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In tropical regions, widespread loss of native forest and savanna vegetation is increasing extreme heat, particularly in agricultural regions. Using the case of rising extreme heat from lost forest and savanna vegetation in Brazilian Amazon and Cerrado regions, we modeled losses to soy production, the region’s principal economic activity. We assessed two types of extreme-heat regulation values: the value of avoided extreme-heat exposure of soy from the conservation of neighboring ecosystems and the value of lost revenue due to increased extreme heat exposure from increased ecosystem conversion. Our modeling combines empirical estimates of (1) the influence of ecosystem conversion on extreme heat over neighboring cropland, (2) the impacts of extreme heat on agricultural yields, and (3) native vegetation area, agricultural area, and crop prices. We examine lost soy value from land conversion over the period 1985 to 2012, potential losses from further conversion under plausible land and climate change scenarios (20202050), and the future value of conservation of the region’s remaining ecosystem area near soy. Soy revenue lost due to extreme heat from native vegetation loss (19852012) totaled 99 (2005USD) ha−1 for 2012-2013 growing season. By 2050, agricultural growth, ecosystem conversion, and climate change could boost extreme-heat regulation values by 25% to 95%. Future values were strongly sensitive to changes in agricultural density, rates of native vegetation loss, and climate. Extreme-heat regulation values were largest in the Cerrado biome and the southeastern Amazon. Relative to land values, the value of extreme heat regulation was largest relative to the carbon value of biomass in the Cerrado. By regulating the exposure of agriculture to extreme heat, ecosystem conservation can create considerable value for the soy sector.

The Amazon biome is under severe threat due to increasing deforestation rates and loss of biodiversity and ecosystem services while sustaining a high burden of neglected tropical diseases. Approximately two thirds of this biome are located within Brazilian territory. There, socio-economic and environmental landscape transformations are linked to the regional agrarian economy dynamics, which has developed into six techno-productive trajectories (TTs). These TTs are the product of the historical interaction between Peasant and Farmer and Rancher practices, technologies and rationalities. This article investigates the distribution of the dominant Brazilian Amazon TTs and their association with environmental degradation and vulnerability to neglected tropical diseases. The goal is to provide a framework for the joint debate of the local economic, environmental and health dimensions. We calculated the dominant TT for each municipality in 2017. Peasant trajectories (TT1, TT2, and TT3) are dominant in ca. fifty percent of the Amazon territory, mostly concentrated in areas covered by continuous forest where malaria is an important morbidity and mortality cause. Cattle raising trajectories are associated with higher deforestation rates. Meanwhile, Farmer and Rancher economies are becoming dominant trajectories, comprising large scale cattle and grain production. These trajectories are associated with rapid biodiversity loss and a high prevalence of neglected tropical diseases, such as leishmaniasis, Aedes-borne diseases and Chagas disease. Overall, these results defy simplistic views that the dominant development trajectory for the Amazon will optimize economic, health and environmental indicators. This approach lays the groundwork for a more integrated narrative consistent with the economic history of the Brazilian Amazon.

A desertificação é um processo de degradação da terra que afeta as regiões áridas, semiáridas e subúmidas do mundo. A baixa precipitação e a concentração das chuvas em poucos meses do ano, associadas à dinâmica de uso da terra, favorecem os processos de perda de vegetação e de erosão hídrica e eólica, que são mecanismos causadores de desertificação. As pastagens das regiões áridas do Chile são fundamentais para a subsistência de pequenas comunidades agrícolas que tem parte de seu sustento baseado no pastoreio de cabras. Esta região apresenta sérios problemas associados à desertificação. O clima caracteriza-se por um regime de precipitações que se concentra em poucos meses, com longos períodos secos durante o ano, e com uma alta variabilidade climática interanual, associada principalmente ao fenômeno El Niño, Oscilação do Sul. Além disso, essa região tem sido historicamente sobre explorada por diferentes atividades humanas. Considerando que a desertificação é um processo complexo, que envolve critérios sociais e ambientais, além de ser bastante susceptível às mudanças no uso da terra e às mudanças climáticas, avaliações e critérios interdisciplinares são importantes para um melhor entendimento do problema, de modo a contribuir para melhorar os indicadores, determinar as zonas vulneráveis e auxiliar nos programas de combate à desertificação. O objetivo desta tese foi contribuir com o conhecimento de alguns mecanismos associados a fatores que influenciam os processos de desertificação nas pastagens de regiões áridas de Chile, bem como das possíveis mudanças nesses mecanismos a partir de projeções climáticas futuras. Para isso, investigou-se o impacto das variabilidades interanual e sazonal de variáveis climáticas na biomassa na região de Coquimbo e sua associação à degradação da terra na região, além de pesquisar possíveis mudanças futuras. As análises foram realizadas nos períodos 1980-1999 e 2000-2016 para o presente; e 2020-2044 e 2070-2094 sob cenários climáticos futuros. A produção de biomassa foi simulada utilizando o modelo SIMPRAD, com base em informações climáticas e fisiológicas da vegetação. Os dados meteorológicos utilizados foram obtidos a partir de observações do presente e de projeções climáticas futuras fornecidas por simulações do modelo regional RegCM4. Além disso, foram utilizados dados de NDVI para o período 2000-2016 e mapa de cobertura de solo. Para o presente, a distribuição anual da precipitação apresenta um comportamento bastante distinto entre os dois períodos avaliados, o que também altera a distribuição anual do total de biomassa fornecido pelo modelo SIMPRAD. No primeiro período, o acúmulo máximo de biomassa ocorre em julho, juntamente com o máximo de chuva. Já no segundo período, a biomassa começa a crescer mais cedo, levando a um alto acúmulo de biomassa em junho para em seguida apresentar um declínio em julho, provavelmente associado à queda de temperatura normal nessa época do ano, em conjunto com uma redução na chuva para este mês no segundo período de análise. Nas projeções futuras, os máximos de precipitação se mantêm em junho, mas a biomassa e o seu máximo acumulado são diferentes para os dois períodos futuros, provavelmente devido a mudanças na distribuição da precipitação anual e de outras variáveis como temperaturas médias e mínimas. Os resultados da aplicação do método RESTREND mostram grande parte da região com problemas de degradação, que seriam independentes das chuvas, principalmente do tipo antrópico, mas mudanças nas chuvas poderiam agravar os problemas de desertificação na região. Alterações no regime de chuva são importantes, não somente em termos de quantidade, mas também em relação a como esta quantidade se distribui no ano, afetando a produção de biomassa em localidades vulneráveis do ponto de vista tanto climático quanto socioeconômico. Por sua vez, mudanças na cobertura vegetal podem aumentar os processos de degradação nesta região.

Amazonian Indigenous Lands (ILs) are currently a worrying case of a vulnerable human-environmental system due to the environmental threats they have been suffering. The focus of this study is on how the different environmental threats affect the Amazonian Indigenous Lands, internally and externally, and how they influence the environmental vulnerability of these territories. In addition, given the strong importance of mining as an environmental threat, we assessed the extent of the potential impact of passing the proposed mining bill (PL 191/2020). Linked to these objectives, we discussed public policies as tools to reduce environmental threats in the ILs and to improve indigenous capacity to deal with them. For this, we explored three different approaches based on indicators as proxies of the threats and adaptive capacities: 1) grouping ILs according to the similarities found in the set of threat indicators within and around their limits through cluster analysis technique; 2) estimating the area of ILs covered by mining requests; 3) developing an environmental vulnerability assessment of Amazonian ILs by adopting the theoretical vulnerability framework of the IPCC. Most of the 383 Amazonian ILs are affected internally by a combination of different environmental threats. The set of threats in the ILs surroundings are very similar to the set of threats that affect Indigenous Lands internally, but the severity is generally higher. The ILs most affected by multiple and relatively severe threats are located mainly in the arc of deforestation and in the Roraima state. We have identified seven IL clusters with common environmental threats within and around their limits. Regarding the mining threat, we found that the existing mining requests cover 176,000 km2 of Amazonian ILs, most of them for gold exploration (64%), a factor 3000 more than the area of current illegal mining. In sum, about 15% of the total area of ILs in the region could be potentially affected by mining, if the mentioned bill is approved. The ethnic groups Yudjá, Kayapó, Apalaí, Wayana, and Katuena would even have between 47% and 87% of their lands impacted. Regarding the environmental vulnerability of Amazonian Indigenous Lands, in general, ILs with elevated Vulnerability are most concentrated in the arc of deforestation region and below, but also advancing to the inner of the Pará, Amazonas, and Roraima states. Our results also indicated an increase in Exposure (threats in ILs buffer zones), around 73.9%, and in Sensitivity (threats within IL), around 64.8%, of Amazonian ILs between 2011-2019 compared to 2001-2010, indicating a growing trend of the ILs vulnerability. Based on the results, we suggest four environmental policy priorities to be strengthened and applied in Amazonian ILs: protect ILs buffer zones; strengthen surveillance actions, and combat illegal deforestation, forest degradation, and mining activities in ILs; prevent and fight fires; and extrude invaders from ILs. In addition, it is essential to not approve predatory activities in ILs, such as mining. The obligation of the State is to enforce existing laws and regulations that put indigenous peoples rights and livelihoods above economic consideration and not to reduce such protections.

The Amazon rainforest plays an important role in the global carbon and water cycles, having direct influence on Earths atmosphere and it suffers the consequences of the current climate crisis. Deforestation monitoring systems are a source of information on the forest condition for the scientific community, policy makers, and the general public. In this thesis, we identified three areas on which such systems could be improved: data processing, information extraction, and information distribution. Processing data of Earth observation satellites is subject to atmospheric noise. In particular, clouds obstruct the surveying of the Amazon rainforest. They introduce discontinuities on the the spatial and temporal patterns, which reduce the ability of analyst to extract information about features on the surface and reducing the reliability of the information obtained. Any information on Earths surface in our particular case, information on Land Use and Land Cover change increases its value through sharing, validation, and reuse in broader communities. Regarding data processing, we tested several cloud detection algorithms on Sentinel-2 imagery and we found that Fmask4 provides the best performance under frequent cloud coverage. With this knowledge, we proceed to extract deforestation information using time series of the Landsat 8 and Sentinel-2 satellites, applying machine learning techniques of Deep Learning and Random Forest, respectively. We obtained the best results by using time series of Sentinel-2 images processed with Random Forest. Finally, we demonstrated the best way to provide scientists with access to massive amounts or Earth observation data and processing tools is through collaborative analysis environments offered through Internet, such as Jupyter notebooks.

A intensificação de extremos climáticos, o aumento da demanda, e a falta de um planejamento integrado dos recursos hídricos no Brasil vêm se tornando mais evidente ano após ano. No ano de 2014, deparamo-nos com cheias nas regiões Norte e Sul, enquanto o Sudeste e Nordeste sofrem com deficiências hídricas severas. A situação mais crítica no Sudeste foi observada na região metropolitana de São Paulo. O nível dágua nos reservatórios do Sistema Cantareira que abastece a região atingiu o volume morto do reservatório em 2014. A bacia do rio Paraíba do Sul, estudada neste trabalho, também apresentou níveis muito abaixo do normal, caracterizando uma estiagem extrema. O objetivo deste trabalho foi avaliar a segurança hídrica desta bacia utilizando o modelo hidrológico distribuído do INPE. Nesta análise, foi incluída a transposição de águas da bacia do rio Paraíba do Sul para o Sistema Cantareira e suas consequências para o abastecimento do Sistema Guandu RJ e para a geração de energia nos aproveitamentos hidrelétricos na bacia. Examinou-se a disponibilidade hídrica da bacia a partir de cenários futuros de uso do solo tais como expansão urbana, agricultura e silvicultura. As análises de segurança hídrica indicaram que o reservatório de Jaguari conseguirá atender a transposição para o Sistema Cantareira e a produção de energia em todo período simulado, enquanto que a transposição quando será comprometida em pelo menos 2% do período simulado. Todos os cenários climáticos apontam para a redução da produção hidrelétrica de energia de 2016-2035 e uma tendência de melhora de 2036-2055. Finalmente, espera-se que este estudo contribua para um melhor entendimento da segurança hídrica na bacia do rio Paraíba do Sul, auxiliando as tomadas de decisões para operação dos reservatórios e da gestão dos recursos hídricos.

Esta tese de doutorado se pauta pela pesquisa empírica acerca da governança adaptativa dos recursos hídricos no Vale do Paraíba Paulista, identificando o processo adaptativo como uma questão política estabelecida pela rede social de atores envolvidos e afetados com a gestão dos recursos hídricos. O objetivo da pesquisa foi identificar e analisar os principais grupos de atores e suas relações políticas na rede de governança da água no Vale do Paraíba Paulista frente a cenários de mudança do clima, propondo caminhos para uma governança adaptativa e mais resiliente da água sob o conceito dos Sistemas Socioecológicos. A principal metodologia utilizada foi Social Network Analysis, a premissa desta tese é que a SNA se apresenta como importante ferramental para descrever o recorte da arena de ação para a governança adaptativa dos recursos hídricos, quais são os atores que compõem esta arena, a posição que eles ocupam, os resultados potenciais de suas ações, e o controle exercido sobre recursos materiais, informação e cooperação para a governança adaptativa. A metodologia se apresenta como estratégica para descrever dentro de um Sistema Socioecológico, de forma visual, a topologia de poder dos atores por meio de representações gráficas, abrindo a possibilidade de identificar acúmulos de capital social, tipos de capital social e quais atores associados a cada tipo. Como resultado da pesquisa foram identificados e avaliados como os atores se organizam espacialmente em suas redes sociais e entendem o processo de governança adaptativa. Outro resultado, foi a identificação de possíveis caminhos dentro das redes de atores que pudessem ser mais inclusivos, participativos e cooperativos para as estratégias de governança adaptativa. Desta forma, esta tese visou contribuir para a discussão teórica da questão da governança adaptativa, como também, procurou apresentar evidências empíricas que descrevem a arena de ação dos atores e as condições objetivas para a governança da água na bacia hidrográfica do Vale do Paraíba Paulista.

In the last years, forest degradation in the Brazilian Legal Amazon has shown significant values, frequently higher than deforestation. From August 2006 to July 2018, the degraded area totaled 191,632 km², representing 2.4 times the 89,501 km² deforested in the same period. The impacts of degradation include changes in the forest structure, carbon stocks, and biodiversity loss, affecting the CO2 balance and future climate changes. This thesis investigates the factors underlying the Spatio-temporal distribution of forest degradation in this region in recent years and how they impact CO2 balance in the region. Droughts and deforestation are some of the main factors linked to forest degradation. Then, we analyzed how the relationship between these factors and forest degradation evolved during this period by analyzing three indicators: water deficit anomaly indicator, historical clear cut deforestation indicator, and protected areas indicator. We also analyzed temporal trajectories of forest degradation from August 2006 to July 2016 in the Brazilian Amazon. We assessed their impact on the regional carbon balance, combining the degradation process with deforestation-related processes (clearcut deforestation and secondary vegetation dynamics), using the spatially-explicit INPEEM carbon emission model. Finally, we explored socio-economic and environmental factors that influence forest degradation spatial distribution and project scenarios of degradation and CO2 emissions for the Brazilian Amazon. Our results pointed out that 80% of the degradation events occur in areas classified as drought condition areas during the driest years. In contrast, forest degradation in these areas does not exceed 50% when considering the entire period. On the other hand, the relationship between degradation and historical deforestation were, on average, 67% during the whole period. Additionally, our results also show that, on average, 25% of the degradation occurred in Indigenous Territories and 9% in Conservation Units. The trajectory analysis showed that 13% of the degraded area ended up being cleared and converted in the period, and 61% of the total degraded area experienced only one event of degradation throughout the whole period. Net emissions added up to 5.4 Gt CO2, considering the emissions from forest degradation and deforestation, absorption from degraded forest recovery, and secondary vegetation dynamics. The results show an increase in forest degradation’s contribution to net emissions towards the end of the period, related to the decrease in clear-cut deforestation rates, decoupled from the forest degradation rates. The spatially-explicit model allowed us to explore socio-economic and environmental factors that influence forest degradation spatial distribution and project future scenarios of degradation and CO2 emissions to the Brazilian Amazon. We built sustainable and fragmentation land use scenarios and estimated their impacts on CO2 emission. At the end of the simulation, most of them presented a portion of up to 10% of forest degradation. However, in the sustainable scenario, it was still possible to observe intact forest regions, especially in eastern Amazonas. Our results also showed that while net CO2 emissions from 2019-2050 added up 0.74 Gt CO2 in a sustainable scenario, in a fragmentation scenario, this value reached 22.63 Gt CO2.

Este trabalho, iniciado em agosto de 2020, tem como principal objetivo auxiliar no planejamento e desenvolvimento da plataforma oficial do projeto Nexus (Transição para sustentabilidade e o nexo água-agricultura-energia: explorando uma abordagem integradora com casos de estudo nos biomas Cerrado e Caatinga) para disponibilização e divulgação de indicadores obtidos, além de apoiar na manutenção dos serviços online da Divisão de Impactos, Adaptações e Vulnerabilidades (DIIAV). Inicialmente para o trabalho realizado, foi proposto um plano de análise e aprendizado técnico das ferramentas que seriam utilizadas para a concretização do projeto final. A fase de planejamento (em conjunto com diversos pesquisadores) realizada por meio de um brainstorm entre as partes envolvidas no projeto para definir as primeiras características do sistema, respeitando as regras e diretrizes estabelecidas pelo INPE, além de possibilitar o levantamento dos primeiros requisitos do sistema, para que então fosse possível iniciar o desenvolvimento. Assim os conhecimentos foram aplicados no desenvolvimento da plataforma do Nexus embasadas nas ideias dos diversos pesquisadores participantes, e por fim, o lançamento oficial no servidor interno do CCST, utilizando das tecnologias e aparelhos disponibilizados pela instituição, além de conceitos importantes para o desenvolvimento web (como por exemplo: UI e UX design) tornando-a mais amigável possível. Por se tratar de um serviço online, é necessário realizar melhorias contínuas, para que possa ser entregue um sistema seguro e funcional para os usuários finais, que abrange toda a comunidade científica, além da análise contínua dos levantamentos de dados que serão realizados pelo Google Analytics e criação de gráficos com todas as informações relevantes, relacionando-as para que se possa tomar decisões estratégicas, previstas para a continuação do projeto.

Este trabalho tem como objetivo a continuidade ao projeto de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação em andamento desde agosto de 2020, visando apoiar a Divisão de Impacto, Adaptação e Vulnerabilidade (DIIAV), auxiliando no gerenciamento da estrutura de dados do projeto de pesquisas ambientado globalmente. Dentre alguns dos desafios científicos comumente encontrados atualmente, são os relacionados a diversidade e quantidade de informações espaciais e temporais geradas dentro da divisão. O gerenciamento, manipulação e análise destes dados, necessitam de um contínuo desenvolvimento e aprimoramento do sistema ao qual é realizado a organização e leitura destas informações, obtendo assim uma estruturação mais eficiente e dinâmica. Inicialmente o trabalho tratou de identificar possíveis melhorias no portal da divisão com a utilização de programação em PHP, Bootstrap e WordPress. Com o intuito de se obter uma maior eficiência nas implementações, utilizou-se dados coletados por meio do Google Analytics, que desta forma possibilitou analisar e converter estas informações em melhorias para a plataforma e alcançar o aprimoramento ao acesso às publicações realizadas pelos pesquisadores da DIIAV assim como o público em geral. Nesta nova etapa do projeto, houve a necessidade de treinamentos na utilização de ferramentas específicas para o desenvolvimento do portal, abrangendo os já mencionados: WordPress, linguagem em PHP, Bootstrap, Java Script, dentre outros. A princípio, foi realizado algumas melhorias relacionadas a configuração e manutenção de plug-ins, como exemplo o Smart Slider, afim de aprimorar a visualização de slides dentro da página home do tema padrão da DIIAV. Já em relação a estruturação e endentação do código, foram efetuadas algumas modificações para uma melhor organização e aparência dos ícones e imagens, visando um maior aproveitamento de editores de imagem e assim desenvolver novos ícones e banners para uma estrutura visual mais agradável e estruturada do portal. Dentro deste contexto e, seguindo o cronograma do projeto, um dos próximos passos serão a inclusão de menus suspensos (Drop Down) que estão acomodados nos menus laterais, possibilitando um upgrade estético e organizado para o layout do portal, além de um maior aprofundamento nos estudos do Google Analytics, permitindo assim a atualização das ferramentas disponibilizadas pelo portal, integração de novas bases de dados, acompanhamento e apoio na geração de índices de atendimento aos usuários internos e externos da DIIAV.

The activities related to the International Nitrogen Initiative (INI) Latin America Regional Centre started in the early 2000s, in association with the international actions within the nitrogen (N) field. The office in Latin America was proposed in the context of broad global and local environmental changes and the agricultural need for nutrient addition, looking into processes that would horizontally permeate between these two important elements for human survival and for the Earths system. However, the lack of information on the nitrogen cycle in Latin America is a serious impediment to evaluate properly how human activity is altering nitrogen pools and turnover at regional and global scales. Empirical measurements of N deposition and other N cycle processes are extremely scarce in Latin America, and data feeding to global and regional circulation models lack spatial distribution information in this region.

Inúmeros desafios levaram a um aumento na perda de florestas, revelando que as decisões atuais tomadas no Brasil em relação ao aumento do desmatamento na Amazônia requerem mudanças de política para que os ecossistemas e a biodiversidade globais não entrem em colapso. Na busca do desenvolvimento rural efetivo, tornou-se premente pensar em alternativas produtivas factíveis e, claro, viáveis, que evitem o êxodo dos pequenos agricultores do espaço rural, fazendo-se necessário desenvolver e viabilizar a agricultura familiar na região. Assim, em 1999, surgiram os Projetos de Desenvolvimento Sustentável (PDS), implantados pelo Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária (INCRA) com o objetivo de promover um novo modelo de reforma agrária, direcionado ao uso consciente e sustentável dos recursos da floresta, baseado no modelo cooperativista. À vista disso, este trabalho tem como objetivo analisar a implantação de Projetos de Desenvolvimento Sustentável (PDS) na Amazônia Legal, de forma a contribuir com o entendimento acerca desse modelo de reforma agrária, idealizado como estratégia para conciliar a atividade produtiva e o respeito ao meio ambiente.