PRECIPITAÇÃO, FOGO E ÍNDICES DE VEGETAÇÃO NA DETECÇÃO DE FISIONOMIAS DE SAVANA TROPICAL NA REGIÃO AMAZÔNICA BRASILEIRA

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1 PRECIPITAÇÃO, FOGO E ÍNDICES DE VEGETAÇÃO NA DETECÇÃO DE FISIONOMIAS DE SAVANA TROPICAL NA REGIÃO AMAZÔNICA BRASILEIRA Jorge Alberto Bustamante Becerra 1, Regina Célia dos Santos Alvalá 1, Yosio Shimabukuro 2 ( 1 Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Rod. Presidente Dutra, Km 40, SP-RJ , Cachoeira Paulista, SP, Brasil, jabb@cptec.inpe.br, 2 Grupo de Observação da Terra - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Av. dos Astronautas, 1758 Jardim da Granja, , São José dos Campos, SP, Brasil) Termos para indexação: fisionomias, Amazônia, Cerrado, Tocantins Introdução No Bioma do Cerrado, clima, solos e fogo são altamente interativos nos seus efeitos sobre a vegetação. Chuvas sazonais e baixa fertilidade do solo parecem ser insuficientes para explicar a distribuição espacial da vegetação de savana ao longo do bioma. Este bioma encontra-se, extremamente fragilizada devido à substituição acelerada dos cerrados, pela agropecuária, principalmente na região Centro-Oeste do país incluindo o Estado de Tocantins. Levando em consideração que a pressão antrópica no Cerrado vem aumentando, o que significa substituição de formações campestres, savânicas e até florestais, por áreas destinadas à agropecuária, é importante determinar a composição fitofisionômica do Cerrado para depois identificar como as mudanças do uso da terra e do clima afetam as funções biológicas, químicas e físicas nos ecossistemas amazônicos, lembrando que a região do cerrado no Estado de Tocantins encontra-se adjacente à Floresta Amazônica e que pelo tanto faz parte da Amazônia Legal, compondo assim parte do grande ecossistema amazônico. Um dos principais fatores climáticos que influencia a ocorrência e distribuição espacial e temporal das fisionomias de cerrado é a precipitação pluvial. Trabalhos recentes mostram a importância da análise temporal ou sazonal da vegetação (Ferreira et al., 2003; Ferreira et al., 2004; Ratana e Huete, 2004; Becerra e Alvalá, 2006) a partir de séries temporais de índices espectrais de vegetação. No caso de relação direta do padrão sazonal da precipitação com o sazonalidade da vegetação está começando a ser estudada (Huete et al., 2006). Outro componente importante na distribuição espacial das fisionomias de cerrado é o fogo es especialmente no que diz respeito a freqüência, intensidade e extensão. Neste contexto, o objetivo deste trabalho visa relacionar a influência de variáveis ambientais com o padrão de distribuição espacial das principais fisionomias de cerrado na

2 região das savanas tropicais da Amazônia Brasileira, com o intuito de entender: como as fisionomias de cerrado respondem de forma diferenciada aos padrões sazonais da precipitação e queimadas, além do posicionamento geográfico (latitude e longitude). Materiais e métodos A área de estudo corresponde ao Estado de Tocantins (Figura 1)localizado no sudeste da Amazônia Legal Brasileira, entre as coordenadas 05º09'59.25 e 13º27 55,54 de latitude Sul e 45º41 41,93 e 50º44 38,36 de longitude Oeste. O clima da região é tropical e quente, com estação seca de maio a outubro. Na região norte do Estado, a precipitação é intensa, diminuindo para o sul e sudeste (Nimer, 1977). Em Tocantins predomina o domínio do cerrado, apresentando desde fisionomias florestais (Cerradão) até as campestres (campo limpo) distribuídos em mosaicos ao longo da paisagem. a b Figura 1. Mapa de localização do Brasil, com a distribuição das áreas de cerrado (cor verde) e imagem da área de estudo (Estado de Tocantins), composição colorida das imagens MODIS, canais 1, 2 e 7, período 09/06/06 a 24/06/06 (composição de 16 dias). Os principais materiais utilizados são: a) 12 imagens mensais de 2004, das cenas h13v09 e h13v10, de três índices de vegetação (IV) MODIS: Índice de Vegetação de Diferença Normalizada (NDVI), o Índice Melhorado de Vegetação (EVI) e o Índice de Umidade da Vegetação (LSWI); b) dados diários de precipitação de 2004 obtidos a partir das estações meteorológicas fusionados com dados do satélite TRMM (Tropical Rainforest Measuring Mission) 3B42 resolução espacial 0.25º; c) uma série histórica de precipitação diária para o Brasil de 01/01/1948 a 31/072005, resolução espacial de 1º, do Climate Prediction Center da NOOA; d) dados diários e mensais de focos de queimadas (obtidos dos

3 satélites NOAA, GOES, AQUA, TERRA, METEOSAT, MMODIS) para o ano de 2004 e o período Para avaliar a dinâmica sazonal dos principais tipos de uso e cobertura da terra (UCT 1 ) da vegetação ao longo do ciclo anual de 2004 foram utilizados dois índices espectrais de vegetação MODIS, o NDVI e o EVI. O NDVI é uma relação entre medidas espectrais (refletância - ρ ) de duas bandas, a do infravermelho próximo-iv ( nm) e a do vermelho-v ( nm). Este índice é sensível à clorofila (Rouse et al., 1974). Os valores do NDVI variam de 1 a 1. O EVI foi desenvolvido para melhor a sensibilidade em regiões com maiores densidades de biomassa (Huete et al., 1994; Huete et al., 1997). As 12 imagens de cada índice são empilhadas em um único arquivo. Nestas imagens são sobrepostos os 18 polígonos, que correspondem aos 6 tipos de UCT, para extrair os valores dos índices contidos em cada uma das 12 datas de cada índice. Estes valores, assim obtidos, são plotados em um gráfico que mostra o padrão sazonal da vegetação. O padrão sazonal da precipitação de 2004 é gerado do agrupamento mensal da precipitação, resultando em um arquivo com 12 camadas de precipitação mensal. De cada uma destas camada são extraídos os valores contidos nos polígonos dos 18 vetores que correspondem às 6 classes de UCT analisados. Procedimento semelhante foi adotado para a precipitação climatológica (série histórica 1969 a 2005). O padrão sazonal das queimadas é gerado do grupamento mensal dos dados diários de focos de queimadas de 2004 para elaborar um produto mensal de densidade de focos de queimadas, usando o estimador densidade de Kernell, conforme Silverman (1986). Processo semelhante é adotado para os dados de 2000 a Para reduzir a dimensão temporal dos dados de precipitação, de focos de calor e de índices de vegetação foi usada a técnica PCA (análise de componentes principais). Sempre utilizando a primeira componente principal (PC1) foram geradas as variáveis: PREC04 (precipitação mensal de 2004), PREC (precipitação climatológica serie 1969 a 2004), 1 Os principais tipos de UCT na área de estudo são: floresta, cerradão, cerrado sensu strictu, campo cerrado, agricultura e agricultura-pecuária. As quatro primeiras classes correspondem as principais formações vegetais e os dois últimos aos principais tipos de uso da terra na região. Foram selecionadas três pequenas áreas, determinadas por polígonos (vetores), para cada tipo de UCT de acordo com Becerra e Alvalá (2006).

4 DENS04 (densidade focos de queimadas de 2004), DENSIT (densidade focos de queimadas período 2000 a 2004), NDVI, EVI e LSWI. Usando uma amostragem aleatória estratificada com partilha proporcional, é extraída a informação representativa de cada uma das sete variáveis (LAT, LON, PREC, PREC04, DENSIT, DENS04, NDVI, EVI e LSWI) dando como resultado uma matriz de casos x 7 variáveis. Com estes dados são geradas análises de correlações de Pearson, coeficientes de correlações parciais e análises de componentes principais para explorar a relação entre as variáveis ambientais e distribuição espacial das variáveis bióticas, representadas pelos índices espectrais de vegetação. Resultados e discussões Os resultados do perfil sazonal da precipitação climatológica nas áreas dos 6 tipo de UCT (Figura 2A) mostram que a estação seca, com menos de 100mm de precipitação, começa em maio e vai até setembro na área de estudo nos 6 tipos de UCT. Na época de chuvas existe uma leve diferença nas áreas de campo cerrado com valores menores ao resto das áreas no mês de dezembro. No perfil da precipitação do ano de 2004 (Figura 2B) observa-se um padrão similar com a precipitação climatológica (Figura 2A) na época seca. No entanto, no mês de julho de 2004 houve ocorrência de chuvas na maioria de áreas estudadas, exceto nas áreas de cerradão. Na estação chuvosa houve uma diferenciação entre as áreas dos 6 tipos de UCT com maior precipitação nas áreas de floresta e menor nas áreas de cerrado. Estes resultados mostram que a precipitação no ano de 2004 nas áreas de estudo foi homogênea na época de secas e heterogênea na época de chuvas, principalmente nos meses de outubro a dezembro A Precipitação média, B Precipitação média, Floresta Prec (mm) Foresta Cerradão Cerrado Campo Cerrado Agricultura Agric_past Jan Feb Mar Abr Mai Jun Jul Ago Sep Out Nov Dez Mês (2004) Prec (mm) Jan Feb Mar Abr Mai Jun Jul Ago Sep Out Nov Dez Mês (2004) Cerradão Cerrado Campo cerrado Agricultura Agric_past

5 Figura 2. Padrão sazonal de precipitação determinado a partir da análise de uma série longa (1969 a 2005) e de dados de 2004, representados nas figuras A e B respectivamente. As classes avaliadas são: floresta; cerradão; cerrado sensu strictu; campo cerrado; agricultura; agricultura-pastagem. Na comparação do resultado dois índices de vegetação (Figura 3 A e B), pode-se observar que o EVI mostra maior relação do que o NDVI, com o padrão de precipitação. No caso do NDVI, os menores valores foram registrados nos meses de agosto e setembro, isto indica que a atividade fotossintética dos tipos de UCT relacionada com este índice sofrem o impacto do estresse hídrico nesses dois meses, devido provavelmente a limitações hídricas (Huete, 2006). Na classe floresta o perfil sazonal ao longo do ano de 2004 não mostrou decréscimos na estação seca, isto pode ser explicado pela disponibilidade hídrica atingida pelas raízes profundas destas árvores e/ou pela proximidade de cursos de rios (mata ciliar). Segundo Huete et al. (2006), esta disponibilidade hídrica das áreas floresta propiciaria uma estabilidade na atividade fotossintética e conseqüente produção de fitomassa foliar mantida na época seca. As correlações de LON com PREC e PREC04 são negativas, isto significa que aumentos de precipitação está relacionado com a diminuição da longitude, ou seja da direção leste (menor) para o oeste (maior precipitação). No caso da LAT com a precipitação, a correlação é positiva, embora em menor grau que a correlação da longitude, isto é, existe uma relação entre o aumento da latitude com o aumento de precipitação, ou seja da direção sul (menor) para o norte (maior precipitação). Resposta IV A EVI, 2004 Foresta Cerradão Cerrado Campo Cerrado Agricultura Agric_past Jan Feb Mar Abr Mai Jun Jul Ago Sep Out Nov Dez Mês (2004) Resposta IV B NDVI 2004 Jan Feb Mar Abr Mai Jun Jul Ago Sep Out Nov Dez Mês (2004) Figura 3. Padrão sazonal da vegetação no ano de 2004 a partir da análise de dois índices de vegetação, NDVI e EVI, relacionados com atividade fotossintética e fitomassa no dossel. As classes avaliadas são: floresta; cerradão; cerrado sensu strictu; campo cerrado; agricultura; agriculturapastagem. As correlações de LAT com a DENS04 e a DENSIT são positivas, indicando relação entre o aumento da densidade de focos de queimadas na direção sul para norte. No caso da

6 LON, existe leve correlação significativa da LON com a DENS04 e DENSIT, sinalizando que existe aumento de densidade de focos de calor na direção oeste para leste. Tabela 1. Correlação de Pearson entre latitude LAT, longitude LON, precipitação PREC, precipitação 2004 PREC04, densidade focos de queimadas de 2000 a 2004 DENSIT, densidade focos de queimadas 2004 DENS04 índices de vegetação: EVI e NDVI, n= Savana tropical da Amazônia Legal Brasileira, região de Tocantins. LAT LON PREC04 PREC DENS04 DENSIT EVI NDVI LAT 1 LON 0.155** 1 PREC ** ** 1 PREC 0.142** ** 0.560** 1 DENS ** 0.060** * DENSIT 0.154** ** 1 EVI 0.181** ** 0.062** 0.192** **-0.088** 1 NDVI 0.028** ** 0.100** 0.233** **-0.062** 0.865** 1 ** Correlação significativa ao nível de As correlações de LAT com EVI e NDVI são positivas, isto significa uma tendência de maior vegetação arbórea no sentido sul para norte. No caso da LON com os índices de vegetação, existe uma correlação negativa, sinalizando aumento da cobertura vegetal na direção oeste para leste. As correlações de PREC e PREC04 com EVI, NDVI são positivas, confirmando a tendência esperada maior precipitação associadas com maior cobertura vegetal (fisionomias florestais). Já as correlações de DENSIT e DENS04 com EVI e NDVI são negativas, indicando que aumentos na densidade de focos de queimadas estão associados a diminuição da cobertura vegetal, ou seja, associação com fisionomias campestres. 4. Conclusões A dinâmica sazonal da vegetação (usando índices de vegetação, NDVI e EVI) e da precipitação, além da intensidade de focos de queimadas, permitiu identificar o padrão sazonal dos principais tipos de uso e cobertura da terra.

7 O gradiente geográfico, latitude e longitude, tem um papel importante na distribuição dos tipos de uso e cobertura da terra que pela sua vez está associada ao gradiente de precipitação que também guarda relação com a densidade de focos de queimadas. A incorporação de variáveis ambientais para entender a dinâmica sazonal dos tipos fisionômicos do cerrado e dos principais usos da terra permitem identificar (em escala regional) e entender a fenologia de cada uma das fisionomias. Referências Bibliográficas BECERRA, J.B., ALVALÁ, R.C.S. Detection of Tropical Savannah (Cerrado) Physiognomies in the Legal Amazon by the Application of the Vegetation and Moisture Indices with MODIS Time Series Data. In: The 8th International Conference On Southern Hemisphere Meteorology And Oceanography, Foz de Iguaçu. Proceedings of ICSHMO, Brazil, v. 1, p FERREIRA, LG., YOSHIOKA H, HUETE, A., SANO, E. Seasonal landscape and spectral vegetation index dynamics in the Brazilian Cerrado: An analysis within the Large-Scale Biosphere Atmosphere Experiment in Amazônia (LBA), Remote Sensing of Environment, v.87, , FERREIRA, L.G., YOSHIOKA, H., HUETE, A., SANO, E.E. Optical characterization of the Brazilian Savanna physiognomies for improved land cover monitoring of the cerrado biome: preliminary assessments from an airborne campaign over an LBA core site. Journal of Arid Environments, v.56, , HUETE, A., JUSTICE, C., AND LIU, H. Development of vegetation and soil indices for MODIS- EOS. Remote Sensing of Environment, 49, , HUETE, A.R., LIU, H.Q., BATCHILY, K., AND VAN LEEUWEN, W.A comparison of vegetation indices over a global set of TM images for EOS-MODIS. Remote Sensing of Environment, v.59(3), , HUETE, A.R., DIDAN, K., SHIMABUKURO, Y., RATANA, P., SALESKA, S.R., HUTYRA, L.R., YANG, W., NEMANI, R.R. AND MYNENI, R. Amazong rainforests green-up with sunlight in dry season. Geophysical Researc letters, v.33, L06405, NIMER, E. Clima. In: IBGE. Geografia do Brasil/Região Sudeste.v. 3. Rio de Janeiro: FIBGE, RATANA, P. AND HUETE, A. Seasonal dynamics of native and converted cerrado physiognomies with MODIS data. Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS '04. Proceedings IEEE International, , ROUSE, J.W., HAAS, R.H., SCHELL, J.A, DEERING, D.W. Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS, Proceedings, Third Earth Resources Technology Satellite-1 Symposium, Greenbelt: NASA SP-351, , SILVERMAN, B.W. Density Estimation for Statistics and Data Analysis. Chapman and Hall:

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