agricultura (plantao de couve), conforme
apresenta-se a figura 02.
Figura 2: rea de estudo na bacia hidrogrfica do Bonfim, RJ.
Topossequncia com destaque para a mata e agricultura, coberturas
estudadas. Quanto s caractersticas ambientais, esta localidade
possui clima mesotrmico mido, com chuvas intensas e temperaturas
amenas, tendo os maiores ndices pluviomtricos prximos aos divisores
de drenagem, mdia anual de 2000 mm. Com topografia bastante
acidentada, a bacia cercada por grandes macios arredondados de
rochas aflorantes bem fraturas e ainda, presena de depsito de tlus
distribudos ao longo da encostas e canais de drenagem. A geologia
corresponde ao predomnio de rochas da Srie Serra dos rgos sendo
estes Gnaisses Granitides, passando localmente a tipos Granticos e
ainda, a Migmatitos de modo subordinado. Com relao aos aspectos
geomorfolgicos, as feies locais so distribudas entre zonas
colinosas, zonas montanhosas e, vertentes extremamente escarpadas,
ngremes com paredes abruptos. Os vales, de formato V so bem
encaixados e dissecados pela drenagem do Bonfim.
Em relao s classes de solos, h predomnio dos Neossolos Litlicos
seguido de solos mais profundos no curso mdio do Bonfim, onde o
vale se suaviza e forma-se condies favorveis ao desenvolvimento dos
Cambissolos e Latossolos (Goulart, 1999; Martins, 2007). Cabe
enfatizar que a Bacia Bonfim integra uma das bacias experimentais
do Projeto EIBEX (Estudos Integrados de Bacias Experimentais
Parametrizao Hidrolgica na Gesto de Recursos Hdricos das Bacias da
Regio Serrana do Rio de Janeiro). Este projeto sendo desenvolvido
com apoio do MCT/ FINEP/CT-HIDRO tendo como instituies executoras a
COPPE-UFRJ e CPRM Servio Geolgico do Brasil, alm das instituies
colaboradoras tais como, IGEO UFRJ e CATO-UERJ (COPPETEC, 2007). O
EIBEX tem como objetivo maior entender a dinmica hidrolgica da
regio, nas variadas escalas temporais e espaciais, sobre diferentes
tipos de uso e ocupao do solo. Para tal, selecionou-se uma bacia
representativa que a do Piabanha e trs experimentais, sendo uma
delas a do Bonfim tendo como critrio, o uso e ocupao predominante,
no caso da bacia em estudo, a agricultura.
Mtodos
1- Unidade Morfopedolgica A seleo dos pontos de ensaios de campo
contou, em primeiro momento, com a distino dos ambientes tendo como
critrio, a forma das encostas e a classe de solos. Com isso,
tentou-se ressaltar para o estudo da infiltrao, a participao de
diferentes tipos de uso, tendo como principais na encosta a mata em
regenerao e agricultura. Como suporte a esta seleo dos ambientes
foram utilizados mapas de Geomorfologia e Solos produzidos por
Goulart (1999); MDT (Modelo Digital do Terreno) e mapa de
declividade gerado sobre dados altimtricos da Carta Topogrfica de
Petrpolis, todos com escala 1:10.000. Dentre as unidades
pr-selecionadas, elencou-se para este estudo preliminar uma unidade
como as seguintes caractersticas: solos mais rasos, Neossolo
Litlicos com vertentes retilneas, declividade varivel entre 20 a
45%. Foram realizados ensaios de infiltrao, permeabilidade e
coletas de amostras de solo em trs pontos distintos na rea de mata
(F1 A,B,C) e trs a parte agrcola (A1, A,B,C). Estes pontos so
representados no esquema a seguir juntamente com a fotografia da
encosta.
Figura 3: Encosta escolhida para ensaios de campo no estudo da
Infiltrao.
2- Taxa de Infiltrao Bsica Para a determinao da taxa bsica de
infiltrao (TBI) utilizou-se o infiltrmetro de anel duplo tendo como
foco a anlise dos primeiros centmetros do solo. Durante a realizao
dos ensaios procurouse manter uma lmina de gua de 5 centmetros em
ambos os cilindros, sendo recarregados manualmente. As leituras
foram feitas atravs de uma rgua graduada ligada a uma bia colocada
no cilindro interno, em intervalos de tempo que variaram em cada
ensaio, de acordo com a velocidade em que a gua infiltrava no solo.
Os ensaios foram realizados at que a quantidade de gua infiltrada
fosse aproximadamente constante com o tempo (mnimo de 2,5 h). Os
dados obtidos foram tabulados em uma planilha, para facilitar os
clculos. A taxa bsica de infiltrao foi obtida atravs da equao (1):
TBI (cm/h) = Variao de leitura (cm) X 60 Intervalo de tempo da
leitura (min)
(1)
3- Condutividade Hidrulica Saturada de Campo Para aferir a
Condutividade Hidrulica Saturada (ksat), utilizou-se o Permemetro
de Carga Constante de Campo (tipo Guelph) com carga hidrulica
constante de 10 cm. Esses ensaios foram feitos
nas profundidades de 20 e 50 cm, buscando estabelecer uma
correlao com as mudanas de manejo e as propriedades fsicas do solo
em superfcie e subsuperfcie. Os dados de campo so anotados em
planilha especifica e aps ensaios so obtidos os valores de Ksat em
cm/s atravs do uso da equao de Elrich et al. (1989), representada a
seguir.
(2) onde, Ksat = Condutividade Hidrulica saturada (L/T) C =
constante de proporcionalidade adimensional Q = vazo constante
(L3/T) a = raio do furo (L) H = Carga constante aplicada (L) =
parmetro de correo do meio poroso (L) 4- Amostras Deformadas e
Indeformadas Como suporte as dados de TIB e Ksat, foram coletadas
amostras deformadas para exame de granulometria atravs do mtodo
Embrapa (1996) nas profundidades de 0-10, 20-30, 40-50 cm. Para
indeformadas, foram utilizados extratores do tipo Uhland com anis
volumtricos de 100 cm3, coletadas nas profundidades de 0-5, 20-25 e
45 a 50 cm. Dessas amostras pretende-se extrair dados de macro e
microporosidade, porosidade total, densidade global e de partculas
que sero submetidas ao Mtodo da Mesa de Tenso (Embrapa, 1996).
Resultados e Discusses
Os resultados obtidos tanto da Condutividade Hidrulica Saturada
quanto da Taxa Bsica de Infiltrao foram organizados na tabela 1 a
seguir.
Ponto do ensaio
Cobertura e uso do solo
Ksat (10 -5cm/s) 20 cm
Ksat (10 -5cm/s) 50 cm
Taxa Bsica de Infiltrao (cm/h)
A1-A
Agrcola
0,54
0,22
12
A1-B
Agrcola
0,12
0,12
48
A1-C
Agrcola
5,39
2,94
72
F1-A
Florestal
4,57
0,28
180
F1-B
Florestal
4,20
1,22
144
F1- C
Florestal
11,5
4,9
s/d
Tabela 1: Resultados de Ksat em cm/s (condutividade hidrulica
saturada) e TBI em cm/h (Taxa Bsica de Infiltrao) nos determinados
pontos seguindo os dois tipos de uso escolhidos, agricultura e
floresta.
Em geral, como observado na tabela, pode-se denotar que tanto a
condutividade hidrulica saturada quanto a taxa de infiltrao bsica
so maiores em ambientes florestados. Isso pode ser atribudo,
primeiramente, a um sistema radicular mais bem desenvolvido na
superfcie e associada a significante serrapilheira (aproximadamente
5 a 7 cm de espessura) em ambientes florestais, que distribuem o
fluxo de gua que chega nessa regio mantendo a umidade do solo nos
horizontes subjacentes (Coelho-neto, 1998). Cabe ressaltar tambm a
existncia das biocavidades, como as formadas por formigas e
minhocas, como exemplo, que tambm podem funcionar como fluxos
preferenciais, destacado pelo artigo de Morais e Bacellar
(2008).
Alm desse fator, a grande quantidade de matria orgnica fornecida
pela mata, ajuda no aumento da macroporosidade da parte mais
superficial do solo e na estabilidade dos agregados formados, assim
como a cobertura vegetal exerce uma proteo contra o impacto direto
das gotas de chuva no solo, resultando em maiores taxas de
infiltrao, como verificado no trabalho de Souza et al (2004). A
influncia positiva da cobertura vegetal na capacidade de infiltrao
dos solos demonstrada em vrios trabalhos tais como Souza et al
(2004) que estudou a infiltrao em diferentes sistemas de manejo e
floresta na Amaznia, Jordan et al. (2008) que avaliaram a resposta
hidrolgica de reas degradadas e de floresta natural em uma encosta
na Espanha e ainda, Tian et al (2008) com acompanhamento do
crescimento de pinheiros na China e sua relao com o aumento da
infiltrao. . A TBI nas reas de florestas foram de 2 a 15 vezes
superiores que nas reas agrcolas, devido a fatores como os acima
mencionados. Os resultados encontrados so similares ao trabalho de
Yimer et al (2008), que ao estudar os efeitos na capacidade de
infiltrao decorrentes da passagem de florestas para reas cultivveis
na Etipia, encontraram uma reduo de 70% da TIB das reas agrcolas
comparadas s florestais. Arajo et al. (2007) encontraram uma TBI um
pouco mais elevada do que este trabalho para reas de Cerrado Nativo
(204 cm/h), assim como um menor valor para rea de produo de gros
(2,1 cm/h). Lipiec et al. (2006), tambm para cultivos de gros em um
solo franco-siltoso, encontraram uma TIB de 17 cm/h. A capacidade
de infiltrao nas reas agrcolas apresentou as maiores diferenas
entre si. O ponto localizado na parte inferior da encosta (A1 A) o
que possui menor valor de TIB, enquanto os outros dois (A1 B e A1
C), localizados no tero mdio da encosta, apresentam valores mais
elevados. Uma possvel hiptese para esse resultado, que a encosta
estudada se trata de um colvio, e logo, apresenta grande
heterogeneidade de materiais, influenciando na diversidade dos
dados de infiltrao. Alm disso, com o passar do tempo, o material
mais fino tende a ser depositado no seu tero inferior tornando as
camadas mais superficiais mais argilosas e reduzindo a
macroporosidade. Porm, essa hiptese s poder ser confirmada com a
realizao da anlise granulomtrica em laboratrio das amostras
recolhidas em campo. Nos resultados de condutividade hidrulica
saturada, para as reas de cobertura vegetal florestal a Ksat foi
maior na profundidade de 20 cm em relao de 50. A participao da
atividade biognica nas camadas mais superficiais intensa,
permitindo a formao de macro e megaporos no solo, por onde a gua
flui por fluxo preferencial. Nos primeiros 5 cm do solo,
encontra-se razes fasciculares onde os gros dos solos so fixados
formando pequenos grumos que auxiliam a percolao da gua dentro do
perfil. Em Mesquita et al (2004) encontra-se a relao entre a Ksat e
os atributos fsicos do solo em diferentes ambientes,
responsabilizando o aumento do fluxo de gua no solo pela conexo e
formao de pequenos dutos por atividade biognica.
Em relao mudana nos valores de condutividade hidrulica saturada
ao longo do perfil na Floresta, observou-se em campo, uma mudana no
gradiente textural e a estrutura identificada foi blocos
subangulares. Os ensaios realizados em 50 cm afastam da zona de
razes onde prevalecem s caractersticas pedolgicas do perfil. Essa
mudana na textura e estrutura em relao aos primeiros centmetros,
pode ter interferido na conduo da gua para o interior do perfil,
reduzindo mais que a metade dos valores encontrados em 20 cm. Nos
artigos de Wu et al (1993) Beven et al (1982) e Mesquita (2004) h
uma discusso em torno da condutividade associada frao
granulometria, afirmando a reduo dos fluxos em detrimento as fraes
mais finas, intensificando essa queda quando no estruturados. Em se
tratando dos pontos com presena de agricultura, a Ksat foi maior em
20 cm que em 50 cm nos pontos A1 A e A1 C. J no ponto A1 B ela se
manteve constante ao longo das duas profundidades. O revolvimento
do solo para o plantio pode ter aumentado a aerao e porosidade
gerando condies para melhor percolao. Esse tipo de preparo melhora
a qualidade do solo para a infiltrao em curto prazo, no entanto, em
longo prazo, pode reduzir a permeabilidade pela modificao na
densidade e porosidade como apontado por Cavalieri et al (2009) no
estudo de solos com manejo e sem manejo no Paran. Com exceo do
ponto A1 C, nota-se uma menor permeabilidade em relao floresta. O
revolvimento do solo com arado a cada ciclo (em torno de 3 meses)
de plantio e colheita das hortalias altera a estrutura do solo,
influenciando nesses valores. Outro dado a ser confirmado com
estudos das propriedades fsicas mais amide, a influencia desse
manejo na densidade do solo e porosidade (macro e micro). Exemplos
de alteraes dessas propriedades fsicas so verificados nos trabalhos
de Silva et al (2005) que estudou a solos do Tabuleiro Costeiro com
diferentes formas de manejo no plantio da cana-deacar comparando
com ambientes florestados e, Souza (2004) que comparou essas mesmas
propriedades em diversos sistemas de plantio em solos Amaznico,
encontrado menor densidade global e maior presena de macroporos em
solos sobre capoeira, guaran e floresta. Resumidamente, observa-se
uma maior percolao na rea de floresta em relao a agrcola, tanto
para TIB quanto para Ksat. Nos ensaios realizados em 50 cm, nas
duas reas os dados so prximos, o que podemos destacar as maiores
diferenas nas camadas mais superficiais. A anlise das propriedades
fsicas permitir maior suporte para discusso desses resultados uma
vez que as medidas de densidade e porosidade do o parecer de como o
solo se comportar frente entrada de gua.
CONCLUSO Pode-se concluir com esse estudo preliminar que as
mudanas no tipo de uso e cobertura do solo acarretam mudanas no
comportamento da infiltrao e percolao da gua no solo. A relao entre
degradao e falta de manejo adequado diretamente proporcional
intensidade dos impactos sofridos pelos solos e estes, tornam-se
potencialmente mais afetados quando em ambientes serranos (pela
prpria ao gravitacional). O ambiente florestado possui condies
ideais para conservao e regenerao das propriedades fsicas dos
solos. A floresta tida como um timo nos estudos que envolvem a
infiltrao. No entanto, ainda temos que evoluir positivamente na
comparao de ambientes florestados e na afirmao do quanto ela um
timo para a hidrologia. Tambm traarmos rumos na comparao de
ambientes no somente florestados e com agricultura, mas, tambm, com
pastagem e em outras unidades morfopedolgicas. Essa bacia
hidrogrfica do Bonfim uma bacia experimental no estudo hidrolgico e
na parametrizao e com isso, pretende futuramente, explorar mais
pontos extrapolveis a escala da prpria Bacia e tambm, gerar modelos
hidrolgicos aplicveis a ambientes serranos.
AGRADECIMENTOS
CNPq apoio financeiro com a bolsa de mestrado Projeto EIBEX
financiamento dos instrumentos e apoio. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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