Dynamics of land use and land cover in Brazil and impacts on surface-atmosphere interactions

Abstract

Substantial changes in land use and cover have occurred throughout Brazil, with emphasis on the large-scale conversion of natural areas, such as forests and pastures, for agricultural activities. These transformations directly impact surface-atmosphere interactions, altering energy flows, the water balance, and, consequently, the climate. This study aims to fill a crucial gap in understanding these changes, exploring their impacts on surface-atmosphere interactions across all Brazilian biomes. We carried out a systematic review to provide a detailed analysis of how changes in land use and cover affect surface-atmosphere interactions in Brazilian territory, particularly focusing on impacts on precipitation, evapotranspiration, and atmospheric humidity, highlighting the Amazon as the most studied biome, followed by the Cerrado. We observed that precipitation (P) was the most analyzed variable, followed by evapotranspiration (ET). However, few studies have addressed the impacts of land use and cover on atmospheric humidity (h). Specific results showed that, in the Amazon, there is a decrease in P during the dry season and a reduction in annual ET. In the Cerrado, a decrease in P was observed in the wet and dry seasons, together with a reduction in ET in the dry season. In the Atlantic Forest, there was an increase in annual P and ET in the wet season, attributed to reforestation. Additionally, we present a comprehensive analysis of changes in land use and land cover across Brazil, mapping primary vegetation deforestation, vegetation regeneration, and transitions between pastures, soybeans, and agriculture. Notably, we highlight significant deforestation trends in areas of primary vegetation. We found that increased deforestation directly affects hydrological interactions, with 72% of deforestation related to primary vegetation. We examined ET, PET, LST, and P trends in Brazil, focusing on the impact of deforestation. Increasing ET trends are seen in much of the Amazon and Cerrado, while localized decreases are linked to deforestation, especially in the Amazon's deforestation arc. PET shows mixed trends, with higher PET in areas experiencing rising temperatures. LST generally increases in deforested areas, notably in Rondônia and regions with agricultural expansion. Precipitation trends vary across regions, with some areas experiencing increased rainfall while others, like the Caatinga, show overall decreases. Deforestation is linked to decreased ET and increased LST across all biomes, emphasizing the broader impact of land-use change on surfaceatmosphere interactions. In the Pantanal, the largest tropical wetland in the world, we investigated the causes of the recent reduction in its extent, relating it to climate change, changes in land use and cover, and hydrology. We found that, although changes in land use increase water availability, climate change, including reduced precipitation and increased temperatures, predominate in decreasing the extent of the Pantanal. We interject that with future warming and continued reductions in precipitation, the drying trend will persist. These findings offer an in-depth understanding of the complex interactions between changes in land use and land cover, hydrology, and climate in Brazil, highlighting the need for sustainable management strategies to address these evolving challenges.

Mudanças substanciais no uso e cobertura do solo ocorreram em todo o Brasil, com destaque para a conversão em larga escala de áreas naturais, como florestas e pastagens, para atividades agrícolas. Essas transformações impactam diretamente as interações superfície-atmosfera, alterando os fluxos de energia, o balanço hídrico e, consequentemente, o clima. Este estudo visa preencher uma lacuna crucial no entendimento dessas mudanças, explorando as mudanças de uso e cobertura do solo e seus impactos nas interações superfície-atmosfera em todos os biomas brasileiros. Realizamos uma revisão sistemática para fornecer uma análise detalhada de como as mudanças no uso e cobertura do solo afetam as interações superfície-atmosfera no território brasileiro, particularmente com foco nos impactos sobre precipitação, evapotranspiração e umidade atmosférica, destacando a Amazônia como o bioma mais estudado, seguido pelo Cerrado. Observamos que a precipitação (P) foi a variável mais analisada, seguida pela evapotranspiração (ET). No entanto, poucos estudos abordaram os impactos do uso e cobertura do solo na umidade atmosférica (h). Resultados específicos mostraram que, na Amazônia, há uma diminuição na P durante a estação seca e uma redução na ET anual. No Cerrado, observouse uma diminuição na P nas estações úmida e seca, juntamente com uma redução na ET na estação seca. Já na Mata Atlântica, houve um aumento na P anual e na ET na estação úmida, atribuído à reflorestação. Além disso, apresentamos uma análise abrangente das mudanças no uso e cobertura do solo em todo o Brasil, mapeando a degradação da vegetação natural, regeneração da vegetação e transições entre pastagens, soja, agricultura e irrigação. Notavelmente, destacamos tendências significativas de desmatamento em áreas de vegetação primária. Constatamos que o aumento do desmatamento afeta diretamente as interações hidrológicas, com 72% do desmatamento relacionado à vegetação primária. Examinamos as tendências de ET, PET, LST e P no Brasil, com foco no impacto do desmatamento. Tendências crescentes de ET são observadas em grande parte da Amazônia e do Cerrado, enquanto diminuições localizadas estão ligadas ao desmatamento, especialmente no arco do desmatamento da Amazônia. A PET apresenta tendências mistas, com valores mais altos em áreas que estão passando por aumento de temperatura. A LST geralmente aumenta em áreas desmatadas, especialmente em Rondônia e regiões com expansão agrícola. As tendências de precipitação variam entre as regiões, com algumas áreas apresentando aumento das chuvas, enquanto outras, como a Caatinga, mostram diminuições no geral. O desmatamento está associado à redução de ET e ao aumento da LST em todos os biomas, ressaltando o impacto mais amplo da mudança no uso da terra nas interações superfície-atmosfera. No Pantanal, a maior área úmida tropical do mundo, investigamos as causas da recente redução em sua extensão, relacionando-a a mudanças climáticas, alterações no uso e cobertura do solo e hidrologia. Descobrimos que, apesar das mudanças no uso da terra aumentarem a disponibilidade de água, as alterações climáticas, incluindo a redução da precipitação e o aumento das temperaturas, predominam na diminuição da extensão do Pantanal. Projetamos que, com o aquecimento futuro e a continuidade da redução da precipitação, a tendência de secagem persistirá. Essas descobertas oferecem uma compreensão aprofundada das complexas interações entre mudanças no uso e cobertura do solo, hidrologia e clima no Brasil, destacando a necessidade de estratégias de manejo sustentável para enfrentar esses desafios em constante evolução.