fingerprinting sediment sources in agricultural catchments in

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

GRADUATE PROGRAM IN SOIL SCIENCE

UNIVERSIT DE POITIERS

COLE DOCTORALE GAY LUSSAC

FINGERPRINTING SEDIMENT SOURCES

IN AGRICULTURAL CATCHMENTS

IN SOUTHERN BRAZIL

DOCTORAL THESIS IN JOINT SUPERVISION

Tales Tiecher

Santa Maria, RS, Brasil

2015

FINGERPRINTING SEDIMENT SOURCES

IN AGRICULTURAL CATCHMENTS

IN SOUTHERN BRAZIL

Tales Tiecher

Thesis submitted to the Doctoral Program of the Graduate Program in Soil

Science, Concentration Area in Chemical Processes and Elements Cycling, at

the Federal University of Santa Maria, Brazil, as a partial requirement for the

degree of Doctor in Soil Science, and to the Doctoral School in Science for

Environment Gay Lussac, at University of Poitiers, France, as a partial

requirement for the degree of Doctor in Sciences of the Earth and the

Universe, Space, research area in Solid Earth and Superficial Envelopes.

Advisor at UFSM: Prof. Dr. Danilo Rheinheimer dos Santos

Advisor at University of Poitiers: Prof. Dr. Laurent Caner

Santa Maria, RS, Brazil

2015

_________________________________________________________________________

2015

All copyrights reserved to Tales Tiecher. The reproduction of parts or all of this work can

only be done by quoting the source.

Address: Universidade Federal de Santa Maria/Centro de Cincias Rurais/Departamento de

Solos/Roraima Avenue, n. 1000, Cidade Universitria, Camobi, Santa Maria, RS, 97105-900

Phone/Fax +55 (055) 3220-8108; E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]

Universidade Federal de Santa Maria

Graduate Program in Soil Science

Universit de Poitiers

cole Doctorale Gay Lussac

The Examining Committee, undersigned,

approved the Doctoral Thesis

FINGERPRINTING SEDIMENT SOURCES IN AGRICULTURAL

CATCHMENTS IN SOUTHERN BRAZIL

elaborated by

Tales Tiecher

as a partial requirement for the degree of

Doctor in Soil Science by the Federal University of Santa Maria and Doctor in

Sciences of the Earth and the Universe, Space, research area in Solid Earth

and Superficial Envelopes, by the University of Poitiers

EXAMINING COMMITTEE:

Dr. Danilo Rheinheimer dos Santos

Universidade Federal de Santa Maria, Brazil (President/Advisor/Examiner)

Dr. Laurent Caner

Universit de Poitiers, France (Advisor/Examiner)

Dr. Jean Paolo Gomes Minella

Universidade Federal de Santa Maria, Brazil (Examiner)

Dr. Olivier Evrard

Commissariat l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives, France (Examiner/Rapporteur)

Dr. Jrme Labanowski

Universit de Poitiers, France (Examiner)

Dr. Gustavo Henrique Merten

University of Minnesota Duluth, USA (Examiner/Rapporteur)

Santa Maria, March 5, 2015.

Dedico aos meus pais Ernani e Singlair, pelo amor e carinho,

minha irm Talise, por ser meu exemplo de dedicao aos estudos desde criana,

Ao meu irmo Tadeu, pelo companheirismo nessa longa jornada acadmica...

...e Silvana Ceolin, por tudo!

ACKNOWLEDGEMENT

AGRADECIMENTOS

REMERCIEMENTS

Universidade Federal de Santa Maria pelos 10 anos de ensino pblico, gratuito e de

extrema qualidade.

Ao Programa de Ps-Graduao em Cincia do Solo pela formao cientfica durante

meu curso de doutorado.

lUniversit de Poitiers, lcole Doctorale Gay Lussac, et lquipe HydrASA, pour

la formation scientifique.

Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior pela concesso da

bolsa de doutorado no Brasil, e ao programa CAPES/COFECUB pela concesso da bolsa de

doutorado na Frana.

Ao mestre e amigo Danilo Rheinheimer dos Santos pela orientao desde a iniciao

cientfica em 2005, pela formao poltica, pelos conselhos e pelo exemplo de dedicao

pesquisa.

Laurent CANER pour la confiance, les conseils, pour les voyages et la bonne humeur

habituelle pendant ma thse, aussi bien qu Sandrine, Julien, Clmence et Roman, ma famille

en France, pour me faire sentir comme chez-moi, mme de lautre ct de lAtlantique.

Ao professor Jean Paolo Gomes Minella pelo incentivo e amparo intelectual na

aplicao e desenvolvimento da abordagem fingerprinting nas bacias estudadas.

professora Maria Alice Santanna e ao professor Carlos Alberto Ceretta pela ajuda nos

trmites da documentao do acordo de co-tutela de tese.

Ao Edson Campanhola Bortoluzzi pelas conversas e ensinamentos durante o perodo de

convivncia no laboratrio HydrASA.

Ao professor Joo Kaminski pela amizade e pelos sbios ensinamentos.

Ao Marcos Antonio Bender e Lucas Henrique Ciotti pela ajuda indispensvel na coleta,

processamento e anlise das amostras de solo e sedimento.

To my friend Mohsin Zafar by his hard work in sampling sediment samples at Guapore

catchment while I have been outside of Brazil.

Aos bolsistas de iniciao cientfica do Laboratrio de Qumica e Fertilidade dos Solos,

em especial Daniela Herzog e Mayara Fornari.

Melissa Berguemaier (in memoriam) e ao Matheus Librelotto (in memoriam), que

trabalharam incansavelmente no processamento das amostras de solo e sedimento, mas que

infelizmente nos deixaram muito cedo.

Viviane Capoane pela ajuda na confeco de todos os mapas.

Ao Andr Pellegrini, Jimmy Rasche e Gilmar Luiz Schaefer, pela ajuda na coleta das

amostras de solo e sedimento nas bacias hidrogrficas de Jlio de Castilhos.

Ao Elizeu Didon pela companhia e ajuda durante os longos dias de coleta de solo na

bacia hidrogrfica do Conceio.

Ao Leandro Dalbianco, Rafael Ramon e Cludia Alessandra Peixoto de Barros pela

ajuda na coleta de solo e instalao dos coletores na bacia hidrogrfica do Guapor.

Ao Clamarion Maier por ceder as amostras de solo e de sedimento da bacia hidrogrfica

de Arvorezinha.

Aos colegas de Ps-Graduao em Cincia do Solo, pela amizade e convvio,

especialmente ao Leandro Bittencourt de Oliveira, Fbio Joel Kochem Mallmann, Cledimar

Rogrio Lourenzi, Rogrio Piccin, Carlos Alberto Casali, Paulo Ademar Avelar Ferreira Renan

Gonzatto, Elci Gubiani, Marlia Camotti Bastos, Jos Augusto Monteiro de Castro Lima e

Mrcia Luciane Kochem.

Ao Alexandre Troian e Alex Giuliani pela amizade, disposio e presteza de sempre.

Marie-France HUBERT, pour laccueil, les balades et les repas.

Alain MEUNIER et Paul SARDINI pour lamiti et pour la bonne humeur habituelle,

surtout au cours de petites pauses caf.

Lucile BRUNAUD, que malgr avoir rl tout le temps, ma beaucoup aid dans

l'analyse dinfrarouge et diffraction des rayons X.

Leslie MONDAMERT, Jrme LABANOWSKI et Elodie LAURENT pour mavoir reu

dans lEquipe Eaux, Gochimie, Sant, et avoir permis la ralisation d'analyses de pyrolyse de

carbone.

Nadia GUIGNARD, Pierre CHANSIGAUD, Claude FONTAINE et Nathalie

DAUGER pour laide au laboratoire et avec les quipements.

A mi gran amigo hermano Mauricio Len Velsquez Mrquez por el buen humor y la

alegra contagiosa.

mes chers amis de l'Universit de Poitiers, Valentin ROBIN, Jean-Christophe

VIENNET, Fabien BARON, Thomas RIEGLER, Genia SOLDATENKO, Liva DZENE, Sahar

SEIFI, Hlose VERRON, Vanessa BERTOLAZI, Benot MERCKX, Sophie Van MEYEL,

Thomas ICHON, Anthony RODRIGUES, Ahmed ELKHIAL, Axel ANGILERI, Marie

COLLARD, Alice TAWK, Florien LAPALUS, Benot HEBERT, Sophie BILLON, pour la trs

agrable compagnie pendant les innombrables djeuners au RU, dners et cafs.

As agricultores Raul Santo, Celso Zardin, Joo da Silva Almeida, Nei Musselin, Roberto

Grisa, Zeferino e Isabel Tomazi, Claudir Santin Zanchin, Fiorindo Dassi, Gilberto Somavilla,

Deise Roy e famlia, pela presteza e pelo zelo dos amostradores de sedimentos.

Enfim, a todos que estiveram presentes direta ou indiretamente nesta etapa da minha

vida e que contriburam para a realizao deste trabalho.

Porque eu no quero deixar pro meu filho

a pampa pobre que herdei de meu pai

Humberto Gessinger

RESUMO

Tese de Doutorado em Co-tutela

Programa de Ps-Graduao em Cincia do Solo Universidade Federal de Santa Maria, Brasil

Escola Doutoral Cincia pelo Ambiente Gay Lussac Universidade de Poitiers, Frana

IDENTIFICAO DE FONTES DE SEDIMENTO EM BACIAS

HIDROGRFICAS RURAIS DO SUL DO BRASIL AUTOR: TALES TIECHER

ORIENTADOR NA UFSM: DANILO RHEINHEIMER DOS SANTOS

ORIENTADOR NA UNIVERSIDADE DE POITIERS: LAURENT CANER

Data e Local da Defesa: Santa Maria, 05 de maro de 2015.

O conhecimento das principais fontes difusas de sedimentos pode aumentar a eficincia de

utilizao dos recursos investidos em estratgias de gesto que visem mitigar a transferncia de

sedimentos aos cursos d'gua. Mtodos convencionais baseados na composio geoqumica

ainda tem alto custo, so onerosos e demandam preparao preliminar crtica das amostras.

Dessa forma, mtodos espectroscpicos podem ser uma alternativa menos trabalhosa, mais

rpida e vivel para esse propsito. Objetivou-se com o presente trabalho avaliar a contribuio

das fontes de sedimentos em bacias hidrogrficas agrcolas do estado do Rio Grande do Sul, e

avaliar o potencial uso da espectroscopia como uma alternativa para traar a origem dos

sedimentos. As reas de estudo so representativas dos principais impactos da agricultura nos

recursos hdricos no estado. A rea total das bacias hidrogrficas de Arvorezinha, Jlio de

Castilhos 1, Jlio de Castilhos 2, Conceio e Guapor de 1,19, 0,80, 1,43, 804,3 e 2.031 km2,

respectivamente. As fontes de sedimento avaliadas foram lavouras, pastagens, estradas e canais

da rede de drenagem. A estratgia de amostragem de sedimentos incluiu coleta com

amostradores do tipo integrador no tempo, sedimento de fundo e sedimento coletado durante

eventos pluviomtricos. A concentrao de vrios traadores geoqumicos foram estimados nas

amostras de sedimento e das fontes. Anlises espectroscpicas foram realizadas na regio do

ultravioleta-visvel, infravermelho prximo e infravermelho mdio na bacia hidrogrfica de

Arvorezinha. A contribuio das fontes estimadas pelos mtodos espectroscpicos foram

similares s obtidas com traadores geoqumicos. Alm disso, a combinao de parmetros de

cor derivados da faixa espectral do visvel pode ser uma alternativa rpida e de baixo custo para

melhorar a discriminao das fontes e aumentar a preciso das predies. Os resultados

demonstram que outros fatores alm da proporo do uso do solo so importantes na produo

do sedimento, como a distribuio das lavouras, florestas e estradas na paisagem. As florestas

riprias exercem um fator chave na eroso dos canais de drenagem. As estradas parecem ser

fortemente dependentes da escala e do nmero de pontos em que cruzam os canais de drenagem.

As lavouras, mesmo cultivadas sob plantio direto, ainda so as principais fontes de sedimentos

nas bacias hidrogrficas rurais do sul do Brasil. A produo especfica de sedimentos das reas

de lavoura variou de 0.06 a 3.95 ton ha1 de lavoura ano1. Essa variao devida em parte s

condies naturais intrnsecas de relevo e fortemente influenciada pelo uso e manejo do solo.

A quantidade de sedimento erodida das lavouras ainda so muito elevadas para reas de baixa

susceptibilidade eroso manejadas sob plantio direto, como na bacia hidrogrfica do

Conceio (1.30 ton ha1 de lavoura ano1), indicando que maiores esforos ainda so

necessrios para reduzir a eroso do solo. Existe uma necessidade urgente de planejar a

utilizao e ocupao da terra nessas bacias, uma vez que os sistemas de manejo do solo

utilizados pelos agricultores so ineficientes para reduzir a eroso nas lavouras no sul do Brasil.

Palavras-chave: eroso do solo, fontes de poluio difusa, traadores, espectroscopia,

fingerprinting.

RSUM

Thse de Doctorat en Cotutelle

Programme de Graduation en Science du Sol - Universit Fdrale de Santa Maria, Brsil

cole Doctorale Science pour lEnvironnement Gay Lussac - Universit de Poitiers, France

TRAAGE DES SOURCES DE SDIMENTS DANS DES BASSINS

VERSANTS AGRICOLES DU SUD DU BRSIL AUTEUR : TALES TIECHER

DIRECTEUR THESE A LUFSM : DANILO RHEINHEIMER DOS SANTOS

DIRECTEUR THESE A LUNIVERSITE DE POITIERS : LAURENT CANER

Lieu et Date de la Soutenance : Santa Maria, le 5 Mars 2015.

La connaissance des principales sources diffuses de sdiments permettrait damliorer

l'utilisation des ressources publiques investies dans les stratgies de gestion des sols. Les

mthodes de traage (fingerprinting) conventionnelles bases sur la composition gochimique

sont laborieuses et ncessitent une prparation importante des chantillons. Cette tude visait

rechercher les sources de sdiments dans des bassins versants agricoles du Rio Grande do Sul

(sud du Brsil) et valuer l'utilisation des outils spectroscopiques comme technique alternative.

La superficie des bassins versants tudis est comprise entre 0,80 et 2027 km2. Les sources de

sdiments correspondent aux terres cultives, aux prairies, aux chemins agricoles et aux berges

des cours d'eau. L'chantillonnage des sdiments est bas sur des prleveurs automatiques

pendant un suivi temporel, des prlvements de sdiments fins du lit de la rivire, et lors

dvnements de pluvieux. La concentration totale des traceurs gochimiques a t mesure

dans les chantillons de sdiments et de sols. Les mesures spectrales ont t faites dans les

gammes ultraviolet-visible, infrarouge proche et infrarouge moyen pour le bassin versant

dArvorezinha. Les deux mthodes, classiques et spectroscopiques, permettent de discriminer

et de fournir la contribution des sources de sdiments. Linformation spectrale peut tre aussi prcise que les traceurs gochimiques. En outre, la combinaison de paramtres de couleur

drivs du spectre dans le visible avec les traceurs gochimiques tait une faon rapide et peu

coteuse pour amliorer la discrimination entre les sources et la prcision des prdictions. La

contribution des sources de sdiments dmontrent que d'autres facteurs que les proportions de

l'utilisation des terres, comme la distribution de terres agricoles, les forts et les chemins

agricoles dans le paysage, jouent un rle important dans la production de sdiments. Fort

riparienne semble tre un facteur cl de l'rosion des berges des cours d'eau. Lrosion due aux

chemins agricoles semble tre fortement lie chelle dobservation et dpend du nombre de

points o les routes traversent le rseau hydrographique. Les terres cultives, mme lorsque

cultives sans labour (semis direct), sont encore la principale source de sdiments dans les

bassins versants agricoles dans le sud du Brsil. La quantit de sdiments produite par les terres

cultives et par unit de surface qui atteint efficacement le rseau de drainage variait de 0,06

3,95 tonnes ha1 an1. Ces variations sont partiellement lies au relief et la pente, mais elles

sont essentiellement influences par l'utilisation des terres et la gestion des sols. La quantit de

sdiments provenant des terres cultives est encore trop leve pour des zones de faible rosivit

et cultives sans labour du sol, comme le bassin versant de Conceio (1,30 tonnes ha1 an1).

Ceci indique que des efforts supplmentaires sont encore ncessaires pour rduire l'rosion du

sol. Par consquent, il est urgent de mieux planifier l'utilisation et l'occupation des terres dans

ces bassins versants, dans la mesure o les systmes de gestion des sols utiliss par les

agriculteurs sont encore inefficaces pour rduire le ruissellement et l'rosion dans les zones

cultives dans le sud du Brsil.

Mots-cls : rosion des sols, source de pollution diffuse, traceurs, spectroscopie, fingerprinting.

ABSTRACT

Doctoral Thesis in Joint Supervision

Graduation Program in Soil Science Federal University of Santa Maria, Brazil

Doctoral School in Science for Environment Gay Lussac University of Poitiers, France

FINGERPRINTING SEDIMENT SOURCES IN AGRICULTURAL

CATCHMENTS IN SOUTHERN BRAZIL AUTHOR: TALES TIECHER

ADVISOR AT UFSM: DANILO RHEINHEIMER DOS SANTOS

ADVISOR AT UNIVERSITY OF POITIERS: LAURENT CANER

Place and Date of the Defense: Santa Maria, March 5, 2015.

Knowledge of the main diffuse sources of sediment can enhance efficiency in the use of public

resources invested in soil conservation management strategies. Conventional fingerprinting

methods based on geochemical composition are time-consuming and require critical

preliminary sample preparation. In this context, spectroscopic methods can be less labor-

intensive, cheap, and viable alternative for this purpose. The present study aimed to quantify

the sediment sources supplied to rivers in agricultural catchments of Rio Grande do Sul State,

Brazil, and to evaluate the potential use of spectroscopy measurements as a low cost and easy

alternative to fingerprint sediment sources. Five study areas with increased size (Arvorezinha,

Jlio de Castilhos 1, Jlio de Castilhos 2, Conceio, and Guapor, with areas of 1.19, 0.80,

1.43, 804.3, and 2,027.2 km2, respectively) were evaluated. Sediment sources evaluated were

crop fields, grasslands, unpaved roads, and stream channels. Sediment sampling strategies

included time-integrated samplers, fine-bed sediments, and storm-event sediments. The total

concentrations of several geochemical tracers were measured in both sediment and source

samples. Spectral measurements were made for ultraviolet-visible, near-infrared, and mid-

infrared ranges only for the Arvorezinha catchment. Source ascriptions obtained by alternative

methods based on spectroscopy analysis were in agreement with ascriptions from classical

fingerprinting method based on geochemical composition. Spectral information can provide as

relevant information as the geochemical tracers. Furthermore, combining visible-based-colour

with geochemical tracers was a rapid and cheap way to enhance discrimination between source

types and to improve the precision of sediment sources apportionment. Results of sediment

source apportionment demonstrate that other factors than proportion of land use, such as

distribution of croplands, forests, and unpaved roads across the landscape play an important

role in sediment production. Riparian forests seems to be a key factor to control stream channel

erosion. The sediment yielded from unpaved roads seems to be strongly scale-related and it

depends on the number of intersections between roads the stream network. Crop fields, even

when cultivated with no-tillage, are still the main source of sediment to rivers in agricultural

catchments in Southern Brazil. The amount of cropland specific sediment yield ranged from

0.06 to 3.95 ton ha1 yr1. These variations are partly attributed to the relief and slope, but land

use and soil management are also important control factors. The cropland specific sediment

yield remains too high for areas with low sensitivity to erosion where no-tillage is applied, as

in Conceio catchment (1.30 ton ha1 of cropland yr1), indicating that additional efforts are

necessary to further reduce soil erosion. Therefore, there is an urgent need to better plan land

use and cover in these catchments, inasmuch as the soil management systems used by farmers

proved to be inefficient to reduce runoff and erosion in cultivated areas of Southern Brazil.

Keywords: soil erosion, source of diffuse pollution, tracers, spectroscopy, fingerprinting.

RESUMO LONGO

1 Introduo e justificativa

A degradao dos recursos naturais causados pela produo de alimentos tem se

intensificado nas recentes dcadas. Cerca da metade da superfcie terrestre livre de gelo tem

sido convertida ou substancialmente modificada pelas atividades humanas nos ltimos 10.000

anos (LAMBIN; GEIST; LEPERS, 2003). As prticas agrcolas modernas e intensivas expem

o solo eroso e aceleram a transferncia de sedimentos para as partes baixas da paisagem

(MINELLA; WALLING; MERTEN, 2014) e aos corpos de gua, juntamente com vrios

contaminantes como pesticidas (MAGNUSSON et al., 2013; YAHIA; ELSHARKAWY, 2014)

e fsforo (DODD; MCDOWELL; CONDRON, 2014; GUO et al., 2014). Isto particularmente

preocupante, pois os seres humanos obtm mais de 99,7% de seus alimentos (calorias) a partir

da terra e menos de 0,3% dos oceanos e outros ecossistemas aquticos (PIMENTEL, 2006),

ainda mais tendo em vista que o crescimento contnuo da populao e do consumo significa

que a demanda mundial por alimentos vai aumentar por pelo menos mais 40 anos (GODFRAY

et al., 2010).

Em bacias hidrogrficas agrcolas com alta produo de sedimentos e alto coeficiente

de escoamento, como no sul do Brasil, o processo de eroso precisa ser controlada para evitar

a degradao irreversvel dos solos e da qualidade da gua. Embora reconhecendo que o

conhecimento das principais fontes difusas de produo de sedimentos pode melhorar a

eficincia no uso dos recursos pblicos investidos em estratgias de gesto que visam mitigar

a transferncia de sedimentos para cursos de gua em bacias hidrogrficas, somente alguns

estudos tem sido desenvolvidos para identificar as fontes de sedimentos no sul do Brasil. Os

estudos anteriores de contribuio das fontes de sedimentos em bacias brasileiras so

promissores e indicam que a essa abordagem uma ferramenta adequada para estudar fontes

de sedimentos em nossas condies ambientais (bacia hidrogrfica do Vacaca Mirim, RS, 20

km2 - MIGUEL et al., 2014a, 2014b; bacia hidrogrfica de Arvorezinha, RS, 1,19 km2 -

MINELLA; MERTEN; CLARKE, 2009; MINELLA; WALLING; MERTEN, 2008;

MINELLA et al., 2009; bacia hidrogrfica de Agudo, RS, 1,68 km2 - MINELLA et al., 2007;

bacia hidrogrfica de Jlio de Castilhos, RS, 0,8 km2 - TIECHER et al., 2014). Embora muitos

desses estudos indicam que as reas de lavoura so uma das principais fontes de sedimentos, e

que as estradas tm contribuio no negligencivel, a magnitude dos valores obtidos para as

bacias hidrogrficas menores pode no necessariamente ser extrapolados para bacias maiores.

Alm disso, outras fontes potenciais alm das lavouras, estradas e canais de drenagem, devem

ser investigadas, tais como as reas de pastagem.

Estudos adicionais de identificao de fontes de sedimentos devem incorporar a

conectividade hidrogeomorfolgica da bacia hidrogrfica, para entender como e quo eficiente

ocorre o transporte de sedimentos em toda a bacia hidrogrfica, desde as cabeceiras at o

exutrio da bacia hidrogrfica (KOITER et al., 2013b). No obstante, h uma necessidade de

gerar resultados com alta resoluo espacial e temporal da contribuio das fontes de sedimento,

especialmente durante os eventos de chuva-vazo ao longo de todo o ano hidrolgico, a fim de

melhorar a compreenso dos processos erosivos no sul do Brasil. Alm disso, ainda h a

necessidade de gerar resultados convincentes para promover a conscientizao dos agricultores

sobre o impacto das atividades agrcolas sobre os recursos hdricos, quando as prticas de

conservao do solo so parcialmente ou utilizados incorretamente.

O uso da abordagem fingerprinting convencional baseado em traadores geoqumicos

para identificar fontes de sedimentos como ferramenta de gesto no sul do Brasil dificultado

porque so metodologias demoradas, caras, destrutivas e exigem grandes quantidades de

amostra. Alm disso, o acesso aos equipamentos utilizados para essas anlises (ICP-OES, ICP-

MES, espectrmetros ) tambm um obstculo para o desenvolvimento desta abordagem no

Brasil, assim como em outros pases subtropicais. Portanto, importante e necessrio (i)

desenvolver diretrizes para pr-selecionar traadores relevantes e conservativos e (ii)

desenvolver e validar mtodos facilmente aplicveis a um grande nmero de amostras que

envolvam preparao mnima e que sejam da mesma forma eficazes para discriminar as fontes

potenciais de sedimento.

1.1 Contexto

A presente tese o resultado de dois projetos de pesquisa que permitiram desenvolver

os trabalhos de campo e de laboratrio necessrios para a execuo do presente estudo. O

primeiro projeto gua e poluentes, das lavouras s cidades: avaliao e tecnologias

melhoradas de manejo em rede de bacias hidrogrfica - Edital FAPERGS n 008/2009,

Processo no 10/0034-0) foi financiado pelo Programa de Apoio a Ncleos de Excelncia

PRONEX da Fundao de Amparo Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul FAPERGS.

O projeto foi coordenado e executado pelos professores da UFSM Dr. Danilo Rheinheimer dos

Santos, Dr. Jean Paolo Gomes Minella e Dr. Jos Miguel Reichert, de maio de 2010 maio de

2014. Este projeto possibilitou realizar o monitoramento hidrossedimentolgico das bacias

estudadas e as anlises geoqumicas das amostras de solo e sedimento no Laboratrio de

Qumica e Fertilidade de Solos da UFSM.

O segundo um projeto internacional financiado pelo programa CAPES/COFECUB.

COFECUB a sigla em francs para o Comit Francs de Avaliao das Cooperaes

Acadmicas e Cientficas com o Brasil (Comit Franais d'Evaluation de la Coopration

Universitaire avec le Brsil). O projeto Evoluo mineralgica dos solos do sul do Brasil:

caracterizao dos processos de alterao e de impacto antrpico comeou em Janeiro de

2012 sob coordenao do Professor Dr. Danilo Rheinheimer dos Santos (UFSM) no Brasil, e

do Professor Dr. Laurent Caner (Universidade de Poitiers) na Frana. Esse projeto de

cooperao foi baseado em caractersticas que so comuns entre as instituies envolvidas:

histrico de colaborao e perspectivas de aplicao semelhantes, em termos de formao e

transferncia dos resultados da pesquisa. Esse projeto envolve trs universidades brasileiras

(UFSM, UPF e UFRGS) e dois grupos de pesquisa da Universidade de Poitiers, da Frana: a

equipe HydrASA (acrnimo Francs para Hidrogeologia, Argilas, Solos e Alteraes), e a

equipe Eaux Gochimie Sant (gua, Geoqumica, Sade), ambos pertencentes ao Institut de

Chimie des Milieux et Matriaux de Poitiers - IC2MP (Instituto de Qumica de Meios e

Materiais de Poitiers).

Com o projeto CAPES/COFECUB foi possvel fazer a tese no regime de co-tutela entre

a UFSM, no Brasil (de maro de 2011 a maro de 2013, e de setembro de 2014 a fevereiro de

2015), e a Universidade de Poitiers, na Frana (de abril de 2013 a agosto de 2014). Alm disso,

a cooperao com a Universidade de Poitiers tornou possvel avanar no desenvolvimento e

validao de mtodos alternativos para identificar as fontes de sedimentos usando anlises

espectroscpicas, bem como a realizao de outras anlises como difrao de raios-X e a

pirlise de carbono com cromatografia gasosa acoplada espectrometria de massa, que

serviram para compreender as propriedades fsicas e qumicas que permitem a utilizao de

mtodos espectroscpicos para identificar a fonte de sedimentos.

1.2 Hiptese

As reas de lavoura, mesmo cultivadas sob plantio direto, ainda so a principal fonte de

sedimentos em bacias hidrogrficas agrcolas do sul do Brasil, e a condio atual dos sistemas

de conservao, bem como o impacto das atividades agrcolas sobre os recursos hdricos quando

as prticas de conservao do solo so parcialmente ou incorretamente utilizados, pode ser

avaliado utilizando a abordagem fingerprinting para identificao das fontes de sedimentos.

1.3 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho gerar informaes que possam contribuir para a

recomendao de prticas de conservao do solo para a reduo dos problemas ambientais

associados ao escoamento superficial e eroso em bacias hidrogrficas que incluem alguns dos

principais problemas relacionados ao impacto da agricultura sobre os recursos hdricos no sul

do Brasil. Os objetivos especficos foram:

(i) Gerar recomendao ou orientaes para pr-seleo de traadores no sul do

Brasil.

(ii) Validar mtodos espectroscpicos alternativos para identificao de fontes de

sedimentos, comparando os resultados com uma abordagem mais clssica,

baseada em traadores geoqumicos, e melhorar a erros de discriminao de

origem e de previso atravs da combinao de parmetros de cor com

traadores geoqumicos em um nico linear misto modelo.

(iii) Melhorar a compreenso do processo de eroso no sul do Brasil por meio da

gerao de informaes de contribuio de fontes de sedimentos em alta

resoluo temporal e espacial, especialmente durante eventos chuva-vazo ao

longo do ano hidrolgico.

(iv) Estimar a mobilizao de sedimentos das reas de lavoura, a fim de gerar

resultados convincentes para promover a conscientizao dos agricultores sobre

o impacto das atividades agrcolas nos recursos hdricos, quando as prticas de

conservao do solo so parcialmente ou incorretamente utilizadas.

2 Material e mtodos

O presente estudo foi realizado no Estado do Rio Grande do Sul. A escolha das bacias

hidrogrficas de estudo foi guiada pela necessidade de caracterizar a magnitude de processos

erosivos e hidrolgicos em condies distintas de uso da terra, que fossem representativas do

solo e da paisagem da regio. Trs pequenas (0,8021,426 km2) e duas grandes (804,32.031,9

km2) bacias hidrogrficas foram escolhidas de forma a gerar resultados que refletem condies

e processos regionais mais amplos, ao invs de condies e processos especficos. As bacias

hidrogrficas selecionadas so representativos das condies mais importantes do impacto da

agricultura sobre os recursos hdricos no Estado do Rio Grande do Sul. As bacias de Jlio de

Castilhos esto localizadas sob solos arenosos onde a integrao lavoura-pecuria sob plantio

direto o principal sistema de produo. A bacia do Conceio apresenta atividade agrcola

intensiva, com a produo de gros (principalmente soja, milho e cereais de inverno), sob

plantio direto em solos profundos e argilosos ricos em xidos de ferro. A bacia do Guapor tem

caractersticas fisiogrficas que determinam fragilidade ambiental quando o solo utilizado

para agricultura sem levar em conta prticas conservacionistas. A bacia de Arvorezinha uma

bacia hidrogrfica de cabeceira do tero inferior da bacia do Guapor, onde a cultura principal

o tabaco cultivado por agricultores familiares em reas declivosas em solos rasos

frequentemente arados. Em comum, as cinco bacias hidrogrficas apresentam elevada produo

de sedimentos e desequilbrio ambiental.

As fontes de sedimentos avaliadas foram as reas de lavoura, pastagens, estradas no

pavimentadas e as margens dos rios e riachos. A amostragem de sedimentos foi baseada em

amostradores de modo contnuo de sedimentos em suspenso, as amostras de sedimento fino

do leito do rio, e amostras de sedimento em suspenso coletados durante os eventos

pluviomtricos. Todas as amostras de solo e de sedimentos foram secas em estufa a 50oC e

levemente desagregados usando gral de gata. Todas as amostras de solo e de sedimentos das

cinco bacias hidrogrficas foram analisados para um gama de traadores geoqumicos. O

carbono orgnico total foi estimado pela oxidao mida com K2Cr2O7 e H2SO4. A

concentrao total de vrios elementos (Ag, A, B, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, La, Li,

Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sb, Se, Sr, Ti, Tl, V e Zn) foi estimada por ICP-OES aps digesto

assistida por micro-ondas por 9,5 min a 182C com HCl e HNO3 concentrado na proporo de

3:1 (gua rgia).

A granulometria das amostras de sedimento e solo foi analisada somente para as

amostras da bacia de Arvorezinha aps a oxidao da matria orgnica com H2O2 e disperso

com NaOH, em um granulmetro laser. A rea superficial especfica foi calculada a partir da

distribuio de tamanho de partcula, considerando que as partculas so esfricas e cilndricas.

Outras anlises adicionais nas amostras da bacia de Arvorezinha tambm foram realizadas para

avaliar o potencial de utilizao das anlises espectroscpicas para identificar as fontes de

sedimentos.

Os espectros de refletncia difusa tica na faixa do ultravioleta-visvel (UV-VIS) das

amostras foram obtidos temperatura ambiente na faixa de 200800 nm, a cada 1 nm,

utilizando um espectrofotmetro Cary 5000 UV-VIS-NIR (Varian, Palo Alto, CA, USA). As

amostras foram postas em um acessrio de refletncia difusa Mantis Harrick Rezar que usa

espelhos elpticos. BaSO4 foi usado como um padro de 100% de reflexo. Vinte e quatro (24)

parmetros de cor foram derivados a partir do espectro do VIS utilizando vrios modelos de

colorimtricos descritos em detalhe por Viscarra Rossel et al. (2006). Os espectros de

infravermelho prximo (NIR) foram registrados da faixa de 100004000 cm1 utilizando um

espectrmetro FTIR Nicolet 26700 (Waltham, Massachusetts, EUA) no modo de refletncia

difusa com uma esfera de integrao e um detector InGaAs interoa com uma resoluo de 2

cm1 e 100 leituras por espectro. Os espectros de infravermelho mdio (MIR) foram obtidos na

faixa de 4004000 cm1 utilizando um espectrmetro Nicolet 510-FTIR (Thermo Electron

Scientific, Madison, WI, EUA) no modo de reflexo com uma resoluo de 2 cm1 e 100 leituras

por espectro. Os espectrmetros de infravermelho eram constantemente varridos com uma

corrente de ar para eliminar o CO2 afim de no perturbar as medies.

A fim de dar suporte interpretao das anlises espectroscpicas, algumas anlise

complementares foram realizadas em amostras compostas de cada fonte de sedimento que

foram formadas por mistura de todas as amostras individuais de cada fonte em laboratrio (e.g.

mistura das 10 amostras das estradas para compor uma amostra composta, 10 amostras dos

canais, e 20 das lavouras). Nessas trs amostras compostas foram realizadas a pirlise de

carbono com cromatografia gasosa acoplada espectrometria de massa (Py-GC/MS) e a

difrao de raios-X (XRD) para identificar os principais compostos orgnicos e minerais,

respectivamente.

O procedimento estatstico utilizado para estimar a contribuio das fontes de sedimento

utilizando o mtodo clssico baseado nos traadores geoqumicos e o mtodo alternativo

baseado nas anlises espectroscpicas foi bem diferente. Resumidamente, as etapas utilizadas

no mtodo convencional, foram: i) seleo dos traadores com base no teste de Kruskal-Wallis

H, ii) seleo do melhor conjunto de traadores utilizando anlise discriminante e, finalmente,

iii) a utilizao de um modelo linear misto para calcular a contribuio das fontes de

sedimentos. Os passos utilizados no mtodo alternativo foram i) anlise de componente

principal para reduzir o nmero de variveis, ii) anlise discriminante para determinar o

potencial traador das anlises espectroscpicas e, finalmente, iii) o uso da regresso do mtodo

dos mnimos quadrados (Partial Least Squares Regression PLSR) com base em misturas das

fontes de sedimentos em vrias propores para calcular a contribuio fontes de sedimentos.

3 Principais resultados

3.1 Diretrizes para pr-seleo de traadores geoqumicos no sul do Brasil

Em relao recomendao e orientaes para pr-seleo de traadores no sul do

Brasil, verificou-se que um total de 18 diferentes traadores geoqumicos foram selecionados

pelo menos em uma bacia hidrogrfica para estimar a contribuio das fontes de sedimentos no

modelo linear misto (Ag, Al, As, Ba, Be, Co, Cr, Cu, Fe, La, Li, Mn, Mo, Ni, P, Ti, V e Zn).

Os resultados sugerem que os metais de transio so os traadores geoqumicos mais

adequados para serem utilizados em bacias hidrogrficas agrcolas do sul do Brasil, devido a

sua conservatividade e potencial discriminante. Apesar do potencial de discriminar fontes de

sedimentos em alguns casos, os metais alcalinos e metais alcalino-terrosos tendem a ser menos

conservativos durante o processo de eroso e devem ser evitados.

Com exceo do carbono orgnico total e fsforo no houve consistncia bvia na

relao de outros traadores geoqumicos com as fontes de sedimentos. O fsforo foi

consistentemente maior nas reas de lavoura, enquanto o carbono orgnico total foi igualmente

superior para as fontes superficiais, como as pastagens e lavouras. Isso destaca que a seleo

do traador altamente especfica do local. No obstante, deve-se tomar cuidado para avaliar a

conservatividade do P e carbono orgnico total para cada bacia hidrogrfica antes de sua

utilizao como traador.

Nenhum traador geoqumico foi capaz de classificar 100% das amostras nas

respectivas fontes de origem em qualquer uma das bacias estudadas. Isso demonstra que

necessrio um conjunto de propriedades traadoras para discriminar vrias fontes difusas de

sedimentos a fim de fornecer estimativas confiveis sobre a contribuio relativa dessas fontes

em bacias hidrogrficas agrcolas. Diferentes traadores geoqumicos podem explicar

diferentes processos erosivos. Dessa forma, o uso de vrios traadores geoqumicos podem

reduzir as incertezas e aumentar a robustez dos modelos, bem como a confiabilidade dos

resultados. Em geral, quanto menor bacia hidrogrfica e quanto menor for o nmero de fontes

estudadas, mais eficazes foram os traadores em discriminar as fontes de sedimentos. A

discriminao satisfatria das pastagens s foi possvel nas pequenas bacias de Jlio de

Castilhos. Nas bacias de Guapor e Conceio no foi possvel discriminar satisfatoriamente as

reas de pastagens das reas de lavoura devido sua composio geoqumica similar, bem como

devido alta variabilidade nos tipos de solo e litologia nessas bacias, o que dificultou a seleo

de traadores para tal. Uma possvel explicao para isso pode ser a baixa densidade amostras

nas bacias hidrogrficas do Guapor e Conceio (0.15 e 0.23 amostras por km2,

respectivamente) comparado com as bacias hidrogrficas de Jlio de Castilhos (variando de 21

a 37 amostras km2).

3.2 O potencial de uso de mtodos alternativos baseados na espectroscopia

Os mtodos alternativos baseados na espectroscopia na faixa do UV-VIS, NIR e MIR,

foram validados para estimar as fontes de sedimentos na bacia hidrogrfica de Arvorezinha pela

comparao com resultados obtidos em uma abordagem mais clssica com base na composio

geoqumica. A contribuio das fontes de sedimento obtido pelos dois mtodos foram muito

similares, especialmente os modelos baseados no NIR. Alm disso, os resultados da

identificao das fontes de sedimentos baseados nas informaes espectrais podem ser to

precisos quanto aos resultados obtidos com traadores geoqumicos, mesmo utilizando modelos

independentes para cada fonte, obtidos pela regresso do mtodo dos mnimos quadrados

(Partial Least Squares Regression PLSR), ou seja, cada modelo estimou a proporo de uma

fonte, de forma independente dos outros dois. Os modelos espectroscpicos obtidos pelo

mtodo PLSR so uma abordagem promissora por causa de seu baixo custo e rapidez,

facilitando a realizao de inmeras medidas e, portanto, alta resoluo, o que essencial para

compreender melhor o comportamento de bacias que apresentam respostas

hidrossedimentolgico rpidas. Alm disso, combinando parmetros de cor baseado no VIS

com marcadores geoqumicos foi uma maneira rpida e barata para melhorar a discriminao e

baixar os erros de preciso das fontes de sedimentos.

3.3 Alta resoluo espacial e temporal da contribuio das fontes de sedimentos

A contribuio das fontes de sedimentos coletados em intervalos que variaram ao longo

da ascenso e recesso do hidrograma em eventos chuva-vazo revelam uma alta variabilidade

na contribuio das fontes de sedimentos tanto inter quanto intra-eventos. Tais variaes

refletem condies antecedentes e mudanas no uso do e da cobertura do solo entre os eventos,

exausto de fontes ao longo do evento, e do estgio do hidrograma em que a amostra coletada.

Os resultados da classificao das fontes de sedimentos durante os eventos chuva-vazo nas

cinco bacias monitoradas indicam que os eventos pluviomtricos esto associadas um

aumento da contribuio relativa de sedimento das fontes superficiais do solo, como as reas

de pastagem e de lavoura. A entrada atrasada do sedimento oriundo dos canais na fase de

recesso dos hidrogramas nas grandes bacias hidrogrficas indicam que existe colapso dos

canais na medida que o nvel da gua retrocede. Para as estradas no entanto, nenhum padro

claro da variao da sua contribuio intra-eventos foi verificado em todas as bacias

hidrogrficas do estudo. As variaes intra-eventos na origem dos sedimentos para bacias

hidrogrficas agrcolas do sul do Brasil demonstra a individualidade de cada evento em

diferentes ambientes hidrossedimentolgicos. Esses resultados reforam a necessidade da alta

frequncia de amostragem para alcanar resultados satisfatrios que permite compreender os

processos de eroso ao longo dos eventos pluviomtricos, em especial nas pequenas bacias

hidrogrficas onde as respostas hidrolgicas so mais rpidas.

Os resultados obtidos nas diferentes bacias e sub-bacias monitoradas demonstram que

outros fatores alm da proporo de uso do solo desempenham um papel importante na

produo de sedimentos no sul do Brasil, como a distribuio das terras agrcolas, florestas e

estradas no pavimentadas na paisagem. A vegetao ciliar preservada, as zonas midas e

audes promovem interceptao dos sedimentos e reduzem a conectividade das reas de lavoura

com a rede de drenagem, diminuindo a quantidade de sedimentos transferidos para os corpos

d'gua. A mata ciliar parece ser um fator-chave para a eroso do canal. A presena de rvores

adultas nas margens dos rios e riachos aumenta sua estabilidade das margens contra seu colapso

atravs do reforo do sedimento das margens com razes. Os resultados deste trabalho tambm

demonstram que a contribuio das estradas fortemente relacionada com a escala e depende

do nmero de pontos em que elas cruzam a rede de drenagem. A contribuio das estradas no

pavimentadas relevante para a produo de sedimentos em todas bacias hidrogrficas

monitoradas, mas particularmente nas pequenas. A maioria das estradas nas bacias de estudo

no so planejadas, construdas seguindo a linha de inclinao, e muitas vezes so danificadas

por sulcos e voorocas. Na bacia hidrogrfica do Conceio, a contribuio das estradas foi a

menor entre as bacias hidrogrficas estudadas, o que foi particularmente surpreendente porque

nessa bacia hidrogrfica possvel verificar que o nvel das estradas significativamente mais

baixo comparativamente ao nvel original do terreno nas lavouras adjacentes e vrios processos

erosivos podem ser verificados ao longo das estradas. Apesar da baixa contribuio relativa de

estradas comparativamente as reas de lavoura nas grandes bacias hidrogrficas, eles

representam um componente esttico da paisagem, o que torna primordial seu planejamento de

alocao em programas que visam mitigar a transferncia de sedimentos.

3.4 Efeito do manejo do solo na transferncia de sedimentos das reas de lavoura

Os resultados indicam que a quantidade de sedimentos gerados nas reas de lavoura por

unidade de rea que realmente atinge a rede de drenagem fluvial (produo especfica de

sedimentos das reas de lavoura) foi muito diferente entre as bacias estudadas, devido em parte

s condies naturais intrnsecas de relevo, e foram fortemente influenciados pelo uso da terra

e manejo do solo. Nas bacias de Jlio de Castilhos, a quantidade de sedimentos originada nas

reas de lavoura foi muito baixa (variando de 6 a 12 toneladas de sedimento por quilometro

quadrado de lavoura por ano), devido ao relevo mais suave e, principalmente, devido presena

de reas midas e audes artificiais, que promovem a interceptao dos sedimentos que

reduzem a conectividade das reas de lavoura com rede de drenagem. Por outro lado, as

encostas ngremes e solo rasos frequentemente arados, nas reas de lavoura da bacia

hidrogrfica de Arvorezinha resultou na produo de sedimentos aproximadamente 20-35 vezes

maior do que nas bacias hidrogrficas de Jlio de Castilhos, o que particularmente

preocupante, uma vez que o sistema de produo dessas reas envolve altas doses de

fertilizantes fosfatados e pesticidas, aumentando o risco ambiental de eutrofizao dos corpos

dgua.

Embora as bacias hidrogrficas do Guapor e do Conceio apresentam produo de

sedimentos muito semelhante, a produo de sedimentos oriundo das reas de lavoura cerca

de trs vezes menor na bacia do Conceio do que na bacia do Guapor. A bacia Guapor tem

caractersticas naturais que favorecem a eroso e a transferncia de sedimentos para os corpos

dgua, especialmente no seu tero mdio e inferior, onde o relevo montanhoso e os solos so

rasos. Mesmo assim, em muitas reas, as culturas e o manejo do solo no levam em conta a

fragilidade dos solos, resultando em alta eroso das reas de lavoura. A menor produo de

sedimento nas reas de lavoura da bacia do Conceio em comparao com a do Guapor, esto

de acordo com o seu principal manejo do solo (> 80% das reas de lavoura so cultivadas sob

plantio direto) e com as caractersticas naturais de solo e paisagem que indicam baixa

suscetibilidade eroso. No entanto, a quantidade de sedimentos gerados nas reas de lavoura

que atinge a rede fluvial ainda muito elevada para uma rea considera de baixa

susceptibilidade eroso sem revolvimento do solo, indicando que novos esforos ainda so

necessrios para reduzir a eroso do solo. As principais causas disso so o abandono das prticas

mecnicas para o controle de escoamento (i.e. utilizao de terraes), a monocultura de soja

negligenciando o sistema de rotao de culturas, o baixo aporte de biomassa resultando em

reduo da cobertura do solo, e o trfego excessivo e descontrolado de mquinas agrcolas

pesadas muitas vezes sob condies de umidade desfavorveis.

4 Concluso

As reas de lavoura, mesmo cultivadas sob plantio direto, ainda so a principal fonte de

sedimentos em bacias hidrogrficas agrcolas do sul do Brasil. O estado atual dos sistemas de

conservao, bem como os impactos das atividades agrcolas nos corpos dgua podem ser

avaliados utilizando a abordagem fingerprinting para a identificao de fontes de sedimentos.

Os resultados mostram que as atuais prticas de conservao do solo utilizados pelos

agricultores ainda no so suficientes para reduzir a produo de sedimentos nas reas de

lavoura para taxas aceitveis. Por isso, existe uma necessidade urgente de planejar melhor o

uso e ocupao do solo nessas bacias hidrogrficas, na medida em que os sistemas de manejo

do solo utilizados pelos agricultores so ineficazes na reduo do escoamento superficial e

eroso nas reas de lavoura do sul do Brasil.

RSUM LONG

1 Introduction et justification de ltude

La dgradation des ressources naturelles due l'rosion de terres cultives sest

intensifie au cours des dernires dcennies. Environ la moiti de la surface des terres merges

a t convertie ou sensiblement modifie par les activits humaines au cours des 10 000

dernires annes (LAMBIN; GEIST; LEPERS, 2003). Les pratiques agricoles modernes et

intensives exposent le sol l'rosion et acclrent le transfert des sdiments de versant vers les

plaines (MINELLA; WALLING; MERTEN, 2014) et les cours d'eau. Elles transfrent aussi

les contaminants associs aux particules comme les pesticides (MAGNUSSON et al., 2013;

YAHIA; ELSHARKAWY, 2014) et le phosphore (DODD; MCDOWELL; CONDRON, 2014;

GUO et al., 2014). Cette situation est particulirement inquitante car des estimations montrent

que les hommes extraient plus de 99,7% de leurs ressources alimentaires de la terre mais moins

de 0,3% de celles-ci dans les ocans et les autres cosystmes aquatiques (PIMENTEL, 2006).

De plus, la population humaine et la consommation alimentaire continuent de crotre, ce qui

signifie que la demande alimentaire mondiale va continuer augmenter pendant au moins 40

ans (GODFRAY et al., 2010).

Dans les bassins versants agricoles o les taux de production de sdiments et les

coefficients de ruissellement sont levs, comme dans le sud du Brsil, les processus d'rosion

doivent tre contrls pour viter une dgradation irrversible des sols et de la qualit de l'eau.

La connaissance des principales sources de sdiments diffuses permettrait d'amliorer

l'utilisation des ressources publiques investies dans les stratgies de gestion qui visent attnuer

le transfert de sdiments des versants vers les cours d'eau. Pourtant, seules quelques tudes ont

tent de quantifier l'origine des sdiments dans les bassins versants du sud du Brsil. Les tudes

actuellement menes cette fin sont donc prometteuses et indiquent que cette approche est

approprie pour tudier les sources de sdiments dans ce type de conditions environnementales.

Bien que des tudes antrieures aient montr que les terres cultives soient la principale source

de sdiments, et que les chemins agricoles gnrent une contribution sdimentaire non

ngligeable dans les petits bassins versants agricoles (100 km2). Par ailleurs, d'autres

sources potentielles que les terres cultives, les chemins agricoles, et les berges des cours d'eau,

comme les prairies, doivent tre tudies.

D'autres tudes sur la contribution des sources de sdiments ont montr qu'il fallait

prendre en compte la connectivit hydro-gomorphologique du bassin versant pour mieux

comprendre le transport des sdiments de l'amont vers l'exutoire du bassin versant (KOITER et

al., 2013b). Cependant, il est ncessaire d'obtenir des informations sur la contribution des

sources de sdiments avec une rsolution spatiale et temporelle leve, en particulier pendant

des vnements pluvieux au cours de l'ensemble de l'anne hydrologique, afin d'amliorer la

comprhension des processus d'rosion dans le sud du Brsil. En outre, il est indispensable

dobtenir des rsultats fiables pour sensibiliser les agriculteurs quant l'impact de leurs

pratiques sur les ressources en eau.

L'approche classique du fingerprinting pour identifier les sources de sdiments est

difficile mettre en uvre en routine dans le sud du Brsil car elle est base sur l'emploi de

traceurs gochimiques dont la dtermination ncessite une masse importante d'chantillons,

ainsi qu'une prparation laborieuse, destructive et coteuse. L'accs aux appareils de mesure

(ICP-OES, ICP-MES, spectromtres ) constitue galement un frein au dveloppement de cette

approche au Brsil comme dans dautres pays subtropicaux. En consquence, il est ncessaire

(i) d'adopter une mthodologie permettant de prslectionner les traceurs pertinents et

conservatifs et (ii) de dvelopper et de valider des mthodes facilement applicables et efficaces

un grand nombre d'chantillons, ncessitant une prparation minimale de ces derniers.

1.1 Contexte

La prsente thse est le rsultat de deux projets de recherche qui ont permis de raliser

des chantillonnages sur le terrain et de raliser des analyses gochimiques du ceux-ci au

laboratoire. Le premier projet intitul Eau et polluants, des terres cultives vers les villes :

valuation de technologies amliores de gestion en rseau dans des bassins versants (gua

e poluentes, das lavouras s cidades: avaliao e tecnologias melhoradas de manejo em rede

de bacias hidrogrfica - Edital FAPERGS n 008/2009, Processo no 10/0034-0) a t financ

par le Programme de Soutien aux Centres d'Excellence de la Fondation de Soutien la

Recherche de ltat du Rio Grande do Sul (Programa de Apoio a Ncleos de Excelncia

PRONEX da Fundao de Amparo Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul FAPERGS).

Le projet a t coordonn par le professeur Dr. Danilo RHEINHEIMER dos Santos, le Dr Jean

Paolo Gomes MINELLA, et le Dr. Jos Miguel REICHERT, de mai 2010 mai 2014. Ce projet

a rendu possible le suivi hydro-sdimentaire des bassins versants tudis et les analyses

gochimiques des chantillons de sol et de sdiments au Laboratoire de Chimie et de Fertilit

des Sols de lUFSM.

Le second projet est un projet international Franco-Brsilien soutenu par le programme

CAPES / COFECUB. COFECUB est lacronyme du Comit Franais d'Evaluation de la

Coopration Universitaire avec le Brsil, et CAPES est l'acronyme portugais de l'Agence

Fdrale de Soutien et de l'valuation du Personnel de lEnseignement Suprieur (Coordenao

de Aperfeioamento do Pessoal de Nvel Superior). Le projet Evolution minralogique des

sols du sud du Brsil : caractrisation des processus daltration et de limpact anthropique a

dbut en janvier 2012 et est coordonn par le Professeur Dr. Danilo RHEINHEIMER dos

Santos pour la partie brsilienne (UFSM, Brsil), et Laurent CANER pour la partie franaise

(Universit de Poitiers, France). Le projet de coopration tire profit des caractristiques qui sont

communes entre les institutions concernes : l'historique de la collaboration et les perspectives

d'application similaires en termes de formation et de transfert des rsultats de recherche. Le

projet comprend trois universits brsiliennes (UFSM, Universit de Passo Fundo UPF et

lUniversit Fdrale du Rio Grande do Sul UFRGS) et deux groupes de recherche de

l'Universit de Poitiers, savoir : lquipe HydrASA (Hydrogologie, Argiles, Sols et

Altrations) et lquipe Eaux Gochimie Sant, les derniers appartient lInstitut de Chimie

des Milieux et Matriaux de Poitiers (IC2MP), UMR 7285.

Le projet CAPES / COFECUB a rendu possible la ralisation de la thse en cotutelle

entre lUFSM, au Brsil, et l'Universit de Poitiers, en France. Par ailleurs, la coopration avec

l'Universit de Poitiers a permis le dveloppement et la validation de mthodes alternatives

pour lidentification des sources de sdiments. Des analyses spectroscopiques (IR et UV-VIS),

de diffraction des rayons X et de pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse couple le

spectromtrie de masse ont permis dtudier les proprits physico-chimiques et leur utilisation

pour identifier les sources de sdiments.

1.2 Hypothse

Mme lorsque les terres sont cultives avec des techniques culturales simplifies sans

labour du sol et en semis-direct (ce qui est commun au sud du Brsil), elles constituent encore

la principale source de sdiments dans les bassins versants agricoles du sud du Brsil. L'impact

des pressions agricoles sur les ressources en sol et en eau ainsi que l'tat actuel des systmes de

conservation (plus ou moins bien utiliss) peut tre value en utilisant l'approche

didentification des sources de sdiments par fingerprinting.

1.3 But et objectifs

L'objectif gnral de cette tude est de comprendre les processus de production et de

transfert des sdiments l'chelle des bassins versants cultivs dans le sud du Brsil, en vue de

contribuer la recommandation de pratiques de conservation des sols permettant de rduire le

ruissellement et l'rosion ainsi que les transferts de polluants associs. Les objectifs spcifiques

sont drouls ci-aprs :

(i) Affiner la procdure de slection des traceurs et proposition de lignes directrices

pour la pr-slection des traceurs.

(ii) Valider les mthodes spectroscopiques alternatives pour lidentification des

sources de sdiments en comparant leurs rsultats avec ceux de lapproche

classique base sur les traceurs gochimiques.

(iii) Amliorer la comprhension des processus d'rosion dans le sud du Brsil en

obtenant des informations sur la contribution des sources de sdiments avec une

rsolution spatiale et temporelle importante, en particulier lors dvnements

pluvieux.

(iv) Estimer l'apport de sdiments provenant des terres cultives vers le rseau

hydrologique afin dobtenir des rsultats probants pour sensibiliser les

agriculteurs sur l'impact de leurs pratiques sur les ressources en eau.

2 Matriel et mthodes

L'tude a t ralise dans ltat du Rio Grande do Sul, plus mridional du Brsil. Le

choix des bassins versants a t guid par la ncessit de caractriser l'impact des processus

hydrologiques et d'rosion dans diverses conditions d'utilisation des terres, du sol et du paysage

reprsentatives de cette rgion. Trois petits bassins versants (de 0,802 1,426 km2) et deux

grands bassins (804,3-2.031,9 km2) ont t choisis pour reflter les principaux systmes

agricoles et les processus drosion derrires. Les bassins versants choisis subissent les impacts

typiques les plus importants quinduit l'agriculture sur les ressources en eau dans l'tat de Rio

Grande do Sul. Les bassins versants de Jlio de Castilhos (0,802 et 1,426 km2) sont situs sur

des sols sableux et le systme de production qui y est pratiqu correspond une agriculture

intensive intgre combinent culture du soja en t et pturage ou prairies temporaires pour

llevage en hiver, on y pratique un systme sans labour (semis direct). Le bassin versant de la

rivire Conceio (804,3 km2) prsente une activit agricole intensive avec la production de

crales (principalement le soja, le mas et les crales d'hiver) sans travail du sol (semis-direct)

sur des sols profonds, argileux et riches en oxydes de fer. Le bassin versant de la rivire Guapor

(2.031,9 km2) a des caractristiques physiographiques telles que les sols y sont fragiles,

lorsquils sont utiliss pour l'agriculture. Le bassin versant dArvorezinha (1,19 km2) est un

petit bassin versant situ dans la partie infrieure du bassin versant de Guapor. On y pratique

une agriculture familiale produisant majoritairement du tabac sur des versants en pente avec

labour du sol. Les cinq bassins versants ont comme point commun une production importante

de sdiments et ont, de ce fait, un impact important sur l'environnement.

Les sources de sdiments correspondent aux terres cultives, aux prairies, aux chemins

agricoles et aux berges des cours d'eau. L'chantillonnage des sdiments est ralis par des

prleveurs automatiques pour permettre un suivi temporel, drouill des prlvements de

sdiments fins du lit de la rivire, et lors dvnements pluvieux. Les chantillons de sdiments

et de sols ont t schs ltuve 50C et dsagrgs dlicatement avec un mortier et un pilon.

Les traceurs gochimiques ont t dtermins sur les chantillons des cinq bassins versants. Le

carbone organique total a t estim par oxydation en voie humide avec du dichromate de

potassium (K2Cr2O7) et de lacide sulfurique concentr (H2SO4). Les concentrations totales en

lments chimiques (Ag, As, B, Ba, Be, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na,

Ni, P, Pb, Sb, Se, Sr, Ti, Tl, V et Zn) ont t mesures par ICP-OES aprs digestion au four

micro-ondes pendant 9,5 min 182oC avec ajout de HCl et HNO3 concentr selon un rapport

3/1 (eau rgale).

La granulomtrie a uniquement t analyse par granulomtrie laser pour les

chantillons dArvorezinha aprs oxydation de la matire organique avec H2O2 et dispersion

avec NaOH (pH < 9). La surface spcifique a t calcule partir de la distribution de taille de

particules en considrant que les particules sont sphriques et cylindriques. D'autres analyses

ont galement t effectues pour valuer la pertinence de lanalyse spectroscopique pour tracer

les sources de sdiments.

Les spectres de rflectance diffuse dans la gamme ultraviolet-visible (UV-VIS) ont t

enregistrs la temprature ambiante entre 200 et 800 nm avec un pas de 1 nm en utilisant un

spectrophotomtre Cary 5000 UV-VIS-NIR (Varian, Palo Alto, CA, USA). Les chantillons

ont t broys et chargs dans un accessoire de rflectance diffuse Mantis Harrick Prier qui

utilise des miroirs elliptiques. Lappareil est calibr en utilisant du BaSO4 comme standard de

100 % de rflectance. Vingt-quatre (24) paramtres ont t drivs des spectres VIS avec laide

de divers modles de colorimtrie dcrits en dtail par Viscarra Rossel et al. (2006). Les proche

spectres infrarouge (NIR) en mode de rflectance diffuse ont t enregistrs dans le domaine

100004000 cm1 en utilisant un spectromtre FTIR Nicolet 26700 (Waltham, Massachusetts,

USA) quip dune sphre d'intgration d'un dtecteur InGaAs interne avec une rsolution 2

cm1. Les spectres moyen infrarouge (MIR) en mode de rflexion diffuse ont t enregistrs

dans la gamme spectrale 4004000 cm1 en utilisant un spectromtre FTIR Nicolet 510

(Thermo Electron scientifique, Madison, WI, USA) avec une rsolution de 2 cm1. Les

spectromtres infrarouges sont balays par un flux dair dont le CO2 a t limin pour ne pas

perturber les mesures.

Afin de faciliter l'interprtation des analyses de spectroscopie, des analyses

complmentaires ont t effectues sur des chantillons composites gnrs en mlangeant tous

les chantillons de chaque source de sdiment (10 pour les sources des chemins agricoles et des

berges de cours deau, et 20 pour les terres cultives). Ces trois types dchantillons composites

ont t analyss par pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse couple avec la spectromtrie

de masse (Py-GC / MS) et par diffraction des rayons X (XRD) pour identifier les principaux

composs organiques et minraux.

Lanalyse statistique utilise pour la mthode alternative base sur l'analyse

spectroscopique est trs diffrente de lanalyse statistique conventionnelle utilise pour

lapproche base sur la composition gochimique. Les tapes utilises dans la mthode

conventionnelle sont dcrites comme suit : i) la slection du traceur potentiel avec le test de

Kruskal-Wallis H, ii) la slection de la meilleure combinaison de traceurs permettons la

discrimination et, enfin, iii) l'utilisation d'un modle linaire mixte pour calculer la contribution

de chaque source de sdiments. Les tapes utilises dans le cadre de la mthode alternative sont

i) une analyse en composantes principales pour rduire le nombre de variables, ii) lanalyse

discriminante pour dterminer le potentiel de traceur de la spectroscopie et, enfin, iii)

l'utilisation de la rgression partielle par les moindres carrs (PLSR) base de mlanges des

sources de sdiments composites dans des proportions massiques variables pour calculer la

contribution des sources de sdiments.

3 Principaux rsultats

3.1 Lignes directrices pour la pr-slection des traceurs de sdiments dans le sud du Brsil

Les analyses prliminaires montrent que 18 traceurs gochimiques (Ag, Al, As, Ba, Be,

Co, Cr, Cu, Fe, La, Li, Mn, Mo, Ni, P, Ti, V et Zn) ont t prslectionns comme traceurs

potentiels pour estimer la proportion des sources de sdiments avec le modle linaire mixte

dans au moins lun des bassins versants tudis. Les rsultats rvlent que les mtaux de

transition sont les traceurs gochimiques privilgier dans les bassins versants agricoles du sud

du Brsil en raison de leur conservativit et de leur pouvoir de discrimination. En dpit de leur

potentiel de discrimination des sources de sdiments, les alcalins et les alcalino-terreux sont

moins conservatifs pendant le processus d'rosion et doivent, de ce fait, tre vits. Cette

premire tape permet de proposer des lignes directrices pour la prslection des traceurs en

nanalysant pas les lments inefficaces.

Le phosphate et le carbone organique total sont systmatiquement prsents en

concentrations plus leves dans les sources superficielles, cest dire les prairies et les terres

cultives. Cet exemple souligne que la slection des traceurs est spcifique de chaque bassin

versant. Cependant, il convient d'valuer la conservativit du P et du carbone organique total

dans chaque bassin versant cible avant leur utilisation comme traceurs.

Les rsultats dmontrent clairement qu'aucun traceur gochimique ne permet seul de

classer 100% des chantillons dans les catgories de sources correctes, quel que soit le bassin

versant tudi. Plusieurs traceurs doivent donc tre combins pour distinguer plusieurs sources

diffuses et fournir des estimations fiables de la contribution relative de ces sources dans les

bassins versants agricoles. En rgle gnrale, plus le bassin versant est petit et plus le nombre

de sources potentielles de sdiments est faible, meilleure est la discrimination des sources au

moyen des traceurs. La discrimination des prairies na t possible que dans les petits bassins

versants de Jlio de Castilhos. Pour les bassins versants de Guapor et de Conceio, il na pas

t possible de diffrencier la contribution des prairies de celles des terres cultives en raison

de leur composition gochimique similaire et la grande variabilit des types de sol et de

lithologie rencontrs dans ces bassins.

3.2 L'utilisation potentielle de mthodes alternatives bases sur lanalyse spectroscopique

Lutilisation des mthodes spectroscopiques alternatives dans les gammes spectrales

UV-VIS, NIR et MIR a t valide pour estimer les contributions des sources de sdiments dans

le petit bassin dArvorezinha en comparant les rsultats avec ceux de lapproche classique base

sur la composition gochimique. La contribution des sources obtenue par des mthodes

alternatives bases sur des modles de spectroscopie-PLSR est en accord avec les rsultats

obtenus par la mthode classique, en particulier l'approche NIR-PLSR. De plus, les mthodes

alternatives bases sur lanalyse spectroscopique peuvent tre aussi prcises que les mthodes

bases sur les traceurs gochimiques pour ce mme bassin, y compris en utilisant des modles

de PLSR indpendants pour chaque source. Dans ce dernier cas, chaque modle estime alors la

proportion d'une source, indpendamment des deux autres. Le modle par spectroscopie-PLSR

constitue une approche prometteuse en raison de son faible cot et de sa rapidit dexcution.

Cette mthode permet donc lobtention de prvisions haute rsolution qui sont essentielles

pour mieux comprendre le comportement rosif des bassins versants qui prsentent des

rponses hydro-sdimentaires rapides. Enfin, la combinaison des paramtres de couleur drivs

du spectre VIS avec des traceurs gochimiques sest rvle tre une mthode rapide et peu

coteuse pour amliorer la discrimination entre les sources et la prcision des prdictions.

3.3 Haute rsolution spatiale et temporelle des contributions de sources de sdiments

Les rsultats de la contribution des sources pour les chantillons de sdiments prlevs

en divers points de lhydrogramme lors dvnements pluie-dbit rvlent une grande

variabilit des contributions des sources au sein dun mme vnement ainsi que dun

vnement lautre. Ces variations refltent les conditions antcdentes d'utilisation des terres

et de couverture vgtale entre les vnements, lpuisement des sources, et le choix du moment

de l'chantillonnage par rapport au pic de lhydrogramme. Les rsultats obtenus pour les cinq

bassins tudis confirment que les vnements de prcipitations sont associs une

augmentation quantitative du transfert des sdiments des sources superficielles vers les cours

deau. Les rsultats obtenus au cours des crues tudis montrent que les sdiments provenant

des berges des cours deau arrivent aprs les autres sources. Les prcipitations et llvation du

niveau deau induisent un alourdissement de la teneur en eau et une augmentation de poids des

berges des cours deau. Ceux-ci rduisent la cohsion entre les particules et diminuent la

stabilit des berges. Si les prcipitations se poursuivent, la formation dune nappe superficielle

induit une pression hydrostatique qui diminue la rsistance et la cohsion du matriau. De plus,

la hauteur des berges et leur inclinaison peut tre modifie au fur et mesure de lrosion lie

aux crues. Enfin, la combinaison de ces effets et la diminution rapide de la pression

hydrostatique lors de la dcrue peut induire un effondrement des berges.

Par contre, aucune tendance napparait clairement en ce qui concerne la contribution

sdimentaire des chemins agricoles dans les bassins versants tudis. Les variations de cette

source au cours des crues dans les zones agricoles du sud du Brsil illustrent la particularit de

chaque vnement dans diffrents environnements hydro sdimentaires. Ces rsultats

soulignent la ncessit datteindre une frquence d'chantillonnage plus leve pour permettre

la comprhension des processus d'rosion au cours des vnements pluvieux. Ceci est dautant

plus important pour les petits bassins versants o les rponses hydrologiques sont plus rapides.

Les rsultats obtenus dans les diffrents bassins et sous-bassins versants tudis dmontrent que

des facteurs autres que la proportion des diffrents types d'utilisation des terres, comme la

distribution spatiale des terres cultives, des forts et des chemins agricoles travers le paysage,

jouent un rle important dans la production de sdiments au sud du Brsil. La prservations de

vgtation riparienne, des zones humides, et des tangs artificiels favorise le pigeage des

sdiments et rduit la connectivit entre les terres cultives et le rseau de drainage, diminuant

la quantit de sdiments transfrs dans les cours d'eau. En outre, la fort riveraine semble tre

un facteur cl limitant l'rosion des berges des cours deau. La prsence darbres adultes sur les

berges augmente leur stabilit et vite leur effondrement, du fait de la prsence de nombreuses

racines. Les rsultats de ce travail montrent galement que la contribution des chemins agricoles

est fortement lie lchelle dobservation et quelle dpend du nombre de points o les

chemins croisent le rseau hydrographique. La contribution des chemins agricoles est

significative pour la production de sdiments dans tous les bassins versants, mais elle lest

particulirement dans les plus petits. La plupart des chemins agricoles des bassins versants

tudis ne sont pas construits en tenant compte de la topographie de site. Ils sont souvent

construits dans le sens de la plus grande pente et sont souvent endommags par des rigoles et

des ravines. Malgr la faible contribution des chemins agricoles par rapport celles des terres

cultives dans les grands bassins versants, ils reprsentent une composante prenne du paysage,

ce qui rend primordial leur planification et leur prix en compte dans les programmes visant

attnuer le transfert des sdiments.

3.4 Effet des pratiques de conservation sur lexportation de sdiments depuis les terres cultives

Les rsultats indiquent que la quantit de sdiments produits par les terres cultives par

unit de surface et qui atteignent effectivement lexutoire des bassins versants est trs diffrente

dans les cinq bassins versants tudis. Ce rsultat est en partie li au relief et la pente

caractristique de chaque bassin versant, mais il lest aussi li l'utilisation des terres et la

gestion des sols. Dans les bassins versants de Jlio de Castilhos, la quantit de sdiments

provenant de terres cultives est trs faible (612 tones km2 an1) en raison dun relief moins

accident, de la prsence de zones humides et dtangs artificiels, qui favorisent le pigeage des

sdiments en rduisant la connectivit entre les terres cultives et le rseau de drainage. Par

contre, les pentes abruptes et le labour des sols peu profonds du bassin versant d'Arvorezinha

gnrent des apports de sdiments environ 20 35 fois plus levs que dans le bassin versant

de Jlio de Castilhos. Cest particulirement inquitant, car le systme de production agricole

de ce bassin versant emploie des doses leves dengrais phosphats et de pesticides, ce qui

augmente le risque environnemental d'eutrophisation des plans d'eau situs laval.

Bien que les bassins versants de Guapor et Conceio prsentent des taux de production

de sdiments trs similaires, l'apport de sdiments provenant de terres cultives est presque trois

fois infrieur dans le bassin versant Conceio par rapport celui de Guapor. Le bassin versant

de Guapor prsente des caractristiques naturelles qui favorisent l'rosion et le transfert de

sdiments vers les cours d'eau, en particulier dans les parties intermdiaire et infrieure du

bassin, o le relief est accident et les sols sont peu profonds. Mme si, dans de nombreux

domaines, les cultures et la gestion des sols ne tiennent pas compte de la fragilit des sols,

entranant l'rosion lev de terres cultives. Le taux de production de sdiments infrieurs

provenant des terres cultives dans le bassin de Conceio par rapport celui de Guapor

refltent les diffrences de gestion des sols dans ces deux sites. Dans le bassin versant de

Conceio, au moins 80% de la superficie des terres agricoles est cultive sans labour du sol

(semis direct) et les caractristiques naturelles du paysages (relief pente) induisent une faible

sensibilit des sols l'rosion. Pourtant, la quantit de sdiments issus des terres cultives qui

atteignent le rseau fluvial reste leve pour une zone de faible sensibilit lrosion o le

semis direct est appliqu. Ce rsultat indique que des efforts supplmentaires sont ncessaires

pour rduire l'rosion du sol. Cette situation est le rsultat de la monoculture intensive du soja

qui implique labandon des rotations de cultures habituellement raliss dans cette rgion et

celui des pratiques mcaniques visent limiter le ruissellement. La monoculture du soja se

traduit aussi par de faibles retours de biomasse (rsidus de culture) au sol et une plus faible

couverture du sol par la vgtation. Enfin, cette culture est associe un passage important de

machines agricoles lourdes, souvent dans des conditions dhumidit dfavorables, ce qui a pour

effet daugmenter la sensibilit des sols lrosion.

4 Conclusion gnrale

Les parcelles agricoles, mme lorsqu'elles sont cultives sans labour du sol, constituent

encore la principale source de sdiments dans les bassins versants agricoles du sud du Brsil.

Lrosion gnre par les systmes de conservation rels, ainsi que l'impact des pressions

agricoles sur les ressources en eau, peuvent tre valus en utilisant l'approche fingerprinting

pour lidentification de source de sdiments. Les rsultats montrent que les pratiques de

conservation des sols telles quelles sont utilise soit mal employes aujourdhui nont pas

permis de diminuer de faon significative lrosion des sols. Il y a donc un besoin urgent de

mieux planifier l'utilisation et l'occupation des terres dans ces bassins versants, dans la mesure

o les systmes de gestion des sols utiliss par les agriculteurs sont aujourdhui insuffisants

pour rduire le ruissellement et l'rosion du les terres cultives du sud du Brsil.

PP

GC

S/U

FS

M, R

S

T

IEC

HE

R, T

ales

D

ou

tor

2

01

5

LIST OF FIGURES

Figure 1 The emission of light by a hydrogen atom in an excited state (AVERILL;

ELDREDGE, 2015).................................................................................................... 91

Figure 2 Examples of vibrational modes. Adapted from Larsen (2015). .............................. 92

Figure 3 Location and topography of the five study catchments. ......................................... 95

Figure 4 The location of the Arvorezinha catchment, land use distribution and sampling sites.

.................................................................................................................................... 97

Figure 5 Location of Alvorada agrarian reform settlement, Jlio de Castilhos, Rio Grande do

Sul State. ................................................................................................................... 100

Figure 6 The land use and the sampling sites in the (a) JC140 and (b) JC80 catchments... 101

Figure 7 The location of the Conceio catchment and sampling sites. ............................. 104

Figure 8 Lithology (a) and soil types (b) of the Conceio catchment. .............................. 105

Figure 9 Landscape in Conceio catchment. ..................................................................... 106

Figure 10 Main land uses in the different sampling sites from Conceio catchment. ....... 106

Figure 11 Land use in Conceio catchment. ...................................................................... 107

Figure 12 The location of the Guapor catchment and the sampling sites. ......................... 109

Figure 13 Lithology (a) and soil types (b) of the Guapor catchment. ............................... 110

Figure 14 Land use of the Guapor catchment. ................................................................... 111

Figure 15 Landscape (a) and tobacco field (b) in the upper Guapor catchment, and landscape

(c) and soybean field (d) in the lower and middle Guapor catchment. .................. 112

Figure 16 Land use in Arvorezinha catchment (Arvorezinha is also a subcatchment of

Guapor catchment) estimated by field surveys and analysis of Landsat-TM images,

and land use in the different subcatchments of Guapor catchment estimated by

Landsat-TM images. ................................................................................................. 112

Figure 17 The main statistical steps employed for conventional fingerprinting based on

geochemical composition and for the alternative method based on spectroscopy

analysis. .................................................................................................................... 123

Figure 18 Ternary diagram with the position of the experimental mixtures prepared for the

PLSR models calibration. ........................................................................................ 128

Figure 19 Plots of specific surface area (SSA) versus total organic carbon (TOC) for

suspended sediment samples and for source soil samples in Arvorezinha catchment.

................................................................................................................................. 132

Figure 20 Particle size distribution (a) and accumulated particle size distribution (b) of

suspended sediment samples and sediment sources sieved at 63 m in Arvorezinha

catchment. ................................................................................................................ 133

Figure 21 Two-dimensional scatter plot of the first and second discriminant functions from

stepwise discriminant function analysis (DFA) for geochemical composition (a), NIR-

spectroscopy (b), MIR-spectroscopy (c), UV-VIS-spectroscopy (d), VIS-based-colour

parameters (e), and geochemical composition coupled with VIS-based-colour

parameters (f). Larger symbols represents the centroids of each source. ................ 140

Figure 22 Mean NIR reflectance spectra of the main sediment sources (unpaved road [UR],

stream channel [SC], and crop field [CF]) and suspended sediment (a), and second-

derivative of the simple mixtures used to calibrate NIR-PLSR models (b, d, f) and

standard deviation of the simple mixtures (c, e, g). Values after the source abbreviation

in the legend indicate the percentage of each source in the mixture. The standard

deviation was calculated each 2 cm1 by using the spectra of the 9 simple mixtures of

each pair of sediment sources. ................................................................................. 142

Figure 23 Mean MIR spectra of the main sediment sources (unpaved road [UR], stream

channel [SC], and crop field [CF]) and suspended sediment (a), and second-derivative

of the simple mixtures used to calibrate MIR-PLSR models (b, d, f) and standard

deviation of the simple mixtures (c, e, g). Values after the source abbreviation in the

legend indicate the percentage of each source in the mixture. The standard deviation

was calculated each 2 cm1 by using the spectra of the 9 simple mixtures of each pair

of sediment sources. ................................................................................................. 144

Figure 24 Colour pictures of the 40 sediment source samples analyzed and the colour picture

of the average of stream channel, unpaved road, and crop fields. ........................... 148

Figure 25 Colour pictures of the 29 suspended sediment samples analyzed. ..................... 149

Figure 26 Mean UV-VIS reflectance spectra (a) and their first-derivative (b) of the suspended

sediment and the three sediment sources in Arvorezinha catchment. ..................... 153

Figure 27 Second-derivative spectra of the remission function f (R) from VIS-diffuse

reflectance spectroscopy curves showing the absorption bands (minima) of Fe-oxides

in the sediment sources. A1 indicates the single electron transition of goethite, A2

indicates the electron pair transition of goethite, A3 indicates the electron pair

transition of hematite. .............................................................................................. 154

Figure 28 Relationship between actual and PLSR models calculated percentage of sediment

sources in experimental mixtures for NIR-spectroscopy [crop fields (a), unpaved roads

(b), and stream channels (c)], MIR-spectroscopy [crop fields (d), unpaved roads (e),

and stream channels (f)], and UV-VIS-spectroscopy [crop fields (g), unpaved roads

(h), and stream channels (i)]. Dashed lines represent the confidence interval limit

(95%). ....................................................................................................................... 157

Figure 29 X-ray diffraction (XRD) patterns of the sediment sources in Arvorezinha

catchment. CF, crop fields; SC, stream channels; UR, unpaved roads. ................... 160

Figure 30 Pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS) of the sediment

sources in Arvorezinha catchment. CF, crop fields; SC, stream channels; UR, unpaved

roads. ........................................................................................................................ 161

Figure 31 Sediment source contribution during the storm events that occurred on 17 October

2009 (a) and on 18 October 2009 (b) in Arvorezinha catchment. Records of

precipitation, discharge, and suspended sediment concentration are not available for

these floods. .............................................................................................................. 162

Figure 32 Records of precipitation, discharge, suspended sediment concentration, and the

sediment source contribution during the storm events that occurred on 7 November

2009 (a) and on 7 October 2010 (b) in Arvorezinha catchment. .............................. 163


sediment source contribution during the storm events that occurred on (a) 2 December

2010 and on (b) 26 March 2011 in Arvorezinha catchment. .................................... 163


sediment source contribution during the storm events that occurred on 14 April 2011

(a) and on 28 July 2011 (b) in Arvorezinha catchment. ........................................... 164


sediment source contribution during the storm events that occurred on 29 July 2011 in

Arvorezinha catchment............................................................................................. 164

Figure 36 Comparison of the cropland contribution predicted by conventional method based

on geochemical composition and predicted by the partial least-squares regression

model based on MIR spectroscopy. Error bars correspond to the estimated error of

prediction of each method. The dashed line is the 1:1 line. Dotted line are the

confidence interval limit (95%). ............................................................................... 167

Figure 37 Relationship between the unpaved roads proportions predicted by the partial least-

squares regression model based on MIR spectroscopy and the total organic carbon

content. The dashed lines are the confidence interval limits (95%). ........................ 168

Figure 38 Box plot of the sediment source contributions predicted by the different

fingerprinting approaches in the 29 suspended sediment samples collected in

Arvorezinha catchment. ........................................................................................... 169

Figure 39 Box plot of the differences in source apportionments provided by alternative

approaches compared to geochemical fingerprinting for the 29 suspended sediment

samples collected in Arvorezinha catchment. .......................................................... 170

Figure 40 Two-dimensional scatter plots of the first and second (a, c), and the second and

third (b, d), discriminant functions from stepwise discriminant function analysis

(DFA) for JC80 and JC140. Larger symbols represent the centroids of each source.

................................................................................................................................. 176

Figure 41 Records of precipitation, discharge, suspended sediment concentra

Documents

fingerprinting sediment sources in agricultural catchments in