Regulating ecosystem services in tropical forests : water partitioning in the Amazon basin

Tropical forests currently cover only 5% of the total Earth’s surface; nevertheless, the ecosystem services (ES) they supply have global importance. Water regulation is among the major forest ES. The rainfall recycling guaranteed by evapotranspiration (ET) is, indeed, fundamental for the regulation of global water cycle, as well as for climate regulation and water and food provisioning. Despite its importance, rainfall recycling has been poorly considered in ecosystem services assessments. Moreover, the magnitude of this process is endangered by the increasing deforestation in areas as Amazon basin. In this study, we investigate how evapotranspiration and rainfall recycling are influenced by different vegetation covers and how this affects the potential rainfall recycling, with a focus on forest and pasture in the Brazilian Amazon. From the methodological viewpoint, we compare three different approaches for the assessment of ET fluxes and its partitioning into its primary components. We explore a comprehensive dataset of ET fluxes deriving from global model calculations (GLEAM), we run and existing simulation software (HYDRUS-1D) commonly used for the assessment of water-related ES, and develop a simple dynamical model describing water exchanges between soil and vegetation. All the considered methods consistently show that forest guaranteed higher evapotranspiration rates at both interannual and the seasonal scale, and thus provides larger contribution to precipitation recycling. In addition, plant transpiration provides the largest contribution to ET, both in forest and pasture areas. The dynamical model, despite its simplicistic nature, can reproduce the main water exchanges patterns in relation to land cover, especially in the case of pasture, which is characterized by a simpler vegetation structure and a higher dependence on water availability compared to forest. We finally discuss how the proposed model could be improved to become an effective tool for the assessment of water-related ES, setting the basis for the design of sustainable agroecosystems aimed at the regeneration of deforested areas.

Le foreste tropicali coprono attualmente solo il 5% della superficie terrestre; tuttavia, i servizi ecosistemici (ES) che riescono a mantenere, tra cui la regolazione del ciclo idrologico, ricoprono grande importanza. Il processo di evapotraspirazione (ET) garantito dalle foreste risulta fondamentale per la regolazione del ciclo globale dell’acqua, così come per la regolazione del clima e per la produzione di cibo. Inoltre, la persistenza di tale servizio è minacciata dalla crescente deforestazione in aree come il bacino Amazzonico. Nonostante l’importanza dei servizi di regolazione dell’acqua e la loro possibile perdita dovuta alla diminuzione di suolo forestato, la loro analisi è stata solo parzialmente considerata nella valutazione dei servizi ecosistemici. L’obiettivo di questo studio consiste quindi nel valutare come diverse coperture vegetative possono influenzare il processo di evapotraspirazione e la sua relativa importanza nel ciclo idrologico, considerando un’area di studio di foresta tropicale e pascolo situate nell’Amazzonia brasiliana. Dal punto di vista metodologico, sono stati considerati e confrontati tre differenti approcci per la quantificazione dell’evapotraspirazione e della partizione nelle sue principali componenti: dati provenienti da modelli globali di valutazione dell’evapotraspirazione (GLEAM), simulazioni del processo di ET il tramite un modello idrologico esistente (HYDRUS-1D) ed, infine, un modello dinamico in grado di descrivere gli scambi di acqua tra vegetazione e suolo. Un primo risultato comune a tutti i metodi riguarda il maggiore tasso di ET in aree forestate rispetto ad aree pascolo, sia a scala inter-annuale che stagionale, con un’influenza relativa maggiore sul ciclo dell’acqua locale. Inoltre, è stato trovato che il processo di traspirazione da parte della vegetazione risulta come il maggior contributo al valore della evapotraspirazione totale, in entrambi i tipi di copertura vegetale considerati. Il modello dinamico sviluppato all’interno di questo lavoro di tesi, nonostante la sua natura semplificata, si è rivelato in grado di riprodurre gli andamenti delle componenti del ciclo dell’acqua, specialmente nell’area di pascolo: questo è dovuto alla vegetazione presente sull’area a pascolo, che è caratterizzata da una struttura vegetativa più semplice e da una maggiore dipendenza dalla disponibilità di idrica rispetto alla zona forestata. Infine, sono state discusse le modalità di impiego del modello sviluppato all’interno della progettazione di agroecosistemi atti alla rigenerazione di aree deforestate, nella quale vengano tenuti in considerazione i servizi ecosistemici legati al ciclo dell’acqua.