Quantifying sediment source contributions in contrasted agricultural catchments (Uruguay River, Southern Brazil)

Abstract

Intensification of water erosion by agricultural activities is one of the main causes of soil degradation in subtropical regions. In addition to the on-site negative impacts observed in cropland, the excess of surface runoff increases the transfer of sediments and contaminants to water bodies, resulting in environmental, economic and social deleterious effects. The objective of this thesis is to develop and apply original sediment source fingerprinting techniques in two tributaries of the Uruguay River Basin with contrasting conditions in terms of geology, land use, management, and soil types, representative of those found in the drainage area (266,132 km2). The Conceição River catchment (804 km2) is located in upper parts of the Uruguay River Basin. This catchment is representative of the basaltic plateau, where deep Ferralsols rich in clay and iron oxides predominate, and are cultivated for soybean, corn and cereals production or covered with pastures for dairy farming. In contrast, the Ibirapuitã River catchment (5,943 km2) is representative of the sandstone plateau. With a predominance of shallow Regosols and sandy Acrisols more sensitive to degradation, it is mainly occupied by native grasslands of the Brazilian Pampa Biome with extensive cattle ranching, although irrigated rice fields are also found in lowlands. Moreover, a rapid increase in the surface area cultivated with soybean in this catchment has been observed in the last twenty years. Soil samples were collected to characterize land use-based sediment sources and suspended sediment was sampled at the outlet of these catchments using different strategies. All samples were analyzed for a panel of properties. Their geochemical composition, diffuse reflectance spectroscopy properties, radionuclide activities and magnetic susceptibility were determined to provide a set of potential tracing parameters. Magnetic and diffuse reflectance spectroscopy analyses were also carried out on sediment samples collected on the main stream of the Uruguay River, downstream of its confluence with both representative tributaries. Results of sediment source contribution are consistent with field observations. However, as catchment area and source number increase, more uncertainty is observed. Surface sources (pasture and cropland) were indicated as the main source of suspended sediment in the Conceição catchment, contributing with approximately 50%. Stream banks provided the second main source of fine bed sediment, contributing with approximately 35%. Cropland was also found to provide the main source in the Ibirapuitã catchment, contributing 32% of the sediment despite occupying only 9.5% of the total catchment area, followed by subsurface sources (stream bank and gully) with 29%. Unpaved roads and native grassland provided lower contributions (24 and 15%, respectively) in Ibirapuitã catchment. These results indicate that the soil conservation practices used in these catchments are not enough to prevent soil erosion in cropland. Moreover, agricultural activities may enhance erosion and sediment delivery to the river systems, causing soil impoverishment and contamination of water resources. Finally, through the comparison of sediment properties of both tributary catchments, this thesis provided – to our knowledge – the first insights into the contribution of both contrasting geomorphologic regions to the main Uruguay River. The sediment samples collected in the bottom deposits of the Uruguay River, had similar characteristics as the suspended sediment of the Ibirapuitã River, indicating the Pampa region as the main likely source. Despite the associated uncertainties, these results further increase the current concerns regarding the ongoing land use changes observed in the Pampa biome. Appropriate soil conservation practices should therefore be urgently applied in agricultural areas of this region to reduce soil erosion and sediment delivery to the river systems.

A intensificação da erosão hídrica pelas atividades agrícolas é uma das principais causas da degradação do solo em regiões subtropicais. Além dos impactos negativos observados na lavoura, o excesso de escoamento superficial aumenta a transferência de sedimentos e contaminantes para os corpos d'água, resultando em efeitos deletérios ambientais, econômicos e sociais. O objetivo desta tese é desenvolver e aplicar técnicas originais de traçagem das fontes de sedimentos em dois tributários da bacia do rio Uruguai com condições contrastantes em termos de geologia, uso do solo, manejo e tipos de solo, representativas das encontradas na área de drenagem (266.132 km2). A bacia hidrográfica do Rio Conceição (804 km2) está localizada na porção superior da Bacia do Rio Uruguai. Esta bacia é representativa do planalto basáltico, onde predominam os Ferralsols profundos ricos em argila e óxidos de ferro, e são cultivados para a produção de soja, milho e cereais ou cobertos com pastagens para a produção leiteira. Em contraste, a bacia hidrográfica do Rio Ibirapuitã (5.943 km2) é representativa da planície de arenito. Com predominância de Regosols rasos e Acrisols arenosos mais sensíveis à degradação, é ocupada principalmente por pastagens nativas do Bioma Pampa brasileiro com pecuária extensiva, embora os campos de arroz irrigados também sejam encontrados em terras baixas. Além disso, nos últimos vinte anos, observou-se um rápido aumento da superfície cultivada com soja nesta bacia hidrográfica. Amostras de solo foram coletadas para caracterizar as fontes de sedimentos baseados no uso do solo e sedimentos em suspensão foram amostrados na saída destas bacias utilizando diferentes estratégias. Todas as amostras foram analisadas para um painel de propriedades. Sua composição geoquímica, propriedades de espectroscopia de reflexão difusa, atividades de radionuclídeos e suscetibilidade magnética foram determinadas para fornecer um conjunto de parâmetros traçadores potenciais. Também foram realizadas análises por espectroscopia de reflexão difusa e suscetibilidade magnéticas em amostras de sedimentos coletadas no Rio Uruguai, a jusante da confluência com ambos os tributários representativos. Os resultados da contribuição das fontes de sedimentos são consistentes com as observações de campo. Entretanto, à medida que a área de captação e o número de fontes aumentam, mais incerteza é observada. As fontes superficiais (pastagens e lavouras) foram indicadas como a principal fonte de sedimentos em suspensão na bacia hidrográfica do Rio Conceição, contribuindo com aproximadamente 50%. Os bancos do canal de drenagem foram a segunda fonte principal de sedimentos em suspensão, contribuindo com aproximadamente 35%. As lavouras também foram indicadas como a principal fonte na bacia do Ibirapuitã, contribuindo com 32% do sedimento, apesar de ocupar apenas 9,5% da área total da bacia, seguida pelas fontes subsuperficiais (bancos do canal de drenagem e voçorocas) com 29%. Estradas não pavimentadas e campos nativos proporcionaram contribuições menores (24 e 15%, respectivamente) na bacia hidrográfica do Ibirapuitã. Estes resultados indicam que as práticas de conservação do solo utilizadas nestas bacias não são suficientes para evitar a erosão do solo nas lavouras. Além disso, as atividades agrícolas podem aumentar a erosão e a entrega de sedimentos aos sistemas fluviais, causando empobrecimento do solo e contaminação dos recursos hídricos. Finalmente, através da comparação das propriedades dos sedimentos de ambas as bacias tributárias, esta tese forneceu - ao nosso conhecimento - os primeiros conhecimentos sobre a contribuição de ambas as regiões geomorfológicas contrastantes para o Rio Uruguai. As amostras de sedimento coletadas no fundo do rio Uruguai, apresentaram características semelhantes às do sedimento em suspensão do rio Ibirapuitã, indicando a região do Pampa como a provável fonte principal. Apesar das incertezas associadas, estes resultados aumentam ainda mais as atuais preocupações com as mudanças no uso do solo observadas no bioma Pampa. Portanto, práticas apropriadas de conservação do solo devem ser urgentemente aplicadas em áreas agrícolas desta região para reduzir a erosão do solo e a entrega de sedimentos aos sistemas fluviais.

L'intensification de l'érosion hydrique par les activités agricoles constitue l'une des principales causes de dégradation des sols dans les régions subtropicales. En plus des impacts négatifs observés à l’amont, l'excès de ruissellement accroît le transfert de sédiments et de contaminants vers les masses d'eau. L'objectif de cette étude est de développer des techniques originales de traçage des sources de sédiments dans deux affluents-type du fleuve Uruguay présentant des conditions contrastées en termes de géologie, d'utilisation des terres, de gestion et de types de sols, représentatifs de ceux que l'on trouve dans la zone de drainage (266 132 km2). Le bassin de la rivière Conceição (804 km2) est représentatif du plateau basaltique où prédominent les Ferralsols profonds riches en argile et en oxydes de fer, où sont cultivés le soja, le maïs, les céréales et où on trouve des pâturages pour l'élevage laitier. Au contraire, le bassin de la rivière Ibirapuitã (5 943 km2) est représentatif du plateau gréseux où prédominent les Regosols et Acrisols plus sensibles à la dégradation, les prairies indigènes utilisées pour l’élevage bovin extensif prédominent, bien que l'on trouve également des rizières irriguées dans les plaines alluviales. Des échantillons de sol ont été prélevés pour caractériser les sources de sédiments liées à l'utilisation des terres. Des échantillons de sédiments en suspension ont été collectés à l’exutoire de ces bassins versants en utilisant différentes stratégies. Tous ces échantillons ont été analysés avec plusieurs techniques. Leur composition géochimique, leurs propriétés de spectroscopie de réflectance diffuse, leurs activités en radionucléides et la susceptibilité magnétique ont été déterminées afin de fournir un ensemble de paramètres de traçage potentiels. Des analyses magnétiques et de spectroscopie ont également été réalisées sur des échantillons de sédiments collectés sur le cours principal du fleuve Uruguay, en aval de la confluence avec les deux affluents représentatifs. Les résultats de la contribution des sources de sédiments sont cohérents avec les observations sur le terrain. Cependant, plus la superficie du bassin versant et le nombre de sources augmentent, plus les incertitudes sont importantes. Les sources superficielles (pâturages et terres cultivées) ont été indiquées comme la principale source de sédiments dans le bassin de Conceição, avec environ 50% d’apports. Les berges ont fourni, quant à elles, la seconde source de sédiments, avec une contribution d'environ 35%. Les terres cultivées se sont également avérées être la principale source de sédiments dans le bassin d'Ibirapuitã, fournissant 32% des sédiments bien qu'elles n'occupent que 9,5% de la surface totale du bassin, suivies par les sources de subsurface (berges et ravines) avec 29%. Les routes et les prairies indigènes ont fourni, au contraire, des contributions bien plus faibles (24 et 15%, respectivement). Ces résultats indiquent que les activités agricoles peuvent augmenter l'érosion et l'apport de sédiments dans les systèmes fluviaux, provoquant l'appauvrissement des sols et la contamination des ressources en eau. Enfin, en comparant les propriétés des sédiments des deux affluents- type, cette thèse a fourni - à notre connaissance – la première estimation de la contribution de ces deux régions géomorphologiques contrastées aux sédiments du fleuve Uruguay. Les échantillons de sédiments collectés dans le lit du fleuve Uruguay présentaient des caractéristiques similaires à celles des sédiments en suspension du fleuve Ibirapuitã, ce que indique que la Pampa en constitue la source principale. Malgré les incertitudes associées, ces résultats renforcent les préoccupations actuelles en lien avec les changements d'utilisation des terres observés dans la Pampa. Il est donc urgent de mettre en œuvre des stratégies de conservation des sols dans les zones agricoles de cette région afin de réduire l'érosion des sols et l'apport de sédiments aux systèmes fluviaux.