INTRODUÇÃO

O solo é um componente essencial e multifuncional do ecossistema terrestre, fornecendo bases para produção de alimentos, controlando processos hidrológicos, e oferecendo serviços ecossistêmicos, cruciais para se alcançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) estabelecidos pelas Nações Unidas no tocante à produção de alimentos e qualidade de vida (^{Darkwah et al., 2019}; ^{Hou et al., 2020}). A redução da qualidade do solo, resultante de sua degradação, diminui a sua produtividade, comprometendo a sustentabilidade da agricultura, a qualidade e a estabilidade do meio ambiente, e a disponibilidade de recursos hídricos de qualidade nas bacias hidrográficas, causando consequentemente um efeito adverso no desenvolvimento socioeconômico e sustentável. A região semiárida Brasileira apresenta limitada disponibilidade de recursos hídricos e elevada susceptibilidade à ocorrência de erosão, devido a quatro fatores preponderantes: solos rasos com baixa capacidade de retenção de água; regime pluviométrico com distribuição espacial e temporal irregular, ocorrendo com frequência chuvas de alta intensidade; elevadas temperaturas, que estão associadas a altas taxas de evapotranspiração; e limitada cobertura vegetal, com predomínio de espécies caducifólias.

Importantes discussões referentes à conservação do solo estão presentes no relatório do IPCC (“Intergovernmental Panel on Climate Change”), sobre mudanças climáticas, desertificação, degradação e manejo sustentável do solo, segurança alimentar, e fluxos de gases de efeito estufa em ecossistemas terrestres (^{Shukla et al., 2019}). O relatório destaca que a intensificação em mudanças de uso e ocupação de terra associada às mudanças climáticas contribuem para processos de degradação e desertificação do solo. Além disso, é relatado que manejos inadequados de solos podem intensificar períodos de seca. Nesse sentido, o relatório recomenda diversas técnicas conservacionistas que podem ser adotadas potencial de evitar, reduzir e até reverter diversos processos de degradação causados pela interação dos fatores naturais (solo, clima, relevo) e antrópicos. Além disso, as técnicas conservacionistas proporcionam condições favoráveis para produção agrícola, no tocante ao suprimento de água e nutriente, em especial nos períodos secos que tornam-se maiores e mais intensos devido às mudanças climáticas. Dentre as alternativas naturais de conservação de água e solo adaptáveis às bacias hidrográficas do semiárido, e com baixo custo, destacam-se a cobertura morta com restos vegetais (^{Santos et al., 2008}; ^{Lopes et al., 2019}), e os cordões vegetativos como barramentos vegetais, utilizando por exemplo a Palma Forrageira (Opuntia sp.) (^{Borges et al., 2014}; ^{Montenegro et al., 2019}). Esses estudos vêm sendo sistematicamente realizados no Estado de Pernambuco, na Bacia Representativa do Alto Ipanema, como parte das ações experimentais da Rede de Hidrologia do Semiárido (REHISA), e mais recentemente do Consórcio Universitas, este último reunindo universidades públicas de Pernambuco em prol do incremento da segurança hídrica no semiárido de Pernambuco.

A cobertura morta com restos vegetais é largamente difundida, sendo capaz de amortecer os impactos das gotas de chuva, incrementar a infiltração, e reduzir a erosão hídrica (^{Sarkar & Singh, 2007}; ^{Montenegro et al., 2013}; ^{Cerdà et al., 2017}; ^{Prats et al, 2017}; ^{Flores et al., 2019}). ^{Jordán et al. (2010}) verificaram que aplicações de cobertura morta por longos períodos melhoraram as propriedades físicas e químicas de solos do semiárido da Espanha. Aumentos na interceptação da chuva, no atraso na geração de escoamento, e controles de erosão ocorreram com coberturas mortas de palha de trigo seca com densidade de cobertura de 5 Mg ha^-1 por ano. Já quanto à adoção de cordões vegetativos, vários estudos foram realizados para avaliar o potencial e os efeitos da adoção desta técnica, dentre eles ^{Pan et al. (2018}) e ^{Haddaway et al. (2018}), este último realizando vasta revisão das aplicações dos cordões vegetativos para a proteção ambiental. A adoção de cordões vegetativos requer a utilização de plantas adaptadas às condições climáticas locais. No caso de regiões semiáridas, a babosa (Aloe Vera (L).) (^{Varela et al., 2014}) e a Palma Forrageira (Opuntia sp.) (Montenegro et al. 2019) são alternativas de plantas que podem ser utilizadas nos cordões vegetativos.

Desse modo, o objetivo deste artigo é avaliar o efeito de diferentes técnicas naturais de conservação sobre a erosão hídrica e contéudo de água no solo, na Bacia do Alto Ipanema, semiárido de Pernambuco, complementados com avaliações em laboratório.

MATERIAIS E MÉTODOS

As investigações hidrológicas vêm sendo desenvolvidas na Bacia Representativa do Alto Ipanema, desde 2009. Esta bacia está localizada no município de Pesqueira, no semiárido do Estado de Pernambuco, Brasil (Figura 1), situada entre as coordenadas 8° 34’ 17” e 8° 18’11” de Latitude Sul, e 37° 1’ 35” e 36° 47’ 20” de Longitude Oeste. O clima da região segundo a classificação de Köppen, é do tipo BSsh (extremamente quente, semiárido). A precipitação média anual, conforme dados históricos locais (1910 a 2012) é de 671,90 mm. De acordo com os dados normais climatológicos, a evaporação total anual é de 1.589,80 mm, a temperatura média de 24,70 °C, com máxima de 29,0 °C e mínima de 18,5 °C, respectivamente. A vegetação predominante é a Caatinga hipoxerófila, cactáceas e bromeliáceas (^{Montenegro e Montenegro, 2004}), com comportamento caducifólio.

Figura 1 Localização da bacia hidrográfica de estudo, no semiárido de Pernambuco, Brasil. Fonte: ^{Lopes et al. (2019}). 

Três diferentes sítios experimentais foram implantados, cada um constando de cinco parcelas com 4,5 m de largura por 11 m de comprimento, delimitadas por alvenaria (Figura 2). As parcelas experimentais encontram-se equipadas com sondas TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para medição da umidade do solo, além de tubos de acesso em PVC para medições com Sondas de Nêutrons. As equações de calibração para Sonda de Nêutrons, na camada de 0-0,2 m e 0,2-0,4 m, e para TDR na camada de 0-0,20 m apresentam comportamento linear, com coeficientes angulares de 0,345, 0,4106, 0,002, coeficientes lineares de 0,002, 0,0227 e -0,0431, e coeficientes de determinação de 0,98, 0,99 e 0,90, respectivamente. Essas equações permitem a obtenção da umidade gravimétrica a partir das leituras dos equipamentos. Cada sítio possui um pluviógrafo automático de báscula, modelo TB4L da Campbell Scientific. Em dois sítios, o solo foi classificado como Argissolo Amarelo Eutrófico típico, e em um sítio, o solo foi classificado como Neossolo Regolítico. As características físicas dos solos foram descritas por ^{Santos (2010}). Em cada experimento foram utilizados os seguintes tratamentos: cobertura natural (PCN) composta por caatinga rasa de pequenos e médio porte, solo descoberto (PSD), cordão vegetativo de Palma Forrageira (PF) planta em espaçamento regular de 0,5 × 1,5 m, cobertura morta de pó de coco com densidade de 8 Mg ha^-1 (PCM).

Figura 2 Vista das parcelas experimentais com diferentes condições de tratamentos, na estação chuvosa, e monitoramento com Sonda de Nêutrons na parcela descoberta, na estação seca. 

Experimentos adicionais foram realizados em laboratório com simulador de chuva, comparando-se o desempenho da cobertura morta de pó de coco a 8 Mg ha^-1 (PCM) e barramento com Palma Forrageira (PF), em relação ao solo descoberto (PSD). Utilizou-se uma parcela experimental de 1,51 × 0,51 m, com uma declividade de 10%, preenchida com o solo correspondente da bacia do Alto Ipanema-PE (Argissolo Amarelo Eutrófico típico), Brasil. A intensidade de chuva e sua duração foi adotada a partir da equação da intensidade-duração-frequência (IDF) da precipitação para tempo de retorno de 7 anos, para o município de Pesqueira-PE, segundo ^{Coutinho et al. (2010}).

Para os tratamentos foi aplicada uma chuva simulada de intensidade uniforme de 90 mm h^-1 durante 15 minutos, utilizando-se um simulador de chuva de intensidade variável, onde para cada tratamento foram realizadas três repetições de simulação de chuva. A partir do início do escoamento superficial foram efetivadas as coletas dos volumes escoados a com intervalos regulares, seguindo o procedimento descrito por ^{Cogo (1978}). A lâmina escoada foi calculada com base no volume coletado da enxurrada por unidade de área na parcela de erosão. Para medição da umidade do solo em laboratório foram utilizados quatro sensores de umidade FALKER HidroFarm HFM 1010, distribuídos no sentido longitudinal do declive a partir da seção inicial da parcela, considerando o percentual em relação à saturação. A umidade foi verificada antes e após cada simulação, verificando a umidade antecedente à cada ensaio.

O delineamento experimental nas parcelas foi o inteiramente casualizado e os dados experimentais foram submetidos à análise estatística clássica. Para comparação das médias de umidade dos tratamentos teste de Tukey foi aplicado ao nível de significância de 5%, com auxílio do software livre RStudio.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 3 apresenta o valor médio das medições de umidade do solo na camada de 0 a 20 cm, no sítio experimental com Neossolo Regolítico, de 1 de janeiro de 2018 a 15 de fevereiro de 2019, totalizando 335 medições por tratamento, descontando-se as falhas de 11 de abril a 9 de maio e 15 de junho a 31 de julho de 2018. Na Figura 3 também estão apresentados os registros diários dos eventos de chuva. Em período chuvoso em 2018, verifica-se a pronunciada resposta da parcela com cobertura natural, com elevados picos de umidade, apresentando também uma desfasagem positiva na recessão, ou seja, um padrão de secamento mais lento que os demais tratamentos, apesar da maior transpiração da vegetação natural neste período. Este comportamento também foi verificado por ^{Montenegro et al. (2019}), para registros em meados de 2017, no mesmo sítio, estando associado à capacidade de armazenamento de água da cobertura vegetal, e ao fluxo pelo caule. Para o período seco, constata-se o adequado desempenho da cobertura morta na manutenção da umidade do solo, seguida pela técnica de barramento em Palma Forrageira.

Figura 3 Distribuição temporal da precipitação e da umidade do solo nas parcelas com tratamento e cobertura natural (CN), Barramento com Palma Forrageira (PF), Cobertura morta de pó de coco (CM) e Solo descoberto (SD), de Janeiro de 2018 a janeiro de 2019. 

Em relação ao tratamento com Palma, a adoção do cordão vegetativo mostrou-se promissor na manutenção das umidades, sendo uma técnica eficiente quando comparado ao PSD, com destaque para o período de julho de 2018 a dezembro de 2019, onde se aproximaram de PCN. Autores como ^{Borges et al. (2014}) e ^{Montenegro et al. (2019}) destacam o incremento no armazenamento de água no solo e a redução da taxa de erosão em solos cultivados com cordões vegetativos.

A Figura 4 apresenta as distribuições de frequência experimentais para as leituras de umidade nos tratamentos. Pode-se verificar que a utilização das práticas conservacionistas reflete em maior probabilidade de incremento de umidade no solo em comparação com o solo descoberto, com destaque para o tratamento de cobertura morta, que apresentou maior acumulo de água no perfil. ^{Borges et al. (2014}) ao utilizarem a cobertura morta de Capim Elefante (densidade de 7 Mg ha^-1) associada a barramentos de pedra no cultivo de milho de sequeiro, nas mesmas parcelas experimentais, também relataram maior potencial de retenção de água no solo, além de incrementos significativos na produção.

^{Menezes et al. (2013}), ao compararem o comportamento temporal da água no solo, na Bacia Representativa do Alto Ipanema, destacaram que solos descobertos apresentam menor umidade em comparação com solo com cobertura natural de vegetação de Caatinga, após eventos de chuva, constatando que na condição de solo exposto há maior escoamento superficial, promovendo maior erosão e selamento da superfície do solo. Entretanto, em períodos de estiagem, em que a umidade do solo se encontra em valores reduzidos, há maior perda de água em solos de vegetação natural de Caatinga, devido à evapotranspiração, que é consistente com os resultados apresentados na Figura 4.

Figura 4 Distribuições de frequência experimentais das umidades do solo medidas com TDR, de janeiro de 2018 a janeiro de 2019. Bacia do Alto Ipanema, Pernambuco, Brasil. 

Na mesma área experimental, ^{Montenegro et al. (2019}) analisaram separadamente a distribuição de umidade do solo para os períodos úmidos e secos entre 2016 e 2018, e destacaram os benefícios de práticas vegetativas naturais tais como, (i) o aumento da infiltração e armazenamento de água em solos com cobertura natural (Caatinga) devido aos processos de interceptação nos períodos úmidos, ressaltando assim a importância das iniciativas de reflorestamento na área; e (ii) manutenção da umidade do solo nos períodos seco devido a redução das perdas de água do solo por evaporação utilizando cobertura morta de pó de coco.

Em relação ao uso da prática de cultivo de cordões de Palma, ^{Lima et al. (2015}a) destacam resultados positivos na manutenção de umidade do solo ao utilizar o barramento de Palma em experimento realizado em duas sub-bacias do Alto do Ipanema entre 2012 e 2014, tendo essa técnica o melhor desempenho em comparação com outras técnicas conservacionistas na camada 0-20 cm.

A análise das medições utilizando Sonda de Nêutrons está apresentada na Tabela 1 e na Figura 5, para o período de janeiro de 2017 a janeiro de 2019. Pode-se constatar que as umidades do solo nas camadas de 0-20 cm e de 20-40 cm são significativamente (a 5% de probabilidade do teste de Tukey) superiores aos das parcelas descobertas.

Tabela 1 Umidade volumétrica média nos conjuntos experimentais para o período de janeiro de 2017 a janeiro de 2019, nas camadas de 0,0 - 0,2 m e 0,2 - 0,4 m. 

Figura 5 Distribuição estatística das umidades do solo por sítio experimental e tratamento, para as camadas de 0-0,20 m e 0,20-0,40 m. 

A PCM e PF apresentaram maiores médias em todos os conjuntos avaliados, em relação a PSD, promovendo um acréscimo no conteúdo de água no solo. A cobertura natural promoveu em média, um incremento de 11% do conteúdo de água no solo, quando comparada a PSD. As práticas conservacionistas destacam-se por favorecer maior aproveitamento das águas das chuvas, evitando-se perdas excessivas por escoamento superficial e aumentando o tempo de contato da água com o solo, o que favorece a infiltração. Esses resultados também foram verificados por ^{Lopes et al. (2019}), avaliando no período de outubro de 2016 a outubro de 2017, no mesmo sítio experimental.

A Figura 5 apresenta os box-plots da umidade para os tratamentos e profundidades. Os valores correspondem à média dos 24 monitoramentos realizados. O traço interno é referente ao valor da mediana.

Observa-se elevadas umidades na camada de 0,2-0,4 m, com redução de aproximadamente 40% para a camada de 0-0,2 m, corroborando com resultados de ^{Borges et al. (2014}) e ^{Santos et al. (2010}), que atribuíram esse comportamento ao maior teor de argila, promovendo maior retenção de água no solo em maior período de tempo. Nota-se também presença de valores atípicos, tanto na estação chuvosa quanto na estação seca. As parcelas sob Argissolo Amarelo (Malaquias e Edvaldo) apresentam maiores umidades em função da sua maior capacidade de retenção quando comparados com Neossolo Regolítico (Figura 5), corroborando com Melo e Montenegro (2015).

A geração de escoamento superficial, assim como as perdas de solo foram significativamente baixas para a condição PCN. Quando avaliadas as práticas conservacionistas de PCM e PF, estas reduziram eficientemente as perdas de água e solo, conforme o esperado. O escoamento apresentou comportamento diferente, com a PCN gerando a menor lâmina de escoamento e a condição PSD produzindo o maior escoamento, como observado na Figura 6, em que a PCN apresentou no máximo 30% de escoamento do que PSD.

Figura 6 Eventos de escoamento superficial para (A) Cobertura natural; (B) Cobertura morta; (C) Palma Forrageira. 

As relações entre PSD e as condições conservacionistas permitem observar o quanto é importante o uso destas alternativas (Figura 7). Foi demonstrado que a PCM protegeu de forma eficiente a superfície do solo nos três locais estudados, o que possibilitou maiores taxas de infiltração e consequentemente maior armazenamento de água no solo. Para PF, comportamento semelhante foi observado (Figura 7C), sendo que a perda máxima de solo foi de aproximadamente 49% da condição de solo descoberto. A PCM reduziu a perda de solo devido à formação de pequenas barreiras formadas pelo material em contato com o solo, dessa forma ocorrendo formação de pequenos contornos contra o fluxo de água.

Figura 7 Perdas de solo nos eventos (A) Cobertura natural; (B) Cobertura morta; (C) Palma Forrageira. 

Os valores de perda de solo em relação a condição de solo descoberto decresceram na seguinte sequência PF>PCM>PCN. ^{Brasil et al. (2017}) associam essas condições à redução da energia cinética das chuvas e ao aumento do armazenamento de água no solo, possibilitando à PCN aumentar a infiltração e reduzir a evapotranspiração. Em ambas análises, a PCN de Caatinga foi eficiente em reduzir a perda de água e solo. ^{Caloiero et al. (2016}) ressaltam que apesar da presença de vegetação aumentar o consumo de água, a umidade do solo nas superfícies aumentou em comparação com as áreas onde a vegetação foi removida.

Observa-se na Tabela 2 as características hidráulicas do escoamento para a condição de solo descoberto (SD), cobertura morta de pó de coco a 8 Mg ha^-¹ (CM) e cordão vegetal de Palma Forrageira (PF).

Tabela 2 Parâmetros obtidos com simulações de chuva de 90 mm h^-1, durante 15 minutos. 

Para a condição de solo descoberto, o escoamento superficial se iniciou aos 2 minutos e 30 segundos de chuva, com um volume total precipitado de 19 l e atingindo uma perda de solo e água de 65,4 g e 11 l respectivamente. ^{Santos et al. (2009}) e ^{Borges (2014}) ressaltam que, na ausência de cobertura superficial do solo, o impacto direto das gotas de chuva faz com que as partículas de solo se dispersem ocorrendo assim altos valores de perda de solo. Quando comparado ao SD, a cobertura morta retardou o início do escoamento, e reduziu em 72% a perda de solo e em 62% a perda de água. Tais resultados também foram encontrados por ^{Lima et al. (2015}b) em teste com práticas agrícolas conservacionistas no cultivo da mandioca, onde a cobertura morta foi eficiente. O cordão vegetativo de Palma promoveu, assim como CM, uma redução na perda de solo e água de 40% e 33%, respectivamente. A velocidade de escoamento nos tratamentos conservacionistas (cobertura morta e barramento com Palma) foi menor em relação ao solo descoberto, o que pode ser atribuído à barreira física ao escoamento e ao aumento da rugosidade hidráulica do fluxo superficial, com consequente aumento da altura do escoamento. Embora a rugosidade tenha aumentado, o Número de Froude diminuiu pela ação de resistência ao escoamento promovida pela rugosidade.

A redução da velocidade de escoamento promove o aumento da taxa de infiltração e consequentemente o aumento no teor de água no solo. ^{Montenegro et al. (2013}) em solos de Coimbra, Portugal, com cobertura de palha, também verificaram que a cobertura morta é uma prática eficiente em reduzir os danos causados pela ação erosiva das gotas de chuva, proporcionando uma redução do escoamento, erosão hídrica e aumento da umidade do solo. Quando comparada ao solo descoberto, a cobertura morta apresentou um aumento significativo da infiltração da água no solo em consequência do maior tempo de contato entre a água retida na cobertura e o solo. No tratamento de Palma Forrageira, o incremento na umidade do solo foi em função do barramento proporcionado pela morfologia vegetal da Palma, que proporciona a diminuição da velocidade do escoamento e que permite um fluxo superficial mais lento ao longo da parcela.

CONCLUSÕES

A aplicação da cobertura morta proporcionou a redução do escoamento superficial, resultando numa maior infiltração de água no solo, principalmente na estação seca. Assim, a utilização de cobertura natural apresenta destacada relevância na preservação da umidade do solo, principalmente nos eventos de chuva de maior magnitude.

O tratamento com cordão de Palma Forrageira apresentou igualmente bom desempenho, tanto no controle das perdas de solo por erosão hídrica quanto na redução de velocidade do escoamento, promovendo a infiltração da água no solo a montante do cordão, favorecendo assim o umedecimento.

Deste modo, as práticas conservacionistas abordadas têm relevância no tocante à sustentabilidade do ambiente semiárido, sendo viáveis devido à sua simples implementação e ao seu baixo custo envolvido.