Runoff generation under eucalypts and pines at the tree to catchment scale | Fluxos de água no solo em eucaliptais e pinhais da escala da parcela a bacia

There is an increasing recognition among environmentalists, academics and public agencies, that there is an interdependence relationship between forests and water resources. Forest environmental services are crucial since they play key roles in soil and water resources conservation (they favor infiltration and percolation of rainwater, which recharges soil and underground water storage). However, the scientific basis and importance of this relationship between forest and water resources are not widely known and evaluated. An effective knowledge of the impact forests have on the hydrological cycle will provide a better understanding of the relationship between water and forest and lead to a more rational and sustainable management of these natural resources. Currently, one third of continental Portugal is occupied by forest (35 % of territory). These forest areas are composed roughly by one quarter of eucalyptus (26%), one quarter of maritime pine (23%), one quarter of cork oak (23%), and the last quarter of essentially evergreen oak and stone pines (ICNF - IFN 6, 2010). Eucalypt monoculture increased drastically in the last decades and lead to concerns over possible hydrological implications. This study aim to the description, quantification and temporal pattern analysis of water flows (overland flow, subsurface flow, streamflow) for two catchments LOU and SDC in the Caramulo mountains, dominated respectively by pine and eucalypt plantations. In what concerns OLF we analysed (i) overall differences between the three subsequent rotation cycles; (ii) inter-annual patterns of these three rotation cycles; (iii) seasonal variation; (iii) key factors in OLF generation, with special attention on soil moisture dynamic and compare results for (iv) two plot scales (microplot of 0.28m2 and macroplot of 16m2) and two methodologies (natural rainfall and simulated rainfall). In addition, the work identifies the relationship between hydrological response of the 2 catchments (eucalypt and pine dominated) and the land use type, the rainfall amount and distribution and the superficial soil moisture content. The ultimate objective is to understand the global dynamic of the hydrological response of forested catchment, including the integration of overland flow, subsurface flow and streamflow processes, and to identify how these processes vary through time and, in particular, with contrasting antecedent soil moisture conditions. The main conclusions of this study in term of overland flow (OLF) pattern, for a complete cycle of eucalypt production cycle are (i) multi-year and annual overland flow amounts tended to be limited, typically remaining below 10 % of the incident rainfall; (ii) the measurement method influenced OLF values, but the R1 plantation always presented higher OLF rates. Seasonal OLF rate followed the same temporal trend at microplot (mp) and macroplot (MP) scales for the 3 three eucalypt stands, showing an increase of OLF amount during the wet period and an increase OLF rate during the dry season for R1 and R3 at both scale. (iii) the key factors in OLF generation are plot length and plantation aging, stone cover and litter cover. Soil moisture content is the main factor driving OLF temporal pattern, related with the appearance of soil water repellence during the dry season, and soil saturation during wet season leading to high production of OLF concentrated in some few extreme events. In what concerns streamflow behavior, (i) annual streamflow suffered large interannual variations, pine plantations presented larger variations than eucalypt plantations. (ii) There was a strong straight positive linear correlation between total annual rainfall (R) and total streamflow (Q). (iii) Annual evapotranspiration (ET) is relatively constant during the six years of study and not influenced by total rainfall. The average ET at LOU (pine) (907 mm) is strongly higher that at SDC (eucalyptus) (739mm). (iv) only 15% of the Q occurred during the autumn, contrasting with the 30% of annual rainfall amount corresponding to a runoff coefficient (RC) of 23%. It’s during the winter, the wettest season (41% of the annual rainfall) that the streamflow response is the most important, half of the annual Q flowed during this period corresponding to a RC of 67%. (v) Soil moisture content influence more significantly RC at the pine plantation than at the eucalypt plantation. The study of subsurface flows (SSF) shows that (i) SSF is originated both by matrix flow and pipeflow at the soil-bedrock interface and is produce mainly during the wet season for matrix flow and exclusively during the wet season for pipeflow. (ii) Matrix flow presents a strong correlation with soil moisture content, a threshold of 25 % of soil moisture at 40cm deep is needed to start matrix flow, and saturation of the soil matrix is not required. (iii) Pipeflow initiation for medium soil moisture content is delay relatively to the matrix SSF. It starts with the saturation of soil bottom, without saturation of surface soil layers. Pipeflow discharge is influenced by rainfall intensity. Pipeflow response to rainfall input for wet soil moisture content antecedents, is almost instantaneous, starts prior to the matrix flow and doesn’t require saturation of the soil bottom. (iv) Streamflow response is highly correlated with matrix flow behavior in time and intensity

Existe um crescente reconhecimento entre ambientalistas, académicos e entidades públicas, da relação de interdependência entre as florestas e os recursos hídricos. Os serviços ambientais florestais são cruciais devido ao principal papel que desempenham na conservação e preservação do solo e dos recursos hídricos (ex. favorecem a infiltração e a percolação de água da chuva, que é armazenada no solo e recarrega os aquíferos). No entanto, as bases científicas e a dimensão da importância dessa relação entre a floresta e os recursos hídricos não são amplamente conhecidas e avaliadas. Um conhecimento efetivo do ciclo hidrológico na floresta fornecerá uma melhor compreensão da relação entre a água e a floresta e levará a uma gestão mais racional e sustentável desses recursos naturais. Atualmente, a floresta ocupa 35% do território de Portugal continental e desta, cerca de metade corresponde a plantações de eucalipto (26%) e plantações de pinheiros (23%). A monocultura de eucalipto aumentou drasticamente nas últimas décadas e levou a preocupações sobre possíveis implicações hidrológicas. Esta problemática será estudada no âmbito deste trabalho em varias bacias hidrográficas, localizadas na Serra do Caramulo. O presente trabalho visa a quantificação e análise de padrões temporais dos diversos fluxos de água (escorrência superficial, escoamento sub-superficial e caudal) para duas bacias hinográficas, LOU e SDC, respetivamente dominadas por povoamentos florestais de pinhais e de eucaliptais. Em termos de escoamento superficial, analisou-se (i) as diferenças globais entre os três ciclos de rotação sucessivos; (ii) os padrões inter-anuais dessas três rotações; (iii) a variação sazonal; e (iv) os principais parâmetros que influenciam a geração de escoamento superficial, com especial atenção para a dinâmica de humidade do solo. O estudo foi desenvolvido em diferentes escalas de trabalho (micro-parcelas de 0.28m2 e macro-parcelas de 16m2) e metodologias distintas (precipitação natural e simulação de chuva). O trabalho identifica ainda a relação entre a resposta hidrológica de duas bacias hidrográfica (eucalipto e pinheiro) e o tipo de uso do solo, a quantidade e a distribuição da precipitação e o teor de humidade superficial do solo. Finalmente, esta dissertação avalia a dinâmica global da resposta hidrológica da bacia florestal, integrando o estudo dos processos de escoamento superficial, fluxo sub-superficial e escoamento das linhas de água para identificar quais os vários processos ao longo do tempo e, em particular, com condições iniciais de humidade do solo contrastantes. As principais conclusões deste estudo em termos de padrão de escorrência superficial, para um ciclo completo de produção de eucalipto são (i) as quantidades inter-anuais e anuais de escorrência superficial tendem a ser limitadas, tipicamente permanecendo abaixo de 10% da precipitação incidente; ii) o ciclo de rotação desempenha um papel determinante na geração de escorrência superficial, mas este papel foi mais percetível entre a primeira (R1) e a segunda (R2) rotação do que entre a segunda e a terceira rotação (R3); (iii) o método de medição influência os valores de escorrência superficial, mas a rotação R1 apresenta sempre maiores taxas de escorrência. A variação sazonal de escorrência segue a mesma tendência temporal em ambas as escalas de estudo (micro- e macro-parcelas), para as três rotações, indicando um aumento na quantidade de escoamento durante o período chuvoso e um aumento da percentagem de escorrência superficial durante a estação seca para R1 e R3 em ambas as escalas; (iv) os principais fatores na geração de escorrência superficial são o comprimento da parcela, a idade da plantação, a cobertura de pedra e cobertura de manta morta. O teor de humidade do solo é o principal fator que impulsiona o padrão temporal de escoamento superficial, relacionado com o aparecimento de característica de repelência do solo à água durante a estação seca, e a saturação do solo durante a estação húmida, levando à elevada produção de escorrência em apenas alguns eventos extremos. Em termos caudal das linhas de água, (i) a quantidade anual de escoamento sofre grande variações inter-anuais, mais severa na bacia com pinhais LOU do que com eucaliptais SDC. (ii) Existe uma forte correlação linear positiva entre a quantidade de precipitação anual e a quantidade total de escoamento no rio (Q). (iii) O montante anual de evapotranspiração é relativamente constante ao longo dos seis anos de estudo e não é influenciado pelo valor total da precipitação. A quantidade de evapotranspiração média na LOU (907 mm) é significativamente superior à de SDC (739 mm). (iv) Apenas 15% do escoamento ocorreu durante o outono, contrastando com 30% do valor da precipitação correspondente ao coeficiente de escoamento de 23%. É durante o inverno, a estação mais chuvosa (41% da precipitação anual) que a resposta hidrológica é mais importante, correspondente a metade do caudal anual e correspondendo a um coeficiente de escoamento de cerca de 67%. A humidade do solo influencia mais significativamente o coeficiente de escoamento de bacia com pinhais do que da bacia com eucaliptais. (v) O coeficiente de escoamento das linhas de agua para SDC e o coeficiente de escorrência superficial das plantações adultas (R2 e R3) presentem uma boa corelação, o que não é o caso para o coeficiente de escorrência superficial das plantações novas (R1) O estudo de integração dos principais fluxos de água revela que (i) o fluxo subsuperficial é originado tanto pelo fluxo da matriz do solo quanto pelos fluxos em canais subsuperficiais (pipeflow) na interface solo-rocha. Os fluxos na matriz são gerados principalmente durante a estação húmida, enquanto os fluxos em pipeflow são exclusivos da estação chuvosa. (ii) O fluxo matricial está altamente correlacionado com a humidade do solo, tendo-se verificado um limiar de 25% de humidade do solo para uma profundidade de 40cm para início deste fluxo. (iii) O início do fluxo de pipeflow para humidade média do solo tem um atraso relativamente ao fluxo de subsuperfíciais da matriz. Começa com a saturação do fundo do solo, sem saturação de camadas mais superficiais do solo. O escoamento por pipeflow é influenciado pela intensidade da chuva. A resposta dos pipeflows à precipitação, quando em elevados teores de humidade antecedente, é quase instantânea, não requerendo a saturação do solo em profundidade. (iv) A resposta do escoamento nas linhas de água é altamente correlacionada com o comportamento do fluxo da matriz

Programa Doutoral em Ciências e Engenharia do Ambiente