Environmental impacts of freshwater use and suspended solids in life cycle assessment

Perturbation of natural ecosystems, namely by increasing freshwater use and its degradative use, as well as topsoil erosion by water of land-use production systems, have been emerging as topics of high environmental concern. Freshwater use has become a focus of attention in the last few years for all stakeholders involved in the production of goods, mainly agro-industrial and forest-based products, which are freshwater-intensive consumers, requiring large inputs of green and blue water. This thesis presents a global review on the available Water Footprint Assessment and Life Cycle Assessment (LCA)-based methods for measuring and assessing the environmental relevance of freshwater resources use, based on a life cycle perspective. Using some of the available midpoint LCA-based methods, the freshwater use-related impacts of a Portuguese wine (white ‘vinho verde’) were assessed. However, the relevance of environmental green water has been neglected because of the absence of a comprehensive impact assessment method associated with green water flows. To overcome this constraint, this thesis helps to improve and enhance the LCA-based methods by providing a midpoint and spatially explicit Life Cycle Impact Assessment (LCIA) method for assessing impacts on terrestrial green water flow and addressing reductions in surface blue water production caused by reductions in surface runoff due to land-use production systems. The applicability of the proposed method is illustrated by a case study on Eucalyptus globulus conducted in Portugal, as the growth of short rotation forestry is largely dependent on local precipitation. Topsoil erosion by water has been characterised as one of the most upsetting problems for rivers. Because of this, this thesis also focuses on the ecosystem impacts caused by suspended solids (SS) from topsoil erosion that reach freshwater systems. A framework to conduct a spatially distributed SS delivery to freshwater streams and a fate and effect LCIA method to derive site-specific characterisation factors (CFs) for endpoint damage on aquatic ecosystem diversity, namely on algae, macrophyte, and macroinvertebrates organisms, were developed. The applicability of this framework, combined with the derived site-specific CFs, is shown by conducting a case study on E. globulus stands located in Portugal as an example of a land use based system. A spatially explicit LCA assessment was shown to be necessary, since the impacts associated with both green water flows and SS vary greatly as a function of spatial location.

Macroinvertebrate traits as biomonitoring tools in agricultural scenarios

Os ecossistemas de água doce – responsáveis por funções ambientais importantes e pelo fornecimento de bens e serviços insubstituíveis – têm vindo a ser severamente afectados por perturbações antropogénicas. A conversão de floresta em terreno agrícola afecta os sistemas aquáticos através de uma série de mecanismos: sedimentação; excesso de nutrientes; contaminação; alterações hidrológicas; e remoção de vegetação ripícola. As comunidades de macroinvertebrados de água doce – devido à sua diversidade, ubiquidade e sensibilidade às perturbações ambientais – revelam-se como particularmente adequadas para estudos de avaliação da integridade ecológica destes sistemas expostos simultaneamente a múltiplos factores de impacto. O uso sistemático de respostas biológicas para avaliação de mudanças ambientais – ou biomonitorização – pode ser levado a cabo através de diversas metodologias, que, de uma forma geral, não consideram aspectos funcionais das comunidades biológicas e têm aplicabilidade geograficamente restrita. A biomonitorização através de atributos biológicos (características que reflectem a adaptação das espécies ao seu meio ambiente) revela-se como uma ferramenta promissora na resolução dos problemas referidos, apresentando vantagens adicionais: relações causa-efeito directas; melhoria na diferenciação de impactos; e integração da variabilidade natural. O presente estudo apresenta uma revisão critica do estado-da-arte actual na área do uso de atributos biológicos em biomonitorização. Até à data de publicação, não estava disponível nenhum outro trabalho com a base conceptual do uso de atributos de macroinvertebrados enquanto descritores de comunidades e para efeitos de biomonitorização e gestão de sistemas de água doce. Descrevem-se as teorias ecológicas de suporte destas metodologias (conceitos de habitat-molde e de filtros paisagísticos) e os estudos que aplicaram estas teorias em cenários reais, tendo-se chamado a atenção para questões técnicas e possíveis soluções. As necessidades futuras nesta área englobam: o desenvolvimento de uma só ferramenta de biomonitorização de aplicação alargada; uma maior compreensão da variabilidade natural nas comunidades biológicas; diminuição dos efeitos de soluções de compromisso biológico e sindromas; realização de estudos autoecológicos adicionais; e detecção de impactos específicos em cenários de impacto complexos. Um dos objectivos deste estudo foi contribuir para a melhoria das técnicas de biomonitorização através de atributos, focalizando em comunidades de macroinvertebrados ribeirinhas em diferentes regiões biogeográficas (as bacias hidrográficas dos rios: Little e Salmon em New Brunswick, Canadá; Anllóns na Galiza, Espanha; Reventazón em Cartago, Costa Rica). Em cada região, foram estudados gradientes de uso agrícola de solo, incluindo desde bacias hidrográficas quase exclusivamente cobertas por floresta até bacias sob a influência maioritária de actividades agrícolas intensivas. Em cada gradiente de uso de solo, a caracterização da comunidade biológica (por amostragem de macroinvertebrados em troços de rápidos) foi acompanhada pela caracterização do habitat circundante (incluindo propriedades da bacia hidrográfica, análise química das águas e outras propriedades à escala local). A comunidade de macroinvertebrados foi caracterizada através de informação taxonómica, métricas estruturais, índices de diversidade, métricas de tolerância, índices bióticos e através da compilação de atributos biológicos e fisiológicos gerais, de história de vida e de resistência a perturbações. Análises estatísticas univariadas e multivariadas foram usadas para evidenciar os gradientes biológicos e físico-químicos, confirmar a sua co-variação, testar a significância da discriminação de níveis de impacto e estabelecer comparações inter-regionais. A estrutura de comunidades revelou os complexos gradientes de impacto, que por sua vez co-variaram significativamente com os gradientes de uso de solo. Os gradientes de impacto relacionaram-se sobretudo com entrada de nutrientes e sedimentação. Os gradientes biológicos definidos pelas medidas estruturais seleccionadas co-variaram com os gradientes de impacto estudados, muito embora apenas algumas variáveis estruturais tenham individualmente discriminado as categorias de uso de solo definidas a priori. Não foi detectada consistência nas respostas das medidas estruturais entre regiões biogeográficas, tendo-se confirmadado que as interpretações puramente taxonómicas de impactos são difíceis de extrapolar entre regiões. Os gradientes biológicos definidos através dos atributos seleccionados também co-variaram com os gradientes de perturbação, tendo sido possível obter uma melhor discriminação de categorias de uso de solo. Nas diferentes regiões, a discriminação de locais mais impactados foi feita com base num conjunto similar de atributos, que inclui tamanho, voltinismo, técnicas reproductivas, microhabitat, preferências de corrente e substrato, hábitos alimentares e formas de resistência. Este conjunto poderá vir a ser usado para avaliar de forma predictiva os efeitos das modificações severas de uso de solo impostas pela actividade agrícola. Quando analisadas simultaneamente através dos atributos, as comunidades das três regiões permitiram uma moderada mas significativa discriminação de níveis de impacto. Estas análises corroboram as evidências de que as mudanças nas comunidades de macroinvertebrados aquáticos em locais sob a influência de agricultura intensiva podem seguir uma trajectória convergente no espaço multidimensional, independentemente de factores geográficos. Foram fornecidas pistas para a identificação de parâmetros específicos que deverão ser tidos em conta no planeamento de novos programas de biomonitorização com comunidades de macroinvertebrados bentónicos, para aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica, nestas e noutras regiões. Foram ainda sugeridas possíveis linhas futuras de investigação.

Assessing the combined effect of land management and wildfire on runoff and soil erosion in north central Portugal

Strong and sometimes extreme responses in runoff and soil erosion following wildfires have been reported worldwide. However, in the case of North-Central Portugal, little research had been carried out regarding the hydrologic and erosive impacts of several land management activities in recently burnt areas (such as ground preparation, post-fire logging or post-fire mitigation treatments). This study aims to assess post-fire runoff and soil erosion response on Eucalypt and Maritime pine plantations during the first, second and third years following wildfires. The effect of several pre-fire ground preparation operations (ploughed down-slope, contour ploughed and inclined terraces), post-fire logging activities (on both the eucalypt and pine plantations), as well as the application of hydromulch (a post-fire emergency treatment) on overland flow and soil erosion were compared to burnt but undisturbed and untreated areas. The intensive monitoring of runoff, soil erosion and selected soil properties served to determine the main factors involved in post-fire runoff and soil erosion and their spatial and temporal variation. Soil water repellency deserved special attention, due to its supposed important role for overland flow generation. Repeated rainfall simulation experiments (RSE’s), micro-scale runoff plots and bounded sediment fences were carried out and/or installed immediately after the wildfire on seven burnt slopes. Micro-scale runoff plots results under natural rainfall conditions were also compared to the RSE’s results, which was useful for assessing the representativeness of the data obtained with artificial rainfall. The results showed comparable runoff coefficient (20-60%) but lower sediment losses (125-1000 g m-2) than prior studies in Portugal, but especially outside Portugal. Lower sediment losses were related with the historic intensive land use in the area. In evaluating these losses, however, the shallowness and stoniness of the soils, as well as the high organic matter fraction of the eroded sediments (50%) must not be overlooked. Sediment limited erosion was measured in all the ploughed sites, probably due to the time since ploughing (several years). The disturbance of the soil surface cover due to post-fire logging and wood extraction substantially increased sediment losses at both the pine and eucalypt sites. Hydromulch effectiveness in reducing the runoff (70%) and sediment losses (83%) was attributed to the protective high coverage provided by hydromulch. The hydromulch significantly affected the soil cover and other soil properties and these changes also reduced the soil erosion risk. The rainfall amount was the main factor explaining the variance in runoff. However, a shift from rainfall amount to rainfall intensity was detected when either the surface cover or the infiltration capacity (hydrophilic conditions) increased. Sediment losses were controlled by rainfall intensity and surface cover. The role of soil water repellency on runoff generation was not consistent; the overall repellency levels alone were not enough to assess its hydrological impact. Soil water repellency explained runoff generation in the specific-sites model better than in the overall model. Additionally, soil moisture content was a better predictor for soil water repellency than antecedent rainfall. The natural rainfall results confirmed that RSE’s were able to capture the specific sediment losses and its organic matter content as well as the differences between the ploughed and unploughed sites. Repeated RSE’s also captured the seasonal variations in runoff and sediment losses attributed to soil water repellency. These results have implications for post-fire soil erosion modelling and soil conservation practices in the region, or areas with the same land use, climate and soil characteristics. The measured sediment loss, as well as the increasing frequency of ploughing in recently burnt and unburnt eucalypt stands, suggests ploughing is not an effective as a soil conservation measure. Logging activities with less impact are recommended in order to maintain the forest litter protecting the soil surface. Due to its high effectiveness in reducing runoff and soil erosion, hydromulch is recommended for highly sensitive and vulnerable areas.