Water dynamics in cultivated watersheds with eucalyptus and pasture in eastern Minas Gerais

O número de novos plantios comerciais de eucalipto vem aumentando consideravelmente em regiões tropicais. Só no Brasil, a área plantada é de aproximadamente 4,5 milhões de hectares, correspondendo a 0,5% do território nacional. Extensas áreas de pastagem e outras culturas estão sendo substituídas por plantios florestais desta espécie. Toda mudança de uso do solo provoca alterações no balanço de energia e de água, no entanto, ainda não se conhece, no Brasil, o impacto desta expansão (pastagem eucalipto) sobre o uso e disponibilidade de água nas bacias de drenagem onde são plantadas. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho foi avaliar os efeitos de plantios comerciais de eucalipto e de pastagem sobre os principais componentes do balanço hídrico em microbacias hidrográficas. O trabalho foi realizado entre os anos de 2009 e 2010 em quatro microbacias localizadas no leste de Minas Gerais, duas cultivados com plantios comerciais de eucalipto e duas com solos degradados sob pastagem. As florestas são compostas por híbridos de eucalipto grandis x urophylla aos sete anos de idade. As microbacias com pastagem são cultivadas com Brachiaria decumbens há mais de 30 anos. Os dados micrometeorológicos foram coletados por sensores instalados em torres no interior das microbacias. A vazão do curso d’água foi medida por um linígrafo do tipo Thalimedes instalado em um vertedouro triangular na saída de cada microbacia. As medidas fisiológicas das culturas foram realizadas com o auxílio do analisador de gases no infravermelho. O estudo da vazão foi realizado no período de um ano (2010), com base na vazão específica mínima diária (q 95% ), média diária (q média ) e na máxima instantânea (q máx ) ocorrida a cada cinco minutos. O escoamento superficial foi analisado a partir dos valores de lâmina total escoada no ano e do coeficiente de escoamento superficial (CE), dado pela relação entre o total escoado e precipitado no ano. A modelagem do balanço hídrico foi realizada na escala diária, considerando como a principal entrada de água a precipitação pluvial e as principais saídas a evapotranspiração, a lâmina de escoamento superficial e a drenagem profunda. A evapotranspiração da microbacia foi estimada pelo total transpirado pela cultura (eucalipto ou pastagem), pela evaporação do solo, pela interceptação da precipitação pluvial por parte do dossel vegetal (eucalipto ou pastagem) e pela evapotranspiração da área de vegetação nativa (Mata Atlântica). A transpiração foi estimada pela equação de Penman-Monteith modificada pela resistência estomática do dossel (r s ). A evaporação do solo no eucalipto foi calculada a partir da equação original de Penman-Monteith com a condutância do solo (r solo ) diminuindo rapidamente quando a disponibilidade de água no solo cai. A interceptação da precipitação pluvial no eucalipto foi estimada pela diferença entre o total evapotranspirado, dado pelo método da razão de Bowen (β), e a transpiração mais a evaporação do solo. Na pastagem, a interceptação da precipitação pluvial mais a evaporação do solo foram estimadas pela diferença entre o total evapotranspirado, dado pelo método da razão de Bowen, e a transpiração. A evapotranspiração da área de mata nativa foi estimada pela equação original de Penman-Monteith com coeficiente de cultura (k c ) igual a um. A lâmina de escoamento superficial foi individualizada diretamente da lâmina total escoada no curso d’água. A drenagem profunda foi estimada a partir do modelo do balanço hídrico nos períodos com excesso de água no solo. O desempenho do modelo de balanço hídrico foi avaliado pela água disponível no solo medidos em campo pelo método gravimétrico e da sonda de nêutrons. O valor médio anual interceptado da precipitação pluvial pela cultura de eucalipto foi de 10%, enquanto a soma do interceptado da precipitação pluvial mais o evaporado do solo sob a pastagem, foi de 11%. O total evapotranspirado nas microbacias com eucalipto foi superior em aproximadamente 15% em relação às microbacias com pastagem. As variações sazonais de água disponível no solo, estimadas pelo modelo do balanço hídrico foram semelhantes às medidas em campo. No geral, as vazões analisadas (q 95% , q média e q máx ) foram superiores nas microbacias com pastagem, indicando um maior potencial de produção de água (↑vazões mínimas) e menor conservação do solo (↑vazões máximas). Nestas microbacias, as vazões mínimas estão associadas principalmente com o baixo consumo de água pela vegetação e as vazões máximas, com os elevados valores de escoamento superficial, entre outros fatores. Em uma microbacia com eucalipto as vazões foram regularizas, com a menor variação encontrada entre as vazões mínimas e máximas relacionadas com as características do dossel vegetal e as características físicas do solo, como a elevada taxa de infiltração estável de água no solo. Pode-se concluir que, apesar das maiores taxas de infiltração de água no solo, nas microbacias cultivadas com eucalipto há uma menor produção potencial de água em relação às microbacias com pastagem, havendo, no entanto, uma maior conservação dos solos nestas áreas.The number of new commercial eucalyptus plantations has increased considerably in tropical regions. In Brazil alone the planted area is approximately 4.5 million hectares, accounting for 0.5% of the national territory. Extensive areas of pasture and other crops are being replaced by plantations of this species. Any change in land use may cause changes in energy and water balance, however in Brazil the impact of this expansion (pasture eucalyptus) is not yet know on the use and availability of water in the watersheds where they are planted. Therefore, the main objective of this study was to evaluate the effects of commercial eucalyptus plantations and pasture on the main components of the water balance in watersheds. The study was conducted between 2009 and 2010 in four watersheds located in eastern Minas Gerais, Brazil, with two grown commercial plantations of eucalyptus and two of degraded soil under pasture. Planted forests were composed of seven years old hybrid eucalyptus grandis x urophylla. The pastures located in the watersheds were cultivated with Brachiaria decumbens for over 30 years. Micrometeorological data was collected by sensors installed on towers within the watersheds. Water flow rate was measured by a Thalimedes installed in a triangular spillway at the outlet of each watershed. Physiological measurements of the cultures were performed with the aid of an infrared gas analyzer. The study of water flow was performed within one year (2010), based on minimum daily specific flow (q 95% ), daily average (q média ) and instantaneous maximum (q máx ) every five minutes. Runoff was analyzed based on values of total depth for the year and the runoff coefficient (EC), given by the ratio between total runoff and precipitate during the year. Modeling of the water balance was performed daily, considering precipitation as the main water inlet and evapotranspiration, runoff depth and drainage depth as the main outputs. Evapotranspiration in the watershed was estimated by the total transpired by the crop (eucalyptus or pasture), by evaporation from the soil, interception of rainfall by the plant canopy (eucalyptus or pasture) and evapotranspiration of the area of native vegetation (Atlantic Rainforest). Transpiration was estimated by the Penman-Monteith equation modified by canopy stomatal resistance (r s ). Soil evaporation in eucalyptus was calculated from the original Penman-Monteith equation with the conductance of the soil (r soil ) decreasing rapidly when availability of water in the soil declines. The interception of rainfall by eucalyptus was estimated by the difference between the total evapotranspired given by the Bowen ratio method (β), and transpiration plus soil evaporation. In the pasture, interception of rainfall plus soil evaporation was estimated by the difference between the total evapotranspired given by the Bowen ratio method and transpiration. Evapotranspiration of the native forest was estimated by the original Penman-Monteith equation with crop coefficient (k c ) equal to one. Runoff depth was individualized directly from the total flow depth of the waterway. Drainage depth was estimated from the water balance model in periods with excess water in the soil. The performance of the water balance model was then evaluated by water availability in the soil, measured by the gravimetric method and neutron probe. Average annual rainfall intercepted by the crop of eucalyptus was 10%, while the sum of intercepted rainfall plus that evaporated from the soil in the pasture was 11%. Total evapotranspiration in watersheds with eucalyptus was approximately 15% higher when compared to watersheds with pasture. Seasonal variations of water available in the soil, estimated by the water balance model, were similar to those measured in the field. Overall, the flows analyzed (q 95% , q média and q máx ) were higher in watersheds with pasture, indicating a greater potential for water production (↑ minimum flows) and reduced soil conservation (↑ maximum flows). In these watersheds the minimum flows are mainly associated with low water consumption by vegetation and maximum flows, with high runoff values, among other factors. In one watershed with eucalyptus the flow rates were regulated, with minor variations found between the minimum and maximum flows related to the characteristics of the plant canopy and physical characteristics of the soil, such as a high rate of stable water infiltration in the soil (>100 mm h -1 ). It can be concluded that although there were higher rates of water infiltration into the soil, in watersheds cultivated with eucalyptus there is less potential production of water in relation to the watershed with pasture, however soil retention in these areas was increased.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio