Understanding the environmental dynamics of the Pantanal: pedological, phytosociological, and machine learning applications for landscape evolution and inundation monitoring studies

Abstract

The Pantanal, one of the world’s largest continental wetlands, hosts immense biodiversity and is shaped by a unique flooding regime. Nhecolândia, the second biggest Pantanal sub-region, is distinguished by its abundance of lakes and geoenvironmental diversity. Studying the Pantanal’s landscape is crucial for understanding its dynamics and supporting sustainable management. Seasonal climatic variability significantly impacts vegetation composition, structure, and soil moisture, influencing plant community distribution. Soils exhibit distinct morphological and physico-chemical characteristics, shaped by past and present processes. In the last few decades, inappropriate land use and climate change have disrupted the Pantanal’s flood regime. This study investigated soil genesis, soil-vegetation- landscape relationships, lansdcape evolution, in the Pantanal Nhecolândia, and inundation frequency along the Upper Paraguay River Basin (UPRB), where the Pantanal is inserted. For the pedogenesis study, thirty soil profiles from the main Nhecolândia landscape units, were collected, and analyzed by their morphological, physical, chemical, mineralogical, and geochemical characteristics. For the soil- vegetation relationship study, vegetation was described, phytosociological parameters were obtained, and composite soil samples were collected and analyzed by their physical and chemical characteristics. For the landscape evolution study, carbon stable isotopes analysis, and chronological analyzes, such as radiocarbon and optically stimulated luminesce datings, were applied. For the water frequency monitoring, water was mapped using radar images, associated with multi-source data and the Random Forest, a machine learning classification algorithm. The pedological differentiation in the Nhecolândia Pantanal is mainly caused by topographical variations, climate, and biological activity. Despite the sandy texture, each environment differed in some aspect: the Salinas stand out with greater clay and base cation contents, due to predominance of salinization, gleization, and bissialitization processes. The Baías and Murundus, affected by paludization and termite activity, respectively, showed higher organic carbon content. Acidic soils dominated in the Vazantes due to podzolization and ferrolisis. The Campos soils are dystrophic due to intense leaching. Non-floodable areas(Cordilheiras and Murundus) presented higher species richness and composition, due to nutrient availability. Floodable areas, particularly the Salinas, presented the lowest species richness and composition due to high Na+ levels. During the Late Holocene, Salinas transitioned from a cerrado (savanna) to a grassy environment, while the higher Vazantes, with mixed C3-C4 grass cover, evolved to a C4- dominated grassland. In contrast, lower areas, such as the Baías and lower Vazantes, remained dominated by hydrophilic and aquatic macrophytes due to a more persistent flooding regime. Between 2018 to 2021, areas with higher inundation frequency occurred in the western portion of the UPRB, near to the Paraguay River, and in the southern portion, where the Nhecolândia’s lakes occur, and a decreasing trend in water extent was observed during the wet season. Understanding soil- vegetation-landscape interactions and monitoring flood dynamics are fundamental for mitigating climate change impacts and conserving this complex ecosystem. Keywords: soil-landscape; edaphology; pedology; flooding; machine learning.O Pantanal, uma das maiores áreas úmidas continentais do mundo, abriga uma imensa biodiversidade e é moldado por um regime de inundações singular. A Nhecolândia, segunda maior sub-região do Pantanal, destaca-se pela abundância de lagoas e diversidade geoambiental. Estudar a paisagem do Pantanal é crucial para entender sua dinâmica e apoiar sua sustentabilidade. A variabilidade climática sazonal impacta significativamente a composição e estrutura da vegetação, e a umidade do solo, influenciando a distribuição das comunidades vegetais. Os solos apresentam características distintas, moldadas por processos passados e presentes. Nas últimas décadas, o uso inadequado da terra e as mudanças climáticas têm afetado o regime de inundações do Pantanal. Este estudo investigou a gênese do solo, as relações solo-vegetação, a evolução da paisagem do Pantanal da Nhecolândia e a frequência de inundação ao longo da Bacia do Alto Rio Paraguai (BARP), onde o Pantanal está inserido. Para o estudo da pedogênese, trinta perfis de solo distribuídos em seis unidades de paisagem da Nhecolândia foram coletados e analisados quanto às suas características morfológicas, físicas, químicas, mineralógicas e geoquímicas. Para o estudo das relações solo-vegetação, foram obtidos parâmetros fitossociológicos e amostras compostas de solo, que passaram por análises de suas características físicas e químicas. Para o estudo da evolução da paisagem, análises de isótopos estáveis de carbono e análises cronológicas, como datação por radiocarbono e por luminescência opticamente estimulada, foram aplicadas. Para o monitoramento da frequência de inundações, a água foi mapeada usando imagens de radar, associadas a dados de múltiplas fontes e o algoritmo de classificação por aprendizado de máquina Random Forest. A diferenciação pedológica no Pantanal da Nhecolândia é causada principalmente por variações topográficas, clima e atividade biológica. As Salinas se destacaram por maior teor de argila e cátions básicos, predominando processos de salinização, gleização e bissialitização. As Baías e os Murundus, influenciados pela paludização e pela atividade de cupins, respectivamente, apresentaram maior teor de carbono orgânico. Solos ácidos dominaram nas Vazantes devido à podzolização e à ferrólise. Os solos dos Campos são distróficos devido à intensa lixiviação. Áreas não inundáveis (Cordilheiras e Murundus) apresentaram maior riqueza e composição de espécies devido à disponibilidade de nutrientes. Áreas inundáveis, particularmente as Salinas, apresentaram menor riqueza e composição de espécies devido ao alto teor de Na+. Durante o Holoceno tardio, as Salinas passaram de cerrado para um ambiente gramíneo, enquanto as Vazantes mais altas, com cobertura mista de gramíneas C3- C4, evoluíram para gramíneas dominadas por plantas C4. Em contraste, as áreas mais baixas, como as Baías e Vazantes baixas, permaneceram dominadas por vegetação hidrófila e macrófitas aquáticas devido a um regime de inundações mais persistente. Entre 2018 e 2021, áreas com maior frequência de inundações ocorreram na porção oeste da BARP, próximo ao Rio Paraguai, e na porção sul, onde estão as lagoas da Nhecolândia, com uma tendência de redução da extensão de água durante a estação chuvosa. Compreender as interações solo-vegetação- paisagem e monitorar a dinâmica das inundações são fundamentais para mitigar os impactos das mudanças climáticas e conservar este ecossistema complexo. Palavras-chave: solo-paisagem; edafologia; pedologia; inundação; aprendizado de máquinas.