Tropical wetlands as moisture engines: tracking the hydro-climatic impact of degradation in the Pantanal and Momposina depression

Land-atmosphere interactions are crucial processes for the global hydrologic cycle. Among terrestrial ecosystems, wetlands are of exceptional importance due to their strong evapotranspiration rates and their role as "hydroclimatic engines". However, these ecosystems are experiencing widespread degradation due to land use and climate change. This thesis aims to investigate how the progressive destruction of wetland integrity influences regional moisture recycling and downwind precipitation patterns. By comparing different evapotranspiration products (ERA5, GLEAM, and WATNEEDS) we develop degradation scenarios ranging from a pristine wetland to complete conversion to grassland, characterizing their uncertainty. We then use these degraded evapotranspiration scenarios to force WAM-2layers, a Eulerian atmospheric moisture tracking model, and quantify the moisture transport from two important South American wetlands: the Pantanal in Brazil and the Momposina Depression in Colombia. Most of the moisture tracked from both wetlands precipitates locally (49.6% in the Pantanal, 66.2% in the Momposina depression), indicating strong evapotranspiration-rainfall feedback. In the cropland-dominated Momposina landscape, this supports a vital land-sharing configuration where wetland integrity stabilizes hydroclimatic conditions for the surrounding agricultural landscape. In the Pantanal, the same local recirculation implies critical vulnerability, as our results suggest the system may already be near a degraded functional state. The degraded-ET scenarios show how reductions in wetland evapotranspiration translate into lower wetland-tracked precipitation over the domain. However, they do not simulate second-order ecohydrological responses to those precipitation changes: wetland resilience decline, dry season vulnerability or loss of hydraulic connectivity may not be explicitly captured and should be interpreted qualitatively rather than quantified within this framework. Overall, the study suggests that the progressive loss of wetland integrity may push key wetland systems toward reduced hydroclimatic functionality, reinforcing the need of safeguarding them to ensure regional climate resilience and water security.

Le interazioni terra-atmosfera sono processi cruciali per il ciclo idrologico globale. Tra gli ecosistemi terrestri, le zone umide rivestono un'importanza eccezionale grazie ai loro elevati tassi di evapotraspirazione e al loro ruolo di "motori idroclimatici". Tuttavia, questi ecosistemi stanno subendo un degrado diffuso a causa dei cambiamenti climatici e di uso del suolo. Questa tesi mira a indagare come la progressiva distruzione dell'integrità delle zone umide influenzi il riciclo dell'umidità regionale e i modelli di precipitazione sottovento. Confrontando diversi prodotti di evapotraspirazione (ERA5, GLEAM e WATNEEDS), sviluppiamo scenari di degradazione che vanno da una zona umida incontaminata alla completa conversione in prateria, caratterizzandone l'incertezza. Utilizziamo quindi questi scenari di evapotraspirazione degradata per forzare WAM-2layers, un modello euleriano di tracciamento dell'umidità atmosferica, e quantificare il trasporto di umidità da due importanti zone umide sudamericane: il Pantanal in Brasile e la depressione Momposina in Colombia. La maggior parte dell'umidità rilevata da entrambe le zone umide precipita localmente (49.6% nel Pantanal, 66.2% nella depressione Momposina), indicando un forte feedback tra evapotraspirazione e precipitazioni. Nel paesaggio della Momposina, dominato da terreni coltivati, ciò supporta una configurazione di condivisione territoriale vitale in cui l'integrità delle zone umide stabilizza le condizioni idroclimatiche per il paesaggio agricolo circostante. Nel Pantanal, la stessa ricircolazione locale implica una vulnerabilità critica, poiché i nostri risultati suggeriscono che il sistema potrebbe già essere prossimo a uno stato funzionale degradato. Gli scenari di ET (evapotraspirazione) degradata mostrano come le riduzioni dell'evapotraspirazione delle zone umide si traducano in minori precipitazioni rilevate dalle zone umide sul dominio. Tuttavia, non simulano le risposte ecoidrologiche di secondo ordine a tali cambiamenti nelle precipitazioni: il declino della resilienza delle zone umide, la vulnerabilità alla stagione secca o la perdita di connettività idraulica potrebbero non essere esplicitamente rilevati e dovrebbero essere interpretati qualitativamente, piuttosto che quantificati in questo contesto. Nel complesso, lo studio suggerisce che la progressiva perdita dell’integrità delle zone umide possa spingere verso una riduzione della loro funzionalità idroclimatica, rafforzando la necessità di tutelarli per garantire la resilienza climatica regionale e la sicurezza idrica.