1. INTRODUÇÃO
O Brasil possui grandes áreas destinadas à pecuária extensiva, baseada em pastagens compostas por plantas forrageiras, e áreas de cultivo como soja e cana-de-açúcar, ocupando principalmente áreas de Cerrado nativo que diminuíram consideravelmente nos últimos 50 anos (Marris, 2005). Estima-se que 42% das áreas originais do bioma Cerrado são ocupadas por pastagens, 11% pela agricultura, 2% por outros usos do solo e aproximadamente 45% pela cobertura original (Klink e Machado, 2005; Stevens et al., 2017). A substituição do Cerrado nativo por pastagens e, posteriormente, por cana-de-açúcar, pode ser considerada uma potencial mudança de uso do solo (Alkimim et al., 2015). Entretanto, poucos são os estudos sobre os efeitos dessa dinâmica de alteração no uso do solo (Bonan, 2008; Loarie et al., 2011; Grecchi et al., 2014).
No Estado de São Paulo, os níveis mínimos de preservação das áreas inseridas no Bioma Cerrado não são atingidos em grande parte do território (Soares-Filho et al., 2014). Essas áreas de Cerrado nativo são fontes primárias para a expansão de áreas agrícolas nos trópicos (Gibbs et al., 2010; Lapola et al., 2013), podendo ocasionar alterações significativas em processos hidrológicos e na conservação do solo (Loarie et al., 2011; Oliveira et al., 2014; Oliveira et al., 2015; Nobrega et al., 2017). Esses processos em zonas tropicais e subtropicais são diferentes de outras regiões do globo, pois possuem maior disponibilidade de energia solar e estão mais suscetíveis a mudanças no meio, que incluem a influência antrópica. Nesse sentido, os processos hidrológicos em diferentes escalas são pouco conhecidos nas zonas tropicais e subtropicais, despertando necessidades como: estudos básicos em campo, a aquisição e disponibilização de dados obtidos a longo prazo; e o desenvolvimento e aplicação de modelos matemáticos (Wohl et al., 2012; Burt e Mcdonnell, 2015).
A literatura mostra que florestas nativas ajudam a manter o ciclo hidrológico (Krishnaswamy et al., 2013; Ghimire et al., 2014). A evapotranspiração surge como um componente chave no controle da recarga do aquífero em áreas que fazem parte do Sistema Aquífero Guarani (SAG) (Wendland et al., 2007; Lucas e Wendland, 2015). Logo, o balanço hídrico deve ser bem compreendido para entender as respostas dos diferentes usos do solo, permitindo a avaliação dos ganhos e perdas que acontecem no ciclo hidrológico e na conservação do solo quando mudanças são realizadas (Krishnaswamy et al., 2013; Frank et al., 2014; Ghimire et al., 2014) devido às pressões econômicas e ambientais (Barretto et al., 2013). Estudos experimentais em processos hidrológicos e erosivos são cruciais para melhorar a eficiência da produção agrícola enquanto se promove o desenvolvimento sustentável. Portanto, é importante a execução desses estudos experimentais para fornecer novas
perspectivas e soluções para diminuir a erosão do solo e promover o equilíbrio do ciclo hidrológico frente às constantes alterações no uso do solo (Dotterweich, 2013; Nobrega et al., 2017). Pesquisas desse tipo podem ser realizadas utilizando parcelas experimentais que consistem em uma vertente topográfica delimitada por chapas metálicas que formam um volume de controle, onde o escoamento superficial e o solo erodido são constantemente coletados em uma única saída, sendo também possível determinar a evapotranspiração e o conteúdo de água no solo (Toy et al., 2002; Morgan, 2009; Sadeghi et al., 2013; Oliveira et al., 2015; Mwango et al., 2016; Oliveira et al., 2016; Strohmeier et al., 2016; Youlton et al., 2016b; Zhao et al., 2017).
Além das alterações no uso do solo, a variabilidade climática pode afetar áreas agrícolas, e, consequentemente, o ciclo hidrológico e os processos erosivos (Lapola et al., 2013; Li e Fang, 2016). Dessa forma, as pesquisas experimentais considerando vertentes com diferentes usos do solo também são necessárias para melhor entender o que acontece com a dinâmica da água e a erosão do solo perante o caráter estocástico do clima (Kim et al., 2016). Assim, existe a necessidade de estudos experimentais de longo período e, na falta deles, a modelagem pode ser alternativa para previsões, tomadas de decisão e avaliação da sustentabilidade ambiental. Porém, muitos modelos de erosão do solo não incluem o escoamento superficial como fator e modelos empíricos, como a USLE (Universal Soil Loss Equation) (Wischmeier e Smith, 1978), não podem ser aplicados irrestritamente no Brasil. Esses problemas podem ocorrer pois os parâmetros de entrada de modelos empíricos são baseados em observações de longo período nos Estados Unidos, nas suas condições ambientais, onde esses modelos apresentam desempenho satisfatório (Oliveira et al., 2016; Kinnell, 2017).
Modelos de base física, como o WEPP (Water Erosion Prediction Project) (Nearing et al., 1989; Flanagan et al., 2007) podem ser aplicados em diferentes condições para a estimativa de escoamento superficial e erosão do solo. O WEPP foi lançado publicamente em 1995 pelo USDA-ARS (United States Department of Agriculture – Agricultural Research Service) como uma nova geração tecnológica para predição de processos erosivos para ser utilizada como ferramenta de planejamento e gestão na conservação do solo e da água (Flanagan et al., 2001). O WEPP considera os mecanismos de infiltração de água no solo, escoamento superficial, crescimento de plantas, decomposição de resíduos, condições do solo e mecanismos de erosão do solo. O WEPP demonstrou ser eficiente em suas simulações e na capacidade de estimar as distribuições espacial e temporal do escoamento superficial e da erosão em escala de vertentes ou pequenas bacias hidrográficas (Tiwari et al., 2000; Pandey et al., 2016).
1.1. Hipóteses
Essa breve análise do estado da arte permite formular as hipóteses primárias que justificam o desenvolvimento desta tese: (i) a substituição de áreas de Cerrado sensu stricto por pastagens, cana-de-açúcar, ou solo exposto pode provocar alterações significativas no ciclo hidrológico, e um aumento nas taxas de perda de solo; (ii) os processos hidrológicos como o escoamento superficial e a erosão do solo são pouco observados sob chuva natural no Brasil; (iii) a longo prazo, acontece um aumento da variabilidade das componentes do balanço hídrico e das taxas de perda de solo; (iv) o impacto das mudanças climáticas no escoamento superficial e na erosão do solo pode ser estimado com o uso de modelos matemáticos.
1.2. Objetivos
Este trabalho tem como objetivo compreender as relações, trocas, variações e tendências das componentes do balanço hídrico e dos processos erosivos em potenciais mudanças no uso do solo que são encontradas no Sudeste do Brasil: de condições naturais (Cerrado sensu stricto) para pastagem (Brachiaria decumbens), cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) e solo exposto. Para isso, foram traçadas as seguintes metas específicas:
(i) Melhor entender as taxas de escoamento superficial e erosão do solo obtidas em parcelas experimentais na extensão do território Brasileiro;
(ii) Avaliar as componentes do balanço hídrico e a erosão do solo em diferentes usos do solo (Cerrado sensu stricto, cana-de-açúcar, pastagem e solo exposto);
(iii) Identificar os ganhos e perdas (trade-offs) das componentes do balanço hídrico e da erosão do solo no contexto de potenciais alterações no uso do solo;
(iv) Prever variações a longo prazo no escoamento superficial e na erosão do solo em diferentes usos do solo e condições climáticas a partir de modelagem computacional.
1.3. Estrutura da tese
O Capítulo II abrange a revisão bibliográfica do tema abordado por esta tese e a meta específica (i), uma meta-análise dos desafios e perspectivas da pesquisa experimental em escoamento superficial e erosão do solo em condições não controladas no Brasil; os Capítulos III e IV incluem as metas específicas (ii), (iii) e (iv), que englobam os estudos experimentais e computacionais desenvolvidos para verificar as consequências das mudanças no uso do solo no balanço hídrico e nos processos erosivos. Por fim, o Capítulo V reúne a conclusão e as recomendações para a comunidade científica.