Impact of deforestation on the biosphere-atmosphere interaction of the caatinga domain

A região Semiárida brasileira e a vegetação de caatinga sofrem constante mudança do uso da terra, devido ao processo de desmatamento para a extração de lenha e implantação de culturas agrícolas e pastagens, resultando em paisagens com distintos níveis de perturbação antrópica. Assim, o objetivo desta pesquisa foi avaliar as mudanças na interação biosfera-atmosfera do Domínio de Caatinga, com reflexos na transferência de água e de energia, condições micrometeorológicas, umidade do solo, interceptação de água pelo dossel, atributos físicos e químicos do extrato do solo e produção de serapilheira. Foram estudadas duas paisagens: área com vegetação de caatinga (CAA) e área desmatada adjacente (ADA), ambas situadas no Eixo Norte- Sul da região central do Estado de Pernambuco. O período experimental estendeu-se de 01 de novembro de 2014 a 31 de outubro de 2017, com a delimitação de períodos chuvosos, secos e transições, agrupados de acordo com o regime hídrico local. Foram instaladas torres de aço galvanizado em cada sítio para aquisição de dados micrometeorológicos. Assim, foram realizadas comparações das respostas das condições micrometeorológicas, da evapotranspiração real, e dos componentes do balanço de energia nos diferentes regimes hídricos e entre as superfícies, por meio do método do balanço de energia com base na razão de Bowen para estimar os fluxos diários, mensais e sazonais do calor sensível (H) e latente (LE). Dados de atributos físico-químicos dos sítios e climáticos da área de estudo foram avaliados por meio da aplicação das estatísticas descritiva e multivariada. O monitoramento da umidade volumétrica (θv) no perfil do solo foi realizado por uma sonda capacitiva, em um período total de 157 dias. Adicionalmente, foi examinado o particionamento das chuvas em precipitação interna (Pi), escoamento do tronco (Et) e interceptação pelo dossel (I) por espécies da vegetação de caatinga. Por fim, determinou-se a deposição mensal de serapilheira (total, por fração e por espécies), a taxa de decomposição e a exportação de nutrientes via material decíduo de espécies vegetais da caatinga. Os resultados indicaram que houve diferenças significativas na densidade de fluxos diurnos do saldo de radiação (R N ), LE, H e fluxo de calor no solo (G), com maiores médias na CAA, com exceção dos valores médios de G, provavelmente devido ao aumento do albedo na ADA. A evapotranspiração média na CAA e ADA foi de 2,19 e 1,97 mm, nesta ordem. Cerca de 48% do R N recebido foi utilizado no LE, 44% para H e 9% para G na CAA, versus 34% de R N para LE, 50% para H e 16% para G na ADA. Não houve diferença na maioria dos atributos físico-químicos do solo entre os dois sítios. Exclusivamente para o estudo da umidade do solo, uma terceira paisagem foi incluída, a palma forrageira. A θ v foi superior na caatinga (0,086 m³ m-³), intermediária na palma forrageira (0,064 m³ m-³), e inferior na área desmatada (0,045 m³ m-³). Para a vegetação de caatinga, a Pi e a Et representam 81,2% e 0,8% da precipitação total, enquanto a interceptação pelo dossel foi de 18%. A remoção da vegetação resultou em aumentos de 10% no escoamento superficial para locais desmatados, com maiores incrementos nos primeiros eventos de chuva. A Caatinga depositou em média 1.177 kg MS ha-¹ ano-¹ de serapilheira, sendo 56% de folhas; 24% de galhos; 15% de estruturas reprodutivas e, 5% de miscelânea. A taxa de decomposição da serapilheira foi de 0,33 Kg MS ha-¹ ano-¹, sendo exportados anualmente 23,76 kg ha-¹ de nutrientes. Conclui-se que a conversão da vegetação de caatinga em outras superfícies promoveu maior degradação de paisagens, ocasionando reduções do R N , com valores elevados de H e G, e ET ligeiramente reduzida na área desmatada. A remoção da vegetação de caatinga resultou em declínios da θv e perda de interceptação de água pelo dossel vegetativo. Em áreas de caatinga com intervenção antrópica, a perda de matéria seca depositada sobre o solo pode chegar a 1,18 ton. ha-¹ ano-¹.The Brazilian semi-arid region and caatinga vegetation are constantly changing land use due to the deforestation process, the extraction of firewood and the implantation of agricultural crops and pastures, resulting in landscapes with different levels of anthropic disturbance. Thus, the objective of this research was to evaluate the changes in the biosphere-atmosphere interaction of the Caatinga domain, with a reflection on water and energy transfer, micrometeorological conditions, soil moisture, canopy water interception, physical and chemical attributes of soil extract and production of litterfall. Two landscapes were studied: area with caatinga vegetation (CAA) and adjacent deforested area (ADA), both located in the North- South Axis of the central region of the State of Pernambuco. The experimental period lasted from November 1, 2014, to October 31, 2017, with the delimitation of wet, dry and transitions periods, grouped according to the local of water regime. Galvanized steel towers were installed at each site for the acquisition of micrometeorological data. Thus, comparisons of the responses of micrometeorological conditions, real evapotranspiration and energy balance components in the different water regimes and between the surfaces were carried out, using the Bowen ratio energy balance method to estimate the daily, monthly and seasonal of the sensible (H) and latent (LE) heat fluxes. Physical and chemical attributes data of the sites and climatic conditions of the study area were evaluated through the application of descriptive and multivariate statistics. The monitoring of the volumetric moisture (θv) in the soil profile was carried out by a capacitive probe, in a total period of 157 days. In addition, partitioning of rains into throughfall (TF), stemflow (SF) and interception loss (IL) of caatinga vegetation species was examined. Finally, monthly deposition of litterfall (total, by fraction and by species), the rate of decomposition and the export of nutrients via deciduous material plant species of the caatinga were determined. The results indicated that there were significant differences in the diurnal flux density of the radiation net (R N ), LE, H and soil heat flux (G), with highest averages in the CAA, except for the mean values of G, probably due to the albedo increase in ADA. The mean daily evapotranspiration in the CAA and ADA was 2.19 and 1.97 mm, respectively. About 48% of the received R N was used in the LE, 44% for H and 9% for G in the CAA, versus 34% from R N to LE, 50% to H and 16% to G in ADA. There was no difference in most of the physical-chemical attributes of the soil between the two sites. Exclusively for the study of soil moisture, a third landscape was included, the forage cactus. The θv was highest in the caatinga (0.086 m³ m-³), intermediate in the forage cactus (0.064 m³ m-³), and lowest in the deforested area (0.045 m³ m-³). For the caatinga vegetation, the TF and SF represent 81.2% and 0.8% of the total precipitation, while the interception loss was 18%. The removal of vegetation resulted in 10% increases in ES for deforested sites, with highest increases in early rainfall events. The caatinga deposited on average 1177 kg DM ha-¹ year-¹ of litterfall, being 56% of leaves; 24% of branches; 15% of reproductive structures and 5% of miscellaneous. The litterfall decomposition rate was 0.33 kg DM ha-¹ year-¹ , with annual exportation of 23.76 kg ha-¹ of nutrients. It is concluded that the conversion of the caatinga vegetation to other surfaces promoted greater degradation of landscapes, causing reductions of the R N , with high values of H and G, and slightly reduced ET in deforested area. Removal of the caatinga vegetation resulted in declines of θ v and loss of interception of water through the canopy. In areas of caatinga with anthropic intervention, the loss of dry matter deposited on the soil can reach 1.18 tons ha-¹ year-¹.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio