Ecological indicators of the effects of multiple farming activities in a Mediterranean high nature value farmland

Tese de mestrado, Ecologia e Gestão Ambiental, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Devido às pressões antropogénicas de uma população em constante crescimento, as alterações na intensificação dos usos do solo são, hoje, uma ameaça séria à biodiversidade. Os sistemas agroflorestais apresentam-se como locais com usos de solo bastante diversos e sujeitos a alterações frequentes. Muitas destas alterações, tais como a transformação de espaços florestais em campos para agricultura ou pastoreio intensivo, e a consequente adição de produtos químicos, acabam por ameaçar os ecossistemas terrestres e aquáticos e consequentemente diminuir a qualidade dos serviços que estes sistemas oferecem. Na bacia do Mediterrâneo o montado estabelece-se como um dos principais sistemas agroflorestais. Em condições normais, o montado apresenta-se como um sistema agro-silvo-pastoril, onde os usos do solo vão desde o pastoreio intensivo ou extensivo, à produção de cortiça, entre muitas outras atividades. Nas zonas próximas do montado, outras atividades agrícolas, tais como a agricultura intensiva, irrigada e fertilizada também estão presentes. Para além disso, estes sistemas têm também um grande interesse conservacionista. Uma elevada biodiversidade de fauna e flora acompanhado pelo risco de degradação iminente, torna o montado um local de elevada importância ecológica, estando assim classificado como Hotspot de biodiversidade e High Nature Value Farmland (HNVF). O montado pode ser dividido em montado de sobro e montado de azinho, dependendo se a espécie arbórea dominante é o sobreiro, Quercus suber, ou a azinheira, Quercus ilex. Em ambos os ecossistemas, a paisagem é tradicionalmente caracterizada por ter uma pequena densidade de Quercus e um subcoberto composto por herbáceas e arbustos. No entanto, a abundância de bens e serviços que providencia e a grande diversidade de usos do solo são grandes atrativos económicos para o Homem, que assim realiza um conjunto de práticas que muitas vezes exercem uma pressão excessiva sobre estes ecossistemas e colocam em risco a sua biodiversidade. Uma dessas práticas é o pastoreio, que na região ribatejana e alentejana é predominantemente de gado bovino. A atividade deste tipo de gado é altamente impactante a vários níveis, desde a depleção do subcoberto vegetal e consequente aparecimento de solo nu, ao pisoteio que degrada solos, destrói a vegetação e impede a germinação das sementes, até à emissão de compostos gasosos azotados como a amónia que altera as propriedades químicas do solo, cria eutrofização nas massas de água e promove a criação de compostos azotados na atmosfera. Outra das práticas que pode ocorrer no local ou em zonas agrícolas na envolvente destes sistemas agroflorestais é a aplicação de fertilizantes, normalmente ricos em compostos azotados e fosfatados, e que com determinadas condições climáticas podem ser transformados em compostos voláteis tais como a amónia, sendo muito tóxicos para a biodiversidade em concentrações elevadas. As práticas florestais, com ênfase no descortiçamento e no desmatamento, são igualmente impactantes na medida em que o primeiro torna os sobreiros mais suscetíveis a pragas e doenças e o segundo altera a estrutura e composição da vegetação, o que posteriormente afeta os solos e o microclima. Por fim, importa ainda referir que se prevê que as alterações climáticas terão um efeito negativo a médio e longo prazo nestes sistemas agroflorestais. As previsões para a região da bacia do Mediterrâneo apontam para a ocorrência de menores valores médios de precipitação e maiores valores médios de temperatura o que, numa zona já de si seca e quente, irá provocar a ocorrência de secas extremas, contribuindo para o aumento das áreas desertificadas e erodidas. É então premente que se desenvolvam ferramentas que permitam balancear a gestão e exploração económica dos ecossistemas agroflorestais de High Nature Value Farmland (HNVF) com a procura por manter a estrutura e funcionamento ecológicos para que estes continuem a providenciar os bens e serviços de regulação e manutenção tão necessários para a gestão dos recursos a longo prazo. Assim, o objetivo deste trabalho é determinar as influências que as várias atividades agrícolas exercem sobre a biodiversidade que estes ecossistemas albergam e assim criar uma ferramenta de gestão a ser aplicada nestas áreas. Para isso, efetuou-se a análise de dois indicadores ecológicos, sendo eles os líquenes epifíticos e os escaravelhos coprófagos. Essa escolha deveu-se ao facto de ambos os grupos serem sensíveis à eutrofização, especialmente às alterações das concentrações de azoto (na atmosfera e nos solos, respetivamente) e disponibilidade de nutrientes, bem como à alteração da estrutura da floresta, permitindo-nos assim avaliar os possíveis impactos dos vários usos do solo na biodiversidade do montado. Desta forma é possível fazer uma gestão que otimiza a conservação da biodiversidade e o retorno económico proveniente das atividades agrícolas. O estudo foi efetuado na companhia das Lezírias, situada a este da Reserva Natural do Estuário do Tejo. A companhia das Lezírias engloba uma área de aproximadamente 18 mil hectares, e é composta por diversas parcelas de terreno com diferentes usos de solo, incluindo uma área considerável de montado de sobro. Esta propriedade é monitorizada há já dezenas de anos pelo que existem dados detalhados de todas as atividades agroflorestais que nela ocorrem. Foi assim possível criar um gradiente do uso do solo a partir desses dados. Esse gradiente variava entre a exclusão de pastoreio (máximo de 19 anos sem pastoreio) em algumas parcelas, até ao pastoreio máximo de 2,82 cabeças de gado bovino por hectare, por ano. Foram posteriormente selecionadas 18 parcelas onde foram analisadas as comunidades de líquenes epifíticos em 113 sobreiros e posicionadas 90 armadilhas iscadas com excrementos de bovino para captura de escaravelhos coprófagos. A estrutura das comunidades dos indicadores ecológicos e respetivas variáveis dos grupos funcionais foram correlacionadas com diversos fatores ambientais, incluindo diversos parâmetros do solo, a humidade da canópia (Normalized Difference Moisture Index – NDMI), a temperatura à superfície da paisagem (através dos valores de Land Surface Temperature - LST), as perturbações locais causadas pelo pastoreio, pela fragmentação e pelo tráfego motorizado no interior da Companhia e as perturbações causadas pela agricultura intensiva nas zonas adjacentes à área de estudo. A escolha destes fatores ambientais, em detrimento de outros, deveu-se ao facto de eles terem frequentemente um papel mais relevante nas variações da composição e estrutura das comunidades. Essas variações são provocadas pelos usos de solo existentes na área de estudo e zonas adjacentes, quer ao nível da poluição, eutrofização, alterações na vegetação e microclima. Assim, recorrendo a uma abordagem multi-taxa ao nível local e da paisagem poderemos identificar quais as principais ameaças para a biodiversidade existente. Ao nível dos líquenes epifíticos, mais sensíveis às alterações atmosféricas, a proximidade de explorações agrícolas intensivas revelou-se como os fator mais importante para explicar as diferenças na abundância dos grupos funcionais deste indicador ecológico, entre as parcelas estudadas. Tal se deve à aplicação intensiva de fertilizantes com compostos azotados nos arrozais e culturas temporárias de regadio, como os campos de milho, adjacentes à área de estudo. Parte destes compostos azotados, tais como a amónia, são dispersados pelo vento e acabam por se depositar no interior da área de montado, acabando por impactar a biodiversidade de líquenes existente. A intensidade do pastoreio, com exceção da área com maior intensidade (zona de concentração de gado bovino) de pastoreio, não mostrou ser a fonte principal de impacto na biodiversidade dos líquenes, muito provavelmente devido a esse pastoreio ser extensivo e de baixa intensidade. Isto leva a que a quantidade de amónia produzida esteja abaixo do nível crítico, a partir do qual as comunidades de líquenes respondem a este tipo de perturbações. Também não se identificou nenhuma associação entre as comunidades de líquenes e a proximidade às estradas, pois estas registam níveis muito baixos de tráfego e consequentemente não são fontes de poluição. Em relação aos escaravelhos coprófagos, foram detetados alguns padrões apesar do suporte estatístico ter sido baixo. Tal poderá ter-se devido à amostragem não ter coincidido com o pico de atividade deste grupo (mais no final da Primavera). Mesmo assim, conseguimos identificar algumas associações de diversos parâmetros do solo, áreas de má qualidade e a humidade da canópia com as comunidades de escaravelhos. Diversos parâmetros do solo e as áreas menos propícias à existência de escaravelhos coprófagos revelaram ser os factores mais importantes para explicar as mudanças nas comunidades deste indicador. É fundamental para a manutenção da biodiversidade, dos bens e serviços do montado que a sua gestão tenha em conta a intensidade do pastoreio. Os resultados mostram, por exemplo, que a partir das 3 cabeças de gado por hectare de pasto, por ano, deixa de ser possível manter os níveis de biodiversidade de líquenes iguais aos de zonas não pastoreadas. É também necessário ter em atenção aos usos de solo e intensidades dos mesmos em zonas adjacentes às áreas de montado, tais como as zonas agrícolas fertilizadas. Assim, zonas agrícolas intensivas devem estar localizadas a pelo menos 1 km de zonas com importância para a conservação. Este estudo pretende assim construir uma ferramenta de gestão capaz de perceber quais os impactos que as múltiplas atividades agrícolas exercem sobre os sistemas de montado.Changes in the type and intensity of land-use are two of the main factors threatening biodiversity worldwide, especially in ecosystems with diverse land uses, like agro-forestry ones. These changes, driven by the need to keep up with the provision of goods and services might be damaging to our ecosystems and at the long-term increase the risk of disrupting the services they provide. Nowadays, two of the most impacting land uses are farming and livestock breeding, due to water and air pollution and consequent eutrophication on soils and water bodies, thereby reducing the health and biodiversity of terrestrial and aquatic ecosystems. In the Mediterranean basin, one of the most iconic agro-forestry systems is the montado area. These areas are agro-silvo-pastoral systems that sustain diverse activities within it such as livestock breeding and cork production. Around it we can also find other agriculture activities, such as cereals and vegetables crops. Traditionally, most activities within the montados are performed with low intensity. As a consequence, these ecosystems were considered to have high interest for conservation, being label as High Nature Value Farmlands. However, when management is more intense, it can impact biodiversity and the services that these ecosystems provide. Climate changes will also add an extra pressure on montado ecosystems, due to changes in precipitation and temperature. Thus, it is vital to improve the management and the practices that occur inside and close to these areas. Our general aim was to build a management tool to understand the impacts of multiple farming activities in High Nature Value montado areas. This was done considering the effects of grazing intensity and its exclusion within the woodlands, and simultaneously the effects of nearby intensive agriculture. The tool was based in the use of lichens and coprophagous beetles as ecological indicators of these impacts, using different biodiversity metrics, in air and soil compartments, respectively. A study was done in Companhia das Lezírias, a state farm with almost 18 thousand hectares, divided in dozens of plots with different land uses intensities, thus creating a gradient of intensity ranging from plots in grazing exclusion (maximum of 19 years excluded) to plots with maximum grazing intensity of 2.82 cattle heads per hectare, per year. We focused on analysing two ecological indicators, epiphytic lichens and coprophagous beetles. Both are sensitive to eutrophication, nutrients availability and changes in vegetation structure, thus being suitable indicators to evaluate possible impacts from the different land uses in montado. All functional groups of epiphytic lichens showed, primarily, an effect of the nitrogen compounds deposition from the fertilizers used in crops surrounding the study area. Those fertilizers end up being dispersed by the wind and deposited inside the montado area, thus impacting lichens biodiversity. Coprophagous beetles’ communities showed to be associated with local soil characteristics, with the amount of surrounding habitats with poor suitability to host beetles and the vegetation moisture. Thus, cattle’s grazing was not a major impact source for the selected ecological indicators. This was likely due to the low intensity grazing. We concluded that lichens are good ecological indicators to access impacts caused by nitrogen compounds from fertilizers inputs in nearby farming activities as they responded well to the impacts caused by the nitrogen deposition. In turn, coprophagous beetles’ communities’ didn´t allow us to determine the impact of any of the farming activities present in the study area. Nonetheless, if further studies take in consideration the soil characteristic of the sampled sites, beetles may reveal to be good ecological indicators of multiple farming activitie

Abordagem de questões sociocientíficas nas aulas de Física : as usinas nucleares em debate

Este trabalho apresenta uma pesquisa realizada com estudantes do terceiro ano do ensino médio de duas escolas públicas. A investigação procurou compreender como a introdução de uma questão e caráter sociocientífico pode contribuir para a formação dos estudantes que experimentaram uma sequência de ensino inspirada no enfoque Ciência-Tecnologia-Sociedade (CTS) para abordagem do tema "Produção de Energia em Usinas Nucleares". Para a realização da pesquisa, foram elaboradas atividades e material didático adequado ao tema. A proposta foi implementada nas escolas e a investigação identificou elementos que indicam a construção de reflexões críticas acerca das controvérsias relacionadas ao tema

Limites e possibilidades para a abordagem de questões sociocientíficas na visão do professor de física da educação básica

Neste trabalho apresentamos uma pesquisa que focalizou as reflexões de dois professores do ensino médio acerca de suas experiências com a introdução de uma questão sociocientífica nas aulas de física em duas escolas da cidade do Rio de Janeiro - Brasil. Foi organizado um grupo de trabalho que desenvolveu uma sequência de ensino e material didático para abordagem do tema “Ligações Elétricas Irregulares”. Os dados de pesquisa foram registrados por meio de gravações em áudio e vídeo das reuniões de trabalho, das ações em sala de aula, e das entrevistas realizadas com os sujeitos. Foram identificadas dificuldades em relação à introdução da proposta nas escolas, que estão associadas à cultura escolar, à impermeabilidade dos currículos e à formação do professor

Soil risk assessment in the surrounding area of Hulene-B waste dump, Maputo (Mozambique)

Soil contamination in areas close to unplanned dumpsites represents an increasing risk to the ecosystems and human health. This study aimed to evaluate soil quality in the area surrounding the Hulene-B waste dump, Maputo, Mozambique, and to estimate potential ecological and human health risks. A total of 71 surface soil samples were collected in the surrounding area of the dump, along with 10 samples in areas considered not impacted by the dump. Chemical and mineralogical analyses were performed using XRF and XRD. Quartz was the most abundant mineral phase, followed by feldspars, carbonates, clay minerals, and Fe oxides/hydroxides. Results showed a significant contribution to ecological degradation by PTE enrichment, ranked as Zn >> Cu > Cr > Zr > Pb > Ni > Mn. Carcinogenic risk for both children and adults was significant due to Pb soil content. Soil sample concentrations of Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn, and Zr, posing a risk especially in children, suggested the need for continuous monitoring, as well as the definition and implementation of mitigation measures.publishe

Soil properties and environmental risk assessment of soils in the surrounding area of Hulene‑B waste dump, Maputo (Mozambique)

Soils in areas surrounding landflls are constantly being enriched by heavy metals contained in the leachates, which can subsequently migrate to groundwater. The present investigation aims to characterize soil properties of 71 soil samples collected in the surroundings of Hulene-B waste dump and to determine the landfll pollution index (Ip). Soils properties studied were texture, pH, electrical conductivity, organic matter, color, and moisture. Results revealed that soils properties in the surroundings of Hulene-B waste dump were signifcantly altered when compared to local background. Ip index classifed these soils with very high pollution, indicating a possible migration of contaminants to subsoil and groundwater, suggesting the need for intervention to mitigate the impact.publishe

Characterization of the dynamics of leachate contamination plumes in the surroundings of the Hulene‐B waste dump in Maputo, Mozambique

The contamination of areas around solid urban waste dumps is a global challenge for the maintenance of environmental quality in large urban centres in developing countries. This study applied a geophysical method (electrical resistivity) to identify leachate contamination plumes in the subsoil and groundwater, as well as to describe their temporal dynamics (2020 and 2021) in the surroundings of the Hulene‐B waste dump, Maputo, Mozambique. Eight 400 m electrical resistivity profiles were performed, four profiles in January 2020 and four profiles in May 2021 overlapped, and the data were inverted with RES2D software. The electrical resistivity models predominantly indicate an E‐W movement of large contamination plumes that are successively diluted with saturated media and groundwater, creating zones of less resistive anomalies (< 4.2–< 8.5 Ω∙m) possibly contaminated at the two analysed seasons, between 2020–2021. The thickness of the contamination plumes was higher in summer (2020) for profiles 1 and 2, and we associate it with the production and migration mechanisms of leachate that are intense in the hot and rainy season. Southwest of the dump, profile 4b showed the propagation of anomalous areas on the surface and at depth, which are associated with the production of leachate resulting from the continuous decomposition of waste that is continuously deposited in a new area southwest of the dump, thus generating a slow and continuous migration of leachate at depth, mainly in winter (2021). The spatial distribution of contamination plumes during both seasons was reduced significantly farther away from the waste deposit, revealing the attenuating effect of groundwater and lithological substrate (Profile 3).publishe

Integration of electrical resistivity and modified DRASTIC model to assess groundwater vulnerability in the surrounding area of Hulene-B waste dump, Maputo, Mozambique

In this study, electrical resistivity was applied in six 400 m profiles around the Hulene-B waste dump (Mozambique). Afterwards, an inversion was performed by RES2Dinv. The use of the electrical resistivity method allowed us to characterize in detail some underlying aspects of the DRASTIC index by identifying anomalous zones considered to be permeable and prone to leachate migration. The modified DRASTIC index revealed high values in areas near contaminated surface groundwater and surface layers of the vadose zone, characterized by low resistivities. Areas with lower index results were characterized by high resistivity on surface layers and high depth at which groundwater was detected. The overall modified DRASTIC index result revealed medium vulnerability. However, high vulnerability index values were detected in areas with higher surface elevation, suggesting groundwater contamination by horizontal dilution of leachates from the surrounding area of the Hulene-B waste dump.publishe

Geophagic materials characterization and potential impact on human health: the case study of Maputo City (Mozambique)

This study aims to characterize and estimate risk assessment associated with geophagic materials consumption in Maputo city (Mozambique). Samples were collected in extraction mines, unprepared and prepared ones, and in Maputo markets. Fractions < 2 mm (total consumed material) and <63 µm were analyzed to determine pH, EC, OM, chemical composition (XRF), and mineral phases present (XRD). The results revealed pH from slightly acidic to slightly alkaline, and electrical conductivity ranging from 13 to 47 µS/cm in mine unprepared and prepared samples, while 264–465 µS/cm in sampled sold in markets. Organic matter content was <2.76%, except in one sample (8.14%), suggesting a potential risk of containing bacteria. Textural analysis revealed that sand-size particles were more representative in all samples (57.2–93.02%). Mineralogical phases identified in the consumed sample were ranked quartz (>60%) > Fe oxides/hidroxides > phyllosilicates (micas and kaolinite) > feldspars, suggesting a risk of dental enamel damage and perforation of the sigmoid colon. The chemical concentration of some elements was higher than recommended daily dose, suggesting a potential risk. However, geophagic materials’ chemical composition does not pose a carcinogenic risk.publishe