Planting density and genotype have close relationship with the water relations in plants. The scenario of increased occurrence of extreme weather events and the change of Eucalyptus forest plantations to high water deficit regions, led us to the three key questions of this study: (1) What is the relationship between planting density and the potential water stress? (2) The planting spacing interferes the water use efficiency (WUE), i.e. the amount of biomass produced by the amount of water transpired? (3) Can the planting density change the soil water balance (BHS)? To develop this work, we settled a field trial in Mogi Guacu, SP, in February 2012. We planted four genetic material (Eucalyptus grandis x E.urophylla1 {Urograndis1}, Eucalyptus grandis x E.urophylla2, E.urophylla and E.grandis x E.camaldulensis {Grancam}) with different levels of tolerance to drought and four planting spacings (3.4, 7.0, 10.5 and 16.9 m2 plant-1, which correspond to densities of 2,949 , 1,424 and 1,028 and 591 plants ha-1). In Chapter 1, we evaluated the leaf water potential (representing potential water stress) of the four clones for 1 year, between 1.5 and 2.5 years. Regardless of the genetic material, the higher the wood productivity, the greater the leaf water potential. The denser planting (2,949 plants ha-1) stands generated 39% more wood, however, water stress potential reached up to 33% higher than the least dense planting (591 plants ha-1). In the second chapter, during the same period, we evaluated the efficiency of water use, which did not vary according to the change of planting density, but showed differences between genotypes with US 2.3, 2.2 and 1, 5 g L-1 to Urograndis, Urophylla and Grancam, respectively, at a density of 1,424 plants ha-1. Finally, the third chapter evaluated for two years, between 1.7 and 3.7 years, transpiration (T), soil evaporation (Es) and canopy interception (Ei), which together made up evapotranspiration (ET). Subtraction of precipitation (P) per ET resulted in soil water balance (SWB). The SWB was positive or near zero for the two clones evaluated (Urograndis1 and Grancam) when planting density was less than or equal to 1,028 trees ha-1. In the denser planting, the balance was -25%. These studies show that: a higher wood growth results in a higher potential drought stress, generating a clear trade-off between production and survival of trees. However, the detailed study of genetic materials fall under that there are increasing opportunities in water use efficiency, though without the increase in water use, bringing a greater share of water in the watershed scale. Finally, plantations above 1,028 ha-1 trees resulted in a negative soil water balance of -25% at the peak of growth. Together, this study reveals that spacing associated with genotypes can serve as tools in the search for balance between timber production and conservation of natural resources. / A densidade de plantio e o genótipo possuem estreita relação com as relações hídricas nas plantas. Sob um cenário de maior ocorrência de eventos climáticos extremos e do avanço dos plantios florestais de eucalipto para regiões de elevado déficit hídrico, elaboramos três perguntas-chave para esse estudo: (1) Qual a relação entre a densidade de plantio e o potencial estresse hídrico? (2) O espaçamento de plantio interfere na eficiência do uso da água (EUA), i.e., na quantidade de biomassa produzida pela quantidade de água transpirada? (3) Pode a densidade de plantio alterar o balanço hídrico do solo (BHS)? Para responder a essas questões, instalou-se um ensaio de campo em Mogi Guacu, SP, em fevereiro de 2012. Foram plantados quatro materiais genéticos (Eucalyptus grandis x E.urophylla1 {Urograndis1}, Eucalyptus grandis x E.urophylla2, E.urophylla e E.grandis x E.camaldulensis {Grancam}) com distintos níveis de tolerância à seca e quatro espaçamentos de plantio (3,4, 7,0, 10,5 e 16,9 m2 planta-1, que correspondem às densidades de 2.949, 1.424 e 1.028 e 591 plantas ha-1). No capítulo 1, avaliou-se o potencial hídrico foliar (representando o potencial estresse hídrico) dos quatro clones durante 1 ano, entre 1,5 e 2,5 anos. Independentemente do material genético, quanto maior a produtividade madeireira atingida, maior o potencial hídrico foliar. Os plantios mais adensados (2.949 plantas ha-1) geraram povoamentos 39% mais produtivos, no entanto, o potencial estresse hídrico chegou a atingir 33% acima do plantio menos adensado (591 plantas ha-1). No segundo capítulo, durante o mesmo período, avaliou-se a eficiência do uso da água, que não variou conforme a mudança de densidade de plantio, mas apresentou diferença entre os genótipos, com EUA de 2,3, 2,2 e 1,5 g L-1 para os clones Urograndis, Urophylla e Grancam, respectivamente, na densidade de 1.424 plantas ha-1. Por fim, o terceiro capítulo avaliou durante dois anos, entre 1,7 e 3,7 anos, a transpiração (T), evaporação do solo (Es) e interceptação de água pela copa (Ei), que somados compunham e evapotranspiração (ET). A subtração da precipitação (P) da ET resultou no balanço hídrico do solo (BHS). O BHS foi positivo ou próximo de zero para os dois clones avaliados (Urograndis1 e Grancam) quando a densidade de plantio foi inferior ou igual a 1.028 árvores ha-1. No plantio mais adensado, o balanço foi de -25%. Estes estudos demonstram que: a maior produtividade madeireira acarreta em maior potencial estresse hídrico, gerando um claro dilema entre a produção e a sobrevivência dos plantios. No entanto, o estudo detalhado dos materiais genéticos releva que há possibilidades de incremento na eficiência do uso da água sem que ocorra o aumento no uso da água, trazendo um maior compartilhamento da água na escala da microbacia. Por fim, plantios acima de 1.028 árvores ha-1 resultaram em um balanço hídrico do solo negativo médio de -25% no pico do crescimento. Em conjunto, o presente trabalho releva que o espaçamento associado a materiais genéticos específicos, podem servir como ferramenta na busca pelo equilíbrio entre a produção madeireira e a conservação de recursos naturais.

Planting density and genotype have close relationship with the water relations in plants. The scenario of increased occurrence of extreme weather events and the change of Eucalyptus forest plantations to high water deficit regions, led us to the three key questions of this study: (1) What is the relationship between planting density and the potential water stress? (2) The planting spacing interferes the water use efficiency (WUE), i.e. the amount of biomass produced by the amount of water transpired? (3) Can the planting density change the soil water balance (BHS)? To develop this work, we settled a field trial in Mogi Guacu, SP, in February 2012. We planted four genetic material (Eucalyptus grandis x E.urophylla1 {Urograndis1}, Eucalyptus grandis x E.urophylla2, E.urophylla and E.grandis x E.camaldulensis {Grancam}) with different levels of tolerance to drought and four planting spacings (3.4, 7.0, 10.5 and 16.9 m2 plant-1, which correspond to densities of 2,949 , 1,424 and 1,028 and 591 plants ha-1). In Chapter 1, we evaluated the leaf water potential (representing potential water stress) of the four clones for 1 year, between 1.5 and 2.5 years. Regardless of the genetic material, the higher the wood productivity, the greater the leaf water potential. The denser planting (2,949 plants ha-1) stands generated 39% more wood, however, water stress potential reached up to 33% higher than the least dense planting (591 plants ha-1). In the second chapter, during the same period, we evaluated the efficiency of water use, which did not vary according to the change of planting density, but showed differences between genotypes with US 2.3, 2.2 and 1, 5 g L-1 to Urograndis, Urophylla and Grancam, respectively, at a density of 1,424 plants ha-1. Finally, the third chapter evaluated for two years, between 1.7 and 3.7 years, transpiration (T), soil evaporation (Es) and canopy interception (Ei), which together made up evapotranspiration (ET). Subtraction of precipitation (P) per ET resulted in soil water balance (SWB). The SWB was positive or near zero for the two clones evaluated (Urograndis1 and Grancam) when planting density was less than or equal to 1,028 trees ha-1. In the denser planting, the balance was -25%. These studies show that: a higher wood growth results in a higher potential drought stress, generating a clear trade-off between production and survival of trees. However, the detailed study of genetic materials fall under that there are increasing opportunities in water use efficiency, though without the increase in water use, bringing a greater share of water in the watershed scale. Finally, plantations above 1,028 ha-1 trees resulted in a negative soil water balance of -25% at the peak of growth. Together, this study reveals that spacing associated with genotypes can serve as tools in the search for balance between timber production and conservation of natural resources. / A densidade de plantio e o genótipo possuem estreita relação com as relações hídricas nas plantas. Sob um cenário de maior ocorrência de eventos climáticos extremos e do avanço dos plantios florestais de eucalipto para regiões de elevado déficit hídrico, elaboramos três perguntas-chave para esse estudo: (1) Qual a relação entre a densidade de plantio e o potencial estresse hídrico? (2) O espaçamento de plantio interfere na eficiência do uso da água (EUA), i.e., na quantidade de biomassa produzida pela quantidade de água transpirada? (3) Pode a densidade de plantio alterar o balanço hídrico do solo (BHS)? Para responder a essas questões, instalou-se um ensaio de campo em Mogi Guacu, SP, em fevereiro de 2012. Foram plantados quatro materiais genéticos (Eucalyptus grandis x E.urophylla1 {Urograndis1}, Eucalyptus grandis x E.urophylla2, E.urophylla e E.grandis x E.camaldulensis {Grancam}) com distintos níveis de tolerância à seca e quatro espaçamentos de plantio (3,4, 7,0, 10,5 e 16,9 m2 planta-1, que correspondem às densidades de 2.949, 1.424 e 1.028 e 591 plantas ha-1). No capítulo 1, avaliou-se o potencial hídrico foliar (representando o potencial estresse hídrico) dos quatro clones durante 1 ano, entre 1,5 e 2,5 anos. Independentemente do material genético, quanto maior a produtividade madeireira atingida, maior o potencial hídrico foliar. Os plantios mais adensados (2.949 plantas ha-1) geraram povoamentos 39% mais produtivos, no entanto, o potencial estresse hídrico chegou a atingir 33% acima do plantio menos adensado (591 plantas ha-1). No segundo capítulo, durante o mesmo período, avaliou-se a eficiência do uso da água, que não variou conforme a mudança de densidade de plantio, mas apresentou diferença entre os genótipos, com EUA de 2,3, 2,2 e 1,5 g L-1 para os clones Urograndis, Urophylla e Grancam, respectivamente, na densidade de 1.424 plantas ha-1. Por fim, o terceiro capítulo avaliou durante dois anos, entre 1,7 e 3,7 anos, a transpiração (T), evaporação do solo (Es) e interceptação de água pela copa (Ei), que somados compunham e evapotranspiração (ET). A subtração da precipitação (P) da ET resultou no balanço hídrico do solo (BHS). O BHS foi positivo ou próximo de zero para os dois clones avaliados (Urograndis1 e Grancam) quando a densidade de plantio foi inferior ou igual a 1.028 árvores ha-1. No plantio mais adensado, o balanço foi de -25%. Estes estudos demonstram que: a maior produtividade madeireira acarreta em maior potencial estresse hídrico, gerando um claro dilema entre a produção e a sobrevivência dos plantios. No entanto, o estudo detalhado dos materiais genéticos releva que há possibilidades de incremento na eficiência do uso da água sem que ocorra o aumento no uso da água, trazendo um maior compartilhamento da água na escala da microbacia. Por fim, plantios acima de 1.028 árvores ha-1 resultaram em um balanço hídrico do solo negativo médio de -25% no pico do crescimento. Em conjunto, o presente trabalho releva que o espaçamento associado a materiais genéticos específicos, podem servir como ferramenta na busca pelo equilíbrio entre a produção madeireira e a conservação de recursos naturais.

Deforestation of the Brazilian savanna (Cerrado) region has caused major changes in hydrological processes. These changes in water balance and soil erosion are still poorly understood, but are important for making land management decisions in this region. Therefore, it is necessary to understand the magnitudes of hydrological processes and soil erosion changes on local, regional and continental scales, and the consequences that are generated. The main objective of the study presented in this doctoral thesis was to better understand the mechanism of hydrological processes and soil erosion in the Cerrado. To achieve that, I worked with different scales (hillslope, watershed and continental) and using data from experimental field, laboratory, and remote sensing. The literature review reveals that the annual rainfall erosivity in Brazil ranges from 1672 to 22,452 MJ mm ha-1 h-1 yr-1. The smallest values are found in the northeastern region, and the largest in the north and the southeastern region. I found that the canopy interception may range from 4 to 20% of gross precipitation and stemflow around 1% of gross precipitation in the cerrado. The average runoff coefficient was less than 1% in the plots under cerrado and that the deforestation has the potential to increase up to 20 fold the runoff coefficient value. The results indicate that the Curve Number method was not suitable to estimate runoff under undisturbed Cerrado, bare soil (hydrologic soil group A), pasture, and millet. Therefore, in these cases the curve number is inappropriate and the runoff is more aptly modeled by the equation Q = CP, where C is the runoff coefficient. The water balance from the remote sensing data across the Brazilian Cerrado indicates that the main source of uncertainty in the estimated runoff arises from errors in the TRMM precipitation data. The water storage change computed as a residual of the water budget equation using remote sensing data (TRMM and MOD16) and measured discharge data shows a significant correlation with terrestrial water storage change obtained from the GRACE data. The results show that the GRACE data may provide a satisfactory representation of water storage change for large areas in the Cerrado. The average annual soil loss in the plots under bare soil and cerrado were 15.25 t ha-1 yr-1 and 0.17 t ha-1 yr-1, respectively. The Universal Soil Loss Equation cover and management factor (C-factor) for the plots under native cerrado vegetation was 0.013. The results showed that the surface runoff, soil erosion and C-factor for the undisturbed Cerrado changes between seasons. The greatest C-factor values were found in the summer and fall. The results found in this doctoral thesis provide benchmark values of the water balance components and soil erosion in the Brazilian Cerrado that will be useful to evaluate past and future land cover and land use changes for this region. In addition, I conclude that the remote sensing data are useful to evaluate the water balance components over Cerrado regions, identify dry periods, and assess changes in water balance due to land cover and land use change. / O desmatamento nas regiões de Cerrado tem causado intensas mudanças nos processos hidrológicos. Essas mudanças no balanço hídrico e erosão do solo são ainda pouco entendidas, apesar de fundamentais na tomada de decisão de uso e manejo do solo nesta região. Portanto, torna-se necessário compreender a magnitude das mudanças nos processos hidrológicos e de erosão do solo, em escalas locais, regionais e continentais, e as consequências dessas mudanças. O principal objetivo do estudo apresentado nesta tese de doutorado foi de melhor entender os mecanismos dos processos hidrológicos e de erosão do solo no Cerrado Brasileiro. Para tanto, utilizou-se diferentes escalas de trabalho (vertentes, bacias hidrográficas e continental) e usando dados experimentais in situ, de laboratório e a partir de sensoriamento remoto. O estudo de revisão de literatura indica que a erosividade da chuva no Brasil varia de 1672 to 22,452 MJ mm ha-1 h-1 yr-1. Os menores valores encontram-se na região nordeste e os maiores nas regiões norte e sudeste do Brasil. Verificou-se que os valores de interceptação da chuva variam de 4 a 20% e o escoamento pelo tronco aproximadamente 1% da precipital total no cerrado. O coeficiente de escoamento superficial foi menor que 1% nas parcelas de cerrado e o desmatamento tem o potencial de aumentar em até 20 vezes esse valor. Os resultados indicam que o método Curve Number não foi adequado para estimar o escoamento superficial nas áreas de cerrado, solo exposto (grupo hidrológico do solo A), pastagem e milheto. Portanto, nesses casos o uso do CN é inadequado e o escoamento superficial é melhor estimado a partir da equação Q = CP, onde C é o coeficiente de escoamento superficial. O balanço hídrico a partir de dados de sensoriamento remoto para todo o Cerrado Brasileiro indica que a principal fonte de incerteza na estimativa do escoamento superficial ocorre nos dados de precipitação do TRMM. A variação de água na superfície terrestre calculada como o residual da equação do balanço hídrico usando dados de sensoriamento remoto (TRMM e MOD16) e valores observados de vazão mostram uma correlação significativa com os valores de variação de água na superfície terrestre provenientes dos dados do GRACE. Os dados do GRACE podem representar satisfatoriamente a variação de água na superfície terrestre para extensas regiões do Cerrado. A média anual de perda de solo nas parcelas de solo exposto e cerrado foram de 15.25 t ha-1 yr-1 and 0.17 t ha-1 yr-1, respectivamente. O fator uso e manejo do solo (fator C) da Universal Soil Loss Equation para o cerrado foi de 0.013. Os resultados mostraram que o escoamento superficial, erosão do solo e o fator C na área de cerrado variam de acordo com as estações. Os maiores valores do fator C foram encontrados no verão e outono. Os resultados encontrados nesta tese de doutorado fornecem valores de referência sobre os componentes do balanço hídrico e erosão do solo no Cerrado, que podem ser úteis para avaliar o uso e cobertura do solo atual e futuro. Além disso, conclui-se que os dados de sensoriamento remoto apresentam resultados satisfatórios para avaliar os componentes do balanço hídrico no Cerrado, identificar os períodos de seca e avaliar as alterações no balanço hídrico devido à mudanças de uso e cobertura do solo.

Deforestation of the Brazilian savanna (Cerrado) region has caused major changes in hydrological processes. These changes in water balance and soil erosion are still poorly understood, but are important for making land management decisions in this region. Therefore, it is necessary to understand the magnitudes of hydrological processes and soil erosion changes on local, regional and continental scales, and the consequences that are generated. The main objective of the study presented in this doctoral thesis was to better understand the mechanism of hydrological processes and soil erosion in the Cerrado. To achieve that, I worked with different scales (hillslope, watershed and continental) and using data from experimental field, laboratory, and remote sensing. The literature review reveals that the annual rainfall erosivity in Brazil ranges from 1672 to 22,452 MJ mm ha-1 h-1 yr-1. The smallest values are found in the northeastern region, and the largest in the north and the southeastern region. I found that the canopy interception may range from 4 to 20% of gross precipitation and stemflow around 1% of gross precipitation in the cerrado. The average runoff coefficient was less than 1% in the plots under cerrado and that the deforestation has the potential to increase up to 20 fold the runoff coefficient value. The results indicate that the Curve Number method was not suitable to estimate runoff under undisturbed Cerrado, bare soil (hydrologic soil group A), pasture, and millet. Therefore, in these cases the curve number is inappropriate and the runoff is more aptly modeled by the equation Q = CP, where C is the runoff coefficient. The water balance from the remote sensing data across the Brazilian Cerrado indicates that the main source of uncertainty in the estimated runoff arises from errors in the TRMM precipitation data. The water storage change computed as a residual of the water budget equation using remote sensing data (TRMM and MOD16) and measured discharge data shows a significant correlation with terrestrial water storage change obtained from the GRACE data. The results show that the GRACE data may provide a satisfactory representation of water storage change for large areas in the Cerrado. The average annual soil loss in the plots under bare soil and cerrado were 15.25 t ha-1 yr-1 and 0.17 t ha-1 yr-1, respectively. The Universal Soil Loss Equation cover and management factor (C-factor) for the plots under native cerrado vegetation was 0.013. The results showed that the surface runoff, soil erosion and C-factor for the undisturbed Cerrado changes between seasons. The greatest C-factor values were found in the summer and fall. The results found in this doctoral thesis provide benchmark values of the water balance components and soil erosion in the Brazilian Cerrado that will be useful to evaluate past and future land cover and land use changes for this region. In addition, I conclude that the remote sensing data are useful to evaluate the water balance components over Cerrado regions, identify dry periods, and assess changes in water balance due to land cover and land use change. / O desmatamento nas regiões de Cerrado tem causado intensas mudanças nos processos hidrológicos. Essas mudanças no balanço hídrico e erosão do solo são ainda pouco entendidas, apesar de fundamentais na tomada de decisão de uso e manejo do solo nesta região. Portanto, torna-se necessário compreender a magnitude das mudanças nos processos hidrológicos e de erosão do solo, em escalas locais, regionais e continentais, e as consequências dessas mudanças. O principal objetivo do estudo apresentado nesta tese de doutorado foi de melhor entender os mecanismos dos processos hidrológicos e de erosão do solo no Cerrado Brasileiro. Para tanto, utilizou-se diferentes escalas de trabalho (vertentes, bacias hidrográficas e continental) e usando dados experimentais in situ, de laboratório e a partir de sensoriamento remoto. O estudo de revisão de literatura indica que a erosividade da chuva no Brasil varia de 1672 to 22,452 MJ mm ha-1 h-1 yr-1. Os menores valores encontram-se na região nordeste e os maiores nas regiões norte e sudeste do Brasil. Verificou-se que os valores de interceptação da chuva variam de 4 a 20% e o escoamento pelo tronco aproximadamente 1% da precipital total no cerrado. O coeficiente de escoamento superficial foi menor que 1% nas parcelas de cerrado e o desmatamento tem o potencial de aumentar em até 20 vezes esse valor. Os resultados indicam que o método Curve Number não foi adequado para estimar o escoamento superficial nas áreas de cerrado, solo exposto (grupo hidrológico do solo A), pastagem e milheto. Portanto, nesses casos o uso do CN é inadequado e o escoamento superficial é melhor estimado a partir da equação Q = CP, onde C é o coeficiente de escoamento superficial. O balanço hídrico a partir de dados de sensoriamento remoto para todo o Cerrado Brasileiro indica que a principal fonte de incerteza na estimativa do escoamento superficial ocorre nos dados de precipitação do TRMM. A variação de água na superfície terrestre calculada como o residual da equação do balanço hídrico usando dados de sensoriamento remoto (TRMM e MOD16) e valores observados de vazão mostram uma correlação significativa com os valores de variação de água na superfície terrestre provenientes dos dados do GRACE. Os dados do GRACE podem representar satisfatoriamente a variação de água na superfície terrestre para extensas regiões do Cerrado. A média anual de perda de solo nas parcelas de solo exposto e cerrado foram de 15.25 t ha-1 yr-1 and 0.17 t ha-1 yr-1, respectivamente. O fator uso e manejo do solo (fator C) da Universal Soil Loss Equation para o cerrado foi de 0.013. Os resultados mostraram que o escoamento superficial, erosão do solo e o fator C na área de cerrado variam de acordo com as estações. Os maiores valores do fator C foram encontrados no verão e outono. Os resultados encontrados nesta tese de doutorado fornecem valores de referência sobre os componentes do balanço hídrico e erosão do solo no Cerrado, que podem ser úteis para avaliar o uso e cobertura do solo atual e futuro. Além disso, conclui-se que os dados de sensoriamento remoto apresentam resultados satisfatórios para avaliar os componentes do balanço hídrico no Cerrado, identificar os períodos de seca e avaliar as alterações no balanço hídrico devido à mudanças de uso e cobertura do solo.