Search

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico There is a clear shift happening in the physical environment of the Amazon forest, where human intervention has intensified dramatically during the last half of the twentieth century. Recent studies suggest that changes in regional climate caused by local deforestation have the potential to cause parts of the Amazon to cross an ecological tipping point : a critical threshold at which a relatively small perturbation can qualitatively alter the state or development of a system, in this case shifting the Amazon system into a new and drier equilibrium. In addition to the deforestation of the Amazon, continuing deforestation of the Cerrado (which has already been deforested by more than 55%) could combine with the climate impacts of Amazonian deforestation to produce a significant increase of the duration of the dry season in the transition zone between forest and savanna ( arc-of-deforestation‟) in south east Amazonia. However, the limits and patterns of deforestation in the Amazon and Cerrado that would affect forest‟s climate remain unknown. The aim of this study is to investigate the response of the climate of different regions of the Amazon rainforest to progressive deforestation of the Amazon and the Cerrado, and assess the possibility of the emergence of an alternative bioclimatic equilibrium. To achieve this goal, we generated 10 Amazon deforestation scenarios and 10 mixed deforestation scenarios, combining forest and savanna removal, and all scenarios were implemented in the coupled atmosphere-biosphere model CCM3-IBIS. We run 5 ensembles for each scenario, for 50 years each, with CO2 fixed at 380 ppm. The results show that when we consider the climate for the total forest area, there is no transposition of the tipping point. However, considering the arc-of-deforestation climate, we observed the emergence of a bioclimatic equilibrium typical of seasonal forest, and in regions in the south, southwest and east of the forest a bioclimatic equilibrium typical of savanna. In all of these cases, the combined effect of forest and Cerrado deforestation was significant. These results show the resilience of some regions of the forest and the vulnerability of others, which can help decision makers and conservationists in the development and implementation of conservation policies. Há uma clara mudança acontecendo no ambiente físico da floresta amazônica, onde a intervenção humana se intensificou drasticamente durante a última metade do século XX. Recentes estudos sugerem que mudanças no clima regional causadas pelo desmatamento local possuem o potencial de fazer com que partes da Amazônia atravessem o chamado ponto de desequilíbrio do sistema. Este ponto se refere à probabilidade da Amazônia cruzar um limite crítico, que poderia fazer com que a mesma salte para um estado de equilíbrio bioclimático alternativo, mais seco que o atual. Além do desmatamento amazônico, a remoção total do Cerrado, que atualmente já foi desmatado em mais de 55%, agindo em conjunto o desmatamento da Amazônia, poderia induzir a um aumento na duração da estação seca na região de transição entre floresta e savana (arco do desmatamento), o que pode contribuir para o surgimento de um equilíbrio bioclimático alternativo para a região. Porém, ainda não se sabe quais os limites e sob quais padrões de desmatamento da Amazônia e do Cerrado o clima da floresta será afetado. O objetivo deste trabalho é investigar a resposta do clima de diferentes regiões da floresta amazônica ao desmatamento progressivo da Amazônia e do Cerrado, e verificar a possibilidade do surgimento de equilíbrio bioclimático alternativo para as mesmas. Para atingir esse objetivo, foram gerados 10 cenários de desmatamento amazônico e 10 cenários de desmatamento combinado entre floresta e Cerrado, que foram implantados no modelo acoplado atmosfera-biosfera CCM3-IBIS. Foram rodadas cinco ensembles para cada cenário, e as simulações tiveram a duração de 50 anos, com CO2 fixo em 380 ppm. Os resultados mostram que quando se considera o clima médio para a região total de floresta, não ocorre transposição de equilíbrio. Porém, considerando o clima médio para a região do arco do desmatamento, foi observado o surgimento de equilíbrio bioclimático típico de floresta sazonal, e em regiões no sul, sudoeste e leste da floresta foi observada transição para equilíbrio bioclimático típico de savana. Nos casos em que houve transposição do ponto de desequilíbrio do sistema, o efeito combinado do desmatamento de floresta e Cerrado mostrou-se significativo. Estes resultados mostram a resiliência de algumas regiões da floresta e a fragilidade de outras, o que pode auxiliar tomadores de decisão e conservacionistas na elaboração e implementação de políticas de conservação na floresta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Changes in forests, croplands, water ways and the atmospheric composition throughout the world are occurring because of the need for food, fibers, water and housing for over 6 billion people. Croplands, pasturelands, forest plantations and urban areas have expanded in recent decades, accompanied by large increases in energy, water and fertilizer consumption and a considerable loss in biodiversity. Research has shown that land cover and land use changes have caused important modifications in the quantity and quality of water resources, in addition to changes in climate. This generally occurs through changes in the radiation balance at the surface, and in the partitioning of the radiation balance in sensible and latent heat fluxes, causing modifications in the atmospheric circulation and climate. This work aims at creating a historical database of land use for Amazonia, gheographycally explicit in grid, at a 5' x 5' spatial resolution, in the period 1940 - 1995, for climatic and hydrological studies. The first part of this work, and one of the most important, was to construct the municipal digital meshes of Amazonia in each year the agricultural census was accomplished in the period 1940-1995. The construction of the meshes allowed the calculation of the fractions of cropland, natural pasture and planted pasture inside each municipality, for each year of the census, by dividing the census cropland area in a certain year by the area of this municipality, according with its limits on that same year. In a similar way, the fractions used by natural pasture and planted pasture in each municipality were calculated. The second part was to calculate the proportions of each type of land use between 1995 and the years of census, for each comparable minimum area. And the third and last part was to reconstruct the patterns of land use for Amazonia multiplying the resulting maps of the second stage with two classifications of land use for 1995, based on satellite and census data, developed by Cardille et al. [Global Biogeochemical Cycles, 2002] and Ramankutty et al. [Global Biogeochemical Cycles, 2008]. The results showed that the databases of land use in Amazonia, for the period 1940-1985, show some similar patterns in the study area, for example in the states of Tocantins, Goiás and Mato Grosso, both in intensity as in the spatial distribution of agricultural activities. However, in another regions the two databases were different, mainly in the spatial distribution of the pixels with agricultural activities, such as in the states of Amazonas and Rondônia, where they differed, in intensity, and in distribution. When we compared the two databases of land use with the map of land cover produced by the Tropical Rainforest Information Center (TRFIC), based on Landsat images, it was observed that in most of the compared years, especially for State of Rondônia, the database based on Ramankutty et al. [2008] presented a larger number of pixels containing agricultural activities similar to the deforestation areas in the TRFIC maps, mainly along BR 364, area in that the deforestation was better represented in this database. However, when we compared the maps for the State of Pará, the two databases presented the same number of areas similar to the TRFIC maps. The databases constructed in this work have uncertainties related to the fact that they were created by the merge of two different observations systems. However, in spite of those uncertainties, these databases are the first attempt of reconstructing the historical changes of the cropland, natural pasture and planted pasture in Amazonia, using agricultural census data at municipal level. These historical databases will be useful to help to understand the causes of the climatic changes in Amazonia, as well as to investigate the impacts of the historical changes in the land cover and land use in the water resources and climate of Amazonia. Mudanças em florestas, cultivos agrícolas, vias fluviais e na composição da atmosfera, em todo o mundo, estão ocorrendo pela crescente necessidade de alimentos, fibras, água e moradia para mais de seis bilhões de pessoas. As terras cultivadas (pastagens e plantações) e áreas urbanas têm se expandido nas recentes décadas, acompanhadas por um grande aumento no consumo de energia, água e fertilizantes, juntamente com uma considerável perda de biodiversidade. Alguns estudos têm mostrado que as mudanças na cobertura e no uso da terra também podem afetar o clima. Isto geralmente ocorre por meio de mudanças no saldo de radiação à superfície, e na partição do saldo de radiação em fluxos de calor sensível e latente, causando modificações na circulação atmosférica e no clima. Esse trabalho teve como objetivo criar um banco de dados histórico de uso da terra para a Amazônia, espacialmente explícito em grade, numa resolução de 5 x 5 , no período 1940-1995, para estudos climáticos e hidrológicos. A primeira etapa deste trabalho, e uma das mais importantes, foi a construção das malhas digitais dos municípios da Amazônia para cada ano em que o censo agrícola foi realizado dentro do período de estudo. A construção das malhas possibilitou calcular as frações de área cultivada, pastagem natural e pastagem plantada dentro de cada município, para cada ano do censo, dividindo-se a área cultivada dada pelo censo em um determinado ano pela área deste município de acordo com seus limites nesse mesmo ano. De uma maneira semelhante, foram calculadas as frações utilizadas por pastagem natural e pastagem plantada em cada município. A segunda etapa foi calcular as proporções de cada tipo de uso da terra entre 1995 e os anos de censo, para cada área mínima comparável. E a terceira e última etapa foi reconstruir os padrões de uso da terra para a Amazônia, multiplicando-se os mapas resultantes da segunda etapa com duas classificações de uso da terra para 1995, baseadas em dados de satélite e dados de censo, desenvolvidas por Cardille et al. [Global Biogeochemical Cycles, 2002] e Ramankutty et al. [Global Biogeochemical Cycles, 2008]. Os resultados mostraram que os bancos de dados de uso da terra na Amazônia, para o período 1940-1985, mostraram-se bastante similares em algumas regiões da área de estudo, como por exemplo nos estados de Tocantins, Goiás e Mato Grosso, tanto em intensidade de atividades agrícolas quanto na distribuição espacial das mesmas. Porém, em outras regiões os dois bancos de dados foram distintos, principalmente na distribuição espacial dos pixels com atividades agrícolas tal como nos estados do Amazonas e Rondônia, onde diferiram tanto em intensidade, quanto em distribuição. Quando comparamos os dois bancos de dados de uso da terra com o mapa de cobertura da terra do Tropical Rainforest Information Center (TRFIC), baseados no Landsat, observou-se que na maioria dos anos comparados, especialmente para o Estado de Rondônia, o banco de dados com base em Ramankutty et al. [2008] apresentou um maior número de áreas de pixels contendo atividades agrícolas similares às áreas de desmatamento nos mapas TRFIC, principalmente ao longo da BR 364, área em que o desmatamento foi melhor representado neste banco de dados, tanto em intensidade quanto em distribuição espacial. Contudo, quando comparamos os mapas para o Estado do Pará, os dois bancos de dados apresentaram o mesmo numero de áreas similares aos mapas TRFIC. Os bancos de dados construídos nesse trabalho possuem incertezas relacionadas ao fato de que foram criados pela fusão de dois sistemas de observações diferentes, porém, apesar dessas incertezas, esses bancos de dados são a primeira tentativa de estimar as mudanças históricas das culturas agrícolas, pastagem natural e pastagem plantada na Amazônia, utilizando dados de censo agrícola em nível municipal. Esses bancos de dados históricos serão úteis para ajudar a entender as causas das mudanças climáticas na região amazônica, bem como a investigar os impactos das mudanças históricas na cobertura e no uso da terra nos recursos hídricos e clima na Amazônia.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This thesis investigates how the climate feedback and the nutrient feedback interact to regulate the patterns in the regrowth of the Amazon tropical forest after a large-scale deforestation. The study is performed using the fully coupled biosphere-atmosphere model CCM3-IBIS. Initially, the model was validated against observed climate and vegetation dynamics and structure variables. The Amazon climate (annual mean and seasonality) is extremely well simulated for both precipitation and incident solar radiation. Vegetation cover patterns reproduce well the observed patterns. The simulated net primary production and respiration rates are within 5% and 16% of observed data, respectively. The performance of simulated variables that depend on carbon allocation, like net primary production partitioning, leaf area index and biomass, although good on a regional mean, is low when spatial patterns are considered. A better representation of these spatial patterns depends on the understanding of the spatial variation in carbon allocation and its relationship to environmental factors. To evaluate the rainforest regrowth two experiments were done. The first experiment considers different types of nutrient stress and a hypothetical full deforestation. The second experiment considers the most realistic type of nutrient stress and different deforestation scenarios, looking for a threshold of deforestation that could cause dangerous interference on the Amazon recovery. Results show that the reduction in rainfall is proportional to the amount of deforestation and is more drastic when the deforested area is higher than 40% of the original forest extent. In addition, this simulated precipitation reduction alone is not sufficient to prevent the rainforest regrowth. However, when the precipitation reduction is associated with a soil nutrient stress, a savannization process may start over northern Mato Grosso, no matter how much is deforested. This is concerning because this region has the highest clearing rates in Amazonia. The low resilience of the forest under nutrient stress indicates that northern Mato Grosso should be a major target for conservation initiatives. Essa tese investiga como as retroalimentações do clima e da disponibilidade de nutrientes no solo interagem na regulação dos padrões de recrescimento da floresta tropical amazônica após um desmatamento de grande escala. Nesse estudo foi utilizado o modelo acoplado biosfera-atmosfera CCM3-IBIS. Inicialmente, o modelo foi validado através de observações de variáveis climáticas e de dinâmica e estrutura da vegetação amazônica. O clima da Amazônia (média anual e sazonalidade) é muito bem simulado tanto para a precipitação quanto para a radiação solar incidente. Os padrões de cobertura vegetal representam bem os padrões observados. A produção primária líquida e as taxas de respiração simuladas diferem em 5% e 16% das observações, respectivamente. O desempenho das variáveis simuladas que dependem da alocação de carbono, como a partição da produção primária líquida, o índice de área foliar e a biomassa, é alto em uma média regional, mas é baixa quando são considerados os padrões espaciais. Uma melhor representação desses padrões espaciais depende da compreensão da variação espacial da alocação de carbono e sua dependência com fatores ambientais. Para avaliar a capacidade de recrescimento da floresta foram realizados dois experimentos. O primeiro experimento considera diferentes tipos de limitação nutricional e um hipotético desmatamento total. O segundo experimento considera o tipo de limitação nutricional mais realístico e diferentes cenários de desmatamento, com o intuito de encontrar um limite máximo de desmatamento que não causaria interferências prejudiciais na regeneração da floresta. Os resultados mostram que a redução da precipitação é proporcional à quantidade de desmatamento e é mais drástica quando mais do que 40% da extensão original da floresta é desmatada. Além disso, apenas a redução da precipitação simulada não é suficiente para impedir a regeneração da floresta secundária. Entretanto, quando a redução da precipitação é associada com uma deficiência nutricional do solo, um processo de savanização pode ocorrer sobre o norte do Mato Grosso, independente da extensão da área desmatada. Esses resultados são preocupantes, pois essa região tem as mais altas taxas de desmatamento da Amazônia. A baixa resiliência da floresta com deficiência nutricional indica que o norte do Mato Grosso deveria ser o alvo principal de iniciativas para a conservação.