Ecohidrologia - Ecohydrology

Ecohidrologia (do grego οἶκος , oikos , "casa (espera)"; ὕδωρ , hydōr , "água"; e -λογία , -logia ) é um campo científico interdisciplinar que estuda as interações entre a água e os sistemas ecológicos . É considerada uma subdisciplina da hidrologia , com enfoque ecológico. Essas interações podem ocorrer dentro de corpos d'água , como rios e lagos, ou na terra, em florestas , desertos e outros ecossistemas terrestres. Áreas de pesquisa em ecohidrologia incluem transpiraçãoe uso da água pelas plantas, adaptação dos organismos ao seu ambiente aquático, influência da vegetação e das plantas bentônicas no fluxo e função dos riachos e feedbacks entre os processos ecológicos e o ciclo hidrológico .

Conceitos chave

O ciclo hidrológico descreve o movimento contínuo da água sobre, acima e abaixo da superfície da terra. Esse fluxo é alterado pelos ecossistemas em vários pontos. A transpiração das plantas fornece a maior parte do fluxo de água para a atmosfera. A água é influenciada pela cobertura vegetal à medida que flui sobre a superfície da terra, enquanto os canais dos rios podem ser moldados pela vegetação dentro deles. Ecohidrologia foi desenvolvida no âmbito do Programa Hidrológico Internacional da UNESCO .

Os ecohidrólogos estudam os sistemas terrestres e aquáticos. Em ecossistemas terrestres (como florestas, desertos e savanas), as interações entre a vegetação, a superfície da terra, a zona vadosa e as águas subterrâneas são o foco principal. Em ecossistemas aquáticos (como rios, riachos, lagos e pântanos), a ênfase é colocada em como a química, geomorfologia e hidrologia da água afetam sua estrutura e função.

Princípios

As premissas gerais da hidrologia ecológica são diminuir a degradação do ecossistema usando conceitos que integram processos terrestres e aquáticos em escalas. Os princípios da Ecohidrologia são expressos em três componentes sequenciais:

  1. Hidrológico (Estrutura): A quantificação do ciclo hidrológico de uma bacia, deve ser um modelo para a integração funcional dos processos hidrológicos e biológicos. Essa perspectiva inclui questões de escala, dinâmica de água e temperatura e interações hierárquicas entre fatores bióticos e abióticos.
  2. Ecológico (Meta): Os processos integrados na escala da bacia hidrográfica podem ser dirigidos de forma a aumentar a capacidade de carga da bacia e seus serviços ecossistêmicos . Este componente lida com aspectos de resiliência e resistência do ecossistema.
  3. Engenharia Ecológica (Método): A regulação dos processos hidrológicos e ecológicos, com base em uma abordagem de sistema integrativo, é, portanto, uma nova ferramenta para a Gestão Integrada de Bacias Hidrográficas. Este método integra a estrutura hidrológica e as metas ecológicas para melhorar a qualidade da água e os serviços do ecossistema, usando métodos de engenharia como diques, biomanipulação, reflorestamento e outras estratégias de gestão.

Sua expressão como hipóteses testáveis ​​(Zalewski et al., 1997) pode ser vista como:

  • H1: Processos hidrológicos geralmente regulam a biota
  • H2: Biota pode ser moldada como uma ferramenta para regular os processos hidrológicos
  • H3: Esses dois tipos de regulamentos (H1 e H2) podem ser integrados à infraestrutura hidrotécnica para obter serviços sustentáveis ​​de água e ecossistemas.

A hidrologia ecológica em um sistema específico pode ser avaliada respondendo a algumas perguntas básicas De onde vem e para onde vai a água? Isso é definido como o caminho de fluxo percorrido pela água que entra na bacia hidrográfica sendo avaliada. Quanto tempo a água permanece em um determinado fluxo ou piscina de água? É definido como tempo de residência, no qual pode ser observada a taxa de entrada, saída ou armazenamento de água. Que reações e mudanças a água sofre durante esses processos? Isso é definido como reações biogeoquímicas, que têm o potencial de alterar os solutos, nutrientes ou compostos na água. Muitos métodos são usados ​​para observar e testar bacias hidrográficas quanto às respostas a essas perguntas. Ou seja, hidrogramas, traçadores ambientais e injetados ou equações como a lei de Darcy . Esses três fatores são interativos e interdependentes. A conectividade de uma bacia hidrográfica geralmente define como essas características irão interagir. Conforme ocorrem fluxos sazonais ou em escala de evento, as mudanças na conectividade de uma bacia hidrográfica afetam o caminho do fluxo, o tempo de residência e as reações biogeoquímicas. Locais de alta atividade de reação em um lugar ou tempo específico são chamados de pontos quentes ou momentos quentes (Pedroli, 1990) (Wand et al., 2015) (Krause et al., 2017) (Fisher et al., 2004) (Trauth et al. al., 2014) (Covino, 2016).

Vegetação e estresse hídrico

Um conceito fundamental em ecohidrologia é que a fisiologia vegetal está diretamente ligada à disponibilidade de água. Onde há bastante água, como nas florestas tropicais , o crescimento das plantas depende mais da disponibilidade de nutrientes . No entanto, em áreas semi-áridas , como as savanas africanas , o tipo e a distribuição da vegetação estão diretamente relacionados à quantidade de água que as plantas podem extrair do solo. Quando há disponibilidade de água insuficiente no solo , ocorre uma condição de estresse hídrico. As plantas sob estresse hídrico diminuem sua transpiração e fotossíntese por meio de uma série de respostas, incluindo o fechamento de seus estômatos . Esta diminuição no dossel da floresta, do fluxo de água do dossel e do fluxo de dióxido de carbono pode influenciar o clima e o clima circundante.

A umidade insuficiente do solo produz estresse nas plantas, e a disponibilidade de água é um dos dois fatores mais importantes (sendo a temperatura o outro) que determinam a distribuição das espécies . Ventos fortes, baixa umidade relativa atmosférica, baixo dióxido de carbono, alta temperatura e alta irradiância agravam a insuficiência de umidade do solo. A disponibilidade de umidade do solo também é reduzida em baixas temperaturas do solo. Uma das primeiras respostas ao fornecimento insuficiente de umidade é uma redução na pressão de turgor ; a expansão e o crescimento das células são imediatamente inibidos e os rebentos não obstruídos logo murcham.

O conceito de déficit hídrico, desenvolvido por Stocker na década de 1920, é um índice útil do equilíbrio da planta entre a captação e a perda de água. Pequenos déficits de água são normais e não prejudicam o funcionamento da planta, enquanto déficits maiores interrompem os processos normais da planta.

Um aumento no estresse de umidade no meio de enraizamento de apenas 5 atmosferas afeta o crescimento, a transpiração e o balanço hídrico interno nas mudas, muito mais no abeto norueguês do que na bétula , choupo ou pinheiro silvestre . A diminuição da taxa de assimilação líquida é maior no abeto do que nas outras espécies e, dessas espécies, apenas o abeto não mostra aumento na eficiência do uso da água à medida que o solo fica mais seco. As duas coníferas apresentam maiores diferenças no potencial hídrico entre a folha e o substrato do que as madeiras nobres. A taxa de transpiração diminui menos no abeto da Noruega do que nas outras três espécies, pois o estresse hídrico do solo aumenta em até 5 atmosferas em ambientes controlados. Em condições de campo, as agulhas do abeto norueguês perdem três vezes mais água do estado totalmente túrgido do que as folhas de vidoeiro e de álamo, e duas vezes mais do que o pinheiro silvestre, antes do fechamento aparente dos estômatos (embora haja alguma dificuldade em determinar o ponto exato de fecho). A assimilação pode, portanto, continuar por mais tempo no abeto do que no pinheiro quando o estresse hídrico da planta é alto, embora o abeto seja provavelmente o primeiro a “ficar sem água”.

Dinâmica de umidade do solo

A umidade do solo é um termo geral que descreve a quantidade de água presente na zona vadosa , ou porção insaturada do solo abaixo do solo. Uma vez que as plantas dependem dessa água para realizar processos biológicos críticos, a umidade do solo é parte integrante do estudo da ecohidrologia. A humidade do solo é geralmente descrito como o teor de água , ou a saturação , . Estes termos são relacionadas por porosidade , , por meio da equação . As mudanças na umidade do solo ao longo do tempo são conhecidas como dinâmica da umidade do solo.

Estudos globais recentes usando isótopos estáveis ​​na água mostram que nem toda a umidade do solo está igualmente disponível para recarga de água subterrânea ou para a transpiração das plantas.

Espiralamento de nutrientes e saúde de bacias hidrográficas

O espiralamento de nutrientes descreve a maneira como os processos biológicos e físicos são combinados para controlar o transporte ou controle de nutrientes. A água viaja a jusante trocando nutrientes através de fontes ricas em nutrientes e fontes de oxigênio ricas em oxigênio. Em vez de uma troca contínua ou gradual, os nutrientes circulam em compartimentos ao longo do leito do rio. O comprimento total de espiralamento (S) é composto pelo comprimento de captação (Sw) e o comprimento de rotação (Sp e Sc). Sw é o comprimento médio que um nutriente dissolvido é transportado rio abaixo antes de ser absorvido novamente. Esse caminho pode ser conceituado como uma espiral imaginária. O espiralamento de nutrientes pode ser influenciado pelo estágio do fluxo por causa da interação fracionária superior ou inferior da água com o leito do canal onde ocorre a ciclagem de nutrientes. Baixa interação de nutrientes no estágio alto e alta interação de nutrientes no estágio baixo. (

As bacias hidrográficas podem ter aumentado e diminuído a capacidade de circular nutrientes em seu sistema geral, devido ao seu grau, vazão e velocidade. No entanto, a humanidade também teve um impacto significativo nesta área, levando à degradação geral da saúde do sistema de bacias hidrográficas em muitos casos. "A agricultura, a urbanização e a extração de recursos aumentaram drasticamente a carga de nutrientes e alteraram a entrega e a produção de matéria orgânica dissolvida (DOM) ... Nos últimos 60 anos, a atividade humana mais do que dobrou a fixação global de nitrogênio e quadruplicou a carga de fósforo. ao mesmo tempo, o uso da terra pelo homem perturbou diretamente metade da superfície global da terra, alterando fundamentalmente a capacidade dos ecossistemas de amortecer ou processar [ou fazer o ciclo] dessas entradas de nutrientes. "

Considerações temporais e espaciais

A teoria ecohidrológica também dá importância às considerações das relações temporais (tempo) e espaciais (espaço). A hidrologia, em particular o momento dos eventos de precipitação , pode ser um fator crítico na forma como um ecossistema evolui ao longo do tempo. Por exemplo, as paisagens mediterrâneas experimentam verões secos e invernos chuvosos. Se a vegetação tem uma estação de cultivo de verão, ela freqüentemente apresenta estresse hídrico, embora a precipitação total ao longo do ano possa ser moderada. Os ecossistemas nessas regiões normalmente evoluíram para suportar gramíneas com alta demanda de água no inverno, quando a disponibilidade de água é alta, e árvores adaptadas à seca no verão, quando é baixa.

A Ecohidrologia também se preocupa com os fatores hidrológicos por trás da distribuição espacial das plantas. O espaçamento ideal e a organização espacial das plantas são pelo menos parcialmente determinados pela disponibilidade de água. Em ecossistemas com baixa umidade do solo, as árvores normalmente estão localizadas mais afastadas do que em áreas bem irrigadas.

Equações e modelos básicos

Equilíbrio hídrico em um ponto

Uma equação fundamental em ecohidrologia é o equilíbrio da água em um ponto da paisagem. Um balanço hídrico afirma que a quantidade de água que entra no solo deve ser igual à quantidade de água que sai do solo mais a mudança na quantidade de água armazenada no solo. O balanço hídrico tem quatro componentes principais: infiltração da precipitação no solo, evapotranspiração , vazamento de água em porções mais profundas do solo não acessíveis à planta e escoamento da superfície do solo. É descrito pela seguinte equação:

Os termos do lado esquerdo da equação descrevem a quantidade total de água contida na zona de enraizamento. Essa água, acessível à vegetação, tem um volume igual à porosidade do solo ( ) multiplicado pela sua saturação ( ) e pela profundidade das raízes da planta ( ). A equação diferencial descreve como a saturação do solo muda ao longo do tempo. Os termos do lado direito descrevem as taxas de precipitação ( ), interceptação ( ), escoamento ( ), evapotranspiração ( ) e vazamento ( ). Normalmente, são dados em milímetros por dia (mm / d). Escoamento, evaporação e vazamento são altamente dependentes da saturação do solo em um determinado momento.

Para resolver a equação, a taxa de evapotranspiração em função da umidade do solo deve ser conhecida. O modelo geralmente usado para descrevê-lo afirma que acima de uma certa saturação, a evaporação dependerá apenas de fatores climáticos, como a luz solar disponível. Uma vez abaixo desse ponto, a umidade do solo impõe controles sobre a evapotranspiração e diminui até que o solo chegue ao ponto em que a vegetação não consegue mais extrair mais água. Este nível de solo é geralmente denominado " ponto de murcha permanente ". Este termo é confuso porque muitas espécies de plantas não " murcham " de fato.

Números Damköhler

O número Damkohler é uma razão sem unidade que prevê se o tempo em que um determinado nutriente ou soluto está em um reservatório ou fluxo de água específico será tempo suficiente para que uma reação específica ocorra.

Da = transporte de T ⁄ reação de T

Onde T é o tempo do transporte ou da reação. O tempo de transporte pode substituir a exposição T para determinar se uma reação pode ocorrer de forma realista, dependendo de quanto do tempo de transporte o reagente será exposto às condições corretas para reagir. Um número Damkohler maior que 1 significa que a reação tem tempo para reagir completamente, enquanto o oposto é verdadeiro para um número Damkohler menor que 1.

Lei de Darcy

A Lei de Darcy é uma equação que descreve o fluxo de um fluido através de um meio poroso. A lei foi formulada por Henry Darcy no início dos anos 1800, quando ele foi encarregado de levar água por um aquífero até a cidade de Dijon, na França. Henry conduziu vários experimentos sobre o fluxo de água em leitos de areia para derivar a equação.

Q = -KA x H ⁄ L

Onde Q é a descarga medida em m3 / seg. K é a condutividade hidráulica (m / s). A é a área da seção transversal que a água percorre (m2). Onde H é a mudança na altura ao longo da distância gradual do aquífero (m). Onde L é o comprimento do aquífero ou distância que a água viaja (m).

Hydrograph

Hidrogramas são modelos usados ​​para analisar o vazamento de água em um determinado ponto do rio. Eles geralmente são usados ​​após um evento de chuva ou inundação para mostrar como o fluxo de água mudou. É medido em Volume ⁄ Tempo .

Existem 3 eixos principais em um hidrograma. Eles são Tempo, Descarga e Precipitação.

Para obter mais informações sobre eles, consulte o link acima.

Balanço hídrico

Esta equação geral aplica a conservação de massa aos sistemas de água e é usada para calcular as saídas / entradas de água de um sistema fechado.

P = R + ET + ΔS

Onde P é a precipitação. R é fluxo de água. ET é evapotranspiração. ΔS é a mudança no armazenamento.

Veja também

Referências

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