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.

Utilização de sistemas de aquisição e tratamento de dados (SATD) nas aulas experimentais de física e química : um estudo com professores do ensino secundário

Tese de doutoramento, Educação (Didática das Ciências), Universidade de Lisboa, Instituto de Educação, 2015

Finding ‘Good Friday’ An explorative study into the sedimentary structures left from the Good Friday tsunami

Senior thesis written for Oceanography 444

pH Limitations in environmental geochemical monitoring

Senior thesis written for Oceanography 445

RFID passive tag antenna for cork bottle stopper

In this paper we propose a possible design for a RFID tag antenna embedded into cork. The antenna is small and conformal and intended to be used into bottle stoppers for tracking and logging purposes of wine or other beverages. The proposed design is based on an inductive ring and an added resistance in order to modify the current distributions of the antenna. The resulting antenna has a relatively directive radiation pattern and despite the small efficiency it is able to operate with a commercial RFID reader at a reasonable distance. © 2014 IEEE.

Fuzzy Boolean nets investigation of the alteration of some physical forest soil properties due to a prescribed fire action

Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the summer season. Some preventive actions, such as prescribed (or controlled) burnings and clear-cut logging, are often used as a measure to reduce the occurrences of wildfires. In the particular case of Serra da Cabreira forest, due to extremely difficulties in operational field work, the prescribed (or controlled) burning technique is the the most common preventive action used to reduce the existing fuel load amount. This paper focuses on a Fuzzy Boolean Nets analysis of the changes in some forest soil properties, namely pH, moisture and organic matter content, after a controlled fire, and on the difficulties found during the sampling process and how they were overcome. The monitoring process was conducted during a three-month period in Anjos, Vieira do Minho, Portugal, an area located in a contact zone between a two-mica coarse-grained porphyritic granite and a biotite with plagioclase granite. The sampling sites were located in a spot dominated by quartzphyllite with quartz veins whose bedrock is partially altered and covered by slightly thick humus, which maintains low undergrowth vegetation.

Soil attributes dynamics evaluation after prescribed burning practice in northwestern Portugal forest

The Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the summer season. These occurrences affect significant and rudely all ecosystems, namely soil, fauna and flora. Preventive actions such as prescribed burnings and clear-cut logging are frequently used and have showed a significant reduction of the natural wildfires occurrences. In Portugal, and due to some technical and operational conditions, prescribed burnings in forests are the most common preventive action used to reduce the existing fuel hazard. The overall impacts of this preventive action on Portuguese ecosystems are complex and not fully understood. This work reports to the study of a prescribed burning impact in soil chemical properties, namely pH, humidity and organic matter, by monitoring the soil self-recovery capacity. The experiments were carried out in soil cover over a natural site of Andaluzitic schist, in Gramelas, Caminha, Portugal, who was able to maintain itself intact from prescribed burnings from four years. The composed soil samples were collected from five plots at three different layers (0-3cm, 3-6cm and 6-18cm) 1 day before prescribed fire and after the prescribed fire. The results have shown that the dynamic equilibrium in soil was affected significantly.

Analysis of temporal and spatial variations of forest. A case of study in notheastern Armenia

The forest has a crucial ecological role and the continuous forest loss can cause colossal effects on the environment. As Armenia is one of the low forest covered countries in the world, this problem is more critical. Continuous forest disturbances mainly caused by illegal logging started from the early 1990s had a huge damage on the forest ecosystem by decreasing the forest productivity and making more areas vulnerable to erosion. Another aspect of the Armenian forest is the lack of continuous monitoring and absence of accurate estimation of the level of cuts in some years. In order to have insight about the forest and the disturbances in the long period of time we used Landsat TM/ETM + images. Google Earth Engine JavaScript API was used, which is an online tool enabling the access and analysis of a great amount of satellite imagery. To overcome the data availability problem caused by the gap in the Landsat series in 1988- 1998, extensive cloud cover in the study area and the missing scan lines, we used pixel based compositing for the temporal window of leaf on vegetation (June-late September). Subsequently, pixel based linear regression analyses were performed. Vegetation indices derived from the 10 biannual composites for the years 1984-2014 were used for trend analysis. In order to derive the disturbances only in forests, forest cover layer was aggregated and the original composites were masked. It has been found, that around 23% of forests were disturbed during the study period.

Hydrogeophysical data integration at larger scales: Application of Bayesian sequential simulation for the characterization of heterogeneous alluvial aquifers

Knowledge of the spatial distribution of hydraulic conductivity (K) within an aquifer is critical for reliable predictions of solute transport and the development of effective groundwater management and/or remediation strategies. While core analyses and hydraulic logging can provide highly detailed information, such information is inherently localized around boreholes that tend to be sparsely distributed throughout the aquifer volume. Conversely, larger-scale hydraulic experiments like pumping and tracer tests provide relatively low-resolution estimates of K in the investigated subsurface region. As a result, traditional hydrogeological measurement techniques contain a gap in terms of spatial resolution and coverage, and they are often alone inadequate for characterizing heterogeneous aquifers. Geophysical methods have the potential to bridge this gap. The recent increased interest in the application of geophysical methods to hydrogeological problems is clearly evidenced by the formation and rapid growth of the domain of hydrogeophysics over the past decade (e.g., Rubin and Hubbard, 2005).

Interface Implementation for GPRS/PCU Software Testing with Emulators

Jatkuvasti lisääntyvä matkapuhelinten käyttäjien määrä, internetin kehittyminen yleiseksi tiedon ja viihteen lähteeksi on luonut tarpeen palvelulle liikkuvan työaseman liittämiseksi tietokoneverkkoihin. GPRS on uusi teknologia, joka tarjoaa olemassa olevia matka- puhelinverkkoja (esim. NMT ja GSM) nopeamman, tehokkaamman ja taloudellisemman liitynnän pakettidataverkkoihin, kuten internettiin ja intranetteihin. Tämän työn tavoitteena oli toteuttaa GPRS:n paketinohjausyksikön (Packet Control Unit, PCU) testauksessa tarvittavat viestintäajurit työasemaympristöön. Aidot matkapuhelinverkot ovat liian kalliita, eikä niistä saa tarvittavasti lokitulostuksia, jotta niitä voisi käyttää GPRS:n testauksessa ohjelmiston kehityksen alkuvaihessa. Tämän takia PCU-ohjelmiston testaus suoritetaan joustavammassa ja helpommin hallittavassa ympäristössä, joka ei aseta kovia reaaliaikavaatimuksia. Uusi toimintaympäristö ja yhteysmedia vaativat PCU:n ja muiden GPRS-verkon yksiköiden välisistä yhteyksistä huolehtivien ohjelman osien, viestintäajurien uuden toteutuksen. Tämän työn tuloksena syntyivät tarvittavien viestintäajurien työasemaversiot. Työssä tarkastellaan eri tiedonsiirtotapoja ja -protokollia testattavan ohjelmiston vaateiden, toteutetun ajurin ja testauksen kannalta. Työssä esitellään kunkin ajurin toteuttama rajapinta ja toteutuksen aste, eli mitkä toiminnot on toteutettu ja mitä on jätetty pois. Ajureiden rakenne ja toiminta selvitetään siltä osin, kuin se on oleellista ohjelman toiminnan kannalta.

Forcing Usage Rules in PublicWireless LANs

Langattomien lähiverkkojen yleistyessä nopeasti suurten verkkojen teknologiana käyttösääntöjen valvonta tulee tarpeelliseksi. Tässä työssä kuvataan, kuinka käyttäjät voidaan pakottaa noudattamaan käyttösääntöjä julkisissa WLAN-verkoissa. Työssä käsiteltävät ongelmat koskevat menetelmiä epäluotettavien DHCP-palvelinten paljastamiseksi sekä omia IP-osoitteita käyttävien käyttäjien paljastamiseksi tilanteissa, jolloin IP-osoite ei ole virallisen DHCP-palvelimen myöntämä. Jokaisen menetelmän kohdalla pohditaan, kuinka tällaisia käyttäjiä voidaan estää rikkomasta käyttösääntöjä. Lisäksi pohditaan keskitetyn tietojen keruun hyödyntämistä kuvattujen tehtävien suorittamiseksi. Esitetyt ratkaisut on erityisesti suunniteltu testiverkkoa varten, mutta yleiset ideat ovat toimivia missä tahansa langattomassa verkossa.

Palynology of late-glacial and postglacial sediments in Georgian Bay, Ontario, Canada, as related to the Great Lakes history /

This investigation comprises three parts: (1) the source, mechanism of transport, and distribution of pollen, spores and other palynomorphs in Georgian Bay bottom sediments and a comparison of these data with the contemporary vegetation, (2) the relative significance of fluvial transportation of pollen and spores, and (3) the late- and postglacial history of vegetational and climatic changes in the Georgicin Bay region. Modem pollen and spore assemblages in Georgian Bay do reflect the surrovinding vegetation when preservation and pollen production by the different species are considered and accounted for. Relative pollen percentage and concentration isopoll patterns indicate that rivers contribute large quantities of pollen and spores to Georgian Bay. This is further substantiated by large amounts of pollen and spores which were caught in traps in the Moon, Muskoka, and Nottawasaga Rivers which flow into Georgian Bay. The majority of pollen and spores caught in these traps were washed into the rivers by surface water runoff and so reflect the vegetation of the watershed in a regional sense. In a 12.9 metre long sediment core from northeastern Georgian Bay the relative percentage and absolute pollen concentrations allow correlation of Georgian Bay Lake phases with climatic and forest history. Four distinct pollen zones are distinguished: zone GB IV which is the oldest, reflects the succession from open spruce woodland to boreal forest; zone GB III represents a period of pine-mixed hardwoods forests from about 10,000 to 7,500 years ago. A pine-maplehemlock association dominated in zone GB II, although during the culmination of postglacial warming about 4,000 to 5,000 years ago the Georgian Bay forests had a more deciduous character. Zone GB I clearly shows European man's disturbance of the forest by logging activities.

Essais sur la gestion des ressources forestières

Cette thèse est composée de trois essais en économie forestière. Les deux premiers s'intéressent à la fixation de la redevance optimale à laquelle fait face le propriétaire d'une ressource forestière dans un contexte d'information asymétrique. Le troisième analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. La gestion des ressources forestières implique souvent la délégation des droits de coupe par le propriétaire forestier à une entreprise exploitante. Cette délégation prend la forme d'un contrat de concession par lequel le propriétaire forestier octroie les droits d'exploitation aux compagnies forestières, en contrepartie d'une redevance (transfert monétaire). L'octroie des droits d'exploitation s'effectue généralement sous plusieurs modes, dont les plus répandus sont les appels d'offres publics et les contrats de gré à gré, où le propriétaire forestier et la firme exploitante spécifient entre autres la redevance dans les clauses d'exploitation de la forêt. Pour déterminer le mécanisme optimal (choix de la firme, âge de coupe et redevance), le propriétaire forestier a idéalement besoin de connaître les coûts de coupe et de reboisement. Or en réalité, les firmes sont mieux informées sur leurs coûts que le propriétaire forestier. Dans ce contexte d'information asymétrique, le mécanisme optimal doit donc prendre en considération des contraintes informationnelles. Les deux premiers essais caractérisent, sous ces conditions, l'âge de coupe optimal (la rotation optimale) et la redevance optimale. Le premier essai examine le contrat optimal quand le propriétaire forestier cède les droits de coupes à une firme par un accord de gré à gré ou par une procédure d'appel d'offre public au second prix. L'analyse du problème est menée premièrement dans un contexte statique, dans le sens que les coûts de coupe sont parfaitement corrélés dans le temps, puis dans un contexte dynamique, où les coûts sont indépendants dans le temps. L'examen en statique et en dynamique montre que la rotation optimale va satisfaire une version modifiée de la règle de Faustmann qui prévaudrait en information symétrique. Cette modification est nécessaire afin d'inciter la firme à révéler ses vrais coûts. Dans le cas statique, il en résulte que la rotation optimale est plus élevée en information asymétrique qu'en situation de pleine information. Nous montrons également comment le seuil maximal de coût de coupe peut être endogénéisé, afin de permettre au propriétaire d'accroître son profit espéré en s'assurant que les forêts non profitables ne seront pas exploitées. Nous comparons ensuite la redevance optimale en information asymétrique et symétrique. Les redevances forestières dans un arrangement de gré à gré étant généralement, en pratique, une fonction linéaire du volume de bois, nous dérivons le contrat optimal en imposant une telle forme de redevance et nous caractérisons la perte en terme de profit espéré qui résulte de l'utilisation de ce type de contrat plutôt que du contrat non linéaire plus général. Finalement, toujours dans le contexte statique, nous montrons à travers un mécanisme optimal d'enchère au second prix qu'en introduisant ainsi la compétition entre les firmes le propriétaire forestier augmente son profit espéré. Les résultats obtenus dans le contexte dynamique diffèrent pour la plupart de ceux obtenus dans le cas statique. Nous montrons que le contrat optimal prévoit alors que chaque type de firme, incluant celle ayant le coût le plus élevé, obtient une rente strictement positive, laquelle augmente dans le temps. Ceci est nécessaire pour obtenir la révélation à moindre coût à la période courante du véritable type de la firme. Comme implication, la rotation optimale s'accroît aussi dans le temps. Finalement, nous montrons qu'il y a distorsion en asymétrique d'information par rapport à l'optimum de pleine information même pour le coût le plus bas (la réalisation la plus favorable). La concurrence introduite dans le premier essai sous forme d'enchère au second prix suppose que chaque firme connaît exactement son propre coût de coupe. Dans le deuxième essai nous relâchons cette hypothèse. En réalité, ni le propriétaire forestier ni les firmes ne connaissent avec précision les coûts de coupe. Chaque firme observe de manière privée un signal sur son coût. Par exemple chaque firme est autorisée à visiter un lot pour avoir une estimation (signal) de son coût de coupe. Cependant cette évaluation est approximative. Ainsi, le coût de chaque firme va dépendre des estimations (signaux) d'autres firmes participantes. Nous sommes en présence d'un mécanisme à valeurs interdépendantes. Dans ce contexte, la valeur d'une allocation dépend des signaux de toutes les firmes. Le mécanisme optimal (attribution des droits d'exploitation, redevance et âge de coupe) est exploré. Nous déterminons les conditions sous lesquelles le mécanisme optimal peut être implémenté par une enchère au second prix et dérivons la rotation optimale et le prix de réserve dans le contexte de ce type d'enchère. Le troisième essai de la thèse analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. L'un des principaux arguments qui milite en faveur du recours au recyclage est que cela entraînerait une réduction de la coupe de bois, épargnant ainsi des arbres. L'objectif est donc d'aboutir à un nombre d'arbres plus important qu'en l'absence de recyclage. L'idée d'accroître le stock d'arbre tient au fait que les forêts génèrent des externalités: elles créent un flux de services récréatifs, freinent l'érosion des sols et des rives des cours d'eau et absorbent du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Étant donné la présence d'externalités, l'équilibre des marchés résulterait en un nombre d'arbre insuffisant, justifiant donc la mise en oeuvre de politiques visant à l'accroître. Le but de ce troisième essai est de voir dans quelle mesure la promotion du recyclage est un instrument approprié pour atteindre un tel objectif. En d'autres mots, comment le recyclage affecte-t-il à long terme la surface de terre en forêt et l'âge de coupe? Nous étudions cette question en spécifiant un modèle dynamique d'allocation d'un terrain donné, par un propriétaire forestier privé, entre la forêt et une utilisation alternative du terrain, comme l'agriculture. Une fois les arbres coupés, il décide d'une nouvelle allocation du terrain. Il le fait indéfiniment comme dans le cadre du modèle de Faustmann. Le bois coupé est transformé en produit final qui est en partie recyclé comme substitut du bois original. Ainsi, les outputs passés affectent le prix courant. Nous montrons que, paradoxalement, un accroissement du taux de recyclage réduira à long terme la surface forestière et donc diminuera le nombre d'arbres plantés. Par contre l'âge de coupe optimal va s'accroître. L'effet net sur le volume de bois offert sur le marché est ambigu. Le principal message cependant est qu'à long terme le recyclage va résulter en une surface en forêt plus petite et non plus grande. Donc, si le but est d'accroître la surface en forêt, il pourrait être préférable de faire appel à d'autres types d'instruments de politique que celui d'encourager le recyclage.

Le développement durable et l’Amazonie brésilienne : la régulation publique est-elle suffisante?

Combiner le respect du milieu et le bien-être des personnes qui vivent de l’exploitation des ressources naturelles en Amazonie est une préoccupation qui est appelée à transformer les politiques d’exploitation du territoire. Je montre dans cette étude que les gains du développement économique, la protection de l’environnement et l’amélioration du niveau de vie des populations locales sont des objectifs compatibles. Toutefois, des tensions entre les trois piliers du développement durable subsistent et nécessitent une forme de négociation pour arriver à un équilibre des coûts et bénéfices du développement. En Amazonie, cette négociation prend la forme d’un encadrement du développement par les législations gouvernementales. Ces lois clarifient les droits de propriété et établissent un système de gestion de l’exploitation des ressources forestières tant sur les terres publiques que sur les terres privées. En analysant deux cas d’exploitation de ressources issues de la forêt, soit le bois d’œuvre et la baie d’açaí, j’explique les raisons pour lesquelles les populations locales vivant de l’exploitation des diverses ressources forestières sont peu intégrées dans le processus de développement. La régulation publique s’appliquant à l’exploitation du bois tend à criminaliser les activités pratiquées par les populations locales sans apporter d’alternative autre que les plans de gestion forestière. Dans le cas de la baie d’açaí, la coexistence de la culture et de la cueillette comme systèmes de production permet aux populations locales de continuer leurs activités traditionnelles et une répartition des coûts et bénéfices du développement plus équitable entre les acteurs.

Modélisation de l'influence de la fragmentation des habitats sur le risque de prédation chez le caribou forestier

Les populations du caribou forestier (Rangifer tarandus caribou) sont en déclin sur l’ensemble de leur aire de répartition en Amérique du Nord. Il s’avère que la prédation, amplifiée par l’exploitation forestière, en est la principale cause. Ce projet consiste à mettre en place un outil d'aide à la décision, permettant de modéliser les changements du risque de prédation chez le caribou forestier durant la succession forestière, et ce, selon différents scénarios d'aménagement forestier simulés sur la Côte-Nord du Québec, Canada. Ces scénarios, simulés de 2000 à 2150, sont caractérisés par (i) des coupes limitées aux blocs de protection et de remplacement, (ii) des coupes étendues sur le paysage, et finalement (iii) par l'absence de coupe dès 2000. Un modèle basé sur l'individu (MBI) permet de modéliser les déplacements simultanés du caribou forestier, de l'orignal (Alces alces) et du loup gris (Canis lupus) afin d'évaluer le risque de prédation selon les scénarios. En général, le risque de prédation est plus important lorsque les coupes sont limitées aux blocs de protection et de remplacement. En effet, il semble que ces blocs augmentent les probabilités de rencontre entre les proies et leurs prédateurs. Toutefois, certains résultats ne reflètent pas la littérature, ce qui montre la nécessité d'améliorer le MBI. Certaines recommandations visent finalement à bonifier ce MBI pour permettre l'analyse de la viabilité à long terme du caribou forestier en fonction de différents scénarios d'aménagement forestier.