Soil loss and nutrient and metal inputs in Brazilian semi-arid reservoirs

The forms of soil use and management have been associated with the occurrence of erosion which is one of the major forms of soil degradation. In semi-arid regions, erosion is relevant due to a combination of factors such as uneven distribution of rainfall, shallow soils and deciduous vegetation, which favor the erosion processes, especially when associated with the misuse of the soil. In addition to this, with erosion, sediments are transported into reservoirs, causing the eutrophication of their waters. In such context, water reservoirs in the semi-arid deserve special attention due to their importance to water supply for human consumption and for agricultural activities. The objective of the proposed research is to assess the loss of soil for different uses as well as the contribution of eroded soil to the input of loads (nutrients and metals) and to changes in water quality of the Castanhão reservoir (Jaguaribara-CE). To accomplish that, the use and occupation of land surrounding the reservoir were identified and mapped. Subsequently, entry points of loads were selected based on these uses; and erosion plots were installed in those areas. Sampling of the eroded material was conducted at every rainfall event (24h) at the erosion plots, being quantified the level of metals (N, P, Fe, Al, Zn and Cu) in the sediments and water. Soil losses were estimated by means of the Universal Soil Loss Equation (USLE); sediment and water samplings were seasonally captured; and hydrochemical data were collected in situ at seven points (P1, P2, P3, P4, P5, P6 and P7) within the reservoir, aiming at the evaluation of its eutrophication level and its relationship with the identified metals in soils and sediments in the erosion plots. The water and sediment data processing and integration were carried out through multivariate analysis techniques (PCA and Clustering), descriptive statistics and Pearson and Spearman correlations. In the mapping of the uses it has been verified that the Decision Tree algorithm (DT), applied to the sensor with the best spatial resolution (WordView-2), resulted in better accuracy when considering the irrigated areas, ones which were overrated by the ML (Maximum Likelihood). It was found soil losses only in the irrigated area, with a value of 2032 kg ha-1 of soil for the whole evaluation period. The estimation of soil losses through USLE resulted in values of 17.46, 29.1 and 1662.8 kg ha-1 for the areas of native forest, degraded area and irrigated area, respectively. The calculated values for measured loads in the irrigated area were 398 kg km-2 year-1 (N), 621 kg km-2 year-1 (Cu) and 5.462 kg km-2 year-1 (Zn), which suggests that such area has a high potential in the load transportation into the reservoir due to, above all, the characteristics of the soil that has an impedance layer which favors fast saturation of the surface layer. Associated with this, the irrigated area soils have lower levels of total organic carbon and high levels of Zn, revealing, thereby, the need for preventive measures and conservation practices in the evaluated agricultural areas. As for water and sediment quality, it was verified that attention should be given to the areas with greatest anthropogenic pressures, especially the irrigated area. For Cu and Zn, their enrichment factors are well pronounced in the sediments on the bottom of the reservoir over time. The sedimentation profiles support the significant input of nutrients and especially of Zn, with mean sedimentation rate ranging from 1.2 to 2.5 cm year-1. Therefore, the agriculture activity developed in the irrigated perimeter of Curupati already represents a negative influence to the water quality.As formas de uso e manejo dos solos têm sido associadas à ocorrência de erosão que é uma das principais formas de degradação do solo. Em regiões semiáridas a erosão é relevante devido à combinação de fatores como má distribuição de chuvas, solos rasos e vegetação decídua, que favorecem os processos erosivos, principalmente quando associados ao uso inadequado do solo. Além disso, com a erosão, são gerados sedimentos para os reservatórios hídricos, causando a eutrofização de suas águas. Nesse contexto, reservatórios hídricos no semiárido merecem atenção, devido sua importância para o abastecimento de água hídrico pelo homem e para atividades agropecuárias. O objetivo proposto foi de avaliar a perda de solo, em diferentes usos e ocupação, bem como a contribuição do solo erodido no aporte de cargas (nutrientes e metais) e em alterações na qualidade das águas do reservatório Castanhão (Jaguaribara-CE). Para tanto, foram identificados e mapeados os usos e ocupação dos solos no entorno do reservatório. Posteriormente, foram selecionados pontos de entrada de cargas com base nesses usos e instaladas parcelas de erosão nas vertentes das áreas dos principais usos. Realizou-se amostragens de material erodido a cada evento chuvoso (24h) nas parcelas de erosão sendo quantificados os teores de metais (Al, Fe, Zn e Cu), N e P. Foram estimadas as perdas de solo por meio da Equação Universal de Perda de Solos (EUPS) e também retiradas sazonalmente amostras de sedimentos, água e coletados dados de hidroquímica in situ, em sete pontos (P1, P2, P3, P4, P5, P6 e P7) dentro do reservatório, visando a avaliação de seu estado trófico e relação com os metais identificados nos solos e nos sedimentos erodidos das parcelas. O processamento e integralização dos dados de água e sedimentos foram realizados por meio de técnicas de análise multivariada (ACP e Análise de Agrupamento Hierárquico (AAH)), estatística descritiva e correlação de Pearson e Sperman (r). No mapeamento dos usos foi constatado que o algoritmo Decision Tree (DT), aplicado no sensor de melhor resolução espacial (WordView-2), resultou em melhor acuidade quando consideradas as áreas irrigadas, classe essa que foi superestimada pelo MaxVer (Máxima Verossimilhança). Verificou-se perda de solo apenas na área irrigada com valor de 2.032 kg ha-1 de solo para todo o período avaliado. A estimativa de perda de solo por meio da EUPS resultou em valores de 17,46; 29,1 e 1.662,8 kg ha-1 de solo para as áreas de mata nativa, área degradada e irrigada, respectivamente. Os valores calculados das cargas medidas na área irrigada foram de 398 kg km-2 ano-1 de N, 621 g km-2 ano-1 Cu e 5.462 g km-2 ano-1 Zn, sugerindo que esta área tem alto potencial em aportar cargas para o reservatório, sobretudo, devido às características do solo, que possui camada de impedimento que favorece a rápida saturação da camada superficial. Associado a isso, os solos da área irrigada possuem menores teores de carbono orgânico total e elevado teor do metal Zn sendo, portanto, necessárias medidas preventivas e práticas conservacionistas nas áreas agrícolas avaliadas. Quanto à qualidade da água e do sedimento verificou-se que deve ser dada atenção para as áreas com maiores pressões antrópicas, principalmente a área irrigada. Para os metais Cu e Zn seus fatores de enriquecimentos foram bem pronunciados nos sedimentos de fundo do reservatório no decorrer do tempo. Os perfis de sedimentação corroboram a entrada significativa de nutrientes e principalmente do metal Zn, com taxa de sedimentação média oscilando entre 1,2 a 2,5 cm ano-1. Portanto, a agricultura desenvolvida no perímetro irrigado Curupati já representa impactos negativos para a qualidade de água do reservatório