capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

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Page 2: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

ii

Diego Rodrigues Macedo

Influências ambientais em múltiplas escalas espaciais sobre assembleias aquáticas no Cerrado

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Conservação e Manejo de Vida Silvestre do Instituto de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Ecologia, Conservação e Manejo de Vida Silvestre.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Callisto (UFMG) Co-orientador: Prof. Dr. Robert Mason Hughes (OSU)

Agosto de 2013

Page 3: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

iii

Folha de Aprovação

Page 4: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

iv

Instituições

Financiamento

Apoio

Page 5: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

v

Dedico esta Tese às mulheres da minha vida: Ana Neta, Irisnéia e Maria Eduarda.

Page 6: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

vi

AGRADECIMENTOS

Ao fim destes quatro anos tenho que agradecer a vários colegas e amigos,

pois sem o seu apoio esta tese nunca seria concluída.

Em primeiro lugar, tenho que agradecer ao meu orientador, professor

Marcos Callisto por ter me convidado a participar deste grande projeto de

pesquisa. Apesar de minha formação na Geografia (ou talvez por causa da minha

formação...) ele me inseriu na Ecologia, o que me fez crescer como pesquisador,

ampliando os meus horizontes. Uma tese é uma relação de confiança mutua, e

nestes quatros anos sempre tivemos uma relação respeitosa e tranquila. Posso

afirmar que o Marcos soube orientar o Diego, e o Diego soube ser orientado pelo

Marcos.

Tenho também que agradecer a todos os meus colegas e amigos de

laboratório, com os quais aprendi muito sobre fundamentos em Ecologia e

Macroinvertebrados Bentônicos. Os meus colegas que estão comigo desde o

início desta caminhada (e até mesmo muito antes do doutorado!!!) merecem um

obrigado especial: Wander, Juju, Taynan, Rapha, Aninha, Deborah, Kele, Diegão.

Meu co-orientador, o professor da Oregon State University Bob Hughes,

apesar da atual distância, foi uma das pessoas mais importantes na construção

desta tese. Eu aprendi e continuo aprendendo muito com ele, pois além de ser um

grande pesquisador, é um Great Guy!!!

Às esquipes parceiras da UFLA, PUC-Minas e CEFET, que participaram

deste projeto de pesquisa. Estes quatro anos de coletas, viagens, congressos

foram essenciais neste trabalho. Especial agradecimento aos professores Paulo

Pompeu e Gilmar Santos, e as “meninas” Ciça, Bárbara, Nara e Miriam.

Dentro deste projeto devo destacar e agradecer a colaboração do Carlos

Bernardo (Cacá) e do Phil Kaufmann. O Cacá inclusive já ganhou o seu Oscar de

Best Manager, pois realmente seu apoio foi fundamental, começando pelo Black

Label em Nova Ponte, passando pelo Stopover em Los Angeles e Miami e sem

esquecer das tardes de risadas no Nuvelhas. O Phil também foi fundamental,

Page 7: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

vii

principalmente pelo apoio científico e suas explicações que começavam no Big-

Bang...

Quero também agradecer aos colegas americanos da United States

Environmental Protection Agency que nos auxiliaram nesta pesquisa: Tony Olsen,

Phil Larsen, Curt Seeliger e Mark Webber.

Ao apoio financeiro da Cemig, através do Programa Peixe-Vivo, e também

à Fundep, em especial à Renata Ferreira, que geriu muito bem a nossa “grana”.

Ao Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, principalmente aos meus

superiores Maria Antônia, Luiz Otávio e Fabiana Fábrega, pois sempre me deram

apoio, autorizando horários especiais, viagens e a cursar as disciplinas do PG-

ECMVS.

Ao Programa de Pós Graduação em Ecologia, Conservação e Manejo de

Vida Silvestre, aos professores que ministraram disciplinas, em especial aos

secretários Fred e Cris, que prontamente sempre me antederam.

Page 8: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

viii

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 1

Objetivos ............................................................................................................................................. 4

Objetivo Geral ............................................................................................................................ 4

Objetivos Específicos .................................................................................................................. 4

Justificativa ......................................................................................................................................... 4

Organização da Tese, Perguntas e Hipóteses .................................................................................. 5

Bases Conceituais .............................................................................................................................. 7

Ecologia da Paisagem e Escalas Espaciais .................................................................................. 7

Paisagem, Pressões Antrópicas e Habitats Físicos ................................................................... 10

Diversidade de Assembleias Biológicas e Biomonitoramento ................................................. 12

Rede de Amostragem Espacialmente Balanceada no Diagnóstico Ambiental de Bacias

Hidrográficas ............................................................................................................................ 14

Materiais e Métodos ......................................................................................................................... 14

Desenho Amostral ............................................................................................................................ 14

Reconhecimento e definição dos pontos de coleta.......................................................................... 20

Definição do trecho de amostragem ................................................................................................ 21

Avaliação de Habitats Físicos .......................................................................................................... 22

Dimensões do Canal ................................................................................................................. 22

Gradiente Longitudinal e Sinuosidade ..................................................................................... 25

Substrato .................................................................................................................................. 26

Abrigos para assembleias aquáticas ........................................................................................ 27

Densidade do dossel ................................................................................................................ 28

Condições da vegetação ripária e alterações antropogênicas ................................................. 29

Tipos de fluxos .......................................................................................................................... 31

Mensuração de parâmetros físicos e químicos na coluna d’água ................................................... 31

Coleta de Macroinvertebrados Bentônicos ...................................................................................... 32

Coleta de Peixes .............................................................................................................................. 33

Levantamento de Aspectos Geodinâmicos ...................................................................................... 34

Levantamento de Pressões Antrópicas ........................................................................................... 37

Mapeamento do uso e ocupação do solo ................................................................................ 37

Page 9: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

ix

Fisionomias Mapeadas ............................................................................................................. 38

Savana Florestada .................................................................................................................... 38

Savana Gramíneo-Lenhosa ....................................................................................................... 38

Savana Parque .......................................................................................................................... 39

Áreas úmidas ............................................................................................................................ 39

Áreas antrópicas ....................................................................................................................... 40

Outras influencias antrópicas ................................................................................................... 40

Referências Bibliográficas ................................................................................................................ 40

CAPÍTULO 1. USO DE PARÂMETROS BIOLÓGICOS E DE HABIT ATS

FÍSICOS PARA A AVALIAÇÃO AMBIENTAL DE BACIAS NO DO

SUDESTE DO BRASIL ................................. ................................................. 51

1. Introdução ..................................................................................................................................... 51

2. Material e Métodos ....................................................................................................................... 52

3. Definição da Rede de Coleta ....................................................................................................... 53

4. Avaliação do uso do solo nas áreas de entorno .......................................................................... 54

5. Metodologias de amostragem em campo .................................................................................... 55

6. Resultados Preliminares .............................................................................................................. 57

7. Potencialidades da ferramenta IBI para conservação da biodiversidade em rios e reservatórios

no Cerrado mineiro ........................................................................................................................... 58

Agradecimentos................................................................................................................................ 58

CAPÍTULO 2. DESENHO AMOSTRAL ESPACIALMENTE BALANCEA DO

NA AVALIAÇÃO AMBIENTAL DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA NO

CERRADO MINEIRO ...................................................................................... 59

Resumo ............................................................................................................................................ 59

1. Introdução ..................................................................................................................................... 59

2. Material e Métodos ....................................................................................................................... 60

3. Resultados e Discussão ............................................................................................................... 62

4. Conclusões ................................................................................................................................... 65

Agradecimentos................................................................................................................................ 65

Referências ...................................................................................................................................... 65

Page 10: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

x

CAPÍTULO 3. THE RELATIVE INFLUENCE OF CATCHMENT AND SITE

VARIABLES ON FISH AND MACROINVERTEBRATE RICHNESS IN

CERRADO BIOME STREAMS ............................ .......................................... 68

Abstract ............................................................................................................................................ 68

1. Introduction ................................................................................................................................... 69

2. Methods ........................................................................................................................................ 71

2.1. Study Areas ........................................................................................................................ 71

2.2. Site Selection ..................................................................................................................... 72

2.3. Natural Landscape Variables ............................................................................................. 73

2.4. Land Use and Cover Variables ........................................................................................... 73

2.5. Site Habitat Variables ........................................................................................................ 74

2.6. Benthic Macroinvertebrate Sampling ............................................................................... 75

2.7. Fish Sampling ..................................................................................................................... 76

2.8. Data Analyses .................................................................................................................... 76

3. Results .......................................................................................................................................... 77

3.1. Relationships between Environmental Variables and Assemblage Richness ................... 81

3.2. Multiple Linear Regression (MLR) Models ........................................................................ 82

3.3. Partial Linear Regression Models ...................................................................................... 84

4. Discussion .................................................................................................................................... 87

4.1. Relationships between natural landscape variables and assemblage richness ................ 88

4.2. Relationships between land use and cover and assemblage richness .............................. 89

4.3. Relationships between site habitat and assemblage richness .......................................... 89

4.4. Relative influence of natural landscape, land use and cover, and site habitat models .... 91

5. Conclusions .................................................................................................................................. 93

Acknowledgements .......................................................................................................................... 93

Appendix A. Supplementary table .................................................................................................... 94

References ....................................................................................................................................... 94

CAPÍTULO 4. DEVELOPMENT OF A BENTHIC MACROINVERTEBR ATE

MULTIMETRIC INDEX FOR CERRADO HEADWATER STREAMS .. ........ 103

Abstract .......................................................................................................................................... 103

Highlights ........................................................................................................................................ 103

1. Introduction ................................................................................................................................. 104

Page 11: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

xi

2. Material and Methods ................................................................................................................. 106

2.1. Study Area ....................................................................................................................... 106

2.2. Site selection ................................................................................................................... 107

2.3. Data collection ................................................................................................................. 107

2.3.1. Local-scale anthropogenic stressors ............................................................................ 107

2.3.2. Catchment scale anthropogenic stressors ................................................................... 108

2.3.3. Identifying least- and most-disturbed sites ................................................................. 109

2.3.4. Benthic macroinvertebrate assessment ...................................................................... 109

2.4. MMI development .......................................................................................................... 110

2.4.1. Initial Biological Metrics ............................................................................................... 110

2.4.2. Metric screening ........................................................................................................... 111

2.4.3. Final MMI calculation ................................................................................................... 111

2.4.4. Final MMI choice .......................................................................................................... 112

2.5. MMI Performance ........................................................................................................... 112

3. Results ........................................................................................................................................ 113

3.1. Anthropogenic stressor variables .................................................................................... 113

3.2. Reference condition sites ................................................................................................ 114

3.3. MMI development .......................................................................................................... 115

3.4. MMI Performance ........................................................................................................... 117

4. Discussion .................................................................................................................................. 120

4.1. MMI Effectiveness ........................................................................................................... 120

4.2. MMI Biological Components ........................................................................................... 121

4.3. Influences of Site and Catchment Scales on MMI ........................................................... 123

4.4. Management Alternatives ............................................................................................... 125

Acknowledgements ........................................................................................................................ 126

Appendix A. Supplementary table .................................................................................................. 126

References ..................................................................................................................................... 126

CAPÍTULO 5. DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE INDICE D E

VULNERABILIDADE AMBIENTAL (IVA) PARA BACIAS DE

RESERVATORIOS HIDRELÉTRICOS NO CERRADO ............ ................... 135

Resumo .......................................................................................................................................... 135

1. Introdução ................................................................................................................................... 136

2. Materiais e Métodos ................................................................................................................... 140

Page 12: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

xii

2.1. Área de estudo ................................................................................................................ 140

2.2. Índice de Vulnerabilidade Ambiental (IVA) ..................................................................... 141

2.2.1. Aquisição dos dados de paisagem natural ................................................................... 141

2.2.2. Aquisição dos dados de pressões antrópicas ............................................................... 141

2.2.3. Desenvolvimento do Índice de Vulnerabilidade Ambiental ......................................... 142

2.2.3.1. Padronização ............................................................................................................. 142

2.2.3.2. Construção dos pesos para cada fator ...................................................................... 143

2.2.3.3. Consistência da matriz de julgamento ...................................................................... 144

2.2.3.4. Cálculo do Índice de Vulnerabilidade Ambiental (IVA) ............................................. 145

2.2.4. Teste de eficiência do IVA ............................................................................................ 145

2.2.4.1. Métricas de substrato ............................................................................................... 145

2.2.4.2. IVA x Métricas de substrato ...................................................................................... 146

2.2.5 Expansão do IVA ............................................................................................................ 146

3. Resultados.................................................................................................................................. 147

3.1. Levantamento dos fatores ambientais e métricas de substrato..................................... 147

3.2. Correlação entre o IVA e as métricas de substrato ......................................................... 149

3.3. Expansão do IVA para toda a área de estudo ................................................................. 149

4. Discussão ................................................................................................................................... 151

4.1. Abordagem metodológica ............................................................................................... 151

4.2. Degradação ambiental e potencial perda de serviços ecossistêmicos ........................... 153

4.3. Manejo e gerenciamento ambiental em bacias de reservatórios hidrelétricos ............. 154

Agradecimentos.............................................................................................................................. 155

Referencias .................................................................................................................................... 155

CONCLUSÕES .................................................................................................. 161

PERSPECTIVAS FUTURAS .............................. ................................................ 163

ANEXO: PROTOCOLO DE AVALIAÇÃO DE HABITATS FÍSICOS

FLUVIAIS .......................................... ............................................................ 164

Page 13: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

xiii

RESUMO

A análise dos aspectos geodinâmicos, pressões antrópicas e habitats

físicos auxilia no entendimento de assembleias aquáticas e a desenvolver

estratégias para a gestão de recursos hídricos. O objetivo desta tese foi avaliar as

influencias de múltiplas escalas ambientais sobre as assembleias de

macroinvertebrados bentônicos e peixes em duas bacias hidrográficas de

empreendimentos hidrelétricos no Cerrado: Nova Ponte (bacia do alto rio

Araguari) e Três Marias (bacia do alto rio São Francisco). Os procedimentos

metodológicos foram baseados na experiência da Agencia de Proteção Ambiental

dos Estados Unidos (US-EPA) e contemplaram: (1) utilização de desenho

amostral espacialmente balanceado; (2) rigorosa avaliação dos habitats físicos

fluviais através de protocolos de campo; (3) amostragem biológica através de

esforço amostral estatisticamente satisfatório; (4) avaliação ecológica agregada

através de análises de dados ambientais em múltiplas escalas. Os resultados

desta tese mostraram que os fatores geodinâmicos, pressões antrópicas e

estruturação de habitats físicos influenciam a riqueza de macroinvertebrados

bentônicos e peixes e que um gradiente de pressões antrópicas é acompanhado

por um gradiente de integridade biótica nas assembleias de macroinvertebrados

bentônicos. Também foi observado que a avaliação dos fatores geodinâmicos e

pressões antrópicas influenciam a dinâmica de sedimentos. Por ser uma

abordagem simples, de baixo custo e de rápida execução em campo, a resposta

da metodologia empregada pode ser utilizada como suporte para tomadores de

decisões em projetos de reabilitação e restauração de habitats em bacias

impactadas por empreendimentos hidrelétricos.

Palavras-chave: Ecologia da Paisagem, Bioindicadores, Sistemas Informativos Geográficos, Gerenciamento de Recursos Hídricos.

Page 14: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

xiv

ABSTRACT

Data analyses of geodynamic aspects, anthropogenic pressures and

physical habitats help to understand aquatic assemblage patterns and to develop

strategies for water resources management. The aim of this thesis was to evaluate

environmental influences on benthic macroinvertebrates and fish assemblages at

multiple spatial scales in two watersheds in the Cerrado Biome: one located above

the hydropower reservoir of Nova Ponte (Upper Araguari river basin) and the other

located above the hydropower reservoir of Três Marias (Upper São Francisco river

basin). The methodological procedures were based on the protocols developed by

the United States Environmental Protection Agency (US-EPA) and included: (1)

spatially balanced sampling design survey, (2) stream physical habitat

assessments, (3) biological assessments, (4) ecological assessment through

aggregate analysis of environmental data at multiple scales. We showed through

our results that the geodynamic factors, anthropogenic pressures and physical

habitat structure influence both benthic macroinvertebrates and fish assemblages.

Moreover, an anthropogenic stressor gradient influences the biotic integrity of

benthic macroinvertebrate assemblages. It was also noted that the assessment of

geodynamic factors and anthropogenic pressures influence sediment dynamics.

Because it is an approach of relatively low cost, simple understanding and rapid

implementation in the field, the applied methodology can be used as a support for

decision makers in rehabilitation projects and habitat restoration in watersheds

impacted by hydroelectric projects.

Keywords: Landscape Ecology, Bioindicators, Geographical Information System, Water Resources Management .

Page 15: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

1

INTRODUÇÃO

Ecossistemas aquáticos continentais são os ambientes mais ameaçados

do mundo (Dudgeon et al., 2006) com taxas de extinção superiores aos

ambientes terrestres (Sala et al., 2000). Sofrem diretamente o impacto de

atividades humanas com maior intensidade em relação aos ambientes

terrestres, pois toda a influência das atividades antrópicas irão afetar o fluxo de

matéria e de energia, e impactar diretamente os corpos d’água (Karr, 1998).

Estudos sobre a qualidade dos ambientes fluviais vêm, cada vez mais,

atribuindo maior importância à inter-relação de fatores ambientais como clima,

geologia, hidrologia, geomorfologia, qualidade da água e diversidade de

hábitats físicos, integrados à investigação da estrutura e composição de

assembleias biológicas (Maddock, 1999; Allan, 2004). O entendimento de que

os padrões ambientais em várias escalas de análise dentro de uma bacia

hidrográfica afetam diretamente a estrutura das comunidades biológicas

(Hynes, 1975; Vannote et al., 1980) é recorrente em estudos sobre a

integridade de ambientes fluviais, nas últimas décadas (Lammert & Allan, 1999;

Sponseller et al., 2001; Allan, 2004). Entretanto, como estas interações sofrem

influências nas escalas regionais, bacia hidrográfica, zona ripária, trecho e

microhabitat, os resultados das interações entre ambiente e a biota aquática

são diversos (Allan, 2004).

A água é um importante insumo econômico, não apenas em termos de

custo-benefício de sua exploração, mas também como um bem de valor não

mensurável, impulsionando desenvolvimento e bem-estar das pessoas (MEA,

2005). Historicamente a sociedade humana se beneficiou dos cursos d’água,

transformando-os segundo a suas necessidades, para os usos de irrigação,

geração de energia, abastecimento de água, recreação, pesca, etc. (Karr,

1999; Baron et al., 2002). Um dos principais usos prestados deste recurso é a

geração de energia em usinas hidroelétricas que necessitam de lagos artificiais

para a estocagem da água. Enquanto que cerca de 16% da matriz energética

do mundo é hidrelétrica, no Brasil este percentual é de cerca de 70% (von

Page 16: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

2

Sperling, 2012), ressaltando a importância do estudo e conservação de bacias

hidrográficas de empreendimentos hidrelétricos.

Este estudo foi desenvolvido em wadeable streams, riachos de 1ª-3ª

ordem em duas bacias hidrográficas localizadas no bioma Cerrado: alto curso

do rio Araguari (figura 1-a) e alto curso do rio São Francisco (figura 1-b). Os

trechos estudados foram demarcados a montante de reservatórios hidrelétricos

(Nova Ponte e Três Marias, respectivamente).

Figura 1. Localização dos locais amostradas na bacia do alto rio Araguari (A) e do alto rio São Francisco (B).

A bacia do rio Araguari integra a bacia do rio Paraná e abrange uma

área de aproximadamente 21.800 Km². O rio Araguari nasce no Parque

Nacional da Serra da Canastra, no estado de Minas Gerais e após percorrer

475 km, deságua no rio Paranaíba e este, juntamente com o rio Grande,

formam o rio Paraná (CETEC, 1983). A bacia do rio Araguari localiza-se no

Triangulo Mineiro, e seu alto curso compreende a confluência entre os rios

Araguari e Quebra-Anzol. As altitudes nesta região variam entre 800 e 1300

metros, e sua sazonalidade é bem definida: estação seca entre maio e

Page 17: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

3

setembro (15-55 mm) e chuvosa entre outubro e abril (100-300 mm) com o total

pluviométrico anual em torno de 1570 mm (Brazil, 1992).

A bacia do rio São Francisco é a maior bacia hidrográfica que drena

exclusivamente terras brasileiras, cobrindo cerca de 631.100 km2, ou 7,4 % do

território nacional. Suas cabeceiras também localizam-se no Parque Nacional

da Serra da Canastra e, após 2700 km, deságuam no oceano atlântico

(CETEC, 1983). Esta bacia é usualmente dividida em quatro seções: alto,

central, sub-central e baixo. O alto curso da bacia do rio São Francisco localiza-

se na região central do estado de Minas Gerais, entre suas cabeceiras e o

município de Pirapora, após a represa de Três Marias (CETEC, 1983). Suas

altitudes variam entre 520 e 1300 metros, com duas estações bem definidas:

estação seca entre maio e setembro (10-40 mm) e chuvosa entre outubro e

abril (100-270 mm) com o total pluviométrico anual em torno de 1250 mm

(Brazil, 1992).

Os biomas caracterizados como savanas estão distribuídos pelas zonas

tropicais ao redor do mundo (IBGE, 1991), sendo que na América do Sul o

Cerrado é o maior bioma de savana, e o segundo maior bioma brasileiro

(menor apenas que a Amazônia) e representa cerca de 23% do território

(Ratter et al., 1997). Este bioma é considerado um dos hotspots mundiais de

biodiversidade (Myers et al., 2000) e um dos mais ameaçados do mundo,

principalmente devido à substituição da vegetação natural por pastagens para

criação de gado e grandes projetos agrícolas (Diniz-Filho et al., 2008). Além

disso, no Cerrado estão localizadas as cabeceiras de três das principais bacias

hidrográficas continentais: Paraná, Tocantins e São Francisco e, sob este, se

estende grande parte do aquífero Guarani, a segunda maior reserva de água

doce subterrânea do mundo (Araujo et al., 2002).

Page 18: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

4

Objetivos

Objetivo Geral

Avaliar a influência dos fatores ambientais em múltiplas escalas

espaciais na diversidade de assembleias aquáticas em bacias hidrográficas de

empreendimentos hidrelétricos localizadas no Cerrado.

Objetivos Específicos

• Identificar e quantificar a influência de fatores ambientais sobre a

riqueza de macroinvertebrados bentônicos e peixes em bacias

hidrográficas no Cerrado;

• Criar um índice multimétrico a partir das assembleias de

macroinvertebrados bentônicos (MMI) capaz de diagnosticar a

integridade biótica em bacias hidrográficas no Cerrado;

• Criar um índice de vulnerabilidade ambiental (IVA) para auxiliar no

gerenciamento ambiental de bacias de reservatórios hidrelétricos no

Cerrado.

Justificativa

A moderna gestão dos recursos hídricos requer uma abordagem

sistêmica que considere os aspectos físicos, sociais e econômicos da área de

interesse. A integração destes aspectos é possível utilizando a bacia

hidrográfica como unidade de análise e gerenciamento dos recursos hídricos,

pois permite a análise de causa-efeito (pressões-impactos) sobre os cursos

d’água (Magalhães Jr, 2007). Nesta perspectiva, e considerando a necessidade

de prover a sustentabilidade ecológica a partir dos recursos hídricos, devem-se

considerar as necessidades demandadas pelas assembleias biológicas, por um

lado, e pelas atividades humanas por outro. Assim é possível identificar as

Page 19: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

5

incompatibilidades entre estes usos e propor ações na direção de encontrar

melhores soluções para a gestão racional dos recursos hídricos (Richter et al.,

2003).

O desenvolvimento e utilização de ferramentas adequadas para

caracterização, diagnóstico, monitoramento, detecção de impactos e

restauração de ambientes aquáticos permite estabelecer programas

adequados de conservação da biodiversidade (Hughes & Peck, 2008). Desta

forma, ambientes de diversos biomas, como o Cerrado, foco do presente

estudo, poderão se beneficiar de ações e políticas publicas para a sua

conservação.

Apesar dos padrões espaciais das assembleias aquáticas serem bem

estudados ao redor do mundo (p.ex. Vinson & Hawkins, 1998; Beauchard et al.,

2003; Clarke et al., 2008; Oberdorff et al., 2011), são ainda pouco estudados no

Cerrado, pois neste bioma, as pesquisa tem sido focadas em anfíbios (Diniz-

Filho et al., 2005), pássaros (Rangel et al., 2006; Blamires et al., 2008; Melo et

al., 2009) e mamíferos (Rangel et al., 2006; Melo et al., 2009), havendo ainda

uma lacuna a ser preenchida no estudo de assembleias aquáticas. Além disso,

o Cerrado é o bioma no qual atualmente se localiza a principal matriz

hidroenergética do Brasil (Brasil, 2008), e esta atividade exerce grande pressão

sobre os recursos naturais (von Sperling, 2012).

Organização da Tese, Perguntas e Hipóteses

A Tese está organizada em cinco capítulos estruturados no formato de

manuscritos científicos. Os capítulos 1 e 2, ambos já publicados, são de

divulgação científica. O capítulo 1 intitulado “Uso de parâmetros biológicos e de

habitats físicos para a avaliação ambiental de bacias no do sudeste do Brasil”

foi publicado na revista Ação Ambiental e o capítulo 2 “Desenho amostral

espacialmente balanceado na avaliação ambiental de uma bacia hidrográfica

no Cerrado Mineiro” foi apresentado e publicado nos anais do VI Simpósio

Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto.

Page 20: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

6

O capítulo 3 intitulado “The Relative Influence of Catchment and Site

Variables on Fish and Macroinvertebrate Richness in Cerrado Biome Streams”

está em revisão na revista Landscape Ecology. Este capítulo foi elaborado para

responder às seguintes perguntas:

• As características da paisagem natural, pressões antrópicas e

habitats físicos influenciam a riqueza de macroinvertebrados

bentônicos e peixes?

• Que escala espacial é capaz de melhor explicar a riqueza de

macroinvertebrados bentônicos e peixes?

A resposta para estas perguntas foram suportadas através da

formulação de duas hipóteses:

• A variabilidade da paisagem natural, pressões antrópicas e

habitats físicos é capaz de influenciar a riqueza de

macroinvertebrados bentônicos e peixes;

• A variabilidade da paisagem natural contribui para explicar a

maior riqueza de macroinvertebrados bentônicos e peixes;

O capítulo 4 cujo título é “Development of a Benthic Macroinvertebrate

Multimetric Index for Cerrado Headwater Streams” será submetido à revista

Ecological Indicators e se propõe a responder a pergunta:

• Um gradiente de pressões antrópicas determinará um gradiente

na integridade biótica?

Para esta pergunta foram formuladas duas hipóteses:

• Um gradiente de pressão antrópica influencia a riqueza,

composição, tolerância e comportamento das assembleias de

macroinvertebrados bentônicos e esses atributos podem ser

integrados em um índice que reflita o estado geral de uma bacia

hidrográfica;

Page 21: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

7

• Pequenas bacias hidrográficas são mais susceptíveis a eventos

estocásticos, o que interfere na relação entre um gradiente de

pressões antrópicas e integridade biótica.

Por fim, o capítulo 5 com o título em português “Desenvolvimento e

validação de Índice de Vulnerabilidade Ambiental – IVA – para bacias de

reservatórios no Cerrado” será futuramente submetido à revista Ambio e

pretende responder a pergunta:

• Através da análise conjunta entre aspectos geodinâmicos e

pressões antrópicas, é possível perceber o impacto na dinâmica

de sedimento nos cursos d’agua e mapear as áreas de maior

risco em relação ao assoreamento de reservatórios?

Esta pergunta foi suportada pela seguinte hipótese:

• Os aspectos geodinâmicos proporcionam predisposição aos

processos erosivos, e estes podem ser potencializados ou

atenuados pela dinâmica de uso e ocupação do solo em uma

bacia hidrográfica.

Bases Conceituais

Ecologia da Paisagem e Escalas Espaciais

A Ecologia da Paisagem essencialmente combina a abordagem espacial

da geografia com a abordagem funcional da ecologia (Forman & Godron,

1986). Assim, a Ecologia da Paisagem enfatiza as interações entre padrões

espaciais e processos ecológicos que são influenciados pela heterogeneidade

espacial em múltiplas escalas (Turner et al., 2001). O termo Ecologia da

Paisagem nasceu em 1939 proposto pelo biogeógrafo Carl Troll, decorrente da

forte influência dos estudos geográficos e fitográficos na Europa no século 20,

e impulsionado pelas possibilidades oferecidas pelas fotografias aéreas.

Porém, apenas a partir da década de 1980 é que há o fortalecimento dos

estudos sobre a Ecologia da Paisagem, devido à necessidade de estudos

Page 22: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

8

ambientais em ampla escala, no desenvolvimento de conceitos ecológicos

focados nas escalas espaciais e temporais e ao crescente desenvolvimento

das geotecnologias (Turner et al., 2001).

Atualmente, vários estudos utilizam a abordagem da Ecologia da

Paisagem para avaliar padrões espaciais da paisagem e disponibilidade de

recursos às assembleias biológicas (O’Neill et al., 1988), padrões espaciais em

múltiplas escalas hierárquicas e diversidade biológica (Cushman & McGarigal,

2002; Marzin et al., 2012b), contexto espacial na distribuição da biodiversidade

(Melo et al., 2009; Ashcroft et al., 2012), fragmentação e padrões de vegetação

e diversidade biológica (Metzger, 2000; McGarigal & Cushman, 2002; Zimbres

et al., 2012) e no planejamento ambiental (Herrmann et al., 2011). Em outras

palavras, a Ecologia da Paisagem oferece conceitos, teorias e métodos que

revelam a importância dos padrões espaciais na dinâmica e interações

biológicas e dos ecossistemas (Turner et al., 2001).

Os ecossistemas aquáticos continentais são os ambientes mais

ameaçados do planeta (Dudgeon et al., 2006), com taxas de extinção de

espécies superiores aos ambientes terrestres (Sala et al., 2000). Sofrem

diretamente com o impacto de atividades antrópicas com maior intensidade aos

ambientes terrestres, pois toda influência das atividades antrópicas afeta os

fluxos de matéria e de energia, impactando diretamente os corpos d’água (Karr,

1998). Neste sentido, as interações entre os ecossistemas terrestres e

aquáticos são dos campos mais estudados na Ecologia da Paisagem (Turner et

al., 2001).

Desde a década de 1960 os geomorfólogos vêm trabalhando com a

qualidade dos ambientes fluviais em termos estritamente físicos e hidrológicos

(Strahler, 1957; Leopold et al., 1964; Schumm, 1977). Porém, nas últimas duas

décadas, estudos sobre a qualidade dos ambientes fluviais vêm atribuindo

maior importância à inter-relação de fatores ambientais como clima, geologia,

hidrologia, geomorfologia, uso do solo, qualidade da água e diversidade de

habitats físicos, integrados à investigação da estrutura e composição de

assembleias biológicas residentes (Maddock, 1999; Allan, 2004). Mais além, é

necessário o entendimento de como padrões espaciais e hierárquicos destes

Page 23: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

9

elementos em várias escalas de análises dentro de uma bacia hidrográfica

afetam diretamente a estrutura das comunidades biológicas (Hynes, 1975;

Vannote et al., 1980; Tonn, 1990). Contudo, como estas interações sofrem

influências em múltiplas escalas espaciais (Frissell et al., 1986), como por

exemplo, bioma, ecorregião, bacia hidrográfica, zona ripária, trecho e micro-

habitat, deve-se considerar que os efeitos de covariância podem dificultar o

entendimento das interações entre estas escalas e as assembleias aquáticas

(Allan, 2004).

Partindo da escala regional, deve-se entender como os fatores

geodinâmicos (clima, geologia e relevo) influenciam os processos geomórficos,

pois estes atuarão em pequenas escalas na estruturação dos habitats físicos

para as assembleias aquáticas residentes (Frissell et al., 1986; Tonn, 1990;

Allan, 2004). Adicionalmente, estes fatores geodinâmicos influenciam o uso e

ocupação do solo e os múltiplos usos da água (Whittier et al., 2006; Steel et al.,

2010). Além dos fatores geodinâmicos, o uso do solo em uma bacia

hidrográfica relaciona-se com a estrutura das zonas ripárias e influencia a

estruturação do substrato e, nesse caso, afeta diretamente a disponibilidade de

habitats físicos para as assembleias aquáticas (Richards et al., 1996; Wang et

al., 1997; Allan, 2004). Portanto, a organização hierárquica de vários fatores

ambientais e escalas espaciais influenciam as características das assembleias

aquáticas (Teoria da Hierarquia; O’Neill et al., 1989; Figura 2).

Page 24: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

10

Figura 2. Organização hierárquica e interações interescalares dos elementos da paisagem. A seta indica a influência de cada fator ambiental sobre o nível hierárquico inferior.

Paisagem, Pressões Antrópicas e Habitats Físicos

As abordagens em escala regional e de bacia podem ajudar a

desenvolver alternativas mais variadas e sustentáveis para a gestão ambiental,

principalmente em relação à degradação devido às atividades antrópicas

(Omernik et al., 2011). Dessa maneira, os estudos sobre as inter-relações entre

paisagem e integridade biótica consideram fatores regionais como geologia,

solo, clima e vegetação (Johnson et al., 2003; Kaufmann & Hughes, 2006).

Para avaliar a integridade biótica de ecossistemas aquáticos, alguns

estudos relacionam o tipo de uso ou cobertura natural às características das

assembleias, como por exemplo riqueza taxonômica (Wang et al., 2001),

riqueza de grupos Ephemeroptera-Plecoptera-Trichoptera (Lammert & Allan,

Page 25: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

11

1999; Herringshaw et al., 2011; Ligeiro et al., 2013) ou diversidade de Shannon

(Wang et al., 2001; Herringshaw et al., 2011). Outros estudos propõem

relacionar o distúrbio antrópico a índices multimétricos construídos a partir de

indicadores biológicos, pois estes integram as respostas de vários

componentes das assembleias residentes (p.ex. riqueza, composição, grupos

tróficos, dominância, etc.) em uma resposta simples, porém acurada (Karr,

1981, 1998; Hughes et al., 1998). Entretanto, os resultados encontrados são

controversos pois, enquanto alguns estudos apontam correlação positiva de

áreas com florestas nativas (Sponseller et al., 2001; Shandas & Alberti, 2009) e

de pastagem (Pinto et al., 2006) sobre a integridade biótica, outros destacam

correlação negativa entre as áreas agrícolas (Wang et al., 1997; Hrodey et al.,

2009) e urbanas (Morley & Karr, 2002).

Os habitats físicos, mesmo sendo estruturados a partir dos aspectos

geodinâmicos e pressões antrópicas, são considerados como os principais

fatores que influenciam a estrutura e composição de assembleias aquáticas

(Hynes, 1975; Vannote et al., 1980; Frissell et al., 1986; Allan, 2004). Em um

sentido mais amplo, os habitats físicos são todo tipo de atributo que influencia

ou provê a sustentabilidade aos organismos dentro de um corpo d’água

(Kaufmann et al., 1999). Estes autores também consideram um termo

operacional utilizado por ecólogos de riachos e refere-se aos atributos

estruturais, geralmente excluindo-se os parâmetros físicos e químicos da

coluna d’água. Assim, os habitats físicos são determinados pelas interações

das características estruturais do canal fluvial e do regime hidrológico,

principalmente sobre as características do substrato ou da cobertura ripária

(Maddock, 1999; Clifford et al., 2006). Entretanto, macrófitas aquáticas, algas

filamentosas, troncos e raízes também são avaliados (Kaufmann et al., 1999).

O estudo dos habitats físicos tem vários propósitos: monitorar a

integridade biogeofísica de riachos, em programas de restauração de cursos

d’água e estudos de vazão ecológica (Thomson et al., 2001). Também podem

ser utilizados em levantamentos geomorfológicos, principalmente os

relacionados a estudos sobre a dinâmica de sedimentos (Kaufmann et al.,

2008, 2009).

Page 26: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

12

Devido aos habitats físicos estruturarem-se a partir de fatores ambientais

através de múltiplas escalas, é difícil entender a importância de vários níveis

sobre as assembleias aquáticas (Frissell et al., 1986; Allan, 2004). Todavia,

novas possibilidades analíticas foram criadas através da crescente

disponibilidade de mapas digitais, variáveis de paisagem (p.ex. mapas

geológicos e climáticos) e o aumento do processamento dos programas

estatísticos. Desta maneira, várias combinações destas variáveis vêm sendo

utilizadas para explicar padrões biológicos, como riqueza, abundancia e

diversidade a partir de múltiplas escalas espaciais, biomas e ecorregiões

(Wang et al. 2006; Sály et al. 2011; Marzin et al. 2012b).

Diversidade de Assembleias Biológicas e Biomonitoramento

A riqueza é a medida mais comum de diversidade e identificar os

padrões de riqueza e pressões em várias escalas espaciais é essencial para

reduzir a perda de biodiversidade, pois pode-se utilizá-la como indicador de

resistência e resiliência aos distúrbios, simplificação de hábitats e associá-la à

integridade biótica (Hughes & Noss, 1992; Vinson & Hawkins, 1998). Apesar de

fácil mensuração e por trazer uma resposta simples e de fácil compreensão, a

riqueza é uma mensuração susceptível tanto ao método quanto ao esforço de

amostragem, além de possuir um baixo controle sobres aspectos sazonais e

temporais (Melo, 2008). Assim, há outras alternativas para a mensuração da

diversidade (Magurran, 2004) como a padronização da riqueza pela quantidade

de indivíduos (p.ex. Índice de Margalef) ou índices de diversidade que

consideram a abundância relativa de cada espécie na amostra (p.ex. Índice de

Shannon ou Simpson). Além destes, em estudos de conservação, pode-se

incorporar índices baseados em atributos tróficos ou funcionais (Ricotta, 2005).

As várias mensurações de diversidade podem ser utilizadas para aferir a

integridade biótica através de índices multimétricos, principalmente com o

objetivo de avaliar pressões antrópicas sobre a biota aquática (Karr, 1999,

1981). Estas avaliações geralmente são aferidas através de programas de

biomonitoramento, que levam em conta aspectos espaciais e temporais com o

objetivo de utilizar as respostas biológicas para avaliar as mudanças no

Page 27: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

13

ambiente (Rosenberg & Resh, 1993). A utilização do biomonitoramento é mais

eficiente às medidas instantâneas de parâmetros físicos e químicos na coluna

d’água. O monitoramento tradicional através destes parâmetros tem sido

substituído por avaliações que englobam as características biológicas do

sistema (Thompson et al., 2008). Atualmente indicadores biológicos são

utilizados no monitoramento ambiental em escala continental nos Estados

Unidos (Whittier et al., 2007) e na União Europeia (Hering et al., 2006),

ilustrando o seu potencial para programas de monitoramento em um país de

dimensões continentais como o Brasil. Para tal, deve-se ainda aprimorar o

marco legal, pois enquanto na Europa e EUA o biomonitoramento é obrigatório

(Ruaro & Gubiani, 2013), no Brasil é apenas opcional na avaliação da

qualidade dos corpos d’água (Brasil, 2005).

Várias assembleias biológicas podem ser utilizadas para o

biomonitoramento, sendo que peixes e macroinvertebrados bentônicos são as

mais utilizadas para ambientes aquáticos (Resh, 2008). A vantagem em utilizar

vários grupos são as suas características intrínsecas, o que pode resultar em

respostas mais completas. Por exemplo, enquanto os macroinvertebrados

bentônicos apresentam vantagem em serem amplamente distribuídos pelo

mundo (permitindo comparações), possuírem mobilidade restrita (refletem com

fidelidade as condições locais) e possuírem ampla diversidade taxonômica, seu

uso apresenta dificuldades principalmente em relação à identificação, que é

dispendiosa e raramente realizada em resolução taxonômica de espécies

(Resh, 2008). No geral, as assembleias de peixes possuem a vantagem de

serem facilmente identificáveis ao nível de espécie, amplamente conhecidas e,

devido ao ciclo de vida relativamente longo, são excelentes biomarcadores. Por

outro lado, há a desvantagem de serem organismos bastante móveis e, neste

caso, tenderem a migrar para áreas menos impactadas (Resh, 2008). Desta

maneira, as diferenças de sensibilidade, mobilidade e fisiologias entre

assembleias de peixes e de macroinvertebrados bentônicos devem originar

diferentes correlações com variáveis ambientais, especialmente às pressões

antropogênicas e habitats físicos (Marzin et al., 2012a).

Page 28: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

14

Rede de Amostragem Espacialmente Balanceada no Diagnóstico Ambiental de Bacias Hidrográficas

Avaliações ambientais em bacias hidrográficas devem considerar

amostragens a fim de avaliar padrões de distribuição de espécies e relações

com parâmetros físicos e químicos, considerando limitações como tempo de

amostragem e processamento, recursos humanos e financeiros. Os objetos

destes estudos são tipicamente identificados por sua localização geográfica, ao

contrário de pesquisas clássicas de amostragem nas quais a variável “espaço”

não é contemplada (Stevens & Olsen, 2004; Theobald et al., 2007). Neste

contexto, a amostragem espacialmente balanceada, construída através de

probabilidades, é capaz de selecionar amostras que de fato reflitam o padrão

espacial da área de estudo (Theobald et al., 2007).

Durante muitos anos os levantamentos ambientais utilizaram amostras

tendenciosas, sem critério espacial, procurando amostrar ambientes pré-

definidos, ou de melhor acesso, excluindo outras importantes áreas (Larsen et

al., 2008). Em regiões tropicais, o problema do viés espacial na rede de

amostragem é ainda mais grave do que em regiões temperadas, pois a

biodiversidade tropical, apesar de ser maior, ainda é menos conhecida

(Dudgeon et al., 2006). Atualmente, a abordagem de amostragem espacial é

utilizada tanto em escala nacional quanto regional nos EUA (Olsen & Peck,

2008), porém, no Brasil é uma abordagem ainda recente (ver Macedo et al.,

2012; Ligeiro et al., 2013), predominando redes de amostragem tendenciosas

ou com áreas mais densamente amostradas que outras (p.ex. Bozzetti &

Schulz, 2004; Pinto et al., 2006, 2009; Moreno et al., 2009).

Materiais e Métodos

Desenho Amostral

Os procedimentos metodológicos utilizados para a definição da rede

amostral foram baseados nos critérios estabelecidos pelo US-EMAP Wadeable

Stream (Olsen & Peck, 2008). Estes critérios baseiam-se em criar uma rede

Page 29: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

15

amostral mestra (Master Sample) e, sobre esta, selecionar através de um

algoritmo de seleção espacialmente balanceado um ranking que hierarquiza

toda a rede de drenagem na bacia hidrográfica a montante de cada

reservatório estudado. O calculo deste ranking é descrito em Stevens & Olsen

(2004).

O foco deste estudo foram riachos cuja profundidade permita a

movimentação de um homem de estatura mediana, ou “wadable streams” –

riachos vagueáveis (Kaufmann et al., 1999). Desta forma, antes de proceder ao

sorteio espacialmente balanceado dos pontos de amostragem foi necessário

atribuir o sistema de hierarquização de canais proposto por Strahler (1953). ao

banco de dados da rede de drenagem na escala 1:100.000, pois admite-se que

nesta escala, tributários de baixa ordem (1ª, 2ª e 3ª) são “wadable streams”

(Kaufmann et al., 1999). Esta proposta de hierarquização dos canais fluviais

consiste em classificará-los utilizando o modelo de árvore hierárquica: quando

dois tributários de ordem igual encontram-se, formam um segmento de ordem

superior; quando dois tributários de ordem distinta se encontram, forma-se um

tributário de ordem igual ao de maior valor (Figura 3). Para determinar a ordem

da rede de drenagem, utilizou-se o software Hydroflow (Ramos & Silveira,

2008).

Figura 3. Diagrama que exemplifica a hierarquia dos canais fluviais segundo Strahler (1953). Fonte: http://www.usace.army.mil.

O Hydroflow necessita que os dados de entrada estejam com a

geometria corretamente construída (topologia), isto é, estejam devidamente

Page 30: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

16

conectados: se um rio é afluente de outro, o afluente deve ter sua extremidade

conectada a jusante (Figura 4); rios muito largos ou lagos, que geralmente são

representados por linhas em cada margem, devem possuir apenas um vetor

central (Figura 5). Para realizar a consistência da topologia utilizou-se o ArcGis

Desktop. Após a correção topológica, a rede de drenagem foi hierarquizada

através do Hydroflow (Figura 6).

(A) (B)

Figura 4. Correção topológica da rede de drenagem no caso de segmentos não conectados. (A) O mesmo segmento é representado por linhas de cores distintas. (B) O círculo vermelho mostra o local onde a linha azul deve interceptar a linha amarela para seccioná-la em dois segmentos distintos. Fonte: Gleyzer et al. (2004).

(A) (B) (C)

Figura 5. Correção topológica da rede de drenagem no caso de margens de rios largos ou lagos. (A) Representação de lagos e rios largos geralmente em mapas impressos. (B) Uma rede topologicamente incorreta, onde ambas as margens de um rio ou lago são representadas. (C). Uma rede topologicamente correta, onde apenas o eixo da drenagem é representado. Fonte: Gleyzer et al. (2004).

Nó da rede

Page 31: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

17

Figura 6. Mapeamento da ordem dos canais fluvias para a bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

A rede de drenagem topologicamente consistente foi analisada no

software R (R Development Core Team, 2010) através do pacote SP Survey

(Kincaid, 2009). A Figura 7 mostra a programação elaborada.

Page 32: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

18

Figura 7. Programação elaborada para o sorteio espacialmente balanceado da rede de amostragem para a bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco.

A primeira rede de amostragem gerada foi para a bacia do Alto rio

Araguari, à montante do reservatório de Nova Ponte. Através da metodologia

utilizada, a rede de drenagem originou mais de 17.000 pontos de amostragem

(aproximadamente um ponto por km de rio) denominados como Master Sample

(Figura 8). Este desenho amostral é muito extenso, o que não é logisticamente

interessante e, neste caso, foi necessária uma redução da área de estudo para

a execução da pesquisa.

Page 33: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

19

Figura 8. Rede de amostragem Master Sample (~17.000 pontos) para a bacia de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

Como o alvo desta pesquisa foram os riachos “wadeable” (Kaufmann et

al., 1999), primeiramente excluíram-se todos os afluentes com o valor igual ou

superior à 4ª ordem , na escala utilizada (1:100.000). O segundo procedimento

foi a exclusão de todos os pontos distantes a mais de 35 km da borda do

reservatório, devido à capacidade de dispersão da ictiofauna (Hitt &

Angermeier, 2008). Por último, duas redes de amostragem distintas foram

criadas, nas quais 14 pontos foram selecionados em rios de 1ª ordem e 13

pontos em rios de 2ª e 3ª ordem. A primeira rede amostral, denominada

Sample Sites, é constituída dos pontos válidos melhor ranqueados através da

metodologia descrita por Stevens & Olsen (2004), e neste caso é a rede

primária. Entretanto, alguns dos pontos propostos podem não ser acessíveis e,

neste caso, foram descartados. Consequentemente, um novo ponto foi

determinado a partir da segunda rede amostral, denominada de Overdraw

Sites, respeitando a categoria do ponto a ser substituído (1ª, 2ª ou 3ª ordem de

Strahler), e depois o ranking definido pela metodologia utilizada (Figura 9).

Page 34: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

20

Figura 9. Rede amostral Sample Sites e Overdraw Sites definidas para a bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

Reconhecimento e definição dos pontos de coleta

Após a definição da rede de amostragem, foram definidas as rotas de

acesso para estes pontos, para que todos fossem previamente reconhecidos

antes da coleta. Através do Google Earth, as rotas foram traçadas (Figura 10) e

transferidas para um receptor GPS acoplado a um notebook, para facilitar a

navegação da equipe de reconhecimento em campo.

Page 35: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

21

Figura 10. Rota traçada no Google Earth para chegar ao ponto TMMS-0056, bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco.

Após o reconhecimento, constatou-se que praticamente todos os cursos

d’água de primeira ordem possuíam fluxo d’água intermitente, devido às

condições hidrológicas na região, pois as amostragens foram realizadas na

época de seca, em setembro. Além disso, alguns pontos não tinham acesso

devido à falta de estradas. Assim, seguindo a hierarquia elencada na Master

Sample, novos pontos foram visitados. Como um dos objetivos foi avaliar a

integridade biótica, era necessário garantir amostragens em locais

minimamente e severamente alterados (Whittier et al., 2007) e neste caso,

alguns pontos de amostragem foram escolhidos em locais preservados (p.ex.

reserva de Galheiros) e impactados (p.ex. áreas urbanas). A rede final

amostrada nesta pesquisa foi apresentada na Figura 1.

Definição do trecho de amostragem

Cada trecho amostrado correspondeu a 40 vezes sua largura molhada,

respeitando o mínimo de 150 metros (Peck et al., 2006). O trecho foi dividido

em onze seções transversais (A-K) e, entre cada seção, foram realizadas 10

medições equidistantes no perfil do talvegue (Figura 11). Nas seções

Page 36: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

22

transversais, foram avaliadas as características dos habitats físicos e coletadas

amostras de sedimento para identificação de macroinvertebrados bentônicos e,

entre os transectos, mais características de habitats físicos e coleta de peixes.

Nas seções a montante (K), foram coletadas amostras de água para análise de

qualidade.

Figura 11. Esquema dos transectos amostrados em cada trecho de curso d’água estudado. Adaptado de Peck et al. (2006).

Avaliação de Habitats Físicos

A avaliação dos habitats físicos foi realizada através da metodologia

proposta por Peck et al. (2006). Os principais parâmetros avaliados foram:

dimensões do canal, gradiente longitudinal e sinuosidade, tipo de substrato,

diversidade de nichos, vegetação ripária, interações entre o entorno e a

estrutura do canal e alterações antropogênicas.

Dimensões do Canal

As dimensões do canal foram mensuradas em cada transecto principal.

Foram mensuradas: profundidade (também mensurada no transecto

intermediário) largura molhada (Figura 12), altura e largura do canal no período

Page 37: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

23

das cheias (Figura 13), ângulos das margens (Figura 14) e a incisão do canal

(Figura 15).

Figura 12. Mensuração da largura molhada, treinamento em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Figura 13. Largura e altura do leito sazonal, treinamento em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Page 38: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

24

Figura 14. Medição do ângulo das margens, treinamento em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Figura 15. Medição da incisão do canal, treinamento em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Page 39: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

25

Gradiente Longitudinal e Sinuosidade

O gradiente longitudinal foi mensurado como o desnível entre cada

transecto (A-K) em um dado riacho, e foi mensurado com o auxílio de um

clinômetro e uma baliza (Figura 16). A sinuosidade do canal é o ângulo do

canal em relação ao norte, e é mensurado com o auxílio de uma bússola

(Figura 17).

Figura 16. Esquema da medição da declividade do trecho. Adaptado de Peck et al. (2006).

Figura 17. Aferição da sinuosidade através da bússola. Foto: P.R. Kaufmann.

Page 40: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

26

Substrato

O tipo de substrato foi avaliado pelo tamanho das partículas encontrado

em cada trecho, seguindo a metodologia de Peck et al. (2006). As

mensurações foram executadas em cinco pontos (0%, 25%, 50%, 75% e 100%

da largura molhada) em cada transecto principal e intermediário (Figura 18). As

classes mensuradas foram: rocha (> 4000 mm), matacão (> 250 a 4000 mm),

bloco (> 64 a 250 mm), cascalho grosso (> 16 a 64 mm), cascalho fino (> 2 a

16 mm), areia (> 0.06 a 2 mm) e finos (< 0.06 mm) (Figura 19).

Figura 18. Esquema da medição do substrato no transecto. Adaptado de Peck et al. (2006).

Page 41: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

27

Figura 19. Esquema ilustrativo do tamanho do substrato. Foto: P.R. Kaufmann.

Abrigos para assembleias aquáticas

A aferição dos abrigos para assembleias aquáticas foi uma aferição

visual, que buscou quantificar a presença de elementos que proporcionam

principalmente proteção e fogeamento aos organismos, como por exemplo

troncos, galhos e folhas, raízes vivas, algas, macrófitas, pedras soltas, galhos e

folhas vivas próximas à lâmina d’água e barrancos solapados (Figura 20).

Estes elementos foram visualizados ao redor de cinco metros de cada

transecto principal, tanto a montante quanto a jusante.

Page 42: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

28

Figura 20. Exemplo de abrigos amostrados na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

Densidade do dossel

A cobertura do dossel sobre o canal é avaliada através de um

densiômetro. Este aparelho consiste em um espelho côncavo no qual é

mensurado o reflexo da vegetação ripária em seis posições dentro do canal:

margens esquerda e direita, centro do canal a montante, a jusante, na

esquerda e na direita (Figura 21).

Figura 21. Aferição da cobertura ripária através do densiometro, treinamento em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Page 43: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

29

Condições da vegetação ripária e alterações antropogênicas

Foi realizada a avaliação visual das condições da vegetação ripária e

alterações antrópicas considerando uma área de 10 x 10 metros a partir de

cada margem (Figura 22). Esta avaliação visual teve como objetivo quantificar

o porte da vegetação ripária (> 5 metros, entre 0,5 e 0,5 m e < 0,5 metros) o

tipo da vegetação de entorno (arbóreo, arbustivo ou herbáceo; Figura 23). Além

disto, foram avaliadas as alterações humanas no canal fluvial: canais artificiais,

diques, construções, estradas, canos, lixo, pastagem, agricultura e mineração

(Figura 24).

Figura 22. Esquema da área amostrada na zona ripária. Adaptado de Peck et al. (2006).

Page 44: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

30

Figura 23. Avaliação visual da qualidade da vegetação na zona ripária, coleta em riacho na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Figura 24. Avaliação visual dos impactos antrópicos na zona ripária, coleta em riacho na bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco, setembro de 2010.

Page 45: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

31

Tipos de fluxos

No perfil do talvegue, entre cada transecto, foram identificados os tipos

de fluxo de água: piscina, fluxo lento, corredeiras, rápidos e cascatas segundo

Peck et al. (2006; Figura 25).

Figura 25. Tipos de fluxo, coleta em riacho na bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco, setembro de 2009.

Mensuração de parâmetros físicos e químicos na colu na d’água

Nas seções a montante (K), as variáveis abióticas temperatura,

condutividade elétrica, alcalinidade, salinidade, potencial hidrogeniônico,

turbidez e sólidos totais dissolvidos foram determinadas in situ, utilizando uma

sonda multiparâmetro (YSI - 10 - Yellow Springs, Ohio) (Figura 26). No

laboratório foram determinadas as concentrações de oxigênio dissolvido, de

fósforo total e de nitrogênio total, segundo APHA (1998).

Page 46: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

32

Figura 26. Demonstração da aferição em campo com a sonda multiparâmetro, bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari, setembro de 2009.

Coleta de Macroinvertebrados Bentônicos

Em cada trecho de rio as amostragens de macroinvertebrados

bentônicos foram realizadas utilizando-se um coletor do tipo “kicking net” (30

cm de abertura, 500 µm de tamanho da malha) (Figura 27). Foram realizadas

amostragens em um padrão de zig-zag em cada um dos onze transectos, e

foram coletados sedimentos em uma área de 0,09m2, totalizando 1m2 por

trecho (Paulsen et al., 2008; Peck et al., 2006; Stoddard et al., 2008). As

amostras foram fixadas em campo com solução de formol 10% e levadas para

o Laboratório de Ecologia de Bentos na UFMG.

Page 47: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

33

Figura 27. Coleta de sedimentos para a avaliação dos macroinvertebrados bentônicos, setembro de 2009, bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

Em laboratório as amostras foram novamente lavadas, com o intuito de

retirar o excesso de material particulado grosso. Posteriormente os organismos

foram triados em bandeja e identificados em microscópio estereoscópico sob o

aumento de 32X. A identificação foi realizada ao nível de família, exceto para

Annelida, Mollusca e Aracnida, com o auxílio de chaves de identificação

(Pérez, 1988; Merritt & Cummins, 1996; Fernández & Domínguez, 2001;

Mugnai et al., 2010).

Coleta de Peixes

As coletas de peixes foram realizadas com peneira confeccionada com

tela mosquiteira (malha de 1 mm). Cada riacho foi amostrado por duas horas

(12 minutos entre cada um dos 10 transectos), tempo adequado para riachos

rasos e estreitos. A eficiência deste método de amostragem se mostrou

superior a outros estudos conduzidos no Brasil (Junqueira, 2011). Os peixes

foram etiquetados e fixados em solução de formol 10%, separados por locais

de coleta e levados para o Laboratório de Ictiologia na UFLA (Figura 28).

Page 48: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

34

Figura 28. Amostragem dos peixes em campo, na bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco, setembro de 2010.

Em laboratório, os peixes foram identificados taxonomicamente em nível

de espécies. Para tal foram utilizadas chaves de identificação da ictiofauna nas

bacias dos rios Paraná e São Francisco (Britski et al., 1988; Graça & Pavanelli,

2007).

Levantamento de Aspectos Geodinâmicos

Os dados de pluviosidade foram calculados através da série histórica

disponibilizada pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2011). Foram utilizados

dados referentes a 31 estações pluviométricas (14 estações na bacia do Alto

Rio Araguari e 17 estações no Alto Rio São Francisco), que tiveram a

pluviosidade total anual da série histórica (30 anos ou mais) calculada,

georreferenciada e os valores foram interpolados através de krigagem ordinária

no software ArcGis Desktop (Johnston et al., 2001). Os valores de precipitação

anual média espacializados foram transferidos para cada ponto de coleta

(Figura 29).

Page 49: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

35

Figura 29. Espacialização da precipitação anual média na bacia na bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

As bacias de drenagem foram extraídas do modelo de terreno

proveniente do Shuttle Radar Topographic Mission - SRTM (USGS, 2005).

Escolheu-se o produto SRTM por possibilitar a identificação de pontos

altimétricos entre as cotas de 50m, fato não verificado nos dados disponíveis

nas cartas topográficas elaboradas na escala 1:100.000 do IBGE, o que

possibilitou a definição mais precisa das bacias de drenagem. As variáveis

morfométricas foram calculadas para cada uma das 80 sub-bacias estudadas.

A densidade de drenagem (m/m2) foi calculada dividindo-se o comprimento

total dos riachos de cada sub-bacia pela sua área. A altitude (média e desvio-

padrão) foi extraída diretamente do SRTM (Figura 30), enquanto para a

declividade (média e desvio-padrão) foi necessário calculo prévio desta

variável, e posteriormente procedeu-se a extração direta dos dados para cada

sub-bacia (Figura 31). As unidades geológicas foram diretamente extraídas da

Carta Geológica do Brasil ao Milionésimo (Brazil, 2004).

Page 50: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

36

Figura 30. Altimetria na bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco.

Figura 31. Declividade na bacia do reservatório de Três Marias, trecho da bacia do alto rio São Francisco.

Page 51: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

37

Levantamento de Pressões Antrópicas

Mapeamento do uso e ocupação do solo

O mapeamento do uso e cobertura foi elaborado apenas para as sub-

bacias de drenagem a montante dos 80 trechos amostrados. Desta forma, é

possível executar um mapeamento bem acurado, utilizando interpretação

manual das imagens em uma área total relativamente restrita.

Para classificar o uso e ocupação do solo utilizou-se a interpretação

manual de imagens de alta resolução, em conjunto com imagens

multiespectrais do sensor TM presente do satélite Landsat (Figura 32). Este

procedimento foi o mais adequado, pois por um lado as imagens de alta

resolução trazem com bastante clareza a forma e a textura dos elementos, e

por outro, as imagens Landsat apresentam resposta espectrais distintas para

os alvos, possibilitando uma alta acuidade para o mapeamento.

Figura 32. Metodologia esquemática utilizada no ponto NPMS-00128, bacia do reservatório de Nova Ponte, trecho da bacia do alto rio Araguari.

Page 52: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

38

Fisionomias Mapeadas

Neste estudo foram mapeadas quatro fisionomias de cobertura vegetal

(IBGE, 1991): Savana Florestada, Savana Gramíneo-Lenhosa, Savana Parque

e Áreas Úmidas; e quatro usos antrópicos: áreas agrícolas, pastagens,

reflorestamento e áreas urbanas.

Savana Florestada

Fisionomia Florestal com dossel superior de 4 m (no caso de floresta de

altitude sobre solos rasos ou litólicos) a 25 m de altura (em solos mais

profundos), com arvores emergentes chegando a 40 m e sub-bosque denso.

Deciduidade intermediária (20-70%) da massa foliar do dossel na época

fria/seca (Scolforo & Carvalho, 2006).

O conceito ecológico deste tipo de vegetação está condicionado pela

dupla estacionalidade climática: uma tropical, com época de intensas chuvas

de verão seguidas por estiagens acentuadas; e outra subtropical, sem período

seco, mas com seca fisiológica provocada pelo intenso frio de inverno, com

temperaturas médias inferiores a 15°C (IBGE, 1991).

Savana Gramíneo-Lenhosa

Caracteriza-se pela presença de árvores baixas, inclinadas, tortuosas,

com ramificações irregulares e retorcidas. Os arbustos e subarbustos

encontram-se espalhados, com algumas espécies apresentando órgãos

subterrâneos perenes (xilopódios), que permitem a rebrota após queima ou

corte. Na época chuvosa as camadas subarbustiva e herbácea tornam-se

exuberantes, devido ao seu rápido crescimento (Ribeiro & Walter, 2008). Os

vários estratos de cerrado foram agrupados, desde fisionomias herbáceas,

arbustivas e arbóreas.

Os troncos das plantas lenhosas, em geral, possuem cascas com cortiça

espessa, fendida ou sulcada, e as gemas apicais (responsáveis pelo

Page 53: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

39

crescimento dos vegetais) de muitas espécies são protegidas por densa

quantidade de pelos. As folhas em geral são rígidas e com consistência de

couro. Esses caracteres indicam adaptação às condições de seca

(xeromorfismo). Todavia é bem relatado na literatura que as árvores não

sofrem restrição de água durante a estação seca, pelo menos aquelas

espécies que possuem raízes profundas (Ribeiro & Walter, 2008).

Savana Parque

Subgrupo de formação natural que se apresentam uma ampla variação

fisionômica, compreendendo desde elevados (campos propriamente ditos) até

maciços arbustivos e florestas de baixa estatura. As espécies apresentam

adaptações morfológicas e fisiológicas a períodos de baixa temperaturas,

déficit hídrico e excesso hídrico (Scolforo & Carvalho, 2006). Nesta categoria

foram agrupadas tanto as formações rupestres, associadas ao substrato

quartizítico, quanto as vegetações de altitude associadas aos terrenos

granítico-gnáissicos.

Áreas úmidas

Estão incluídas nessa fisionomia as veredas, campos úmidos e brejos.

Por estarem associadas às nascentes ou aos cursos d’água, as áreas úmidas

geralmente são incluídas nas Áreas de Preservação Permanentes, definidas na

legislação ambiental (Brasil, 2012).

As veredas apresentam fitofisionomias campestres, com estrato

herbáceo-graminoso dominante, tendo como único elemento arbóreo de

destaque o buriti. Há situações onde o buriti não está presente, sendo, então,

denominadas simplesmente de campos úmidos (campos de surgência). Os

brejos são tipologias predominantemente herbáceas associadas aos cursos

d’água, inundados periodicamente durante o período de chuvas e que

permanecem úmidos durante a estação seca. Ocupam terrenos de topografia

Page 54: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

40

plana de solos aluviais, dispostos ao longo de cursos d’água (Scolforo &

Carvalho, 2006).

Áreas antrópicas

Neste caso foram mapeadas as áreas urbanas, pastagens (plantadas ou

não), reflorestamento e as áreas agrícolas indiscriminadamente.

Outras influencias antrópicas

Para melhor caracterizar a presença/influência humana na área de

estudo, foram mensuradas as distâncias entre cada ponto de amostragem e os

centros urbanos e rodovias pavimentadas, além da densidade de estradas em

cada bacia. Também foi utilizada a localização espacial de cada domicilio no

entorno da área de estudo, disponibilizada pelo Instituto Brasileiro de Geografia

e Estatística, através dos resultados do Censo Demográfico Brasileiro de 2010

(IBGE, 2011). A estes pontos foi executado dois tratamentos distintos: foi

calculado a densidade de domicílios (dom/m2) na sub-bacia de cada ponto de

coleta e a densidade espacial obtida através do interpolador espacial do tipo

Kernel, com distância de até 10 km entre domicílios (Johnston et al., 2001).

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51

CAPÍTULO 1. USO DE PARÂMETROS BIOLÓGICOS E DE HABITATS FÍSICOS PARA A AVALIAÇÃO AMBIENTAL DE BACIAS NO DO SUDESTE DO BRASIL 1

1. Introdução

Estudos recentes sobre a qualidade ambiental de lagos e rios vêm atribuindo

uma maior importância às relações que os fatores ambientais (p.ex. tipo de

vegetação, regime de chuvas, uso do solo, relevo, geologia, poluição das águas)

exercem sobre as comunidades biológicas. Uma ferramenta moderna para

diagnosticar a degradação ambiental com base nas comunidades biológicas de

peixes e macroinvertebrados bentônicos (pequenos invertebrados que vivem no

fundo de ambientes aquáticos) é o índice de integridade biótica (IBI – Integrity Biotic

Index). Esta abordagem é amplamente utilizada em escala continental nos Estados

Unidos e na União Europeia, e atribui uma "nota" relativa ao grau de conservação do

curso d'água. Assim, o IBI é uma ferramenta de avaliação que considera um

gradiente de condições ambientais e ecossistemas em diferentes estados de

conservação – partindo do muito ruim até o mais preservado possível, podendo ser

empregado desde em uma bacia hidrográfica até todo um bioma. Entretanto, antes

de adaptar e aplicar o IBI em diferentes biomas no Brasil é necessário avaliar a

fauna e condições ambientais em larga escala em um bioma específico.

A maior parte dos estudos relacionando à ecologia da paisagem e IBI têm

sido realizados em rios e riachos. Porém, no Brasil, os reservatórios são muito

importantes, pelo fato de serem a principal fonte de geração de energia elétrica.

Assim, a abordagem do IBI deve considerar o reservatório e seus afluentes, em uma

abordagem integrada para melhorar a gestão ambiental de recursos naturais.

Mesmo aparentemente homogêneos, é fácil notar que os reservatórios possuem

trechos mais parecidos com grandes rios (zona riverina) e outros parecidos com

1 Artigo publicado na revista Ação Ambiental: Macedo, D.R., Ligeiro, R., Ferreira, W.R., Junqueira, N.T., Sanches, B.O., Silva, D.R.O., Alves, C.B.M., Hughes, R.M., Kaufmann, P.R., Pompeu, P.S., Santos, G.B., Callisto, M., 2012. Parâmetros biológicos e de habitats físicos para a avaliação de bacias no sudeste do Brasil. Ação Ambiental (UFV) 13, 15–18.

Page 66: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

52

lagos (zona lacustre), e esta diferença no fluxo de suas águas é refletida em sua

fauna aquática.

Nesse contexto é necessário o desenvolvimento de pesquisas que avaliem as

inter-relações entre o tipo de ocupação e uso do solo por atividades humanas, a

diversidade de habitats nos rios e reservatórios – denominados Habitats Físicos, e

índices de qualidade das comunidades biológicas na perspectiva de bioindicadores

de qualidade ambiental. A utilização de metodologias padronizadas e utilizadas

internacionalmente, adaptadas à realidade de bacias hidrográficas no Cerrado

brasileiro permite avaliar a degradação ambiental e subsidiar a implementação de

medidas de manejo de bacias e conservação da biodiversidade aquática. Neste

contexto foi firmada uma parceria de pesquisa em uma rede de Instituições (UFMG,

UFLA, PUC-Minas, OSU, US-EPA) com financiamento da CEMIG/Programa Peixe

Vivo (Companhia Energética de Minas Gerais). O objetivo é adaptar procedimentos

metodológicos a fim de desenvolver Índices de Integridade Biótica (IBI) como

ferramenta para avaliar a qualidade ambiental nas bacias hidrográficas de quatro

reservatórios: Nova Ponte (MG), Três Marias (MG), Volta Grande (MG/SP) e São

Simão (MG/GO) (Figura 1).

As bacias hidrográficas em estudo localizam-se no bioma Cerrado, importante

em nível mundial por causa de sua grande biodiversidade, rico em espécies raras e

ameaçadas de extinção, devido à exploração de seus recursos naturais. Cabe

salientar que no Cerrado estão localizadas as nascentes das bacias dos rios Paraná

e São Francisco.

2. Material e Métodos

As amostragens são realizadas nos reservatórios e em trechos de riachos e

ribeirões rasos na bacia de drenagem de cada usina hidrelétrica. As amostragens,

tanto de peixes quanto de macroinvertebrados bentônicos, são realizados nos

mesmos locais: nos reservatórios em 40 pontos distribuídos pelas suas margens; em

40 riachos selecionados aleatoriamente, onde cada um destes é dividido em 11

trechos equivalente à sua largura multiplicada por 40 (respeitando o mínimo de 150

metros de extensão de rio).

Page 67: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

53

Figura 1. Localização dos reservatórios estudados para desenvolvimento de Índices de Integridade Biótica no Cerrado mineiro.

3. Definição da Rede de Coleta

A rede amostral estabelecida nas margens de cada reservatório é definida a

partir de um ponto sorteado aleatoriamente. A partir desse ponto inicial, o perímetro

total do reservatório é subdividido em 40 trechos equivalentes e no início de cada

trecho é estabelecido um ponto de coleta. Este método permite a seleção de locais

variados como, por exemplo, nas zonas lacustre e riverina, na desembocadura de

afluentes, áreas de praias e em margens inclinadas, além de trechos cobertos com

vegetação ripária ou áreas urbanizadas (Figura 2).

Page 68: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

54

.

Figura 2. Pontos amostrais no reservatório de Nova Ponte, bacia do rio Araguari (MG), detalhes de fotos aéreas de locais de estudo.

Na rede amostral definida em riachos é levada em consideração a extensão

de seus riachos, respeitando a distância mínima de 1 km entre os pontos de coleta.

Caso algum ponto não seja acessível, o mesmo é descartado e um novo é

selecionado entre aqueles sorteados aleatoriamente. Desta maneira, é possível

amostrar pontos em áreas diversas, além de selecionar locais bem preservados,

alterados e muito impactados por atividades humanas, refletindo um gradiente de

condições ambientais (Figura 3).

4. Avaliação do uso do solo nas áreas de entorno

A vegetação no sudeste brasileiro encontra-se em variados graus de

degradação e, na melhor das situações, de regeneração. Em outras palavras, não

são encontradas áreas representativas de vegetação primária nativa. Neste sentido,

os tipos vegetais mapeados foram: Floresta Semidecidual, Cerrado, Campos e

Áreas Úmidas. Também foram mapeadas as áreas agrícolas, urbanas e pastagens.

Page 69: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

55

Figura 3. Rede de pontos coleta nos riachos a montante do reservatório de Nova Ponte, bacia do rio Araguari (MG).

5. Metodologias de amostragem em campo

Em cada ponto de coleta no reservatório e nos de riachos é diagnosticada a

qualidade de água através de medidas de parâmetros abióticos (p.ex. oxigênio

dissolvido, nitrogênio, fósforo, temperatura, condutividade elétrica, sólidos totais

dissolvidos, turbidez e clorofila-a); são avaliados os diversos parâmetros de Habitats

Físicos – tipo de fluxo d’água (mais rápida ou mais parada), tipo de fundo do rio

(areia, lama, cascalho, etc.), dimensões do rio (sua largura, profundidade, etc.);

vegetação ripária (se possui árvores, arbustos ou apenas capim nas margens) e

impacto humano (agricultura, pastagem, cidades, estradas, etc.) (Figuras 4 e 5)

através de um protocolo utilizado pela Agencia de Proteção Ambiental dos EUA (US-

EPA); e são coletados peixes e macroinvertebrados.

As amostragens de peixes nos reservatórios são realizadas através de redes

amarradas por 15 horas e redes de arraste nas margens, o que confere uma boa

representação dos diversos habitats aquáticos. Nos riachos, os peixes são coletados

Page 70: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

56

ao longo do trecho amostrado com peneiras confeccionadas com tela mosquiteira.

Estabeleceu-se, para cada riacho, a utilização de uma peneira, durante duas horas

de coleta (uma peneira em 12 minutos de coleta por seção).

Figura 4. Exemplo de parâmetros avaliados em riachos (A) e em reservatórios (B) segundo o protocolo do US-EPA.

Figura 5. Avaliação da diversidade do substrato segundo o protocolo US-EPA.

Os macroinvertebrados bentônicos são coletados nos reservatórios utilizando

duas metodologias: uma draga (área 15 x 15 cm) lançada a cerca de 5-10 metros da

margem e "kicking-net" – uma peneira com cabo que é arrastada no fundo a uma

Page 71: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

57

profundidade de cerca de 50 centímetros nas margens. Nos riachos também é

utilizado um “kicking-net” ao longo do trecho amostrado.

6. Resultados Preliminares

Os resultados encontrados na bacia do reservatório de Nova Ponte indicam

que o tipo de uso do solo influencia a diversidade de habitats físicos, principalmente

na porcentagem de sedimentos finos. A agricultura e as cidades foram relacionadas

com a perda de riqueza – número de espécies ou grupos diferentes – de peixes e

macroinvertebrados bentônicos. Nos trechos do reservatório mais bem preservados,

principalmente os próximos à reserva ambiental de Galheiros/CEMIG, foi encontrada

a maior riqueza de macroinvertebrados bentônicos.

Nos riachos na bacia do reservatório de Nova Ponte a diversidade de habitats

físicos influencia a riqueza de macroinvertebrados bentônicos. Riachos preservados

com o tipo de fundo natural e mais largos apresentam maior número de espécies

sensíveis à poluição na água. Os resultados também mostram a importância do

acúmulo de folhas nos rios, onde é encontrada maior riqueza de espécies sensíveis,

principalmente nos rios mais degradados por atividades humanas. As estimativas de

eficiência do esforço de coleta, ou seja, se o número de pontos amostrados

realmente representa a riqueza de macroinvertebrados em toda a bacia hidrográfica,

mostraram que nos 40 riachos foram coletados 92% de grupos de organismos

bentônicos do total estimado. Entretanto, utilizando-se os mesmos métodos de

análise, apenas 72% da riqueza foi encontrada amostrando-se em 40 pontos no

reservatório de Nova Ponte.

O estudo da distribuição geográfica dos peixes no reservatório de Nova Ponte

mostrou que a zona riverina (mais longe da barragem em mais próxima ao rio

principal) é onde se concentra a maior riqueza de peixes, além da maior quantidade

de indivíduos coletados. Isto mostra que os locais mais próximos aos tributários e

longe da barragem são mais adequados para esta comunidade. Nos riachos, a

presença de plantas aquáticas e a inclinação das margens influenciam

positivamente a riqueza de peixes. Por fim, o esforço de coleta nos riachos

Page 72: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

58

representa apenas 74 % do número total esperado de espécies, ao passo que no

reservatório de Nova Ponte 100% das espécies foram capturadas.

7. Potencialidades da ferramenta IBI para conservaç ão da biodiversidade em rios e reservatórios no Cerrado mineiro

A abordagem utilizada neste projeto permite avaliar as condições ecológicas

em ambientes com variados graus de degradação através de metodologias

padronizadas, quantitativas, baratas e de rápida execução em campo. A avaliação

ambiental integrada nas bacias estudadas, além de possibilitar a comparação em

outros momentos no futuro, são resultados importantes para a gestão de bacias

hidrográficas. Isto permite avaliar os graus de impacto de atividades humanas, perda

de biodiversidade e serviços ecológicos em uma bacia hidrográfica ou bioma. Além

disso, é possível planejar o desenvolvimento de Programas de Biomonitoramento

em longo prazo, pois é possível eliminar as variáveis pouco estáveis como, por

exemplo, os efeitos do clima, quantidade de chuvas, etc. A realização de pesquisas

em rede de colaboração tem possibilitado formar pessoal de graduação, mestrado e

doutorado em uma nova perspectiva ambiental, capacitando-os à tomada de

decisões para minimizar efeitos negativos de atividades humanas.

Finalmente, por se tratar de uma metodologia padronizada, eficiente e

exaustivamente testada, a nossa expectativa é que esta poderá servir de modelo

para a avaliação de todos os córregos, rios e reservatórios no estado de Minas

Gerais e, posteriormente, empregada em maior escala no Brasil.

Agradecimentos

Os autores agradecem o financiamento do Programa Peixe-Vivo/CEMIG e os

apoios do CNPq, CAPES e FAPEMIG através de bolsas de estudos, além da

colaboração de estudantes de graduação, biólogos e técnicos das equipes

envolvidas nesta rede de pesquisas transdisciplinares.

Page 73: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

59

CAPÍTULO 2. DESENHO AMOSTRAL ESPACIALMENTE BALANCEADO NA AVALIAÇÃO AMBIENTAL DE UMA BACIA HIDROGRÁFICA NO CERRADO MINEIRO 2

Resumo

O planejamento da rede de amostragem é um dos primeiros passos em um

projeto de pesquisa. Dados ambientais geralmente possuem íntima relação com

sua localização geográfica e esta característica deve ser contemplada no

desenho amostral. O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia de

definição de rede de amostragem espacialmente balanceada a partir da utilização

de Sistemas Informativos Geográficos e Estatística Espacial aplicados em uma

bacia hidrográfica no cerrado mineiro. Os resultados evidenciaram a importância

desta metodologia para amostragens espacialmente homogêneas em relação à

amostragem aleatória em riachos de cabeceira e reservatórios hidrelétricos.

Palavras chave: Estatística espacial, sistemas informativos geográficos,

monitoramento de recursos ambientais em escala regional.

1. Introdução

Avaliações ambientais em bacias hidrográficas devem considerar

amostragens a fim de avaliar padrões de distribuição de espécies e relações com

parâmetros físicos e químicos, considerando limitações como tempo de

amostragem e processamento, recursos humanos e financeiros. Os objetos

destes estudos são tipicamente identificados por sua localização geográfica, ao

contrário de pesquisas clássicas de amostragem nas quais a variável “espaço”

não é contemplada (Stevens & Olsen, 2004; Theobald et al., 2007). Neste

2 Resumo expandido publicado nos anais do VI Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto: Macedo, D.R., Callisto, M., 2012. Desenho amostral espacialmente balanceado na avaliação ambiental de uma bacia hidrográfica no Cerrado Mineiro. in: VI Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto – GEONORDESTE. Instituto de Pesquisas Espaciais, Aracaju, Brasil, pp. 1-5.

Page 74: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

60

contexto, levantamentos amostrais em estudos ambientais devem contemplar a

variável espacial em seu desenho amostral (Theobald et al., 2007). Durante

muitos anos levantamentos ambientais utilizaram amostras tendenciosas, sem

critério espacial, procurando amostrar ambientes pré-definidos, ou de melhor

acesso, excluindo outras importante áreas (Larsen et al., 2008). Em regiões

tropicais este é um problema ainda mais grave do que em regiões temperadas,

pois a nossa biodiversidade, apesar de ser maior, ainda é menos conhecida

(Dudgeon et al., 2006). Neste contexto, a amostragem espacialmente balanceada,

construída através de probabilidades, é capaz de selecionar amostras que de fato

reflitam o padrão espacial da área de estudo (Theobald et al., 2007). Nos EUA

esta abordagem já é utilizada tanto em escala nacional quanto regional (Olsen &

Peck, 2008), porém, no Brasil é uma abordagem ainda recente, na qual os

primeiros estudos contemplando amostragens com este tipo de desenho ainda

são raros (Macedo et al., 2012; Ligeiro et al., 2013). Por se tratar de uma

abordagem de natureza espacial, o seu desenvolvimento em Sistemas

Informativos Geográficos (SIGs) é extremamente vantajosa pois, além de

proporcionar a visualização da área de estudo, também possibilita que a

amostragem seja definida a partir das feições espaciais tipicamente tratadas em

SIGs, como pontos (p.ex. o centroide de um trecho de rio ou de um lago), linhas

(p.ex. uma estrada ou um riacho), polígonos (p.ex. lagos, manchas de vegetação,

bacias hidrográficas) (Theobald et al., 2007) ou a partir das células de uma

superfície representada por um raster. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é

construir e validar redes de amostragem espacialmente balanceadas para o

monitoramento de bacias hidrográficas no Cerrado Mineiro, considerando riachos

de cabeceira e reservatórios hidrelétricos através de rotinas de SIG e Estatística

Espacial.

2. Material e Métodos

A abordagem utilizada neste estudo é baseada em GRTS (Generalized

Random-Tessellation Stratified) onde o desenho amostral é hierárquico e

espacialmente balanceado, e pode ser aplicado a pontos, linhas e polígonos

(Stevens & Olsen, 2004). Este abordagem é baseada na conversão de todos os

Page 75: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

61

objetos (p. ex. trechos da rede de drenagem) distribuídos em um plano espacial

(latitudes e longitudes; bidimensional) para um plano unidimensional, neste caso,

um único vetor, como se fosse uma grande avenida, e cada observação, um

endereço hierarquicamente distribuído (Stevens & Olsen, 2004). O desenho

amostral espacialmente balanceado foi desenvolvido para o reservatório de Nova

Ponte (Minas Gerais), e em trechos de rios de ordens e dimensões de largura e

profundidade semelhantes (“wadeable streams”, rios capazes de serem

atravessados a pé por um adulto mediano; Kaufmann et al., 1999) a montante do

reservatório a um alcance de até 35 km de distância (Figura 1). Esse reservatório

foi construído para a geração de energia elétrica e é gerenciado pela Companhia

Energética de Minas Gerais (CEMIG).

Figura 1. Localização da área de estudo na bacia do rio Araguari, MG.

Esta abordagem faz parte de um amplo programa de pesquisas que utiliza

levantamentos de assembleias de macroinvertebrados bentônicos e peixes para

avaliar a integridade biótica de riachos de cabeceira e reservatórios hidrelétricos.

Para a construção da rede de amostragem nos riachos foi utilizada a rede de

drenagem contida nas cartas topográficas (escala 1:100.000) do IBGE e DSG,

digitalizadas pelo Projeto Geominas (ver Vegi et al., 2011). A rede de drenagem

foi topologicamente corrigida através do ArcGis Desktop, e a ordem segundo

Strahler (1957) foi atribuída através do programa Hydroflow (Ramos & Silveira,

2008). O sorteio espacial foi conduzido no Software R (R Development Core

Team, 2010) através da biblioteca Spsurvey (Kincaid, 2009). Os pontos sorteados

Page 76: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

62

dentro do reservatório foram eliminados, e os 40 melhores pontos ranqueados (1ª-

3ª ordens) foram selecionados.

As amostragens no reservatório de Nova Ponte foram conduzidas apenas

na região litorânea e o perímetro foi construído através de imagens de satélite. O

polígono que representa o reservatório foi extraído de uma imagem Landsat com

a composição R7G5B4, eliminando a penetração de luz na água (Jensen, 2006).

Foi utilizado o método de classificação Maxver para identificar apenas o corpo

d’água, utilizando o software SPRING/INPE. O sorteio foi adaptado de Stevens &

Olsen, 2004, e a rotina implementada diretamente no ArcGis Desktop. A feição do

perímetro do reservatório foi convertida de linha para pontos; um ponto foi

aleatoriamente sorteado e a partir deste ponto, seguindo a margem, 40 pontos

foram equidistantemente selecionados.

Para testar a eficiência do sorteio espacialmente balanceado, foi utilizada a

área de polígonos de Thiessen (ou Voronoi) construídos a partir dos pontos

espacialmente balanceados, comparando-os com a área de polígonos

construídos a partir de amostragem aleatória. A amostragem é espacialmente

balanceada quando as áreas dos polígonos ao redor dos pontos sorteados são

similares (baixa variância da área dos polígonos) (Stevens & Olsen, 2004;

Theobald et al., 2007). A eficiência foi testada através da razão entre a variância

da área dos polígonos das amostras espacialmente balanceadas sobre as

amostras aleatórias: se a razão < 1.0, a amostragem espacial é mais eficiente que

a amostragem aleatória (Stevens & Olsen, 2004).

3. Resultados e Discussão

A utilização de SIGs foi essencial na execução da rede de amostragens

espacialmente balanceada. Em primeiro lugar, na manipulação de dados vetoriais

para a construção de uma rede de drenagem topologicamente consistente em

ambiente SIG, para que fosse possível a classificação da rede de drenagem

segundo os critérios de Strahler (1957). No Brasil, é recorrente o problema com a

aquisição de rede de drenagem em escala entre 1:50.000 e 1:100.000: além da

carência de dados em formato vetorial, ainda deve-se considerar que o

Page 77: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

63

mapeamento foi executado por duas instituições e metodologias distintas. Uma

alternativa para contornar esta dificuldade é a geração de rede de drenagem a

partir de modelo digital de elevação, como executado por Guimarães et al. (2008)

para Minas Gerais. Para a construção dos limites do reservatório, a solução foi

mais simples, pois foi baseada no processamento de imagens do período de

cheia.

No Brasil pesquisas ecológicas que contemplem vastas regiões ainda são

raros e não apresentam desenho amostral espacialmente balanceado. Estudos

regionais desenvolvidos em rios e riachos do sudeste mostram redes amostrais

espacialmente desbalanceadas, focando em pontos específicos ou com áreas

mais densamente amostradas que outras (p.ex. Casatti et al., 2008; Moreno et al.,

2009). Estudos em reservatórios também apresentam esta característica (p.ex.

Petesse et al., 2007). Os resultados das amostragens na bacia hidrográfica do

reservatório de Nova Ponte evidenciaram que tanto em riachos, quanto em

reservatórios, a variância no tamanho nos polígonos de Voronoi foi menor na

amostragem espacialmente balanceada (Figuras 2 e 3, respectivamente). A razão

entre a área dos polígonos das amostras espacialmente balanceadas e

aleatorizadas corroboram estes resultados: 0,48 para riachos e 0,36 para o

reservatório. Razões entre 0,3 e 0,5 também foram encontradas por Theobald et

al. (2007), para os testes comparativos de amostragens variando entre 10 e

10.000 estações. A construção de uma rede mestra, como utilizado para os

riachos abre a possibilidade para a criação de uma ampla rede de amostragem,

na qual as estações amostrais podem ser substituídas a cada ciclo temporal, ou

devido à possibilidade de ampliação ou redução do esforço amostral, por

questões financeiras ou de acesso, sem perder a homogeneidade espacial

(Larsen et al., 2008).

Page 78: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

64

Figura 2. Área dos polígonos de Voronoi para (A) amostragem aleatória e (B) amostragem espacialmente balanceada, bacia do Alto rio Araguari.

Figura 3. Área dos polígonos de Voronoi para (A) amostragem aleatória e (B) amostragem espacialmente balanceada, reservatório de Nova Ponte, Alto rio Araguari.

Page 79: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

65

4. Conclusões

O desenvolvimento metodológico cumpriu os objetivos de se construir

redes de amostragens espacialmente balanceadas para dois tipos de ambientes,

riachos e reservatório hidrelétrico. A utilização de SIGs foi essencial na

construção destas redes. Com a crescente demanda de estudos ambientas em

nível regional no Brasil, espera-se que esta abordagem seja cada vez mais

presente nestas pesquisas.

Agradecimentos

Os autores agradecem o financiamento do Programa Peixe-Vivo/CEMIG e

os apoios do CNPq, CAPES e FAPEMIG através de bolsas de estudos, além da

colaboração de estudantes de graduação, biólogos e técnicos das equipes

envolvidas nesta rede de pesquisas transdisciplinares com participação da

UFMG, UFLA, PUC-Minas, CEFET-MG, Oregon State University e US

Environmental Protection Agency.

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Page 82: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

68

CAPÍTULO 3. THE RELATIVE INFLUENCE OF CATCHMENT AND SITE VARIABLES ON FISH AND MACROINVERTEBRATE RICHNESS IN CERRADO BIOME STREAMS 3

Abstract

Landscape and site-scale data analyses aid the interpretation of biological

data and thereby help us develop more cost-effective natural resource management

strategies. We evaluated how three classes of environmental variables (natural

landscape, land use and cover, and site habitat), influence fish and

macroinvertebrate assemblage richness in the Brazilian Cerrado biome. We

analyzed our data through use of multiple linear regression (MLR) models using the

three classes of predictor variables alone and in combination. The four MLR models

explained dissimilar amounts of benthic macroinvertebrate taxa richness (natural

landscape R2≈35%, land use and cover R2≈28%, site habitat R2≈36%), and

combined R2≈51%. For fish assemblages, natural landscape, land use and cover,

site habitat, and combined models explained R2≈28%, R2≈10%, R2≈31%, and

R2≈47% of the variability in fish species richness, respectively. We conclude that 1)

environmental variables differed in the degree to which they explain assemblage

richness, 2) the amounts of variance in assemblage richness explained by natural

landscape and site habitat were similar, 3) the variables explained more variability in

macroinvertebrate taxa richness than in fish species richness, and 4) all three

classes of environmental variables studied were useful for explaining assemblage

richness in Cerrado headwater streams.

Key Words : Landscape Ecology, Brazil, savanna, streams, physical habitat

structure, anthropogenic pressures, biological diversity, multiple linear regression

models, partition of variance.

3 Manuscrito em revisão na revista Landscape Ecology: Macedo, D.R., Hughes, R.M., Ligeiro, R., Ferreira, W.R., Castro, M.A., Junqueira, N.T., Oliveira, D.R, Firmiano, K.R., Kaufmann, P.R., Pompeu, P.S, Callisto, M.

Page 83: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

69

1. Introduction

Aquatic freshwater ecosystems are the most threatened environments in the

world (Dudgeon et al., 2006), with species extinctions exceeding those of terrestrial

environments (Sala et al., 2000). Richness is a common measure of biodiversity, and

understanding richness patterns and pressures at various spatial scales is essential

to reduce biodiversity loss, because we can use it as an indicator of resistance and

resilience to disturbance, habitat simplification, and biological condition (Hughes &

Noss, 1992; Vinson & Hawkins, 1998). Fish and macroinvertebrate assemblages are

the most commonly used taxonomic groups for assessing stream condition in large

national and continental monitoring programs because of their values as indicators

(e.g. Hughes & Peck, 2008; Marzin et al., 2012, USEPA, 2013), so we also focused

on those two groups. It is assumed that environmental patterns at various spatial

scales of analysis within a watershed directly affect the structure of biological

communities (Vannote et al., 1980; Frissell et al., 1986; Tonn, 1990). Further, the

differing sensitivities, mobilities and physiologies of fish and benthic

macroinvertebrate assemblages should yield differing correlations with (or

sensitivities to) environmental variables, especially those measuring anthropogenic

pressures and site habitat (e.g., Wang et al., 1997; Lammert & Allan, 1999; Walser &

Bart, 1999; Hrodey et al., 2009; Walters et al., 2009; Marzin et al., 2012).

At a broad spatial scale, geodynamic factors (e.g., climate, geology,

topography) influence the geomorphic processes that govern smaller scale energy

inputs and site habitat structure for aquatic assemblages (Frissell et al., 1986; Allan,

2004; Goldstein et al., 2007). In addition, those geodynamic factors influence human

occupation and land and water use (Whittier et al., 2006; Steel et al., 2010).

Geodynamic factors, land use, and human impacts in a watershed affect the

structure and composition of riparian zones and substrates which directly affect the

availability of site habitats for aquatic assemblages (Wang et al., 1997; Allan, 2004).

Although recognizing the importance of landscape variables on sites, site-scale

physical and chemical habitats are regarded as primary factors influencing the

structure and composition of aquatic assemblages (Vannote et al., 1980; Frissell et

al., 1986; Allan, 2004) because of their greater proximity to the organisms. Therefore,

the hierarchical organization of various environmental factors and spatial scales

Page 84: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

70

affect the characteristics of aquatic assemblages (Hierarchy Theory; O’Neill et al.,

1989; Figure 1). However, because site-scale chemical and physical habitats are

structured by environmental factors at the catchment scale, it is difficult to understand

the importance of various levels of environmental variables on aquatic communities

(Frissell et al., 1986; Allan, 2004). Nonetheless, with increased availability of digital

maps of landscape variables and greater statistical computing power, various

combinations of those variables have been used to explain biological patterns across

multiple biomes and ecoregions (Wang et al., 2006; Sály et al., 2011; Marzin et al.,

2012b).

Figure 1. Hierarchical organization and interactions of landscape elements. The arrow indicates the influence of each environmental factor on the lower hierarchical level.

Savanna biomes are distributed across tropical zones around the world (IBGE

1991). In South America, the Cerrado is the largest savanna biome, the second

largest biome in Brazil (smaller only than the Amazon), and represents about 23% of

Page 85: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

71

Brazil (Ratter et al., 1997). This biome is a world biodiversity hotspot with many rare

and endemic species (Myers et al., 2000). It is one of the world's most threatened

biomes, mainly because of the replacement of natural vegetation by pastures and

row crops (Ratter et al., 1997; Myers et al., 2000). Thus, the multiple impacts of

anthropogenic influences threaten Cerrado rivers, mainly by pollution and

sedimentation (Wantzen et al., 2006). Although well studied around the world (e.g.,

Vinson & Hawkins, 1998; Beauchard et al., 2003; Clarke et al., 2008; Oberdorff et al.,

2011), spatial patterns in aquatic assemblage richness are poorly studied in the

Brazilian Cerrado. Instead, most Cerrado diversity research is centered on the spatial

patterns of richness of terrestrial frogs, birds, and mammals (e.g., Diniz-Filho et al.,

2005; Rangel et al., 2006; Blamires et al., 2008; Melo et al., 2009), leaving an aquatic

knowledge gap to be filled.

Therefore, our objective was to identify how landscape variables assessed at

varying spatial scales influence benthic macroinvertebrate and fish assemblage

richness in the Brazilian Cerrado. We tested two hypotheses: (1) the variability of

natural landscape variables, catchment land use and cover, and site habitat all

influence benthic macroinvertebrates and fish richness; (2) natural landscape

variables influence land use and cover and site habitat, therefore, they affect

macroinvertebrate richness and fish richness more than site variables. Our analytical

approach was based on building multiple linear regression (MLR) models to explain

assemblage richness with three sets of predictor variables: (1) natural landscape

variables that are not influenced by human action, (2) land use and cover that

represent anthropogenic pressures, and (3) site physical and chemical habitat.

2. Methods

2.1. Study Areas

We conducted this study in wadeable 1st-3rd order streams in two Brazilian

Cerrado basins: Upper Rio Araguari Basin (Figure 2-a) and Upper Rio São Francisco

Basin (Figure 2-b). Both study areas were demarcated upstream of the first

hydroelectric plant in each basin (Nova Ponte and Três Marias, respectively). We

Page 86: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

72

collected samples at the end of the dry season in September 2009 (Araguari) and

2010 (São Francisco).

Figure 2. Map of study area showing (A) Upper Araguari Basin, (B) Upper São Francisco Basin and the 80 site locations.

2.2. Site Selection

We randomly selected forty sampling sites in each basin for a total of 80. Site

selection followed the Generalized Random Tessellation Stratified (GRTS) sampling

design developed for the U.S. EPA’s Wadeable Stream Assessment (Stevens &

Olsen, 2004; Olsen & Peck, 2008). Our target was wadeable perennial streams, so

we excluded all tributaries greater than Strahler order 3 on a digital 1:100,000 scale

map. We excluded all stream channels >35 km from the shore of each respective

reservoir to limit the effect of differing fish species dispersal capacities, as

recommended by Hitt & Angermeier (2008).

Page 87: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

73

2.3. Natural Landscape Variables

We calculated rainfall through use of time series data from the Brazilian

National Water Agency (ANA 2011) obtained at 31 stations. Each station had total

annual rainfall records for > 30 years, and those data were extracted, geo-

referenced, and interpolated using ordinary kriging (Johnston et al., 2001). The

overlap grid cell value of mean annual rainfall was transferred to each site.

Through use of GIS software, we extracted geographic variables representing

each of the 80 catchments. Watersheds of each site were manually delineated to the

entire upstream drainage area for each sampled site through use of elevation data

from Shuttle Radar Topographic Mission - SRTM (3 arc second; USGS 2005).

Drainage density (km/km2) was calculated by dividing the total length of streams by

catchment area. Catchment elevation (range, mean and standard deviation) was

extracted directly from SRTM imagery, whereas mean catchment slope was

calculated from the maximum rate of change in elevation in every grid cell, based on

SRTM elevation raster. We calculated the upstream stream segment slope by

dividing the channel length between the site and the mapped initiation of the stream

by the altitude range between the two points. We calculated the proportions of

various geologic units in the catchments after extracting data from Brazil (2004).

Quantitative variables were log transformed and proportional data were arcsine

squared root transformed to improve normality of the distributions.

2.4. Land Use and Cover Variables

We assessed catchment land use and land cover for each site through use of

manual image interpretation. We manually interpreted September Landsat TM

sensor multispectral imagery (R4G3B2 false color band combination) in conjunction

with fine resolution imageries (0.6m to 5m spatial resolution, Google Earth data;

Google, 2010). The fine resolution images provided information about the shape and

texture of the elements, and the Landsat images showed specific spectral response

for each land use or vegetation cover. For example, in multispectral imagery,

vegetation targets are usually the same color (e.g., forest and sugar plantation are

Page 88: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

74

both green), but, their responses in the infrared band are different because their leaf

structures (physiognomies) differ considerably.

Our mapping identified four natural formations (woodland savanna, grassy-

woody savanna, savanna park, wetland palm swamps), and four human influenced

land uses (eucalyptus forest, pasture, agriculture, urban). We also calculated total

natural land cover and total anthropogenic land use by summing the preceding four

land covers and four land uses, respectively. To further characterize anthropogenic

influences on the sites, we measured the distance between each site and nearby

towns and highways. Additionally, we calculated road density in each catchment

(km/km2) by extracting the roads from a digital 1:100,000 scale map and dividing by

catchment area. Finally, the location of each household in the study area was

extracted from the 2010 Brazilian Population Census (IBGE, 2011). From those data

we calculated the density of households (houses/km2) in each catchment and the

proximity of houses to the sites through a spatial proximity kernel (Johnston et al.,

2001), at a distance of up to 10 km between households. We transformed the

variables to improve normality distribution as we did with the natural landscape

variables.

2.5. Site Habitat Variables

We assessed physical habitat through use of pre-printed field forms that could

be quickly and precisely completed by checking or circling options (Peck et al., 2006)

and that are widely used in regional (Kaufman & Hughes, 2006; Kaufmann et al,

2009, Bryce et al, 2010) and national (Hughes & Peck, 2008; Paulsen et al., 2008;

Stoddard et al., 2008) studies. The length of each stream site sampled was 40 times

its mean wetted width, with a minimum length of 150 meters. Each site was divided

into 11 equally spaced transects. At each transect we quantified channel dimensions

(e.g. wetted width, depth, bankfull width), bank angle, riparian vegetation condition

(e.g. tree canopy, understory and ground cover), presence of in-stream fish cover

(e.g. undercut banks, overhanging shrubs, filamentous algae, macrophytes), and

presence of human activities (e.g. pasture, agriculture, trash, pipes). Between

transects, we determined channel slope (with a clinometer) and sinuosity (with a

compass) and at every 1.5 m we recorded flow habitat type (e.g. riffles, pools, glides,

Page 89: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

75

etc.) and thalweg depth. Substrate size was sampled by visually classifying the

diameter class (e.g. sand, gravel, boulder) of a total of 105 individual particles in five

systematic points distributed across 21 cross-sections of the wetted channel to

ensure stable and precise substrate estimates (Kaufmann et al., 1999). We

measured instantaneous discharge at a cross section with non-turbulent or near-

laminar flow in or near the site (Peck et al., 2006) and calculated physical habitat

metrics as described in Kaufmann et al. (1999), but with relative bed stability (Lrbs),

calculated as recommended by Kaufmann et al. (2009).

We measured temperature, electrical conductivity, pH, and dissolved solids

(TDS) in situ with a multiprobe. In the laboratory, dissolved oxygen, turbidity, total

alkalinity, total nitrogen, and total phosphorus were analyzed following APHA (1998).

We log transformed water physical and chemical variables when necessary.

2.6. Benthic Macroinvertebrate Sampling

We sampled benthic macroinvertebrate assemblages through use of D-frame

kick nets (30 cm aperture, 500 µm mesh). Sampling followed a systematic zig-zag

pattern, with the first transect sampled near the left margin, the second transect

sampled in mid-channel, the third transect near the right margin, and so on. In each

site’s eleven transects we sampled a 0.09 m2 quadrat, totaling 1 m2 per site. This

sampling area and distribution were found sufficient to yield typically 500 individuals,

sample all major habitat types, and provide sufficiently precise and accurate

estimates of macroinvertebrate taxa richness for regional (Li et al., 2001; Cao et al.,

2002; Gerth & Herlihy, 2006) and national (Hughes & Peck, 2008; Paulsen et al.,

2008; Stoddard et al., 2008) studies. The samples were preserved in the field with

4% formalin and taken to the laboratory. In the laboratory, the samples were washed

through a 500 µm mesh sieve, sorted, and identified under stereo microscopes at

32X. We identified specimens to family, except for Annelida, Mollusca and

Arachnida, with the aid of Pérez (1988), Merritt & Cummins (1996), and Mugnai et al.

(2010). The specimens were cataloged and deposited in the macroinvertebrate

reference collection of the Federal University of Minas Gerais.

Page 90: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

76

2.7. Fish Sampling

We sampled fish assemblages with two hand nets made from mosquito screen

(1 mm mesh) attached to an 80 cm hemispherical steel frame. We used a single type

of net because we could thrust them into macrophyte beds and under overhanging

banks and vegetation, drive fish into them by overturning rocks immediately

upstream of the net and allowing the current to flush fish into the nets, and by

dashing and splashing through pools and driving fish downstream into the nets. Each

site was sampled for two hours (12 minutes between each of 10 transects, which was

adequate for these small and shallow headwater streams), thoroughly lifting

substrates and netting between each transect. The efficiency of this method was

previously tested through use of various estimators, whose efficiency of 78-85% for

both benthic and water column species, was superior to several other studies

conducted in Brazil (Junqueira, 2011), considering the high beta diversity in a

neotropical hotspot (Allan & Flecker, 1993). Fish were tagged separately by transect

and preserved in 10% formalin. In the laboratory, fish were identified to species

through use of Britski et al. (1988) and Graça & Pavanelli (2007), preserved in 70%

ethanol, and deposited in the fish reference collection of the Federal University of

Lavras.

2.8. Data Analyses

Our statistical approach was based on the construction of multiple linear

regression (MLR) models. This approach is widely used to build explanations and

inferences about the environmental patterns that potentially affect species richness

(e.g., Mac Nally, 2000; Diniz-Filho et al., 2003; Graham, 2003). The environmental

variables were divided into three groups: natural landscape variables that are not

controlled by human action, anthropogenic pressure variables represented by land

use and land cover variables, and site variables. First, we eliminated the

environmental variables that had more than 90% of values as zero. We next

analyzed Pearson correlations among the remaining 87 candidate predictor variables

to identify highly correlated variables (r > |0.8|; see Supplementary Table). Third, we

calculated Pearson correlations between those variables and richness values. Then

Page 91: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

77

we screened predictor variables by examining Pearson correlations between

candidate predictor variables (only those not highly correlated with each other) and

richness values, limiting the number of potential predictors for the creation of MLR

models to those having correlations with r > |0.1|.

To evaluate the best environmental level to explain both fish species richness

and macroinvertebrate family richness, we developed three multivariate models of

the three metric groups separately (natural landscape variables, land use and land

cover, and site habitat), through stepwise regression (forward selection; P-to enter =

0.15). Each model was validated by analyzing the normality (Harrel, 2001) and

spatial autocorrelation of its residuals (Diniz-Filho et al., 2003; Rangel et al., 2010).

The separate models were assessed through use of Corrected Akaike Information

Criteria values (Burnham & Anderson, 2002), which is used for small datasets. We

use ∆AICc and AICc weight (wi) to compare the model fit: when ∆AICc is < 2, the

given models are equivalent and AICc (wi) is interpreted via the probability (0-1) that

the given model yields the best fit (Burnham & Anderson, 2002).

To evaluate the relative influence of each environmental level on the richness

of both assemblages, we performed partial linear regression (Legendre & Legendre,

1998). First, we developed a new MLR from the set of all environmental variables,

using the same screening criteria used in developing the three separate models. The

fish and macroinvertebrate combined models were analyzed by variance partitioning,

to evaluate the relative importance of each set of variables on the combined model

performance (Legendre & Legendre, 1998; Goldstein et al., 2007).

3. Results

We identified 84 benthic macroinvertebrate taxa and 77 fish species, with 77

benthic macroinvertebrate taxa and 38 fish species in the Upper Araguari Basin, and

80 and 54, respectively, in the Upper São Francisco Basin. Few environmental

variables were highly correlated (r > |0.8|); most correlations were between r > |0.3|

and r < |0.5| (Supplementary Table).

Stream sites occurred in catchments with variable area, drainage density,

altitude, and slope, but with rainfall generally <1500 mm. The predominant geological

Page 92: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

78

units were schist and mudstones. Phyllites, arkoses, sandstones and conglomerates

occurred in smaller proportion, but in equal values among them. Sedimentary rocks

occupy most of the study area (Table 1). Overall, the sampled watersheds had

moderate levels of natural cover, low levels of pasture and agriculture, and very low

levels of urbanization and non-native eucalyptus forest; sites were distant (> 6 km)

from urban centers and highways. Most sites were shallow and narrow, dominated by

fine sediment with low geometric mean diameter. The flow habitat type was

predominantly slow water, mostly glides. Riparian gallery forests were typical of the

Cerrado, with a predominance of mid-canopy and understory cover. Site human

disturbances were mostly agricultural (pasture, agriculture. and eucalyptus forest)

rather than cities or roads. The water quality was good, with high concentrations of

dissolved oxygen, and low levels of total nitrogen, total phosphorus, turbidity, and

dissolved solids (Table 1).

Page 93: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

79

Table 1. Relationships between Environmental Variables and Assemblage Richness.

Variable (code - description) Transformation Mean ± Std Macro-invertebrate Richness

Fish Richness

Natural landscape

Dren_area - drainage area (km2) Log(x ) 27.97 ± 38.15 0.138 0.325***

Dren_den - drainage density (km/km2) Log(x ) 1.42 ± 0.81 0.358*** 0.056

Altitude - site altitude (m) Log(x ) 771.96 ± 125.87 -0.171 -0.083

Elev_range- range basin elevation (m) Log(x ) 162.3 ± 77.74 0.323*** 0.391****

Elev_mean - average basin elevation (m) Log(x ) 849.50 ± 133.31 -0.104 -0.024

Elev_std - std. dev. basin elevation Log(x ) 35.36 ± 17.03 0.278** 0.299***

Slope_range - range basin slope (%) Log(x ) 24.29 ± 12.18 0.320*** 0.363***

Slope_mean - average basin slope (%) Log(x ) 7.72 ± 3.08 0.240* 0.130

Slope_std - std. dev. basin slope Log(x ) 4.16 ± 1.86 0.209* 0.190*

Rainfall - total annual rainfall (mm/m2) Log(x ) 1425.84 ± 183.77 -0.307*** -0.237**

Thalweg_slope - slope of thalweg (%) Log(x ) 3.1 ± 1.9 0.286* 0.259**

Geology (rock type)

%_Schist (Metamorphic) √(arcsin(x )) 31.81 ± 53.15 -0.137 0.093

%_Phyllite (Metamorphic) √(arcsin(x )) 14.42 ± 38.82 0.330*** 0.065

%_Sandstone (Sedimentary) √(arcsin(x )) 12.61 ± 34.39 -0.372*** -0.302***

%_Arkose (Sedimentary) √(arcsin(x )) 10.51 ± 27.19 0.126 0.071

%_Mudstone (Sedimentary) √(arcsin(x )) 35.96 ± 50.07 0.046 -0.046

%_Conglomerate (Sedimentary) √(arcsin(x )) 14.26 ± 27.40 0.059 0.178

Land use and cover

%_Woodland - pct. of woodland savanna √(arcsin(x )) 15.63 ± 10.70 0.135 0.005

%_Parkland - pct. of parkland savanna √(arcsin(x )) 13.64 ± 21.67 0.487**** 0.200*

%_Grassy_woody - pct. of grassy-woody sav. √(arcsin(x )) 10.63 ± 12.10 0.102 -0.002

%_Wetland - pct. of wetland √(arcsin(x )) 0.95 ± 2.45 -0.333*** 0.006

%_Eucaliptus - pct. of eucaliptus forest √(arcsin(x )) 1.85 ± 4.37 0.021 0.191*

%_Pasture - pct. of pasture use √(arcsin(x )) 28.64 ± 21.80 0.030 0.098

%_Agriculture - pct. of agriculture use √(arcsin(x )) 24.78 ± 30.42 -0.294*** -0.129

%_Natural - pct. of natural land cover √(arcsin(x )) 39.90 ± 23.23 0.499**** 0.118

City_dist - distance to cities (km) Log(x ) 16234.4 ± 9571.20 0.292*** 0.176

Highway_dist - distance to paved highways (km) Log(x ) 6034.93 ± 4834.25 0.246* 0.087

Road_density - density of roads in catchment

(km/km2)

Log(x ) 0.15 ± 0.10 -0.169 -0.124

House_prox - distance to homes Log(x ) 6.89 ± 15.6 -0.364*** -0.149

House_density - density of homes in the basin

(houses/km2)

Log(x ) 0.85 ± 0.79 -0.154 0.098

Pearson correlations

Page 94: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

80

Table 1. Cont.

Variable (code - description) Transformation Mean ± Std Macro-invertebrate Richness

Fish Richness

Site habitat (morphology)

Reachlen - length of sample reach (m) 167.3 ± 46.65 0.107 0.323***

Xdepth - mean thalweg depth (cm) 38.13 ± 16.62 -0.048 0.064

Xwidth - mean wetted width (m) 3.11 ± 2.01 0.310*** 0.287**

Xbkf_w - mean bankfull width (m) 5.85 ± 2.89 0.399**** 0.271**

Xbkf_h - mean bankfull height (m) 0.85 ± 0.30 0.079 -0.051

Xwxd - mean width x mean depth (m2) 1.27 ± 1.20 0.205* 0.272**

Xwd_rat - mean width/depth ratio (m/m) 8.98 ± 6.23 0.273** 0.182

Xbk_a - mean bank angle (degrees) 47.64 ± 18.92 -0.190 -0.020

Xslope - water surface gradient over reach (%) 11.63 ± 8.610 -0.132 -0.006

Sinu - channel sinuosity 1.41 ± 0.48 -0.003 0.066

Site habitat (substrate)

Xembed - mean enbeddedness (%) 61.23 ± 22.43 -0.297*** 0.003

Pct_bdrk - pecentage of bedrock (> 4000 mm) 0.06 ± 0.11 0.176 -0.022

Pct_bl - pct. of boulders (250 to 4000 mm) 0.06 ± 0.09 0.062 -0.079

Pct_cb - pct. of cobble (64 to 250 mm) 0.07 ± 0.10 0.155 -0.110

Pct_gc - pct. of coarse gravel (16 to 64 mm) 0.05 ± 0.09 -0.045 -0.077

Pct_gf - pct. of fine gravel (2 to 16 mm) 0.12 ± 0.14 0.006 -0.056

Pct_sa - pct. of sand (0.6 to 2 mm) 0.17 ± 0.19 -0.114 0.011

Pct_fn - pct. of fines (< 0.06 mm) 0.38 ± 0.34 -0.048 0.1124

Pct_wd - pct. of wood 0.01 ± 0.02 -0.002 -0.030

LSubDmm - Log10 estimated geometric mean

substrate diameter (mm)

-0.22 ± 1.279 0.150 -0.128

Lrbs - Log10 relative bed stability (dimensionless: m/m) -2.98 ± 1.307 0.182 -0.096

Site habitat (flow)

Pct_gl - percentage of glides 0.48 ± 0.28 -0.097 0.298***

Pct_fast - percentage of rapids and riffles 0.19 ± 0.17 -0.079 0.04

Pct_pool - percentage of pools 0.34 ± 0.35 0.1161 -0.260**

Q - instantaneous discharge (m3/s) 0.07 ± 0.11 0.085 0.078

Site habitat (canopy)

Xcdenmid - mean mid-channel canopy density (%) 75.04 ± 23.18 0.100 -0.257**

Xcl - mean canopy cover > 0.3m DBH 7.32 ± 9.20 -0.067 -0.016

Xcs - mean canopy cover <= 0.3m DBH 16.14 ± 11.75 0.000 0.035

Xmw - mean woody mid-layer cover 21.56 ± 11.60 -0.087 -0.127

Xmh - mean herbaceous mid-layer cover 12.07 ± 10.22 0.011 0.036

Xgw - mean woody ground-layer cover 12.4 ± 7.78 -0.037 -0.050

Xgh - mean herbaceous ground-layer cover 28.94 ± 20.60 -0.022 0.309**

Xc - mean riparian veg canopy cover 23.46 ± 19.00 -0.032 0.013

Xm - mean riparian veg mid-layer cover 33.63 ± 16.91 -0.052 -0.065

Xg - mean riparian veg ground cover 41.35 ± 21.69 -0.034 0.275**

Xpcan - present riparian canopy (fraction of reach) 0.86 ± 0.22 0.211* -0.082

Xpmid - present riparian mid-layer (fraction of reach)

0.96 ± 0.10 0.168 -0.045

Xpgveg - present riparian ground-layer (fraction of reach)

0.99 ± 0.03 0.031 -0.024

Pearson correlations

Page 95: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

81

Table 1. Cont.

Variable (code - description) Transformation Mean ± Std Macro-invertebrate Richness

Fish Richness

Site habitat (fishcover)

Xfc_alg - prop. areal cover filamentous algae 2.55 ± 7.21 0.081 0.056

Xfc_aqm - prop. areal cover aquatic macrophyte 2.35 ± 6.89 0.030 0.256**

Xfc_lwd - prop. areal cover large woody debris 2.77 ± 5.44 0.065 -0.039

Xfc_brs - prop. areal cover brush 9.49 ± 13.0 0.151 -0.134

Xfc_ucb - prop. areal cover undercut banks 4.36 ± 5.36 -0.206* -0.111

Xfc_rck - prop. areal cover boulders 13.51 ± 20.11 0.269** 0.025

Xfc_hum - prop. areal cover anthropogenic 1.28 ± 8.95 -0.175 -0.081

Xfc_nat - prop. areal cover natural fish 41.2 ± 26.0 0.219* -0.023

Site habitat (human presence)

w1_hall - riparian human disturbance (all types) 1.15 ± 0.85 -0.195* -0.001

w1_hnoag - riparian human disturbance (non-agricultural type)

0.47 ± 0.62 -0.242** 0.064

w1_hag - riparian human disturbance (agricultural type)

0.67 ± 0.51 -0.014 0.080

Site habitat (water physical and chemical)

Temp - temperature (°C) Log(x ) 18.8 ± 2.35 -0.099 0.121

pH - potential of hydrogen 7.29 ± 0.61 0.128 0.172

Cond - electrical condutivity (mS/cm) Log(x ) 49.66 ± 71.17 0.085 0.078

TDS - total dissolved solids (mg/L) Log(x ) 28.16 ± 28.14 0.217* 0.129

Alk - alkalinity (mequiv./L) Log(x ) 430.24 ± 650.91 0.219 0.098

Turb - turbidity (NTU) Log(x ) 7.89 ± 12.6 -0.259** 0.076

DO - dissolved oxygen (mg/L) Log(x ) 7.57 ± 2.17 0.180 0.160

Nitrogen - total nitrogen (mg/L) Log(x ) 0.15 ± 0.70 0.019 -0.080

Phosphorus - total phosphorus (mg/L) Log(x ) 0.04 ± 0.11 -0.319*** -0.224**

*p< 0.1; **p< 0.05; ***p< 0.01; ****p< 0.001

Pearson correlations

3.1. Relationships between Environmental Variables and Assemblage Richness

Both benthic macroinvertebrate and fish assemblage richness were weakly to

moderately correlated with all three classes of metrics studied (Table 1).

In relation to the natural landscape, both assemblage richnesses were

similarly correlated with rainfall (negative), elevation, and slope patterns. Fish

species richness was correlated with basin area and benthos taxa richness with

drainage density. Both assemblage richnesses were negatively correlated with

sandstones and, macroinvertebrate richness was correlated with phyllites.

Regarding land use and cover, fish and macroinvertebrate richness showed

distinct correlations: benthos richness was moderately and negatively correlated with

Page 96: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

82

agricultural and urban land use, but positively with natural land cover, especially

parkland savanna. Fish richness was weakly correlated negatively with urban land

use and positively with parkland savanna and eucalyptus planted forest.

At the site scale, morphological parameters showed similar results with both

assemblages: positive and moderate correlation with wetted width, bankfull width,

and wetted area. Fish richness also correlated positively with the length of the

sampled reach. There was no correlation between substrate and fish assemblages;

benthos correlated only with excess fines (negatively) and relative bed stability.

Neither assemblage was correlated with the presence of wood substrate.

Macroinvertebrates were not correlated with flow habitat type, but fish were

correlated with pools (negatively) and glides. The results for riparian vegetation

conditions were also different: benthos richness was only weakly correlated with

canopy presence whereas fish responded positively to canopy absence (negative

with shading and positively with presence of ground-layer cover). Fish richness was

correlated with macrophyte cover, whereas benthos richness was correlated with

sum of natural types of fish cover, but particularly with boulder cover. Riparian

disturbance was correlated only with macroinvertebrates, mainly to non-agricultural

types. Regarding water chemistry, phosphorus was negatively correlated with both

assemblages, but more strongly with benthos richness, which also was negatively

correlated with turbidity. Other water quality parameters, such as dissolved oxygen

and nitrogen, were not correlated significantly with the richness of either assemblage.

3.2. Multiple Linear Regression (MLR) Models

The MLRs built with natural landscape and site habitat explained similar

amounts of macroinvertebrate richness: ≈35% and ≈36%, respectively, and ∆AICc <

2. Land use and cover explained ≈28% (Table 2). The natural landscape model was

composed of elevation range, drainage density, phyllite and rainfall (negatively). The

land use and cover model was composed of percentage of wetland (negatively), and

percentage of natural cover. The site habitat MLR was composed of phosphorus,

natural fish cover, undercut bank fish cover, bankfull width, and presence of canopy

layer. The AIC (wi) results indicated that the natural landscape MLR had greater

explanatory power than the other models, with a probability of 0.56, versus 0.33 and

Page 97: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

83

0.11 for the site and land use and cover models, respectively. None of the MLRs had

spatially correlated residuals (Figure 3).

Table 2. Natural landscape, land use and cover, and site habitat MLRs of benthic macroinvertebrate richness.

Variable code β Std-Error R2 AICc ∆AICc AICc(wi )

Natural Landscape 0.355*** 524.01 0.00 0.56

Dre_density 8.06 3.34

Elev_range 5.38 3.64

Rainfall -45.23 13.22

%_Phyllite 6.89 1.87

Site Habitat 0.365*** 525.11 1.10 0.33

Phosphorus -57.41 20.60

Xbkf 1.01 0.25

Xcdenmid 0.09 0.03

Xfc_ucb -0.39 0.13

Xfc_nat 0.05 0.03

Land Use and Cover 0.283*** 527.29 3.27 0.11

%_Wetland -17.09 8.94

%_Natural 15.35 3.57

***p < 0.001.

Figure 3. Residuals spatial autocorrelation of benthic macroinvertebrate richness models: (A) Natural landscape model; (B) Land use and cover model; (C) Site habitat model; and (D) Combined model.

Regarding fish, the natural landscape MLR was composed of sandstones

(negative), drainage area, slope range, and thalweg slope and explained ≈28% of

species richness (Table 3). The land use and cover model was the weakest,

explaining only ≈10% and was composed of house density, percent parkland and city

distance. The site habitat model explained ≈31% of richness and was composed of

Page 98: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

84

phosphorus (negative), percentage of glides, proportion of macrophyte cover, length

of sampled reach and proportion of ground-layer cover, with an AIC (wi) of 0.62,

versus 0.38 and for natural landscape and 0.00 for land use and cover. Like benthos,

the natural landscape and site habitat models for fish were similar (∆AICc < 2).

Furthermore, the MLRs had no spatially correlated residuals (Figure 4).

Table 3. Natural landscape, land use and cover, and site habitat MLRs of fish richness.

Variable code β Std-Error R2 AICc ∆AICc AICc(wi )

Site Habitat 0.310*** 425.32 0.00 0.62

Reachlen 0.03 0.01

Pct_gl 3.06 1.36

Xgh 0.03 0.02

Xfc_aqm 0.10 0.06

Phosphorus -22.91 10.97

Natural Landscape 0.280** 426.32 1.00 0.38

Dre_area 1.58 0.67

Slope_range 3.25 2.10

Thalweg_slope 3.28 1.52

%_Sandstone -2.94 1.10

Land Use and Cover 0.098* 442.04 16.72 0.00

%_Parkland 2.61 1.49

City_dist 1.32 0.78

House_density 4.93 2.61

*p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001.

Figure 4. Residuals spatial autocorrelation of fish richness models: (A) Natural landscape model; (B) Land use and cover model; (C) Site habitat model; and (D) Combined model.

3.3. Partial Linear Regression Models

The macroinvertebrate richness model based on the combined three sets of

variables explained ≈52% of the macroinvertebrate richness, and was based on

Page 99: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

85

percent phyllites, rainfall, percentages of natural cover and wetland, total phosphorus

concentration, and undercut bank fish cover (Table 4). The variance partitioning

analysis indicated that land use and cover alone explained ≈14%, natural landscape

≈12%, and site habitat ≈10% of the macroinvertebrate richness. Natural landscape

and land use and cover shared ≈10%, natural landscape and site habitat shared 1%

and land use and cover and site habitat shared < 1% of the explained variance.

Approximately 3% of the explained variance was shared among all three types of

variables.

The composite fish richness model included three natural landscape variables

(percent sandstones (negative), slope range, drainage area), three site variables

(percent glides, proportion of macrophyte cover, ground-layer cover) and only one

land use and cover variable (distance to cities) and explained ≈47% of fish species

richness (Table 5). The variance partitioning analysis indicated that natural

landscape and site habitat explained similar amounts of fish richness (≈22%) and

land use and cover only ≈5%. Natural landscape and land use and cover explained

≈2% of the explained variance, and the other combinations were negative.

Page 100: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

86

Table 4. Benthic macroinvertebrate richness combined model and shared explained variance.

Variable code β Std-Error Total R 2 Nat R 2 LULC R 2 Hab R 2 Nat+LULC R 2 Nat+Hab R 2 LULC+Hab R 2 Comb R 2

0.518 0.122 0.146 0.103 0.101 0.010 0.002 0.034

Rainfall -46.92 12.36

%_Phyllite 5.35 1.71

%_Wetland -27.62 7.93

%_Natural 5.97 3.43

Site Habitat (Hab)

Xfc_ucb -0.25 0.12

Phosphorus -62.30 18.21

Shared Explained Variance

Natural Landscape (Nat)

Land Use and Cover (LULC)

Table 5. Fish richness combined model and shared explained variance.

Variable code β Std-Error Total R 2 Nat R 2 LULC R 2 Hab R 2 Nat+LULC R 2 Nat+Hab R 2 LULC+Hab R 2 Comb R 2

0.475 0.226 0.056 0.221 0.023 -0.003 -0.037 -0.010

Dre_area 1.58 0.61

Slope_range 3.94 1.78

%_Sandstone -2.77 0.99

City_dist 1.64 0.59

Pct_gl 3.35 1.21

Xgh 0.04 0.02

Xfc_aqm 0.12 0.06

Shared Explained Variance

Natural Landscape (Nat)

Land Use and Cover (LULC)

Site Habitat (Hab)

Page 101: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

87

4. Discussion

Our results showed that benthic macroinvertebrate and fish assemblage

richness correlated similarly with the level of natural landscape and site habitat

variability when analyzed alone; however compared with fish, benthos richness

was more strongly correlated (negatively) with anthropogenic land use and

cover alone. In national surveys, Brown et al. (2009) and USEPA (2013) also

reported that macroinvertebrate assemblages were more sensitive to

disturbance than fish assemblages. Presumably the more restricted mobility

and physiology of aquatic benthic macroinvertebrates makes them more

sensitive to the pressures and stressors we evaluated whereas the fish are

more mobile and physiologically adaptable. It is also possible that the Cerrado

fish species are simply more responsive to natural landscape and site variables

than are Cerrado macroinvertebrate families (compare Table 4 and Table 5).

Analysis at the macroinvertebrate species or genus (versus family) level might

produce different results, but such taxonomic keys are unavailable for Brazil.

However (Whittier & Van Sickle, 2010) concluded there was little difference

between family and genus tolerances for western USA benthos.

Previous tropical regional surveys did not employ GIS landscape

characterization and rigorous characterization of in-stream physical habitat

(Casatti et al., 2008; Moreno et al., 2009; Pinto et al., 2009; Moya et al., 2011).

We used quantitative data (e.g. SRTM radar images, satellite images, rainfall

time series, population census data) integrated in GIS for properly

distinguishing landscape controls and anthropogenic pressure classes. To

characterize physical habitat structure quantitatively in our synoptic survey

context, we applied state-of-the-art methods used by the USEPA in its national

surface water surveys (Hughes & Peck, 2008). Consequently, we believe that

our study reveals more accurate and repeatable results regarding the

relationships between environmental predictor variables and taxa richness than

those of earlier tropical stream studies.

A recurring problem in ecological studies is the bias caused by spatial

autocorrelation of assemblage responses (Diniz-Filho et al., 2003; Stevens &

Page 102: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

88

Olsen, 2004; Steel et al., 2010). In this study, we used a spatially balanced

sampling network to counteract this bias. Such a study design helps guarantee

the principle of sample independence when extrapolating the results to entire

basins (Whittier et al., 2007). In the USA, this approach is already used at both

national and regional scales; however, this is a relatively new approach in

Brazil, with other studies conducted using unbalanced sampling networks (e.g.

Casatti et al., 2008; Moreno et al., 2009; Pinto et al., 2009).

4.1. Relationships between natural landscape variables and assemblage richness

The associations of benthos and fish assemblages with natural

landscape level variability were, together with site habitat variables, the best fit

set of environmental factors to explain assemblage richness of both

assemblages. This is not surprising, because geodynamic aspects drive site

habitat structure (Frissell et al., 1986; Allan, 2004; Goldstein et al., 2007) and

land use and cover (Whittier et al., 2006; Steel et al., 2010). In fact, the

interaction between topography and geology are important drivers of catchment

size and shape, energy inputs, and fine sediment dynamics (Montgomery,

1999). Thus, we can see the interaction of slope and geology in explaining the

richness of both assemblages (Tables 2 and 3). The contribution of rain has an

unclear effect. At a global scale, higher rainfall levels are positively correlated

with fish richness (Oberdorff et al., 2011). However, biomes and ecoregions are

very different with respect to their climatic regimes and rainfall overall, and in

the case of the Brazilian Cerrado, increased rainfall (and presumably increased

freshets) apparently reduces taxa richness. The Cerrado has well-defined wet

and dry seasons, with variation in the driest areas is less than variation in wetter

areas (ANA, 2011). Thus, the use of these natural landscape variables is very

useful because similar variables are used for developing ecoregions (Pinto et

al., 2006; Omernik et al., 2011) and ecoregions were useful for developing

differing expectations in spatially extensive assessments of the biological

condition of USA streams (Paulsen et al., 2008; USEPA, 2013).

Page 103: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

89

4.2. Relationships between land use and cover and assemblage richness

The MLR relating anthropogenic pressure on assemblage richness of

benthic macroinvertebrates was stronger than that for fish (≈ 28% versus ≈ 10%

respectively). Others have reported similar patterns for lotic systems (Wang et

al., 1997; Lammert & Allan, 1999; Walser & Bart, 1999; Hrodey et al., 2009;

Walters et al., 2009). However, Marzin et al. (2012a) found that fish assemblage

variables, especially functional traits, were more responsive to anthropogenic

pressures than were macroinvertebrate variables. Biotic condition indices are

influenced by land use and cover conditions (Hughes et al., 1998; Karr, 1999).

Because of the more sensitive response of macroinvertebrate taxa richness

than fish species richness, the former is widely used in stream assessments

(e.g., Kerans & Karr 1994; Fore et al., 1996; Karr, 1999; Weigel et al., 2002).

On the other hand, fish species richness is not commonly used (e.g.,

McCormick et al., 2001; Hughes et al., 2004; Whittier et al., 2007; Pont et al.,

2009).

Low percentages of natural cover and parkland savanna are proxies for

general disturbances (e.g., pasture, agriculture, urbanization), and high

percentages indicate less disturbed environmental conditions (Ligeiro et al.,

2013). However, in the Cerrado, palm swamp wetlands are characterized by

floodplains with low riparian cover and high levels of fine sediments, which

produce high levels of fines in streams that are inhospitable to many

macroinvertebrate taxa (e.g., Bryce et al., 2010). Low gradient streams in the

USA also tend to support fewer macroinvertebrate taxa, however, the

relationship is frequently confounded by increased anthropogenic disturbance

(Klemm et al., 2003; Brown et al., 2009).

4.3. Relationships between site habitat and assemblage richness

Site habitat explained 31-37% of the richness of both assemblages.

Others have reported that physical habitat was a primary factor influencing the

structure and composition of lotic assemblages (Frissell et al., 1986; Allan,

2004; Hughes et al., 2010). However, geodynamic aspects drive the site

Page 104: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

90

habitats, especially at broad spatial scales (Goldstein et al., 2007). The MLR

models showed the relative importance of channel morphology, canopy, fish

cover and water quality in macroinvertebrate and fish richness. Although

substrate is considered an important variable for both assemblages in

temperate streams (Kaufmann et al., 2009; Bryce et al., 2010), our models did

not detect this relationship, possibly because of covariance effects or the lower

variability in substrate sizes of Cerrado streams.

Some results were similar to those published elsewhere. Bankfull width

and length of sample reach increases with drainage area (Hughes et al., 2011)

and greater wetted area provides more resources and the capacity to support

more species (Vinson & Hawkins, 1998; Brooks et al., 2002). The negative

influence of excess phosphorus reflects its contribution to eutrophication, which

leads to loss of sensitive species (Allan & Flecker, 1993).The increased

amounts of natural fish cover and riparian canopy indicate riparian zone quality

which plays an important role in fostering faunal diversity (Allan et al., 1997;

Johnson et al., 2003).

One of our most interesting results was the positive relationship between

fish richness and macrophyte fish cover and herbaceous ground cover.

Macrophytes provide cover, food, and foraging sites for fish in tropical and

subtropical streams (Casatti et al., 2003), but their presence indicates

anthropogenic pressure resulting from the removal of riparian trees. Similar to

aquatic macrophyte cover, herbaceous ground cover is indicative of

anthropogenic disturbance of riparian vegetation, reinforcing the idea that

moderate pressures can lead to increased fish species richness in subtropical

streams. Davies & Jackson (2006) and Hughes et al. (2004) reported a similar

relationship for some minimally disturbed temperate streams. We suspect that

intermediate disturbance releases more nutrients and energy into the systems

and tropical and subtropical biota are less disturbed than temperate biota by

elevated temperatures as long as there is sufficient food. Accordingly, further

studies of fish assemblage structure relative to disturbance of subtropical

streams are needed to better understand how human pressures affect those

assemblages.

Page 105: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

91

4.4. Relative influence of natural landscape, land use and cover, and site habitat models

Models incorporating interaction among the three variable types had

greater explanatory power than the models based on a single variable type,

justifying the composite models. Analyzing which variables were selected in

single models and were not selected in the combined model helps us to

understand the relative influence of the higher hierarchical levels over levels

below. Further, analyzing the shared explanation, we can clarify the covariance

effect among the three environmental levels (natural landscape, land use and

cover, site habitat) on richness. Thus, our results are supported by Hierarchy

Theory (O’Neill et al., 1989), which explains how discrete elements or functional

units of systems operate when plugged into two or more scales. According to

the theory, ecological processes operate hierarchically, and the behavior of an

ecological system at smaller spatial scales is constrained by processes at larger

spatial scales (Frissell et al., 1986; Tonn ,1990).

In the case of separate models, natural landscape and site habitat had

similar explanatory power (≈ 10% and ≈ 20% for benthos and fish, respectively)

while land use and cover was relatively more important for macroinvertebrates

than for fish, relative to the other two sets of environmental variables. However,

the shared explanation among natural landscape and land use and cover

reveals the relative influence of geodynamic factors over anthropogenic

pressures. In the combined macroinvertebrate model, two variables (drainage

density, elevation range) previously incorporated by the natural landscape MLR

were not incorporated into the combined model (compare Tables 2 and 4).

However, the explained fractions by landscape and land use and cover were

similar (≈ 10%.and ≈12 %, respectively). Likewise, two land use and cover

variables (house density, parkland savanna) were eliminated in the combined

fish model but were included in the MLR (compare Tables 3 and 5). In general,

these omitted variables were correlated (see Supplementary table). In this case,

sandstone is often predisposed to erosion (e.g., Kaufmann & Hughes, 2006)

and occured in flat and rainy areas, suitable for agriculture. Thus, that erosion is

amplified by agriculture (Wang et al., 1997; Walser & Bart, 1999). Parkland

Page 106: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

92

savanna typically occurs in mountain range areas, like phyllite lithology, and this

factor hinders human occupation and anthropogenic disturbance.

Interactions among site habitats and the two highest spatial levels had

less shared explanation, probably because of the variables selected for the

combined models, which had low correlation with both catchment variables (see

Supplementary table). Further, variables not selected for the combined model

(e.g., bankfull width, length of sample reach, natural fish cover, canopy cover)

were correlated with natural landscape and land use and cover. Bankfull width

and length of sample reach increase with drainage area (Hughes et al., 2011)

and natural fish cover and riparian canopy tend to decline (Allan et al., 1997;

Johnson et al., 2003).

The combined models increased the ability of the three separate MLRs to

explain richness variability from low (10-35%) to moderate (47-51%) levels,

which may seem to be discouraging results for some readers. However, similar

results have been obtained for European and United States streams. With 104

Oregon stream sites, Kaufmann & Hughes (2006) could only explain 52-79% of

the variability in fish index of biotic integrity scores with 28 potential predictor

variables. Sály et al. (2011) studying 54 Hungarian stream sites could explain

only 31-57% of the variability in fish species presence or relative abundance

with 62 potential predictor variables. Studying 302 French sites and using 39

potential predictor variables, Marzin et al. (2012b) explained only 29-30% of fish

species abundance. This suggests 4 issues: 1) it is very difficult to explain most

of assemblage variability even with relatively large data sets, 2) the choices of

predictor and response indicators likely affect the amount of variance that can

be explained, 3) the geographic location of the study likely affects predictor-

response relationships, and 4) sampling variability related to both the

environmental and biological indicators limits the amount of variability that can

be explained (Kaufmann et al., 1999).

Page 107: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

93

5. Conclusions

Our analyses between multiple environmental factors and assemblage

richness indicated the importance of all three sets of variables in explaining

macroinvertebrate and fish assemblage richness in the Brazlian Cerrado.

Probably the reduced mobility and physiological adaptability of larval

macroinvertebrates led to the greater importance of land use and cover in

explaining the richness of that assemblage versus fish, because fish tend to be

more mobile and physiologically adaptable. We also demonstrated that, when

combined, these differing sets of environmental factors can explain moderate (≈

50%) amounts of the variability in the benthos and fish assemblage richness of

Cerrado headwater streams. Natural landscape variables have an important

role in regulating the magnitude and timing of water and sediment inputs, as

well as the competence of streams to transport or store various sizes of

sediments. Human activities frequently increase sediment production and

pollution, and reduce riparian vegetation, which in turn, alters assemblage

richness. Richness of macroinvertebrate and fish taxa is typically reduced in

river basins strongly influenced by anthropogenic pressure; however, moderate

riparian disturbance can increase fish species richness. This nonlinearity in fish

species richness response to disturbance makes it a poor indicator of site

disturbance in some regions. Site habitat conditions, independent or allied with

a disturbance gradient, are also useful richness predictors. All three classes of

environmental variables influenced the richness of both assemblages in

Cerrado streams, confirming our first hypothesis. Landscape variables

explained relatively more of the variability in richness in both assemblages

when combined, confirming our second hypothesis. For the same biome, fish

and macroinvertebrate assemblages responded differently to the same sets of

predictor variables, corroborating other studies in temperate zones.

Acknowledgements

We received funding from CEMIG-Programa Peixe Vivo, CAPES, CNPq,

FAPEMIG and Fulbright Brasil. Colleagues from the CEFET-MG, PUC-MG,

Page 108: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

94

UFLA and UFMG assisted with field collections and laboratory work. We are

grateful for assistance in statistical design and site selection from Tony Olsen,

Marc Weber, and Phil Larsen and we thank Randy Comeleo, Marc Weber, Bob

Ozretich, and two anonymous journal reviewers for helpful reviews that

improved our manuscript. This manuscript was subjected to review by the

National Health and Environmental Effects Research Laboratory’s Western

Ecology Division and approved for publication. Approval does not signify that

the contents reflect the views of the Agency, nor does mention of trade names

or commercial products constitute endorsement or recommendation for use.

Appendix A. Supplementary table

Supplementary table associated with this draft can be found, in online

xlsx file: https://www.sugarsync.com/pf/D8489032_68986667_6535215

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Page 117: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

103

CAPÍTULO 4. DEVELOPMENT OF A BENTHIC MACROINVERTEBRATE MULTIMETRIC INDEX FOR CERRADO HEADWATER STREAMS 4

Abstract

Assessing the ecological impacts of human activity is a key tool in

environmental management. In this sense, multimetric indices (MMI) based on

aquatic assemblage responses to disturbance gradients have been used

increasingly throughout the world. We developed a MMI for the Brazilian

Cerrado. We sampled a spatially balanced network of 40 sites in different

catchments that drain into an important hydropower reservoir. Our MMI included

6 metrics: taxa richness, Ephemeroptera richness, shredder richness,

percentage of pollution intolerant taxa, percentage of sediment tolerant taxa,

and Shannon diversity, and this index discriminated well the impact of local-

scale disturbance, catchment-scale disturbance, and an integrated disturbance

index. The MMI approach is a low-cost and rapid field method that produces a

precise response to anthropogenic impacts that is useful for conservation and

environmental management purposes.

Keywords : Anthropogenic disturbance, bioassessment, land use and

cover assessment, site habitat assessment

Highlights

• An multimetric index based on benthic macroinvertebrate

assemblages (MMI) sampled at 40 sites was calculated to assess

the anthropogenic pressures on ecological status of streams

upstream of a hydroelectric project in the Brazilian Cerrado;

4 Manuscrito a ser submetido à revista Ecological Indicators: Macedo, D.R., Hughes, R.M., Ligeiro, R., Ferreira, W.R., Kaufmann, P.R., Callisto, M.

Page 118: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

104

• We observed a clear gradient between the MMI and

anthropogenic stressors at the local scale, catchment scale and

when both were integrated into an integrated disturbance index;

• Small catchments had the highest outliers, positive and negative,

in the MMI versus an integrated disturbance index.

1. Introduction

Aquatic ecosystems around the world have been altered by

anthropogenic pressures more intensely than terrestrial environments, because

human activities change energy and matter flows that are focused on water

courses by the movements of water across landscapes (Karr, 1998). Several

studies have shown that catchment-level anthropogenic disturbances are

reflected in local physical and chemical habitat simplification and loss of aquatic

assemblage biodiversity (Allan, 2004). Multimetric indices (MMI) built from

multiple biological indicators are very useful for evaluating those environmental

disturbances because they integrate responses of several assemblage

components (e.g., richness, composition, trophic behavior, dominance, etc.) in a

simple, but accurate manner (Karr, 1991, 1998; Hughes et al., 1998; Ferreira et

al., 2011). Furthermore, multimetric indices facilitate evaluations of multiple

anthropogenic stressors at both catchment and site scales, and compensate for

equivocal responses of single measurements (Karr, 1999).

The index of biotic integrity (IBI) was the first multimetric index developed

to evaluate biological responses to anthropogenic stressors (Karr, 1998), and

IBI research has been increasing (Ruaro & Gubiani, 2013). Initially developed

for fish assemblages (Karr, 1981), the IBI has been globally developed for those

assemblages (e.g., Miller et al., 1988; Hughes and Oberdorff, 1999; Roset et

al., 2007) as well as for benthic macroinvertebrate assemblages (e.g., Hering et

al., 2006; Stoddard et al., 2008; Moya et al., 2011). When correctly developed,

the MMI approach is more cost effective than purely physical and chemical

water body monitoring (Hughes and Noss, 1992); yet MMI are sophisticated

Page 119: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

105

ecological indices that are both easily interpretable and rapidly developed (Karr,

1998). Furthermore, with a probabilistic sample design, the environmental

assessment measured by an MMI can be extended to all streams of a study

area, such as the conterminous USA (Whittier et al., 2007; Paulsen et al., 2008;

USEPA, 2013). However, despite being widely applied in developed countries,

in tropical areas the MMI approach is rare (Ruaro & Gubiani, 2013) and most

frequently based on fish assemblages. In addition, most tropical MMIs were

developed from relatively few conveniently located ad hoc sites, inadequate

least-disturbed reference areas, and without systematic physical habitat and

anthropogenic pressures assessment (e.g., Ganasan and Hughes, 1998;

Bozzetti and Schulz, 2004; Pinto et al., 2006; Baptista et al., 2011; Ferreira et

al., 2011).

Because of their physiology, restricted mobility, relative long life cycles,

and sensitivity to anthropogenic stressors, benthic macroinvertebrates are

excellent indicators of water quality, physical habitat condition, and catchment-

scale impacts (Karr, 1998; Bonada et al., 2006). Furthermore, these

assemblages can be used in several biomes and ecoregions, because their

family distributions are global and show similar responses to stressors across

different regions and climates (Jacobsen et al., 2008).

This study was conducted in the Cerrado biome, the largest savanna in

South America (Ratter et al., 1997) and one of the largest biomes in the

Neotropics (Wantzen et al., 2006). The Cerrado is a global biodiversity hotspot

(Myers et al., 2000) and the second most threatened biome, because

agricultural activities are superimposed on its natural vulnerability (Ratter et al.,

1997; Wantzen et al., 2006). Furthermore, most Brazilian hydropower facilities

are located in the Cerrado (Brazil, 2008), especially in the Paraná River system,

including the Itaipu, Ilha Solteira, Porto Primavera, São Simão, Furnas, and

Nova Ponte power plants. Because it is a simple methodology, inexpensive,

and quickly executable, the MMI approach is a useful tool for water resource

managers interested in assessing damages and rehabilitation projects (Hughes

& Peck, 2008; Romero & Casatti, 2012) in catchments altered by hydroelectric

power plants.

Page 120: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

106

Our objective was to evaluate the biological condition of headwater

streams in the Brazilian Cerrado through use of an MMI based on benthic

macroinvertebrate assemblages. We tested the hypothesis that an

anthropogenic stressor gradient influences the richness, composition, tolerance,

and behavior of benthic macroinvertebrate assemblages and that those

attributes can be integrated in an index that reflects overall stream

environmental condition. Because natural stream characteristics may influence

this relationship, we also tested the hypothesis that small catchments are more

unpredictable relative to these gradients.

2. Material and Methods

2.1. Study Area

We conducted this study in the Upper Araguari Basin (part of the Rio

Parana Basin) in Minas Gerais State, southern Brazil (Figure 1). The sampled

area was delimited upstream of Nova Ponte Reservoir, the first of a sequence

of hydroelectric reservoirs. The Upper Araguari Basin is located in the Cerrado

biome, where there is a six month dry season (April to September) followed by

a six month rainy season (October to March) and the landscape consists of flat,

well-drained interfluves, with riparian forests along watercourses. Upland

vegetation is typical xerophytic savanna, ranging from dense herbaceous fields,

sparse shrub and small tree cover, to occasional forests with 12-15 m high

canopies (Ratter et al., 1997).

Page 121: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

107

Figure 1. Locations of sites and study area in Brazil and Minas Gerais State.

2.2. Site selection

We randomly selected forty sampling sites following the criteria

established by the U.S. EPA Wadeable Stream Assessment (Olsen & Peck,

2008). We used a spatially balanced selection algorithm, based on a

generalized random tessellation stratified (GRTS, Stevens and Olsen, 2004).

We targeted the wadeable streams, so we excluded all tributaries greater than

Strahler order 3 on a digital map (1:100,000 scale). The sites were sampled in

September 2009.

2.3. Data collection

2.3.1. Local-scale anthropogenic stressors

We assessed local-scale anthropogenic stressors through physical

habitat assessment and water column characteristics. We assessed physical

Page 122: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

108

habitat through use of standardized field forms (Peck et al., 2006). The length of

each stream site sampled was 40 times its mean wetted width, with a minimum

length of 150 m. Each site was divided into 11 equally spaced transects. At

each transect we quantified channel dimensions (e.g., wetted width, depth,

bankfull width), substrate (e.g., sand, gravel, boulder), channel slope, riparian

vegetation condition (e.g., tree canopy, understory, and ground cover) and

presence of human activities (e.g., pipes, trash, row crop, pastures). We

calculated physical habitat metrics as described in Kaufmann et al. (1999), but

with relative bed stability (Lrbs) calculated as recommended by Kaufmann et al.

(2009). The local disturbance status of each site was calculated following

Ligeiro et al. (2013) based on the W1_hall metric (Kaufmann et al., 1999). To

further characterize riparian disturbance in the sites, we calculated a composite

riparian condition index (RCond, Kaufmann and Hughes 2006). To characterize

anthropogenic impacts in the water column, we measured electrical

conductivity, pH, and dissolved solids (TDS) in situ with a multi-probe. In the

laboratory, dissolved oxygen, turbidity, total alkalinity, total nitrogen, and total

phosphorus were analyzed following APHA (1998).

2.3.2. Catchment scale anthropogenic stressors

We assessed catchment land use and land cover for each site through

use of manual image interpretation. Catchments were extracted from the terrain

model from SRTM (3 arc second, (USGS, 2005). We manually interpreted fine

resolution (0.6 m – 5.0m) Google Earth images (Google, 2010) in conjunction

with September 2009 Landsat TM sensor using Spring software (Câmara et al.,

1996). The fine resolution images provided information about the shape and

texture of the elements, and the Landsat images showed spectral response for

different cover. Our mapping identified three human influenced land uses

(pasture, agriculture, urban) and natural savanna formations (e.g., woodland

savanna, parkland savanna) and the catchment percentages of each land use

and cover were estimated for each site. For a more comprehensive evaluation,

we also calculated the catchment disturbance index (CDI, Rawer-Jost et al.,

2004; Ligeiro et al., 2013). Additionally, we calculated the density of households

Page 123: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

109

(houses/m2) in each catchment by location of each household in the study area

(IBGE, 2011).

2.3.3. Identifying least- and most-disturbed sites

The first objective of environmental quality assessment from biological

assemblages is to evaluate the anthropogenic influences on aquatic

environments (Stoddard et al., 2006) and the choice of reference or least-

disturbed sites is a critical component (Hughes et al., 2004; Whittier et al.,

2007). These are the areas where the biota are exposed to low levels of

anthropogenic stress, and the physical, chemical, landscape and biological

conditions define good ecological status (Stoddard et al., 2006; Hawkins et al.,

2010a). Ideally, reference sites should have low anthropogenic influence,

however, several regions lack such areas because of long-term human

occupation. In those cases, the reference sites are considered as least-

disturbed sites (Stoddard et al., 2006; Whittier et al., 2006). In an MMI

approach, it is also important to choose most-disturbed sites, because the

difference between least- and most-disturbed sites is a critical component for

effectively evaluating anthropogenic pressures to which the study area has

been exposed (Barbour et al., 1996; Karr, 1991, 1998).

To define the least- and most-disturbed sites in the Upper Araguari River

Basin, we analyzed anthropogenic disturbances at both local (LDI) and

catchment (CDI) scales, and both together in an Integrated Disturbance Index

(IDI, Ligeiro et al., 2013). Each index measures how much a site deviates from

the absence of anthropogenic disturbance (Ligeiro et al., 2013). In an IDI

gradient, we calculated the standard deviation and used the SD from average to

separate least- and most-disturbed sites.

2.3.4. Benthic macroinvertebrate assessment

We sampled benthic macroinvertebrate assemblages through use of D-

frame kick nets (30 cm aperture, 500 mm mesh). Eleven sample units were

Page 124: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

110

taken per stream site, one per transect, following a systematic zig-zag pattern

and generating one composite sample for each site, totaling 1 m2 per site

following Peck et al. (2006), Hughes and Peck (2008), Paulsen et al. (2008),

and Stoddard et al. (2008). The samples were fixed in the field with 10%

formalin and taken to the laboratory in individual plastic buckets. In the

laboratory, the samples were washed, sorted, and all individuals were identified

(mostly to family) with the aid of Pérez (1988), Merritt and Cummins (1996),

Fernández and Domínguez (2001), and Mugnai et al. (2010). The specimens

were cataloged and deposited in the Macroinvertebrate Reference Collection of

the Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais.

2.4. MMI development

2.4.1. Initial Biological Metrics

We examined 155 benthic macroinvertebrate assemblage metrics for

possible inclusion in the MMI (Supplementary table). The metrics were

categorized in four groups: richness and composition (~75%); behavioral

characteristics (~15%); tolerance (~7%); and diversity and dominance (~3%).

Candidate richness and composition metrics included total taxa richness,

order richness and percentage, and family percentage. The behavior metrics

included trophic groups and mobility (Merritt & Cummins, 1996; Tomanova et

al., 2006, 2008). Tolerance metrics were incorporated into Biological Monitoring

Working Party (BMWP) system scores (Junqueira & Campos, 1998), fine

sediment tolerant taxa (Merritt & Cummins, 1996), and ratios (e.g.,

Baetidae/Ephemeroptera, Chironomidae/EPT). Diversity and dominance

metrics included Shannon and Evenness indices and dominant taxa

percentages.

Page 125: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

111

2.4.2. Metric screening

First we eliminated metrics with insufficient range: richness metrics with

range < 5, percentage metrics with range < 10%, and metrics with 95% of

values as zero (Klemm et al., 2003). Next, we eliminated metrics that lacked a

normal distribution, even after transformation (Kolmogorov-Smirnov test, p >

0.05).

Presumably, natural landscape factors can influence biological

assemblages together with anthropogenic stressors, providing covarying

responses (Allan, 2004; Moya et al. 2011). To identify possible landscape

influences, we ran linear regression among biological metrics and catchment

area, and significant results (r2 > |0.1|, p < 0.01) were analyzed only with least-

disturbed sites as recommended by Klemm et al. (2003). Significant models (r2

> |0.6|, p < 0.05) should be corrected by subtracting the least-disturbed

regression (y = ax + b) of each raw value.

After corrections, we identified metrics significantly correlated with

anthropogenic stressors (Spearman ranking, p < 0.001) and we tested metric

capacity to discriminate least- and most-disturbed sites (t-test corrected by

Bonferroni criteria, p < 0.05). We identified redundant metrics through Pearson

product-moment correlation and we retained four metric combination to choose

the best MMI: (1) no correlated metrics at r > |0.85|; (2) no correlated metrics at

r > |0.85| and t-test > |3|; (3) no correlated metrics at r > |0.8|; and (4) no

correlated metrics at r > |0.8| and t-test > |3|.

2.4.3. Final MMI calculation

The selected metrics were standardized so that they could be combined

at the same scale into an MMI. Positive metrics, with increases indicating higher

biotic condition, had their values divided by their 95th percentile and multiplied

by 100:

Standardized positive metric = (x / 95th percentile) * 100

Page 126: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

112

Values above 100 were considered super optimal, and we assigned them

a maximum score (100). For negative metrics, with decreases indicating higher

biotic condition, we subtracted the metric value from 100 and divided that result

by 100 minus the 5th percentile, also multiplied by 100:

Negative metric standardize = [(100 – x) / (100 - 5th percentile)] * 100

The MMI is the average of the standardized biologic metrics. Three

classes were established as suggested by Ganasan and Hughes (1998): poor,

values < 60% of the maximum observed index score; fair, values between 60-

80% of that score; and good with values > 80% of the top MMI score.

2.4.4. Final MMI choice

To choose the best MMI, we used three criteria: precision,

responsiveness (Hawkins et al., 2010b; van Sickle, 2010) and sensibility to

evaluate integrated anthropogenic disturbance (Ligeiro et al., 2013). First, we

calculated the standard deviation of each MMI in the reference areas and tested

its precision. Secondly we tested the responsiveness of each MMI, using t-tests

to verify whether each MMI discriminated the pre-determined least- and most-

disturbed sites. Third, we ran stepwise-forward ordinary least square (OLS)

regression between each MMI and the Integrated Disturbance Index. The MMI

chosen had the best performance in all three tests.

2.5. MMI Performance

For the final MMI, we employed nonmetric multidimensional scaling

(NMDS) ordination to confirm assemblage division into three MMI quality

classes. To do so, we used Bray-Curtis distance and fourth-root transformation

to minimize rare taxa influence (Clarke & Warwick, 2001).

We explored MMI response to anthropogenic stressors by Pearson

correlation (p < 0.05) at site, catchment, and integrated disturbed index scales.

Then, we ran OLS regressions separately at each scale. To improve model fit

Page 127: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

113

between MMI and the integrated index, we identified the outliers by least

median of square (LMS) regression and re-ran OLS regressions without

outliers, as suggested by Chen and Jackson (2000) and Shertzer and Prager

(2002). We also identified the outliers in the NMDS ordination. To investigate

the relationship of catchment area with MMI and disturbance, we visually

examined the OLS regression residuals among IDI and MMI versus catchment

area.

3. Results

3.1. Anthropogenic stressor variables

The study area is dominated by row crops (> 45%) and pasture (~ 15%),

with little urbanization and few houses; however, there were catchments with

94% natural cover (Table 1). Local anthropogenic stressors were grouped into

hydromorphology and water quality parameters. Physical habitat was affected

mainly by fine sediments, reflected in embeddedness (> 60%) and negative

values in relative bed stability denoting the predominance of depositional

processes in stream beds. On the other hand, several sites had > 60% of

riparian vegetation and low values of local human presence (LDI). Almost all

sites had good water quality, with high dissolved oxygen concentrations, low

nutrient and turbidity values, and neutral pH (Table 1).

Page 128: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

114

Table 1. Anthropogenic stressors in the Upper Araguari River Basin.

Anthropogenic Stressors Mean ± SD Range

Integrated Scale

IDI - Integrated Disturbance Index 0.47 ± 0.21 0.04-1.08

Catchment Scale

CDI - Catchment Disturbance Index 111.5 ± 52.72 10.02-181.24

%_Natural - pct. of natural land cover 35.86 ± 25.31 7.08-94.15

%_Pasture - pct. of pasture use 16.55 ± 18.26 0-71.32

%_Agriculture - pct. of agriculture use 46.56 ± 29.74 0-90.62

%_Urban - pct. of urban area 0.48 ± 2.62 0-16.41

House_den - density of homes in the

catchment (houses/km2)

0.97 ± 0.94 0-3.49

Site Habitat Scale

Xembed - mean enbeddedness (%) 64.08 ± 19.67 22.18-95.64

Lrbs - (Log10) relative bed stability -2.74 ± 0.81 -4.69--1.33

XCMGW - mean of canopy mid- and ground-layer wood cover

61.99 ± 29.06 12.95-130.11

RCOND - Riparian Condition Index 5.86 ± 3.26 0-15.08

LDI - Local Disturbance Index 1.18 ± 1.04 0-4.63

pH - potential of hydrogen 6.90 ± 0.46 5.54-8.02

Cond - electrical condutivity (mS/cm) 0.02 ± 0.02 0.01-0.1

TDS - total dissolved solids (mg/L) 0.02 ± 0.01 0-0.06

Turb - turbidity (NTU) 7.56 ± 10.5 0.94-61

DO - dissolved oxygen (mg/L) 7.47 ± 1.16 4-9.7

Nt - total nitrogen (mg/L) 0.06 ± 0.01 0.04-0.08

Pt - total phosphorus (mg/L) 0.03 ± 0.03 0.01-0.23

3.2. Reference condition sites

The integrated disturbance index values revealed an anthropogenic

disturbance gradient (average 0.47±0.212). Out of 40 sites, we used upper and

lower boundaries of 0.683 and 0.257, respectively; 5 sites were considered

least-disturbed and 6 sites as most-disturbed (Figure 2).

Page 129: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

115

Figure 2. Gradient of anthropogenic disturbance produced by the Integrated Disturbance Index.

3.3. MMI development

Only 65 (42%) of the candidate metrics passed the range test; of these,

50 were normally distributed and 10 others were successfully transformed. Only

two metrics (% Coleoptera and % Elmidae) needed adjustment for catchment

area (Table supplementary). Nineteen metrics were correlated with some type

of anthropogenic disturbance, and 17 distinguished least- and most-disturbed

sites (Table 2). After correlation and t-test analysis, we reduced to seven

biological metrics and built four MMIs combining them: (1) Total taxa richness,

(2) Ephemeroptera-Tricoptera-Plecoptera richness, (3) Ephemeroptera

richness, (4) shredder richness, (5) % pollution intolerant taxa, (6) % sediment

tolerant taxa, and (7) Shannon diversity (Table 2).

Among the four candidates, MMI-3 performed best. It was the most

precise, with the lowest standard deviation between the prior least-disturbed

areas, and was the most sensitive (Table 3). However, MMI-2 was slightly more

responsive than the others. Therefore MMI-3 was chosen for further study, and

it scored 13 sites as poor, 19 as fair, and eight as good (Figure 3).

Page 130: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

116

Table 2. Partial MMI metric screening (complete screening on supplement S1). Expected responses to disturbance followed Kerans and Karr (1994), Barbour et al. (1996), Fore et al. (1996) and Karr (1999).

Biological Metric Acronyn Expected Response to Disurbance

Responsiveness w ith anthropogenic stressors (Spearman rank, p < 0.001)

Diference between least- and most-disturbed sites (t -test)

Redundancy w ith other biological metric (Pearson correlation, r > |0.80|)

Redundancy w ith other biological metric (Pearson correlation, r > |0.85|)

MMI

General Richness and Composition

Total taxa richness S Deacrese IDI, CDI, %Nat 5.66 EPT_S, BMWP, LLIV_S, CNG_S, TRIC_S

BMWP, LLIV_S 1, 2, 3, 4

EPT richness EPT_S Deacrese IDI, CDI, %Nat 4.94 S, BMWP, LLIV_S, SCR_S, SHR_S, CNG_S, INTOL_S, EPH_S, TRIC_S

BMWP, SCR_S, CNG_S, INTOL_S, EPH_S, TRIC_S

1, 2

% EPT individuals %_EPT Deacrese LRBS 3.73 ASPT, %CNG, %INTOL ASPT, %CNG, %INTOL

Long lived taxa richness LLIV_S Deacrese IDI, %Nat 5.43 S, EPT_S, BMWP, SCR_S, SHR_S, CNG_S

S, BMWP, CNG_S

Order Richness and Composition

Ephemeroptera richness EPH_S Deacrese IDI 2.94 EPT_S EPT_S 3

Tricoptera richness TRI_S Deacrese IDI, CDI, %Nat 4.89 S, EPT_S, BMWP, SCR_S, CNG_S, INTOL_S

EPT_S, BMWP, SCR_S, CNG_S

Family Composition (only percent)

Leptohyphidae %Leptohyphidae Phosphorous Non sig

Behavioral characteristics

Scrapers richness SCR_S Variable IDI, CDI, %Nat 4.62 EPT_S, BMWP, LLV_S, CNG_S, INTOL_S, TRIC_S

EPT_S, BMWP, CNG_S, TRIC_S

Shredders richness SHR_S Variable House_den 5.48 EPT_S, LLIV_S 1, 2, 3, 4

Clingers richness CNG_S Deacrese IDI, %Nat 4.64 S, EPT_S, BMWP, LLIV_S, SCR_S, VINTOL_S, TRIC_S

EPT_S, BMWP, LLIV_S, CNG_S, INTOL_S, TRIC_S

% Clingers %CNG Deacrese LRBS 3.98 %EPT, ASPT, %INTOL %EPT, ASPT, %INTOL

Tolerance

BMWP BMWP Deacrese CDI, %Nat 5.33 S, EPT_S, LLIV_S, SHR_S, SCR_S, CNG_S, VINTOL_S, TRIC_S

S, EPT_S, LLIV_S, SCR_S, CNG_S, VINTOL_S, TRIC_S

ASPT ASPT Deacrese LRBS 4.08 %EPT, %CNG, %INTOL %EPT, %CNG, %INTOL

Intolerant taxa richness INTOL_S Deacrese LRBS 3.46 EPT_S, BMWP, CNG_S, TRI_S EPT_S, BMWP, CNG_S

% Intolerant taxa %INTOL Deacrese LRBS 4.09 %EPT, ASPT, %CNG %EPT, ASPT, %CNG 1, 2, 3, 4

% Sediment tolerant %STOL Increase LDI, LRBS, House_den -3.69 1, 2, 3, 4

Diversity and dominance

Shannon diversity H' Deacrese IDI 2.88 %4TAX %4TAX 1, 3

% 4 dominant taxas %4TAX Increase XCMGW -2.68 H' H'

% 5 dominat taxas %5TAX Increase XCMGW Non sig

Page 131: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

117

Table 3. Results of the criteria for choosing the best MMI: precision (standard deviation value of MMI at least-disturbed sites), responsiveness (t-test value of MMI between least- and most-disturbed sites), and sensitivity (r2 of OLS regression among MMI and IDI). In bold, the best

performance of each criterion.

MMI-1 MMI-2 MMI-3 MMI-4

Precision (SD) 12.13 12.31 8.23 12.31

Responsiveness (t ) 5.57 6.20 5.46 5.79

Sensitivity (r 2 ) 0.367 0.366 0.386 0.347

Figure 3. Classification of MMI scores.

3.4. MMI Performance

The NMDS ordination showed no clustering of MMI-3 classes but a clear

disturbance gradient along axis 1 (Figure 4). As expected, MMI-3 scores were

sensitive to local- and catchment-scale disturbances as well as the integrated

disturbance index which were used in metric screening (Table 4). Lower MMI

values were significant correlated (p < 0.05) with low bed stability, high

embeddedness, decreased riparian vegetation, increased human riparian

disturbance, absence of natural cover, presence of pasture, urban areas, and

catchment house density. In general, there were no significant correlations

between MMI-3 and water quality variables, except for total dissolved solids.

The OLS results indicated that at the local scale, the local disturbance index

and embeddedness, both negative, explained 43% of MMI-3 scores. At the

catchment scale, natural cover and pasture (negative) explained 44% of the

variability. The integrated disturbance index explained 38% and, after we

removed the outliers, its explanation increased to 73% (Table 5). The outliers in

Page 132: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

118

the NMDS ordination were the most dissimilar sites to MMI sites classified as

good (Figure 4). The residual analyses showed that small catchments (< 3.2

km2) had larger residuals, both positive and negative (Figure 5).

Figure 4. NMDS ordination graphic (Bray-Curtis distance, fourth root transformation). Black arrows show outliers of regressions among IDI vs MMI in the Upper Aragauri River Basin.

Page 133: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

119

Table 4. Pearson correlation between MMI-3 and anthropogenic stressors at integrated index, catchment,and site scales.

Person correlation with MMI

Integrate Scale

IDI -0.62***

Catchment Scale

%_Nat 0.59***

%_Agr -0.23

%_Past -0.35*

%_Urb -0.39*

Den_dom -0.39*

CDI -0.46**

Site Scale

Xembed -0.33*

Lrbs 0.48**

Xcmgw 0.37*

Rcond 0.39*

LDI -0.51**

TDS -0.36*

Turb -0.04

DO -0.02

Nt -0.04

Pt -0.20

*** p < 0.001; ** p < 0.01; * p < 0.05

Anthropogenic Stressors

Table 5. Ordinary least square regressions between anthropogenic stressors and MMI-3. Model 1 refers to regression with forty sites and model 2 refers to IDI vs MMI regression without the

five outliers.

Scale DF F p r 2 Metrics' βIntegrated

Model 1 1,38 23.9 < 0.0001 0.38 IDI = -0.62

Model 2 1,33 93.8 < 0.0001 0.73 IDI = -0.86

Catchment 2,37 14.7 < 0.0001 0.44 %Nat = 0.56 %Pasture = -0.30

Site 2,37 14.1 < 0.0001 0.43 LDI = -0.57 Xembed = -0.42

Page 134: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

120

Figure 5. Residual analysis between IDI vs. MMI-3 and catchment area. The white arrows show the outliers removed by LMS regression.

4. Discussion

4.1. MMI Effectiveness

In general, our MMI was effective for discriminating least- and most-

disturbed sites and for evaluating anthropogenic disturbance at local- and

catchment-scales and at both scales combined into an integrated disturbance

index. Ecological data are subject to several errors (Chen & Jackson, 2000), but

a properly constructed MMI can decrease the uncertainty resulting from

measuring a single variable, thereby facilitating more accurate ecological

evaluations. This is true whether the MMI is based on biological data or

environmental data. Another critical point in ecological assessment is defining

reference and impaired sites (Hughes et al., 2004) before building MMI,

because their efficiency is related to their ability to distinguish least- and most

disturbed sites (Fore et al., 1996; Karr, 1999). Limitations of the first MMI

included the absence of statistical criteria for identifying least- and most-

disturbed sites, failure to account for natural environmental variability, use of

Page 135: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

121

redundant metrics, and non-continuous metric scoring (Stoddard et al., 2008;

Ruaro & Gubiani, 2013). Our MMI development avoided those limitations, and it

is an empirical and robust index, but simple to build.

An effective MMI should incorporate independent biological metrics to aid

evaluation of multiple anthropogenic stressors (Fore et al., 1996; Karr, 1998).

Our MMI included richness and composition metrics (total taxa richness,

Ephemeroptera richness), behavioral characteristics (shredder richness),

tolerance (% pollution intolerant taxa, % sediment tolerant taxa), and diversity

(Shannon diversity). This metric combination responded to anthropogenic

disturbances at the local scale (local disturbance index, relative bed stability,

mean riparian cover), catchment scale (catchment disturbance index,

percentage of natural cover, catchment house density), and at both scales

combined (integrated disturbance index; Table 2). The MMI metrics also were

consistent with known disturbance expectations (Kerans & Karr, 1994; Barbour

et al., 1996; Fore et al., 1996; Karr, 1999).

4.2. MMI Biological Components

Richness is a common measure of biodiversity (Hughes & Noss, 1992;

Vinson & Hawkins, 1998) and it is widely used in macroinvertebrate based

MMIs (e.g., Kerans and Karr, 1994; Fore et al., 1996; Karr, 1999; Weigel et al.,

2002). Several candidate metrics were correlated with total taxa richness; in

other words, total taxa richness is a powerful synthesizing metric.

An Ephemeroptera-Plecoptera-Trichoptera (EPT) metric is widely used in

environmental assessments of temperate streams (e.g., Fore et al., 1996; Karr,

1999; Klemm et al., 2003; Herbst and Silldorff, 2006; Stoddard et al., 2008)

because of its sensitivity to anthropogenic disturbance (Bonada et al., 2006).

However, each order may respond somewhat differently to several

anthropogenic stressors (Fore et al., 1996), especially in tropical streams and

our MMI development used Ephemeroptera richness.

An pollution intolerant taxa metric is commonly used in MMIs (e.g., Fore

et al., 1996; Karr, 1999). As expected, our results showed that % pollution

Page 136: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

122

intolerant taxa was correlated with % EPT individuals. Tolerance indices, like

the BMWP based on families, are very useful in environmental assessment, and

the Rio das Velhas BMWP was successfully applied in other southern Brazil

MMIs (Baptista et al., 2006; Ferreira et al., 2011). Furthermore,

macroinvertebrate family tolerances vary little among Earth’s regions (Jacobsen

et al., 2008) and other tolerance indices were used in other MMIs (e.g.,

Hilsenhoff biotic index by Weigel et al., 2002; Herbst and Silldorff, 2006; Astin,

2007; macroinvertebrate tolerance index by Klemm et al., 2003).

The number of sediment tolerant taxa is another commonly used MMI

metric (e.g., Kerans and Karr, 1994; Fore et al., 1996; Karr, 1999; Weigel et al.,

2002) and it was the only non-redundant metric in our study. Presence of fine

sediments are one of the main factors that cause local habitat homogenization

and loss of macroinvertebrate assemblage richness (Kaufmann et al., 2009;

Bryce et al., 2010).

Shredder richness was the only behavioral characteristic metric selected,

and its response is variable relative to anthropogenic disturbance (Fore et al.,

1996); however, in our study it decreased with increasing anthropogenic

pressures. Although species trophic and behavior classifications are poorly

known for South American macroinvertebrate taxa (Tomanova et al., 2006,

2008), this is an important metric category because of its capacity to identify

altered energy flow and substrate dynamics (Kerans & Karr, 1994). In our study

area, shredder richness is associated with leaf accumulation and considered a

proxy measurement for riparian condition (Baptista et al., 2006). Although not

selected for our MMI, others behavior metrics, such as clinger taxa richness and

percentage, could have been used in this MMI, because they discriminated

anthropogenic stressors, as in other studies (e.g., Karr, 1999; Astin, 2007).

Clingers are negatively related to percent fine sediments, because they need a

firm bottom substrate to move and maintain position (Maloney & Feminella,

2006).

The Shannon index was the only diversity metric selected and it is

redundant with taxa dominant percentage. A high percentage of fewer taxa

indicates imbalance in biological assemblages and disturbance. Because we

Page 137: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

123

could not identify macroinvertebrates to species, Shannon diversity was

measured at the order or family level.

4.3. Influences of Site and Catchment Scales on MMI

Site physical habitats are key determinants influencing the structure and

composition of aquatic assemblages (Frissell et al., 1986; Allan, 2004).

However, catchment land use and cover also influence riparian zones and

substrate structure, and thereby affect the availability of site physical habitat

(Wang et al., 1997; Allan, 2004; Herringshaw et al., 2011). Given that both

local- and catchment-scale variables can influence macroinvertebrate

assemblages, it is important develop an integrated landscape indicator that

incorporates both scales (Ligeiro et al., 2013). Our results show that several

metrics responded to anthropogenic disturbance at different scales, and our

MMI responded to all the assessed scales.

At the local scale, the MMI responded largely to physical habitat

variables (Table 4). In general, our study sites lacked disturbed water quality,

but physical habitat disturbance, especially riparian condition, embeddedness

and bed instability, were common. These disturbances lead to reduced physical

habitat complexity and consequently reduced aquatic diversity (Kaufmann et al.,

2009; Bryce et al., 2010). Local anthropogenic disturbances as measured by

the LDI, was the strongest local negative influence on the MMI as expected

(Kaufmann & Hughes, 2006; Ligeiro et al., 2013).

Catchment stressors were moderately correlated with the MMI (Table 4).

Presence of natural cover in a catchment is an important factor in aquatic

environmental conservation, because it is inversely related to stream sediment

load and pollutants (Aksoy & Kavvas, 2005). Furthermore, presence of natural

cover is evidence of greater habitat complexity and, consequently, of higher

biological condition scores (Sponseller et al., 2001; Hrodey et al., 2009). One

surprise in our results was the non-significant correlation (p < 0.05) between the

MMI and agricultural land cover, despite the wide range in percent catchment

agriculture (Table 1). Others have reported high correlations between MMI

Page 138: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

124

scores and catchment land use and cover for forested areas (Sponseller et al.,

2001; Shandas & Alberti, 2009), agricultural areas (Wang et al., 1997; Hrodey

et al., 2009), and impervious (urban) areas (Morley & Karr, 2002). We have two

hypotheses for the insignificant correlation between the MMI and agriculture. 1)

Multiple aerial or satellite imageries resolution (e.g., Landsat, Spot, Cbers,

Ikonos) and classification methodologies (e.g., supervised, unsupervised,

manual interpretation) could have produced mixed agricultural estimates. 2)

Differing landscape matrices and their connectivitis to the sites (Forman, 1995)

could have produced mixed biological responses.

Using an integrated disturbance index to develop and test MMI was

useful, because it is an univariate descriptor of anthropogenic disturbance at

both local and catchment scales (Ligeiro et al., 2013). Furthermore, this index

helped us identify unexpected patterns in biological condition, represented by

OLS regression residuals, where the negative and positive outliers occurred

only in small catchments (< 3.2 km2; Figure 5). However, only negative

residuals were removed when preceded by LMS regression. Thus in this case,

the most dissimilar outliers were classified as poor (Figure 4).

Ecological data are typically contaminated by heterogeneous variance

errors from several sources, such as reading, measurement, or sampling (Chen

& Jackson, 2000); bias caused by unexpected environmental events (Chen &

Jackson, 2000; Kaufmann & Hughes, 2006), or legacy effects (Harding et al.,

1998; Allan, 2004). Removal of outliers is an acceptable procedure for

improving model fit (Chen & Jackson, 2000; Shertzer & Prager, 2002) and in

our results, outlier removal increased the IDI versus MMI fit (Table 6). Extreme

anthropogenic alterations (e.g., chemical spills, urbanization) and natural

stochastic events (e.g., floods, torrents, fire, droughts) are more intense in

smaller catchments (e.g., Shiau, 2003; Coles et al., 2012), especially in

monsoonal systems (Leung & Dudgeon, 2011). This is partly because of the

relatively large relative impact compared with the size of the stream. Our results

support this observation, with several small catchments having negative

residuals, indicating lower than expected biological condition, and those

residuals represented the outliers removed by LMS regression. In predictive

MMIs, catchment area is an important modeling variable (Pont et al, 2009;

Page 139: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

125

Moya et al, 2011). Moreover, although not considered outliers, the positive

residuals in small catchments also were relevant. In this case, land use and

cover and stochastic events presumably had a greater positive impact than

expected on assemblages.

4.4. Management Alternatives

All the anthropogenic catchment pressures are reflected in downstream

watercourses, suffering from pollution and sedimentation (Karr, 1998). In our

study area, all forty sites drain directly into Nova Ponte Reservoir. Therefore,

the MMI can aid in the management of the reservoir, because it can be used to

measure the effectiveness of rehabilitation and mitigation projects in Nova

Ponte headwater streams. Furthermore, the MMI can be used in a broader

sense, to aid conservation of the Cerrado biome by measuring the effectiveness

of rehabilitation and mitigation projects there, as well as for assessing the

effects of continued agricultural conversion and urbanization. Further, Brazilian

legislation establishes the catchment as a unit of analysis and management of

water resources (Brazil, 1997), so catchment condition as reflected in MMI

scores can be an important tool for management and conservation.

Our study aided us in evaluating biological and environmental conditions

along an environmental pressure gradient through use of a probabilistic survey

design, standard sampling methods, and quantitative biological and

environmental indicators. Similar approaches have been applied at the

continental scale in the United States (Stoddard et al., 2008; USEPA, 2013),

indicating great potential for implementation in a country with continental

dimensions like Brazil. To do so, Brazil must improve its legal framework,

because in the European Union and the United States use of biological

assemblages in environmental assessments is legally required (Ruaro &

Gubiani, 2013), whereas in Brazil it is only optional (Brazil, 2005).

The availability of quantitative environmental pressure indicators at both

local and catchment scales aid comparisons of environmental conditions and

pressures from site to national scales. These quantitative indicators of

Page 140: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

126

anthropogenic disturbance can be associated with biodiversity loss at biome,

ecoregional, national, or continental scales. Given that the local scale,

catchment scale, and integrated pressure indicators are easily calculated, and

have been tested at the basin scale, we expect that they will provide a model for

environmental assessment of water resources in Brazil.

Acknowledgements

We received funding from CEMIG-Programa Peixe Vivo, CAPES, CNPq,

FAPEMIG and Fulbright Brasil. Colleagues from the CEFET-MG, PUC-MG,

UFLA and UFMG assisted with field collections and laboratory work. Juliana

França and Ana Paula Eller were responsible for water quality analyses. Carlos

B. M. Alves helped with general logistics and field work. We are grateful for

assistance in statistical design and site selection from Tony Olsen, Marc Weber,

and Phil Larsen. This manuscript was subjected to review by the National

Health and Environmental Effects Research Laboratory’s Western Ecology

Division and approved for publication. Approval does not signify that the

contents reflect the views of the Agency, nor does mention of trade names or

commercial products constitute endorsement or recommendation for use.

Appendix A. Supplementary table

Supplementary table associated with this draft can be found, in online

xlsx file: https://www.sugarsync.com/pf/D8489032_68986667_6535234

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Page 149: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

135

CAPÍTULO 5. DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE INDICE DE VULNERABILIDADE AMBIENTAL (IVA) PARA BACIAS DE RESERVATORIOS HIDRELÉTRICOS NO CERRADO 5

Resumo

Atualmente, vários estudos ressaltam a importância de bens e serviços

ecossistêmicos, incluindo aqueles relacionados aos recursos hídricos, como

abastecimento, irrigação, lazer e geração de energia. Devido ao

desenvolvimento de atividades humanas, a produção e transporte de

sedimentos finos são das principais ameaças aos ecossistemas aquáticos

continentais, incluindo os reservatórios e seus serviços ecossistêmicos. O

objetivo foi propor e validar um índice de vulnerabilidade ambiental (IVA) para

bacias de empreendimentos hidrelétricos no bioma cerrado. Oitenta sub-bacias

em dois empreendimentos hidrelétricos (Nova Ponte e Três Marias) tiveram

suas características naturais (geologia, declividade, elevação e pluviosidade) e

pressões antrópicas (cobertura natural, densidade de domicílios, distancia de

rodovias e de centro urbanos) mensuradas e inseridas em um índice de

vulnerabilidade ambiental através da metodologia de processo analítico

hierárquico – AHP. Para testar a eficiência do IVA, seis métricas de substrato

foram correlacionadas com o IVA: porcentagem de sedimentos finos (<

0.16mm); porcentagem de sedimentos finos + areia (< 2 mm); porcentagem de

sedimentos grossos (> 2 mm) imersos sob sedimentos finos (< 2mm); diâmetro

geométrico médio; razão entre diâmetro geométrico médio e diâmetro crítico no

leito sazonal; tamanho mediano do sedimento. Após a validação do índice para

as 80 sub-bacias, o índice foi expandido para toda a área de estudo (~ 20.200

Km2). O IVA foi correlacionado de moderado a forte às métricas de substrato (r

= 0,36-0,50, p < 0,001). Esta metodologia mostrou-se eficiente e de baixo

custo, podendo ser aplicada na construção de instrumentos de gerenciamento, 5 Manuscrito a ser submetido à revista Ambio: Macedo, D.R., Hughes, R.M., Kaufmann, P.R., Callisto, M.

Page 150: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

136

recuperação e preservação de bacias hidrográficas de reservatórios

hidrelétricos tropicais.

Palavras chave: Sedimentação, processo analítico hierárquico, análise

espacial, serviços ecossistêmicos.

1. Introdução

Estudos sintéticos que produzam informações sobre a quantificação de

propriedades ambientais como susceptibilidade, fragilidade, status de

conservação, potencial para exploração e necessidade para recuperação e

restauração são essenciais aos tomadores de decisão para executar medidas

de gerenciamento e conservação de recursos naturais (Villa & McLeod, 2002).

Mais além, é necessário o desenvolvimento de uma abordagem analítica que

integre as interações entre os aspectos sociais e geobiofísicos para embasar

estes estudos (Angelstam et al., 2013).

Uma tendência atual em ações de gerenciamento e conservação dos

recursos naturais é a quantificação econômica dos benefícios de que o homem

se apropria da natureza, para que ações de manejo, preservação e

conservação dos recursos naturais possam ser economicamente interessantes

(Costanza et al., 1997). Assim o conceito de serviços ecossistêmicos considera

os processos ecossistêmicos que produzem benefícios à sociedade (MEA,

2005). Estes processos são agrupados em quatro categorias: (1) serviços de

provisão, como produção de alimentos, água doce, fibras, produtos químicos,

madeira; (2) serviços de regulação como controle do clima, polinização,

controle de enchentes; (3) serviços culturais que provem benefícios

recreacionais, espirituais e de bem estar em geral; e (4) serviços de suporte

como ciclagem de nutrientes, formação do solo, produção primária (MEA,

2005). Nos últimos anos nota-se o crescimento de estudos focados em

serviços ecossistêmicos, na Europa e Estados Unidos (Vihervaara et al., 2010;

De Jonge et al., 2012).

Nota-se que a maior parte dos estudos sobre serviços ecossistêmicos

estão ligados aos ecossistemas aquáticos (Egoh et al., 2007; Vihervaara et al.,

Page 151: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

137

2010). A água tornou-se um importante insumo econômico, não apenas em

termos de custo-benefício de sua exploração, mas também como um bem de

valor não mensurável, impulsionando desenvolvimento e bem-estar humano

(MEA, 2005). Historicamente a sociedade humana transforma os cursos d’água

segundo suas necessidades, para múltiplos usos, incluindo irrigação, geração

de energia, abastecimento, recreação e pesca (Karr, 1999; Baron et al., 2002).

A água e os recursos hídricos associados prestam serviços ecossistêmicos

principalmente focados no valor de uso, e não necessariamente no valor de

troca, uma vez que mensurar o valor dos serviços ecossistêmicos é uma tarefa

árdua e bastante teórica (Costanza et al., 1997). Além disso, seu valor de

mercado é baixo se comparado à sua importância, e o seu uso descontrolado

pode exaurir os mananciais, criando uma equação complexa entre

conservação e uso (Rebouças, 2001).

Um dos principais serviços ecossistêmicos prestados pela água é a

geração de energia através de usinas hidroelétricas, que necessitam de lagos

artificiais para a sua estocagem. Enquanto que cerca de 16% da matriz

energética do mundo é hidrelétrica, no Brasil este percentual é de cerca de

70% (von Sperling, 2012). Além da geração de energia, lagos e reservatórios

provem outros serviços ecossistêmicos, como recreação, controle de cheias,

abastecimento de água, transporte fluvial, controle de enchentes,

abastecimento de água, ciclagem de nutrientes e produção de alimentos

(Baron et al., 2002; von Sperling, 2012). Por outro lado, o impacto ambiental

gerado pela construção de reservatórios é muito grande e é necessário que a

operação destes empreendimentos seja eficiente pelo maior tempo possível,

para maximizar os benefícios em prol da sociedade através de bens e serviços

ecossistêmicos (Arias et al., 2011).

Como um ecossistema lacustre, um reservatório sintetiza toda a

influencia em sua bacia de drenagem (Baron et al., 2002) e uma das principais

ameaças a operação e vida útil de reservatórios é o seu comprometimento pela

deposição de sedimentos finos proveniente de sua bacia de contribuição (Arias

et al., 2011; von Sperling, 2012). Como medida de atenuação desse impacto, a

conservação da vegetação natural nas bacias hidrográficas a montante tem

importante papel ao evitar a perda de solos (Aksoy & Kavvas, 2005) e

Page 152: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

138

consequente sedimentação e assoreamento do reservatório. Existem vários

estudos que mostram que o pagamento da conservação da vegetação natural

é economicamente viável na manutenção de reservatórios (Arias et al., 2011).

Mais além, prevenir o assoreamento de um reservatório também é uma

importante ação na conservação da biodiversidade, pois a presença de

sedimentos finos é apontada como uma das principais causas da perda de

biodiversidade nas assembleias aquáticas tanto em riachos (Bryce et al., 2010;

Kaufmann et al., 2009) quanto em reservatórios (Lenhardt et al., 2008; Molozzi

et al., 2013).

O Brasil, além de possuir a maior reserva de água doce do mundo

(Gleick, 1998) é conhecido como uma país megadiverso (Agostinho et al.,

2005). Estudos ambientais focados na conservação de recursos hídricos e da

biota associada são reconhecidamente importantes. Notadamente tratando de

reservatórios artificiais, a legislação brasileira exige que cada empreendimento

elabore um Plano Ambiental de Conservação e Uso do Reservatório Artificial

(PACUERA), focando na proteção da água do reservatório como recurso de

uso múltiplo, bem como a reabilitação de áreas degradadas e a proteção das

áreas identificadas como relevantes (Brasil, 2002). Assim, é importante a

integração espacial das unidades sociais e geobiofísicas na construção de

estudos, instrumentos e diretrizes mais precisos para a gestão ambiental de

reservatórios.

Nos últimos anos, Sistemas Informativos Geográficos (SIGs) vem

tornando-se uma poderosa ferramenta no gerenciamento ambiental, auxiliando

tomadores de decisão e conservadores na análise de padrões espaciais e

temporais em relação aos provedores de serviços ecossistêmicos e potenciais

impactos de projetos sobre os recursos naturais (Nemec & Raudsepp-Hearne,

2012). Os SIGs, pelas suas características de análise espacial, são

ferramentas essenciais em estudos nos quais múltiplos critérios possam ser

integrados no auxilio à tomada de decisão (Malczewski, 2006). Paralelo ao

desenvolvimento computacional das ferramentas de SIG é cada vez mais

frequente a disponibilização de fontes de dados geográficos de livre acesso,

como imagens de satélite em diferentes resoluções, dados vetoriais e

softwares livres de geoprocessamento (Nemec & Raudsepp-Hearne, 2012).

Page 153: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

139

Estas novas ferramentas geográficas facilitam a aquisição de dados sociais e

ambientais, reduzindo custos e melhorando as análises relacionadas ao

gerenciamento dos recursos naturais (Castillo-Rodríguez et al., 2010). Modelos

matemáticos e a proposição de índices são cada vez mais utilizados como

suporte pelos tomadores de decisão, principalmente tendo em vista a

necessidade de priorização no uso de recursos financeiros de maneira eficiente

e racional (Villa & McLeod, 2002) ou em estudos de fragilidade ambiental

focados principalmente na susceptibilidade à erosão e perda de solos (Crepani

et al., 2001). Analisar em conjunto os dados ambientais com os processos na

paisagem não é uma tarefa simples, pois necessita de um bom conhecimento

prévio da área de estudo e dos elementos utilizados (Castillo-Rodríguez et al.,

2010). É necessário o conhecimento de bases teóricas e empíricas, pois o SIG

é uma ferramenta de suporte à tomada de decisão, e é necessário que as

análises sejam construídas sobre critérios corretos e eficientes (Nemec &

Raudsepp-Hearne, 2012). Entretanto, estudos integrados de fragilidade

ambiental não apresentam rigorosos procedimentos experimentais para testar

índices criados (Villa & McLeod, 2002), daí há necessidade em não apenas

propor índices, mas também testá-los.

O objetivo deste trabalho foi construir e validar um Índice de

Vulnerabilidade Ambiental (IVA) para bacias influenciadas por reservatórios

hidrelétricos no Cerrado. O estudo foi desenvolvido nas bacias a montante dos

reservatórios de Nova Ponte e Três Marias, pertencentes a duas importantes

bacias hidrográficas brasileiras: Paraná e São Francisco, respectivamente.

Estas bacias destacam-se pelo potencial hidrelétrico e, das cinco maiores

hidrelétricas em operação no Brasil atualmente, Itaipu e Ilha Solteira localizam-

se no rio Paraná; e Xingó e Paulo Afonso no rio São Francisco (von Sperling,

2012). Foi testada a hipótese de que os aspectos geodinâmicos proporcionam

predisposição aos processos erosivos, e estes podem ser potencializados ou

atenuados pela dinâmica de uso e ocupação do solo em sua bacia hidrográfica.

Page 154: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

140

2. Materiais e Métodos

2.1. Área de estudo

Este estudo foi desenvolvido em duas bacias hidrográficas no Cerrado,

em trechos a montante de reservatórios hidrelétricos no alto curso do rio

Araguari, a montante da UHE de Nova Ponte e no Alto rio São Francisco, a

montante da UHE Três Marias (Figura 1). A área de estudo foi demarcada em

um raio de até 35 Km dos reservatórios, e corresponde a aproximadamente

20.200 Km2. Para a construção e teste do IVA foram amostrados quarenta

trechos de rios em cada bacia, respectivamente, em setembro 2009 e setembro

de 2010. A definição da rede de amostragem seguiu os critérios estabelecidos

pelo US-EMAP Wadeable Stream (Olsen & Peck, 2008), utilizando uma rede

amostral espacialmente balanceada, baseada em uma Tesselação Aleatória

Estratificada Generalizada (GRTS; Stevens & Olsen, 2004), o que permitiu

extrapolar o IVA calculado para toda a área de estudo (Whittier et al., 2007).

Figura 1. Localização das bacias estudadas e dos pontos amostrais.

Page 155: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

141

2.2. Índice de Vulnerabilidade Ambiental (IVA)

A elaboração do Índice de Vulnerabilidade Ambiental (IVA) foi baseada

na sobreposição entre vulnerabilidades potenciais intrínsecas da região de

estudo, baseada nos elementos da paisagem natural (altimetria, declividade,

geológica e pluviosidade) e pressões antrópicas (porcentagem de cobertura

natural, densidade de domicílios, distancia de rodovias e distancia de centros

urbanos). O diagnóstico foi realizado através da análise espacial destes

elementos utilizando Sistemas Informativos Geográficos.

2.2.1. Aquisição dos dados de paisagem natural

As 80 sub-bacias de drenagem foram extraídas do modelo de terreno

proveniente do Shuttle Radar Topographic Mission – SRTM (USGS, 2005). Os

dados de pluviosidade foram calculados através da série histórica

disponibilizada pela Agencia Nacional das Águas (ANA, 2011). Trinta e uma

estações pluviométricas (14 estações para a bacia de Nova Ponte e 17

estações para a bacia de Três Marias) tiveram a pluviosidade total anual da

série histórica (30 anos ou mais) extraídas, georreferenciadas e interpoladas

através de krigagem ordinária (Johnston et al., 2001). Os valores de

precipitação anual média espacializados foram transferidos para cada ponto de

coleta. Através do software Spring (Câmara et al., 1996), foram extraídas as

variáveis morfométricas representativa de cada uma das 80 bacias estudadas:

a diferença de altitude foi extraída diretamente do SRTM, enquanto a

declividade média foi calculada a partir do SRTM. Por fim, foi calculada a

predominância de cada unidade geológica em cada uma das 80 bacias. Os

dados geológicos foram extraídos da Carta Geológica do Brasil ao Milionésimo

(Brasil, 2004).

2.2.2. Aquisição dos dados de pressões antrópicas

O mapeamento da cobertura do solo nas 80 sub-bacias foi realizado

através da interpretação manual de imagens de alta resolução, em conjunto

Page 156: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

142

com imagens multiespectrais do sensor TM do satélite Landsat, utilizando o

software Spring (Câmara et al., 1996). As imagens Landsat utilizadas foram

adquiridas exatamente nos meses das coletas em campo, e as imagens de alta

resolução (Google, 2010) foram utilizadas como suporte à interpretação, por

apresentarem clareza a forma e textura dos elementos, enquanto as imagens

Landsat apresentam respostas espectrais distintas para os alvos, possibilitando

uma alta acuidade para o mapeamento. Neste mapeamento foram identificadas

as áreas com cobertura vegetal e as porcentagens foram mensuradas para a

sub-bacia hidrográfica de cada um dos 80 pontos de amostragem. Para o

cálculo da cobertura do solo para o restante da área de estudo, utilizou-se o

mapeamento elaborado por Scolforo & Carvalho (2006). Para caracterizar a

presença/influencia humana, foram mensuradas a distancia entre cada ponto

de amostragem e as cidades e rodovias mais próximas. Por ultimo, foi utilizada

a localização espacial de cada domicilio no entorno da área de estudo para o

calculo da densidade de domicílios em cada sub-bacia (dom/Km2) através de

resultados do Censo Demográfico Brasileiro de 2010 (IBGE, 2011).

2.2.3. Desenvolvimento do Índice de Vulnerabilidade Ambiental

2.2.3.1. Padronização

Os fatores de paisagem natural e pressões antrópicas foram

padronizados em uma mesma escala numérica, de modo a permitir sua

agregação. Os valores apresentados em cada variável foram convertidos em

uma escala crescente de fragilidade (1 a 5), levando-se em consideração a

variabilidade encontrada na área de estudo e o grau de fragilidade teórico

(Crepani et al., 2001) destas variáveis (Tabela 1).

Page 157: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

143

Tabela 1. Fatores utilizados e respectivos valores de fragilidade padronizados na área de estudo.

Fatores Valor

1 2 3 4 5(1) Diferença de altura (m) < 60 60-160 160-260 260-360 > 360

(2) Declividade (%) < 6 6-12 6-20 20-50 > 50

(3) Pluviosidade anual (mm2) < 1200 1200-1380 1380-1620 1620-1800 > 1800

(4) Geologia (Tipo/fragilidade) Dacito, Granito Xisto Filito Arcósio, Arenito, Conglomerado

Siltito, Calcarenito

(5) Cobertura natural (%) > 70 50-70 30-50 10-30 < 10

(6) Densidade de domicílios

(dom/km2)

< 0,5 0,5-1 1-1,5 1,5-2 > 2

(7) Proximidade de rodovias (Km) > 15 10-15 5-10 2-5 < 2

(8) Proximidade de centros urbanos (Km)

> 30 20-30 10-20 5-10 < 5

2.2.3.2. Construção dos pesos para cada fator

Ao analisar a fragilidade ambiental de uma área, deve-se considerar que

fatores distintos possuem importância diferenciada na quantificação de um

fenômeno (Malczewski, 2006). Neste estudo utilizou-se o método de Processo

Analítico Hierárquico (AHP; Saaty, 1977), amplamente utilizado em análises

ambientais multicritérios (p.ex. Ramanathan, 2001; Wang et al., 2008; Tian et

al., 2013). Este método analítico consiste em comparar os fatores aos pares,

de modo que cada relação recebe um peso, o que permite organizar cada

variável segundo uma hierarquia. Os fatores são organizados em uma matriz e

é aferida a importância relativa de cada fator em relação aos demais. Quando

um fator (A) é mais importante que um fator (B), recebe uma nota x, e da

mesma maneira, o fator (B) recebe uma nota recíproca 1/x (Tabela 2). O peso

final é soma da importância relativa de cada fator, e a soma destes pesos

possui o valor 1 (Tabela 3).

Page 158: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

144

Tabela 2. Grau de importância das relações entre os fatores.

Grau de importância Definição

1 Igual importância entre dois fatores

3 Fraca importancia de um fator em relação ao outro

5 Forte importancia de um fator em relação ao outro

7 Muito Forte importancia de um fator em relação ao outro

9 Absoluta importancia de um fator em relação ao outro

2, 4, 6, 8 Valores intermediários entre duas apreciações

1/2, 1/3, 1/4, 1/5, 1/6, 1/7, 1/8, 1/9 Valores reciprocos de uma apreciação prévia

Tabela 3. Pesos relativos dos fatores selecionados para o estudo.

Fatores (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Pesos(1) Diferença de altura (m) - 2 4 2 1/2 4 6 2 0,1852(2) Declividade (%) 1/2 - 2 2 1/3 2 5 2 0,1240

(3) Pluviosidade anual (mm2) 1/4 1/2 - 1/5 1/6 3 3 1/2 0,0603(4) Geologia (Tipo/fragilidade) 1/2 1/2 5 - 1/4 6 7 5 0,1683(5) Cobertura natural (%) 2 3 6 4 - 6 8 6 0,3253

(6) Densidade de domicílios (dom/Km2) 1/4 1/2 1/3 1/6 1/6 - 1 1 0,0417(7) Proximidade de rodovias (Km) 1/6 1/5 1/3 1/7 1/8 1 - 1/3 0,0280(8) Proximidade de centros urbanos (Km) 1/2 1/2 2 1/5 1/5 1 3 - 0,0672

2.2.3.3. Consistência da matriz de julgamento

Para verificar se a matriz de julgamento é coerente (por exemplo, se A é

mais importante que B, e B mais importante que C, logo C não pode ser mais

importante que A), foi utilizada a razão de consistência (CR; Equação 1).

CR

= CIRI(1)

Onde RI é o valor dado, referente ao tamanho da matriz e definido por

Saaty (1977), e CI (Equação 2).

CI

= (max − �)(1 − �) (2)

Page 159: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

145

Onde λmax é o maior ou o principal autovalor da matriz, e n é a ordem

da matriz. Um CR de 0,10 ou menor demonstra que as relações dentro da

matriz são consistentes (Saaty, 1977). A razão de consistência da matriz de

julgamentos deste estudo foi de 0,06.

2.2.3.4. Cálculo do Índice de Vulnerabilidade Ambiental (IVA)

O valor do índice de vulnerabilidade ambiental (IVA) é o somatório dos

fatores (Ai) ponderados pelos respectivos pesos (wj), conforme a equação 3.

IVA

=����� (��

���= 1, 2…�)(3)

2.2.4. Teste de eficiência do IVA

O Índice de Vulnerabilidade Ambiental foi calculado em um primeiro

momento para oitenta sub-bacias para que seus valores fossem

correlacionados com métricas de substrato baseadas em levantamento in situ

nestes oitenta pontos. Como a área de estudo contempla duas bacias

hidrográficas de empreendimentos distintos, optou-se por testar a eficiência do

índice em um primeiro momento de maneira conjunta, e posteriormente o IVA

foi testado separadamente com os dados de cada bacia.

2.2.4.1. Métricas de substrato

O impacto sobre o sedimento foi aferido através do levantamento das

características físicas em cada riacho através de protocolos de diversidade de

hábitats físicos (Peck et al., 2006). O comprimento de cada trecho de rio

amostrado correspondeu a 40 vezes a sua largura, em uma extensão mínima

de 150 metros (Kaufmann et al., 1999) e cada trecho foi dividido em 11

transectos igualmente espaçados. Em cada transecto foram quantificadas as

Page 160: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

146

dimensões do canal (p.ex. largura molhada, profundidade, leito sazonal) e o

tipo de substrato (p.ex. areia, cascalho, matacão, etc.). Entre cada transecto

foram mensuradas a presença de sedimento fino no talvegue, declividade,

sinuosidade e presença de madeiras (Peck et al., 2006). Os cálculos para a

geração das métricas relativas aos habitats físicos estão descritas em

Kaufmann et al. (1999, 2009). Foram calculadas 6 métricas de substrato: (1)

%FN – porcentagem de sedimentos finos (< 0.16mm); (2) %FN+SA –

porcentagem de sedimentos finos + areia (< 2 mm); (3) XEMBED –

porcentagem de sedimentos grossos (> 2mm) imerso sob sedimentos finos (<

2mm); (4) DGM – diâmetro geométrico médio; (5) LRBS – log(10) da

estabilidade relativa do leito, ou razão entre diâmetro geométrico médio e

diâmetro crítico no leito sazonal; e (6) D50 – tamanho mediano do sedimento.

2.2.4.2. IVA x Métricas de substrato

Para testar a eficiência do IVA, foi utilizada correlação de Pearson entre

o IVA e as seis métricas de substrato. A normalidade dos índices foi testada

(teste de Kolmogorov-Smirnov, p > 0,05) e os índices DGM e D50 foram

transformados (log(10) X) para atender o pressuposto de normalidade.

2.2.5 Expansão do IVA

Considerando que o IVA foi testado em uma rede de amostragem

probabilística, o índice pode ser expandido para toda a área de estudo (Whittier

et al., 2007). Para a expansão do índice, cada uma das oito camadas espaciais

teve a sua resolução espacial ajustada para células de 300 x 300 metros,

através de operações no SIG ArcGis. As variáveis incialmente calculadas como

mensurações relativas a cada bacia (diferença de altitude, declividade,

geologia, porcentagem de cobertura natural e densidade de domicílios) foram

calculadas em cada célula 300 x 300. As demais camadas (pluviosidade anual,

proximidade de centros urbanos e proximidade de rodovias) foram novamente

geradas conforme a metodologia inicial, considerando a nova resolução

espacial (300 x 300 pixels). Através de álgebra de mapas, o IVA foi calculado

Page 161: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

147

para toda a área de estudo, considerando os mesmos parâmetros da Equação

3. O índice temático foi dividido em 6 classes de fragilidade: insignificante (<

1,5), leve (1,5 – 2,0), moderada (2,0 – 2,5), forte (2,5 – 3,0), muito forte (3,0 –

3,5) e extrema (> 3,5).

3. Resultados

3.1. Levantamento dos fatores ambientais e métricas de substrato

As oitenta sub-bacias ocorrem em áreas com diferença de altitude

predominantemente acima de 160 metros e baixa declividade média e a

pluviosidade anual é inferior a 1500 mm/m2 (Tabela 4). Mais de 50% das

bacias estudadas ocorrem sobre rochas sedimentares (Siltitos, Arenitos,

Calcarenitos, Arcósios e Conglomerados); cerca de 25% ocorrem sobre Xistos,

10% sobre Filitos, ambas rochas metamórficas, e pouco mais de 5% sobre

rochas vulcânicas, neste caso os Dacitos. Todas as sub-bacias em Três Marias

estão sobre rochas sedimentares e, em Nova Ponte, apenas 5 ocorrem sobre

este tipo de rocha. (Tabela 4). Além disso, as bacias amostradas possuem

moderados níveis de cobertura natural, são distantes de rodovias e centros

urbanos e possuem baixa densidade de domicílios, caracterizadas como

essencialmente agropastoris (Tabela 4).

Page 162: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

148

Tabela 4. Fatores ambientais nas oitenta sub-bacias amostradas.

Fatores Nova Ponte Três Marias

Média ± Desvpad Média ± Desvpad

Paisagem Natural

150,6 ± 69,14 174,0 ± 84,75

8,24 ± 3,00 7,21 ± 3,12

1584,9 ± 116,24 1266,7 ± 54,181

Xisto 21 -

Filito 9 -

Dacito 5 -

Arenito 4 -

Siltito - 22

Arcósio - 13

Conglomerado - 4

Calcarenito 1 1

Pressões antrópicas

35,86 ± 25,30 43,93 ± 20,48

15683,0 ± 8602,05 16785,8 ± 10533,1

6890,29 ± 4768,51 5179,57 ± 4806,210,97 ± 0,94 0,74 ± 0,60

Proximidade de centros urbanos (Km)

Proximidade de rodovias (Km)

Densidade de domicílios (dom/Km2)

Diferença de altitude (m)

Declividade (%)

Pluviosidade anual (mm/m2)

Geologia (Tipo)

Cobertura natural (%)

Em relação às métricas de substrato, as sub-bacias amostradas

possuem mais de 50% de sedimento grosso imerso em sedimento fino

(Xembed), além de moderadas porcentagens de sedimento fino e areia (%FN e

% FN+SA). O diâmetro geométrico médio predominante é cascalho (2-64 mm),

enquanto o D50 varia entre as duas bacias: tamanho cascalho (2-64 mm) em

Nova Ponte e matacão (250-1000 mm) em Três Marias. Em relação à

estabilidade relativa do leito, no geral ela é negativa, o que denota predomínio

dos processos deposicionais nos riachos (Tabela 5).

Tabela 5. Valores dos índices de sedimento nas oitenta sub-bacias amostradas.

Índices de sedimento Nova Ponte Três Marias

Média ± Desvpad Média ± Desvpad

Imersão - Xembed (%) 64,08 ± 19,67 58,38 ± 24,81

Porcentagem de sedimento fino - %FN (< 0.06 mm) 0,18 ± 0,19 0,57 ± 0,34

Porcentagem de sedimento fino + areia - %FN+SA (< 2.00 mm) 0,47 ± 0,20 0,63 ± 0,30

Diâmetro geométrico médio - Dgm (mm) 7,53 ± 19,5 19,83 ± 60,30

Log (10) da estabilidade relativa do leito - Lrbs -2,74 ± 0,80 -3,24 ± 1,35

Tamanho mediano do sedimento - D50 (mm) 10,85 ± 28,11 658,13 ± 1590,8

Page 163: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

149

3.2. Correlação entre o IVA e as métricas de substrato

No total da área de estudo, o IVA possui moderada a forte correlação (r

= 0,37-0,50, p < 0,001) com todos as métricas de substrato avaliadas (Tabela

6). Ao se analisar as correlações entre o IVA e as métricas de substrato

separadamente em cada bacia (Nova Ponte e Três Marias), nota-se

correlações significativas (0,37-0,57, p < 0,05), com a exceção do Xembed e

%FN+AS em Nova Ponte.

Tabela 6. Correlação entre o IVA e as métricas de substrato nas oitenta sub-bacias amostradas.

Metrica Nova Ponte (NP) Três Marias (TM) NP+TM

r r r

Xembed 0.23 0.56*** 0.39***

%FN 0.46** 0.39* 0.43***

%FN+SA 0.30 0.37* 0.37***

Log DGM -0.43** -0.53*** -0.50***

Log RBS -0.44** -0.41** -0.44***

Log D50 -0.37* -0.57*** -0.45***

*p < 0.05; **p < 0.01; ***p < 0.001

3.3. Expansão do IVA para toda a área de estudo

Seis classes de vulnerabilidade foram definidas: enquanto a bacia do

reservatório de Nova Ponte possui uma distribuição uniforme entre estas

classes (Figura 2-A), a bacia do reservatório de Três Marias possui maior

distribuição nos valores entre 2 e 3, o que representa as classes de

vulnerabilidade moderada e forte (Figura 2-B).

Page 164: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

150

Figura 2. Histograma de frequência e valores relativos do IVA expandido para as bacias dos reservatórios hidrelétricos de Nova Ponte e Três Marias, MG.

A distribuição espacial das classes permite localizar claramente as áreas

mais e menos susceptíveis nas bacias estudadas, segundo o IVA (Figura 3).

Page 165: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

151

Figura 3. Distribuição espacial do IVA nas bacias de Nova Ponte e Três Marias, MG.

4. Discussão

4.1. Abordagem metodológica

No geral, estudos de fragilidade ambiental são baseados apenas em

aspectos teóricos dos fatores estudados, o que dificulta a validação da

Page 166: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

152

metodologia utilizada (Villa & McLeod, 2002). Neste estudo a abordagem

metodológica utilizando a análise de multicritérios (AHP) com critério espacial

de álgebra de mapas que permitiu construir um índice de vulnerabilidade

ambiental em uma escala detalhada. Neste caso foram utilizadas duas bacias

de empreendimentos hidrelétricos totalizando 80 trechos de riacho, e nesta

área restrita foi possível efetivamente testar a resposta do IVA em relação às

seis métricas de substrato estudadas. Por um lado, a produção e deposição de

sedimentos finos é uma das principais ameaças à vida útil de um reservatório

(Arias et al., 2011; von Sperling, 2012). Por outro, o seu monitoramento envolve

altos custos financeiros e de tempo e, nesse caso, a utilização de índices

baseados nesta metodologia empregada é uma solução rápida, de baixo custo

e que pode ser avaliada em escala de sub-bacia e extrapolada para uma

escala regional (Kaufmann et al., 2008). A resposta encontrada entre o IVA e

estes índices contemplando as duas bacias de empreendimentos foi

satisfatória (r = 0,36-0,50, p < 0,001) e, a partir da escala de sub-bacia, permitiu

a expansão do IVA para toda a área de estudo (~ 20.200 Km2). Ao se analisar

as bacias separadamente, os resultados mostraram que a metodologia pode

ser aplicada considerando uma ou mais bacias hidrográficas.

A premissa de expansão do índice é baseada na construção da rede de

amostragem empregada (Whittier et al., 2007). Avaliações ambientais em

bacias hidrográficas devem considerar amostragens a fim de avaliar padrões

de distribuição espacial dos elementos estudados. Devido à impossibilidade de

se estudar 100% da área, é necessário que a amostragem seja eficiente, livre

de viés e espacialmente balanceada (Larsen et al., 2008). A rede utilizada

neste estudo foi baseada em um desenho amostral espacialmente balanceado,

utilizando os critérios estabelecidos pelo programa de monitoramento ambiental

em escala nacional utilizado nos EUA, executado pelo US-EPA (Olsen & Peck,

2008) e, dessa maneira, os resultados foram extrapolados das 80 sub-bacias

para o total da área de estudo dos dois empreendimentos hidrelétricos.

O método de coleta dos dados nos pontos de amostragem é rápido, de

baixo custo, o que a torna uma interessante ferramenta para o gerenciamento

ambiental de bacias hidrográficas (Hughes & Peck, 2008). O levantamento das

variáveis ambientais para a extrapolação do índice também é de baixo custo,

Page 167: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

153

principalmente devido à crescente disponibilização de dados geográficos e

imagens de satélite (Nemec & Raudsepp-Hearne, 2012). Assim, a extrapolação

do índice considerou a fonte dos dados disponíveis para toda a área de estudo,

quando foram propostas células de 300 x 300 metros. A utilização de um

levantamento em uma escala mais restrita pode ser extrapolado para áreas

maiores, o que permite a racionalização de recursos humanos e financeiros

(Hughes & Peck, 2008).

4.2. Degradação ambiental e potencial perda de serviços ecossistêmicos

A análise da área de estudo mostrou que cerca de 45% da área em

ambas as bacias dos reservatórios possui IVA forte a extremo (Figura 3) e que

as áreas mais ou menos frágeis são facilmente identificáveis (Figura 4). Este

cenário atual de dois empreendimentos hidrelétricos no Cerrado mostra uma

tendência que pode ser extensível a outras bacias hidrográficas. Atualmente o

Cerrado é um dos biomas que mais sofre com substituição de vegetação

natural por usos agropecuários como lavouras e pastagens (Ratter et al., 1997;

Wantzen et al., 2006; Diniz-Filho et al., 2008) e, como nesse bioma se localiza

a principal matriz hidroelétrica brasileira (Brasil, 2008), há uma real ameaça

não apenas à geração de energia. É estimado que, em 40 anos, metade da

capacidade de estocagem hídrica nos reservatórios esteja comprometida

(WCD, 2000).

Além de gerar energia elétrica, os reservatórios provem outros serviços

ecossistêmicos, como produção pesqueira, abastecimento humano e recreação

(Baron et al., 2002). A degradação das bacias a montante dos reservatórios

traz prejuízos econômicos em varias cadeias produtivas relacionadas a estes

serviços. Apesar da quantificação destes serviços ser uma tarefa bastante

complexa (Costanza et al., 1997), um estudo específico no cenário brasileiro

com este fim seria interessante. Isto permitiria balizar o quanto custa preservar

áreas a montante de reservatórios em relação às outras atividades econômicas

atualmente desenvolvidas, notadamente ligadas às commodities agrícolas de

baixo valor agregado e alta dependência dos preços fixados no mercado

externo e susceptíveis a crises econômicas (O’Sullivan & Sheffrin, 2003).

Page 168: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

154

4.3. Manejo e gerenciamento ambiental em bacias de reservatórios hidrelétricos

A metodologia utilizada permite criar subsídios para que tomadores de

decisão possam equacionar melhor a disponibilização de recursos financeiros e

humanos para ações específicas de manejo, preservação ou conservação de

recursos naturais e, consequentemente, conservando a disponibilidade dos

serviços ecossistêmicos. Através desta abordagem analítica, pode-se

identificar como a sobreposição de fatores relacionados à paisagem natural e

às pressões antrópicas impactam as sub-bacias hidrográficas e,

consequentemente, a área a montante dos reservatórios. Como os aspectos da

paisagem natural não podem ser controlados pela ação humana, pode-se

identificar as áreas nas quais ações de recuperação e conservação serão mais

eficazes, permitindo uma melhor equalização de recursos financeiros.

Os resultados deste estudo corroboram a importância da manutenção da

vegetação na preservação dos solos, e neste sentido podem subsidiar a

proposição de ações de manejo específico, de maneira que se possa prolongar

a vida útil dos reservatórios em regiões tropicais. A abordagem integrada

utilizando as pressões antrópicas sobrepostas aos aspectos naturais e,

utilizando a bacia hidrográfica como unidade de análise vai ao encontro da

moderna perspectiva da gestão de recursos hídricos (Magalhães Jr, 2007).

Mais além, os resultados possuem importância na conservação da

biodiversidade, uma vez que a presença de sedimentos finos é negativamente

associada às assembleias aquáticas tanto em ambientes fluviais (Kaufmann et

al., 2009; Bryce et al., 2010) quanto em sistemas lacustres (Lenhardt et al.,

2008; Molozzi et al., 2013).

O atual arcabouço jurídico brasileiro em relação ao gerenciamento dos

recursos hídricos estabelece que a água é um recurso natural limitado, dotado

de valor econômico (Brasil, 1997) e ações de conservação dos recursos

hídricos e serviços ecossistêmicos a ele relacionados vão ao encontro deste

marco legal. Os instrumentos gerenciais criados pela legislação (p.ex. Plano de

Recursos Hídricos – PRH e Plano Ambiental de Conservação e Uso do

Reservatório Artificial – PACUERA) podem se apropriar de abordagens

Page 169: capítulo 3. the relative influence of catchment and site variables on

155

analíticas que integrem as interações entre os aspectos sociais e geobiofísicos

na área de estudo.

Em uma perspectiva internacional, vários países tropicais possuem

características semelhantes ao contexto brasileiro em relação à abundância

dos recursos hídricos superficiais e serviços ecossistêmicos focados na

geração de energia por meio da hidreletricidade (WCD, 2000). Assim, a

abordagem utilizada neste estudo é potencialmente aplicada em países como,

por exemplo, Índia, Indonésia, Bangladesh, China, República Democrática do

Congo, Quênia, Tanzânia que, juntamente com o Brasil, correspondem a mais

de 50% das reservas de água doce no mundo (Gleick, 1998). Neste contexto,

destaca-se principalmente a Índia e China, que juntas possuem mais de 50%

das maiores barragens do mundo (WCD, 2000). Em outras palavras, esta

abordagem pode ser útil a mais de 2 bilhões de pessoas apenas nestes países,

que usufruem dos serviços ecossistêmicos proporcionados pelos reservatórios

construídos para a geração de energia elétrica.

Agradecimentos

Este trabalho obteve financiamento da CEMIG através do Programa

Peixe Vivo, CAPES, CNPq, FAPEMIG e Fulbright Brasil. Colegas da UFMG,

UFLA, PUC-Minas e CEFET colaboraram no levantamento dos dados de

campo. Agradecemos ao colega Carlos Bernardo Mascarenhas Alves pelo

gerenciamento logístico do projeto, e aos colegas Tony Olsen, Phil Larsen,

Marc Weber e Curt Seeliger (US-EPA, Western Ecology Division) pela auxílio

no desenho amostral e cálculo das métricas de habitats físicos.

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161

CONCLUSÕES

Esta tese utilizou ferramentas internacionalmente validadas, porém

ainda não utilizadas em bacias tropicais intensamente ocupadas. Os dados

biológicos foram adquiridos a partir de um desenho amostral espacialmente

balanceado, no qual o esforço amostral é significativo tanto em número de

pontos (80) quanto em número de sub-amostras (11 por ponto). Aliado a isso,

um sistemático levantamento de habitats físicos fluviais e a caracterização

ambiental baseada em ferramentas de SIG buscou identificar como as

características ambientais em escala de bacia (aspectos geodinâmicos e uso e

ocupação do solo) e na escala local (habitats físicos e qualidade da água)

influenciam a biota aquática. Nesse caso, a Geografia suporta a Ecologia como

subsídio à integração de diferentes escalas, abordagens e metodologias,

mesmo reconhecendo que há limitações nesta integração devido ao efeito de

covariância entre as escalas e níveis hierárquicos estudados.

Os resultados da tese confirmaram que as assembleias aquáticas são

influenciadas pelos fatores ambientais (aspectos geodinâmicos, influência

antrópica e hábitats físicos) nas escalas avaliadas. A avaliação ambiental

integrada em várias escalas espaciais, além de possibilitar a comparação

temporal, no futuro, poderá potencialmente oferecer subsídios para a gestão de

bacias hidrográficas de empreendimentos hidrelétricos.

A riqueza das assembleias de peixes e de macroinvertebrados

bentônicos respondeu significativamente ao conjunto dos fatores ambientais.

Ao analisar cada fator de maneira separada, os aspectos geodinâmicos, em

conjunto com habitats físicos, são os principais fatores que influenciam a

riqueza. Porém, ao se analisar os fatores de maneira conjunta, os habitats

físicos perdem importância, pois são influenciados pelos aspectos

geodinâmicos e pressões antrópicas, que se posicionam na escala de bacia

hidrográfica. Macroinvertebrados bentônicos são mais influenciados pelas

pressões antrópicas em relação aos peixes, provavelmente devido à sua

mobilidade restrita.

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As pressões antrópicas influenciam a integridade biótica das

assembleias aquáticas. O estudo das relações entre influência antrópica e

assembleia de macroinvertebrados bentônicos através de um índice

multimétrico mostrou que um gradiente de distúrbios antrópicos nas escalas de

bacia e local refletem um gradiente na integridade biótica. Porém, bacias

pequenas (< 3 km2) não respondem ao gradiente de distúrbio, pois são mais

susceptíveis a eventos estocásticos

Os aspectos geodinâmicos e de pressões antrópicas também podem

influenciar as condições de transporte e deposição de sedimentos em bacias

hidrográficas. Caso estas bacias drenem em direção a um reservatório, todo o

material sedimentar transportado será depositado neste, ocasionando na

potencial perda de bens e serviços ecológicos a este associado. Mais além,

poderá ameaçar as assembleias aquáticas fluviais e lacustres, já que a

presença de sedimento fino é uma das principais causas de perda de

biodiversidade aquática nestes sistemas.

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163

PERSPECTIVAS FUTURAS

Em pesquisas futuras, alguns tópicos podem ser explorados em outros

projetos de pós-graduação:

• Estudo das influências dos aspectos geodinâmicos sobre a ocupação do

solo e como ambos influenciam a estruturação dos hábitats físicos;

• A possibilidade de incorporação de dados adquiridos em outras bacias

hidrográficas com metodologia semelhante, o que permitirá avançar no

entendimento de como outras escalas espaciais (p.ex. ecorregião ou

bacia hidrográfica) influenciam as assembleias biológicas em região

neotropical;

• Reamostragem na bacia do alto rio Araguari, através de projeto de

pesquisa já aprovado, oferecerá possibilidade de comparação e

validação da metodologia utilizada nesta tese.

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ANEXO: PROTOCOLO DE AVALIAÇÃO DE HABITATS FÍSICOS FLUVIAIS

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