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Título: Land Use Transitions in the Cerrado : Impacts on Ecosystems and Future Paths from the Perspective of the Water, Energy, and Food Nexus
Outros títulos: Mudanças de uso do solo no Cerrado : impactos nos ecossistemas e caminhos futuros sob a perspectiva do nexus água, energia e alimentos
Autor(es): Rodrigues, Ariane de Almeida
Orientador(es): Bustamante, Mercedes Maria da Cunha
Assunto: Desmatamento - combate
Conservação
Código florestal brasileiro
Cerrado
Fronteira agrícola
Data de publicação: 23-Jun-2026
Referência: RODRIGUES, Ariane de Almeida. Land Use Transitions in the Cerrado : Impacts on Ecosystems and Future Paths from the Perspective of the Water, Energy, and Food Nexus. 2025. 115 f., il. Tese (Doutorado em Ecologia) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025.
Resumo: The Brazilian Cerrado is the most biodiverse savanna in the world, yet 50% of its original cover has been cleared to make way for crops and pastures by 2022. These rapid land-use transitions are expected to influence regional climate and water balance, with implications for energy generation, food production, livelihoods, and biodiversity conservation. The demand for key commodities is likely to rise in the coming years, intensifying the pressure for the conversion of native vegetation areas to commercial export-oriented farms. Expanding agriculture over already cleared areas for pastures has been indicated as an opportunity to reconcile production and conservation. Still, deforestation in the Cerrado is advancing at a fast pace, with increasing rates in the last three years. Our goal is to understand the interaction between agriculture, climate, and water cycling in the Cerrado, focusing on accumulated impacts, future scenarios, and opportunities to increase commodity-driven production without further deforestation. Chapter 1 presents the theoretical framework that justifies and contextualizes this research. We investigated the water, energy, and food nexus (WEF Nexus) concept, its origins, applicability to understand human caused impacts on ecosystems, and current developments. Then, we discussed why the Cerrado is an emblematic case study of complex land use and land cover change dynamics, requiring an integrated nexus approach. In Chapter 2, we investigated how the accumulated land-use transitions (LUT) affect regional climate and water cycling in the Cerrado through changes in mean annual evapotranspiration (ET) and average land surface temperature (LST), as well as implications on future land use options. We performed regression analyses to quantify the effects of six common LUTs on ET and LST across the entire gradient of Cerrado landscapes from 2006-2019. Results indicate that clearing forests for cropland or pasture increased average LST by ~3.5°C and reduced mean annual ET by 44% and 39%, respectively. Transitions from woody savannas to cropland or pasture increased average LST by 1.9°C and reduced mean annual ET by 27% and 21%, respectively. Converting native grasslands to cropland or pasture increased average LST by 0.9 and 0.6°C, respectively. Conversely, grassland to pasture transitions increased mean annual ET by 15%. To date, land changes have caused a 10% reduction in water recycled to the atmosphere annually and a 0.9°C increase in average LST across the biome, compared to the historic baseline under native vegetation (prior to large-scale human occupation). Global climate changes from increased atmospheric greenhouse gas concentrations will only exacerbate these effects. Considering potential future scenarios, we found that the absence of deforestation control enforcement or allowing legal deforestation to continue (at least 28.4 Mha) would further reduce yearly ET (by -9% and -3%, respectively) and increase average LST (by +0.7 and +0.3°C, respectively) by 2050. In contrast, policies encouraging zero deforestation and restoration of the 5.2 Mha of illegally deforested areas would partially offset the warming and drying impacts of land-use change. In Chapter 3, we investigated the potential for cropland expansion without new deforestation in the Cerrado, by assessing the spatial and temporal dynamics of land use transition over the past 35 years (1985-2021). We performed correlation analyses between four key types of land transitions in the Cerrado: (a) pasture expansion over native vegetation, (b) direct conversion of native vegetation to cropland, (c) cropland expansion over pasture, and (d) pasture abandonment. We also calculated the remaining area with high crop suitability over pastures and over native vegetation and spatio-temporal patterns of cropland expansion over pastures. Between 1985-2021, the expansion of pasture over native vegetation was the prevailing land use transition (18.8 Mha), followed by pasture abandonment (8.9 Mha). Even though deforestation for pasture has decreased, it is still the main land use transition, driving the loss of 414,000 ha yr-1of native vegetation between 2011-2020. Pasture expansion over native vegetation and pasture abandonment are negatively correlated (ρ = - 0.38), while cropland expansion over pasture is positively correlated to cropland expansion over native vegetation (ρ = 0.48). Direct conversion from native vegetation to cropland has increased in the last three decades, amounting to 113,000 ha yr-1in 2011-2020, mainly in the Matopiba region.Promoting pasture intensification could free land for cropland expansion without deforestation. There are 18 Mha of pasture with moderate to high crop suitability, mostly in the states of Goiás, Mato Grosso do Sul and Minas Gerais. Of the current 27 Mha of cropland in the Cerrado, 27% were established in the last 10 years and 28% (7.5 Mha) over pastures. A considerable area of croplands (2Mha) replaced newly created pastures (<7 yr), suggesting pastures may be an intermediate land use, before selling or renting for cropland production. There are 20 Mha of native vegetation areas with moderate to high crop suitability, signaling that stopping deforestation in the Cerrado will require a combination of conservation policies and incentives for cropland expansion over pastures. By looking into the impacts associated to cropland and pasture expansion over native cerrado vegetation and opportunities to reverse this process while increasing agricultural productivity, our results may help to foster a new development pathway to the Cerrado, with food, energy, and water security.
Abstract: O Cerrado é a savana mais biodiversa do planeta, contudo, 50% de sua cobertura original foi desmatada até 2022, para abrir espaço para agricultura e pastagem. Espera-se que essa rápida transição influencie o clima regional e o balanço hídrico, com implicações para a geração de energia, produção de alimentos, modos de vida e conservação da biodiversidade. A demanda pelas principais commodities agrícolas possivelmente aumentará nos próximos anos, intensificando a pressão pela conversão de áreas de vegetação nativa para fazendas comerciais orientadas à exportação. A expansão da agricultura sobre áreas que já foram desmatadas para pastagem tem sido indicada como uma oportunidade de reconciliar produção e conservação. Ainda assim, o desmatamento do Cerrado avança em ritmo acelerado, com aumento das taxas nos últimos três anos. Nosso objetivo é entender a interação entre agricultura, clima e ciclagem de água no Cerrado, com foco nos impactos acumulados, cenários futuros e oportunidades para ampliar a produção de commodities agrícolas sem novos desmatamentos. O Capítulo 1 apresenta o marco teórico que justifica e contextualiza essa pesquisa. Nós abordamos o conceito do nexus água, energia e alimentos, sua origem, aplicações para entender os impactos antropogênicos nos ecossistemas e desenvolvimentos recentes. Em seguida, nós discutimos por que o Cerrado é um estudo de caso emblemático da complexa dinâmica de mudanças do uso e cobertura da terra, o que requer uma análise integrada de nexus. No capítulo 2, nós investigamoscomo as transições de uso da terra (LUT) acumuladas afetam o clima regional e a ciclagem deágua no Cerrado, por meio de mudanças na evapotranspiração (ET) média anual e temperatura média de superfície (LST), bem como implicações sobre as opções de uso da terra futuros. Nós realizamos análises de regressão para quantificar os efeitos de seis LUTs usuais sobre ET e LST em todo o gradiente de paisagens do Cerrado, de 2006 a 2019. Os resultados indicaram que o desmatamento de florestas para agricultura ou pastagem aumentaram a LST média em ~3.5°C e reduziram a ET anual média em 44% e 39%, respectivamente. Transições de savanas lenhosas para agricultura ou pastagem aumentaram a LST médio em 1.9°C e reduziram a ET anual média em 27% e 21%, respectivamente. A conversão de campos nativos para agricultura ou pastagem aumentaram a LST média em 0.9 e 0.6°C, respectivamente. Por outro lado, transições de vegetação campestre para pastagem ampliaram ET média anual em 15%. Até o momento, transições de uso da terra causaram uma redução de 10% na água reciclada para a atmosferaanualmente e aumento de 0,9°C na LST média do bioma, comparado à linha de base histórica sob vegetação nativa (anterior à ocupação humana em grande escala). Mudanças climáticas globais por aumento das concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera vão apenas exacerbar esses efeitos. Considerando possíveis cenários futuros, nós observamos que a ausência de controle do desmatamento ou a permissão para a continuidade do desmatamento legal (pelo menos 28,4 Mha) reduziria ainda mais a ET anual (em -9% e -3%, respectivamente) e aumentaria a LST média (em +0,7 e +0,3°C, respectivamente) até 2050. Ao contrário, políticas de est[imulo ao desmatamento zero e restauração dos 5,2 Mha de áreas desmatadas ilegalmente, compensariam parcialmente os impactos de calor e seca causados por mudanças do uso da terra. No capítulo 3, nós investigamos o potencial para a expansão agrícola sem novos desmatamentos no Cerrado, avaliando as dinâmicas espaciais e temporais da transição do uso da terra nos últimos 35 anos (1985-2021). Nós realizamos análises de correlação entre quatro tipos de transição de uso da terra no Cerrado: (a) expansão de pastagem sobre vegetação nativa, (b) conversão direta de vegetação nativa para agricultura, (c) expansão da agricultura sobre pastagem, e (d) abandono de pastagem. Nós calculamos, ainda, a área remanescente com alta aptidão agrícola sobre pastagem e sobre vegetação nativa e padrões espaço-temporais de expansão da agricultura sobre pastagem. Entre 1985-2021, a expansão de pastagem sobre vegetação nativa foi a transição de uso da terra prevalente (18,8 Mha), seguida do abandono de pastagem (8,9 Mha). Ainda que o desmatamento para pastagem tenha diminuído, ele ainda é a principal transição de uso da terra, levando à perda de 414.000 ha ano-1de vegetação nativa entre 2011-2020. A expansão de pastagem sobre vegetação nativa e o abandono do pastagemestão negativamente correlacionados (ρ = -0,38), enquanto a expansão de agricultura sobre pastagem está positivamente correlacionada à expansão de agricultura sobre vegetação nativa (ρ = 0,48). A conversão direta de vegetação nativa para agricultura aumentou nas últimas três décadas, somando 113.000 ha ano-1principalmente na região do Matopiba. A intensificação do pastagens poderia liberar terra para expansão de agricultura sem desmatamento. Há 18 Mha de pastagem com aptidão agrícola moderada a alta, sobretudo nos estados de Goiás, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais. Dos atuais 27 Mha de agricultura no Cerrado, 27% foram estabelecidos nos últimos dez anos e 28% (7.5 Mha) sobre pastagens. Uma área agrícola considerável (2 Mha) substituiu pastagens recentes (<7 anos), sugerindo que pastagem podem ser um uso da terra intermediário, antes da venda ou arrendamento para produção agrícola. Há 20 Mha de áreas de vegetação nativa com aptidão agrícola moderada a alta, indicando que para acabar com odesmatamento do Cerrado é necessária uma combinação de políticas de conservação e incentivos à expansão de áreas agrícolas sobre pastagem. Ao observar os impactos associados à expansão de agricultura e pastagem sobre a vegetação nativa do Cerrado e as oportunidades para a reverter esse processo com aumento de produtividade agrícola, nossos resultados podem ajudar a construir novos caminhos para o desenvolvimento do Cerrado, com segurança alimentar, hídrica e energética.
Unidade Acadêmica: Instituto de Ciências Biológicas (IB)
Informações adicionais: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Departamento de Ecologia, Programa de Pós-graduação em Ecologia, 2025.
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Ecologia
Aparece nas coleções:Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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