The use of earth observation techniques to improve catchment-scale pollution predictions

Remote sensing can potentially provide information useful in improving pollution transport modelling in agricultural catchments. Realisation of this potential will depend on the availability of the raw data, development of information extraction techniques, and the impact of the assimilation of the derived information into models. High spatial resolution hyperspectral imagery of a farm near Hereford, UK is analysed. A technique is described to automatically identify the soil and vegetation endmembers within a field, enabling vegetation fractional cover estimation. The aerially-acquired laser altimetry is used to produce digital elevation models of the site. At the subfield scale the hypothesis that higher resolution topography will make a substantial difference to contaminant transport is tested using the AGricultural Non-Point Source (AGNPS) model. Slope aspect and direction information are extracted from the topography at different resolutions to study the effects on soil erosion, deposition, runoff and nutrient losses. Field-scale models are often used to model drainage water, nitrate and runoff/sediment loss, but the demanding input data requirements make scaling up to catchment level difficult. By determining the input range of spatial variables gathered from EO data, and comparing the response of models to the range of variation measured, the critical model inputs can be identified. Response surfaces to variation in these inputs constrain uncertainty in model predictions and are presented. Although optical earth observation analysis can provide fractional vegetation cover, cloud cover and semi-random weather patterns can hinder data acquisition in Northern Europe. A Spring and Autumn cloud cover analysis is carried out over seven UK sites close to agricultural districts, using historic satellite image metadata, climate modelling and historic ground weather observations. Results are assessed in terms of probability of acquisition probability and implications for future earth observation missions. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Factors affecting distribution of vegetation types on abandoned cropland in the hilly-gullied Loess Plateau region of China

A study was conducted in the forest-steppe region of the Loess Plateau to provide insight into the factors affecting the process of vegetation establishment, and to provide recommendations for the selection of indigenous species in order to speed up the succession process and to allow the establishment of vegetation more resistant to soil erosion. Four distinctive vegetation types were identified, and their distribution was affected not only by the time since abandonment but also by other environmental factors, mainly soil water and total P in the upper soil layers. One of the vegetation types, dominated by Artemisia scoparia, formed the early successional stage after abandonment while the other three types formed later successional stages with their distribution determined by the soil water content and total P. It can be concluded that the selection of appropriate species for introduction to accelerate succession should be determined by the local conditions and especially the total P concentration and soil water content.

Determining the cost of in-field mitigation options to reduce sediment and phosphorus loss

The Mitigation Options for Phosphorus and Sediment (MOPS) project investigated the effectiveness of within-field control measures (tramline management, straw residue management, type of cultivation and direction, and vegetative buffers) in terms of mitigating sediment and phosphorus loss from winter-sown combinable cereal crops using three case study sites. To determine the cost of the approaches, simple financial spreadsheet models were constructed at both farm and regional levels. Taking into account crop areas, crop rotation margins per hectare were calculated to reflect the costs of crop establishment, fertiliser and agro-chemical applications, harvesting, and the associated labour and machinery costs. Variable and operating costs associated with each mitigation option were then incorporated to demonstrate the impact on the relevant crop enterprise and crop rotation margins. These costs were then compared to runoff, sediment and phosphorus loss data obtained from monitoring hillslope-length scale field plots. Each of the mitigation options explored in this study had potential for reducing sediment and phosphorus losses from arable land under cereal crops. Sediment losses were reduced from between 9 kg ha−1 to as much as 4780 kg ha−1 with a corresponding reduction in phosphorus loss from 0.03 kg ha−1 to 2.89 kg ha−1. In percentage terms reductions of phosphorus were between 9% and 99%. Impacts on crop rotation margins also varied. Minimum tillage resulted in cost savings (up to £50 ha−1) whilst other options showed increased costs (up to £19 ha−1 for straw residue incorporation). Overall, the results indicate that each of the options has potential for on-farm implementation. However, tramline management appeared to have the greatest potential for reducing runoff, sediment, and phosphorus losses from arable land (between 69% and 99%) and is likely to be considered cost-effective with only a small additional cost of £2–4 ha−1, although further work is needed to evaluate alternative tramline management methods. Tramline management is also the only option not incorporated within current policy mechanisms associated with reducing soil erosion and phosphorus loss and in light of its potential is an approach that should be encouraged once further evidence is available.

Land use intensity and trees on farms in Malawi

Rapidly increasing population densities in Malawi have put a huge strain on the existing agricultural land and the surrounding woodland. Smallholder agriculture is the dominant economic activity of Malawi’s rural population and many farmers have been forced to cultivate marginal lands with less fertile soils, making conditions much more difficult to grow crops. Natural woodland is under increasing pressure from the opening of new lands for cultivation and the increased demand for firewood, timber and other woody resources, with rural households historically obtaining most of their complementary inputs and saleable commodities from nearby areas of forest (Arnold, 1997a). Despite this increasing pressure, woodlands are not being cleared indiscriminately; selected indigenous species are left standing in fields and around households. These are joined by exotic species that are planted and maintained. These trees provide products and services that are vital, yielding food, firewood, building materials and medicine, replenishing soil fertility and protecting against soil erosion. Following a Boserupian approach, this study attempts to establish the reality of a trajectory of enhanced on-farm tree planting and management as population pressure mounts and as part of a more general process of agricultural intensification. The study examines the combination of factors (social, economic, political and environmental) that either stimulate or discourage on-farm tree planting on smallholdings in Malawi, highlighting how woodland resource use changes over a gradient of land use intensity. This study gives a detailed insight into the way that tree planting and management in the smallholder farming system in Malawi works and identifies a trend of increased tree planting/management alongside an increase in agricultural intensification. However, there is no single ‘path’ of intensification; the link between agricultural change and tree planting is complex and there are many trajectories of intensification that a farmer may follow, dependent on his/her social or economic circumstances. The study recommends that agroforestry interventions give rigorous consideration to the needs of the local community, and the suitability of trees to address those needs, before embarking on programmes that advocate tree planting and management as a panacea.

Spatial Assessment of Indices for Characterizing the Erosive Force of Rainfall in El Salvador Republic

Soil erosion data in El Salvador Republic are scarce and there is no rainfall erosivity map for this region. Considering that rainfall erosivity is an important guide for planning soil erosion control practices, a spatial assessment of indices for characterizing the erosive force of rainfall in El Salvador Republic was carried out. Using pluviometric records from 25 weather stations, we applied two methods: erosivity index equation and the Fournier index. In all study area, the rainiest period is from May to November. Annual values of erosivity index ranged from 7,196 to 17,856 MJ mm ha(-1) h(-1) year(-1) and the Fournier index ranged from 52.9 to 110.0 mm. The erosivity map showed that the study area can be broadly divided into three major erosion risk zones, and the Fournier index map was divided into four zones. Both methods revealed that the erosive force is severe in all study area and presented significant spatial correlation with each other. The erosive force in the country is concentrated mainly from May to November.

Influência do relevo e erosão na variabilidade espacial de um Latossolo em Jaboticabal (SP)

Com o objetivo de avaliar as relações entre formas de paisagem e erosão em um Latossolo Vermelho eutroférrico (LVef) por meio de técnicas geoestatísticas na Fazenda Santa Isabel, município de Jaboticabal (SP), identificaram-se modelos de paisagem côncavo e linear. Coletaram-se amostras de solo em ambas as formas de paisagem em uma malha regular espaçada de 50 x 50 m em sete transeções na profundidade de 0,00-0,20 m, totalizando 412 pontos em 93 ha. Determinou-se a erodibilidade dos solos pelo método indireto, granulometria, bem como o carbono orgânico para cada ponto da malha, sendo esses valores usados na estimativa do potencial natural de erosão (pne). Os dados obtidos das propriedades de solo, erodibilidade e potencial natural de erosão foram analisados por meio de estatística descritiva e geoestatística com a modelagem de semivariogramas, sendo este utilizado para a confecção de mapas de krigagem. Segundo os resultados, as propriedades do solo e do pne apresentaram maior variabilidade espacial na pedoforma côncava, apesar de esta forma de paisagem apresentar menores perdas de solo por erosão e menor variabilidade espacial da erodibilidade. Deste modo, conclui-se que a erosão não adicionou variabilidade espacial para as propriedades do solo na mesma magnitude do relevo.

Topographical characteristics and evaluating water quality in watershed management

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Sequências de culturas em sistema de semeadura direta: I - produção de matéria seca e acúmulo de nutrientes

Em sistema de semeadura direta, os resíduos das culturas de entressafra são utilizados com as finalidades de proteger a superfície do solo dos agentes erosivos e de promover a ciclagem de nutrientes. O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de matéria seca e o acúmulo de nutrientes nos resíduos vegetais provenientes de diferentes sequências de culturas em semeadura direta. O experimento foi conduzido em Jaboticabal-SP (48° 18' W e 21° 15' S), em um Latossolo Vermelho eutrófico. O delineamento experimental foi em faixas, com três repetições. Os tratamentos foram constituídos pela combinação de três sequências de culturas de verão (rotação soja-milho e monoculturas de milho e de soja) com sete culturas de entressafra (milho, sorgo, girassol, crotalária, guandu, nabo forrageiro e milheto). O experimento iniciou-se em 2002, e o presente estudo refere-se aos anos agrícolas 2007/2008 e 2008/2009. Avaliaram-se as quantidades de matéria seca e o acúmulo de nutrientes pelas culturas. As culturas com colheita de grãos na entressafra (milho, sorgo e girassol) produziram resíduos com menor quantidade de nutrientes acumulados e em menor quantidade de matéria seca, quando comparadas às culturas com trituração no florescimento (crotalária, guandu, nabo forrageiro e milheto). Milheto e crotalária apresentaram as maiores produções de matéria seca e os maiores acúmulos de nutrientes. O milheto mostrou os maiores acúmulos de K e Mg, e a crotalária, maiores acúmulos de N e P. As gramíneas cultivadas na entressafra apresentaram maior desenvolvimento quando em sucessão ao cultivo de soja no verão anterior, com maior produção de matéria seca de milheto e, também, maior produtividade de grãos de milho e sorgo.

Variação espacial da perda de solo por erosão em diferentes superfícies geomórficas

O objetivo deste trabalho foi estudar a influência das superfícies geomórficas na variação espacial da perda de solo por erosão na região de Pereira Barreto, São Paulo (SP). Os solos foram amostrados nos pontos de cruzamento de uma malha, georreferenciados, com intervalos de 350m, na profundidade de 0,0-0,2m, totalizando 67 pontos. Foram feitas determinações da composição granulométrica e do conteúdo de matéria orgânica. Foram avaliados os fatores de erosão locais, tais como erosividade (R), erodibilidade (K), fator topográfico (LS), uso e manejo (C), práticas conservacionistas (P), potencial natural de erosão (PNE), perda de solo com e sem práticas conservacionistas (A e *A), tolerância de perda de solo (T) e risco de erosão (RE). As variáveis A, PNE e RE apresentaram forte correlação espacial com o fator topográfico (LS), indicando a forte relação do relevo sobre os fatores de erosão. As perdas de solo (A e *A) apresentaram comportamento coerente com a conceituação de superfícies geomórficas, evidenciando as relações de dependência do processo erosivo do solo aos ambientes geomórficos.

Rotina computacional e equação simplificada para modelar o transporte de sedimentos num Latossolo Vermelho Distrófico

Os objetivos do presente trabalho foram desenvolver rotina computacional para a solução da equação de Yalin e do diagrama de Shields e avaliar uma equação simplificada para modelar a capacidade de transporte de sedimento num Latossolo Vermelho Distrófico que possa ser utilizada no Water Erosion Prediction Project - WEPP, assim como em outros modelos de predição da erosão do solo. A capacidade de transporte de sedimento para o fluxo superficial foi representada como função-potência da tensão cisalhante, a qual revelou ser aproximação da equação de Yalin. Essa equação simplificada pôde ser aplicada em resultados experimentais oriundos de topografia complexa. A equação simplificada demonstrou acuracidade em relação à equação de Yalin, quando calibrada utilizando-se da tensão média cisalhante. Testes de validação com dados independentes demonstraram que a equação simplificada foi eficiente para estimar a capacidade de transporte de sedimento.

Perdas de nutrientes por erosão e sua distribuição espacial em área sob cana-de-açúcar

O presente trabalho teve como objetivo principal determinar as perdas de nutrientes por erosão em entressulcos, sulcos e global (entressulcos + sulcos, A), em área cultivada com cana-de-açúcar submetida à queima da palhada na sua pré-colheita, na Fazenda Santa Bárbara, localizada em Guariba - SP, sob um Latossolo Vermelho eutroférrico (LVef). Parcelas experimentais foram submetidas à chuva simulada com intensidade de 80 mm h-1, durante 65 minutos. Análises do sedimento erodido indicaram altas taxas de enriquecimento: 1,62 (matéria orgânica, MO); 4,30 (P); 1,17 (K); 1,33 (Ca) e 1,24 (Mg) vezes em relação ao solo original. As perdas de solo e nutrientes, em função do tipo de erosão, obedeceram à seguinte ordem: sulcos > global > entressulcos. Análises geoestatísticas indicaram que as perdas de solo (A), MO, P, K e Ca por erosão apresentaram forte grau de dependência espacial, enquanto as perdas de Mg tiveram moderado grau de dependência espacial. Mapas da distribuição dos padrões de variabilidade espacial das perdas por erosão indicaram que o cultivo de cana-de-açúcar conserva as propriedades químicas e físicas do solo na maior parte da área.

Impacto técnico e econômico das perdas de solo e nutrientes por erosão no cultivo da cana-de-açúcar

O objetivo geral foi demonstrar o impacto técnico e econômico das perdas de solo e nutrientes por erosão no cultivo da cana-de-açúcar. Propôs-se avaliar as perdas de nutrientes por erosão (P, K, Ca e Mg), o custo de reposição de nutrientes e o de produção da cana em dois sistemas de colheita (cana crua e queimada) em Catanduva - SP, em área de 100 ha para cada sistema, formadas e colhidas no mesmo período (2002 a 2007), com similaridade quanto ao tipo de solo, variedade, topografia e numero de cortes. A metodologia baseou-se na equação universal da perda de solos e teoria dos custos de produção e de reposição de nutrientes. A maior perda de solo e de nutrientes por erosão ocorreu nas áreas de cana queimada; a cana queimada (corte manual), na média dos cinco cortes, perde 48,82% por hectare a mais de solo, 56,45 % de potássio (K) e 60,78 % de fósforo (P) do que a cana crua (corte mecanizado); o custo de reposição de nutrientes, em média, na cana queimada (R$ 33,92 ha-1 ano-1), foi superior ao da cana crua (R$ 21,12 ha-1 ano-1); a cana crua apresentou menor custo de produção (R$ 29,60 Mg-1) quando comparado à cana queimada (R$ 32,71 Mg-1); a cana crua apresentou maior retorno médio (R$ 5,70 Mg-1ano-1) com relação à cana queimada (R$ 2,59 Mg-1).

Variabilidade espacial de fatores de erosão em Latossolo Vermelho eutroférrico sob cultivo de cana-de-açúcar

Visando a avaliar a variabilidade espacial de fatores de erosão em Latossolo Vermelho eutroférrico, foram obtidas amostras do solo em intervalos regulares de 50 m, em forma de grid, totalizando 206 pontos de amostragem. Foram coletadas amostras nas profundidades de 0,0-0,2 m para a determinação da composição granulométrica e do conteúdo de matéria orgânica. Os fatores de erosão locais, como erosividade (R), erodibilidade (K), relevo (LS), perda de solo (A), potencial natural de erosão (PNE), risco de erosão (RE) e expectativa de erosão (EE), foram avaliados. A variabilidade do solo medida pelo coeficiente de variação registrou-se média para K, alta para o RE e EE e muito alta para A, LS e PNE. As variáveis estudadas apresentaram estrutura de dependência espacial com grau moderado para as variáveis K, A, PNE e RE, e forte para o LS e EE. Mapas obtidos por krigagem foram apresentados para descrição dos padrões de distribuição dos fatores de erosão na paisagem.

Variabilidade espacial de atributos do solo e de fatores de erosão em diferentes pedoformas

As formas do relevo podem ser indicadores da variação dos atributos do solo, pois essa variabilidade é causada por pequenas alterações do declive que afetam os processos pedogenéticos bem como o transporte e o armazenamento de água no perfil do solo. O trabalho foi desenvolvido em Catanduva (SP), com o objetivo de caracterizar a variabilidade espacial de atributos do solo e fatores de erosão em diferentes pedoformas sob cultivo de cana-de-açúcar. de acordo com o modelo de Troeh classificou-se as formas do relevo em duas pedoformas, côncava e convexa. Com a utilização de um DGPS levantaram-se as cotas altimétricas, estabelecendo-se uma malha, com intervalos regulares de 50 m, com 270 pontos na pedoforma côncava e 353 pontos na pedoforma convexa, perfazendo um total de 623 pontos, coletados na profundidade de 0,0 - 0,2 m em uma área de 200 ha. em cada ponto da malha foram determinados os atributos químicos do solo, granulometria, espessura do solo e fatores de erosão locais, tais como erosividade (R), erodibilidade (K), fator topográfico (LS), uso e manejo (C), práticas conservacionistas (P), potencial natural de erosão (PNE), perda de solo (A) e risco de erosão (RE). Os dados foram avaliados primeiramente por uma análise estatística exploratória, calculando-se a média, mediana, variância, coeficiente de variação, coeficiente de assimetria, coeficiente de curtose e teste de normalidade. Posteriormente, a dependência espacial foi verificada por meio da técnica de geoestatística utilizando-se semivariogramas. As maiores perdas de solo, risco de erosão e potencial natural de erosão e menor espessura do solo ocorreram na pedoforma convexa, indicando forte dependência espacial com a forma do relevo. A pedoforma côncava proporcionou maior variabilidade espacial, demonstrando que a forma do relevo condiciona padrões diferenciados de variabilidade. A magnitude da variabilidade dos atributos do solo é mais influenciada pela forma do relevo que pela erosão. A espessura do horizonte A+E integrado com a forma do relevo é um indicador de processos erosivos para classe de Argissolos.