Brazil is one of the most important global agricultural players. In the last decades, agricultural production has increased drastically as a result of expansion in area and productivity growth, which made Brazil a worldwide leading producer of beef, soybean, sugar, ethanol broiler and coffee. The difficulties of world stock renewal and the sharp consumption increase especially of grains such as corn, soybean and wheat result in favorable conditions for agricultural leading regions to continue increasing production. However, there is a lack of evidence-based research at large scale that address complex land-use changes dynamics related to agricultural growth of area and productivity. The purpose of this thesis is to approach controversial or under-investigated key-points of this central issue by using spatial modeling and open access databases. First, the availability of areas suitable for cropland expansion was estimated trough a spatially explicit model at national scale. Second, the effects of productivity changes on area changes were investigated both for pasture and cropland by a long-term retrospective spatial analysis that covered the period 1960-2006. Third, a comprehensive and effective spatial model using key variables was developed to identify the Brazilian agricultural frontier. Forth, the relationship between deforestation, cropland expansion and pasture expansion was analyzed in the Legal Amazon region and evidences for a better understanding of causal-effect relation in land-use change were suggested. The assembly of papers led to the following main findings: (i) Brazil has a huge amount of land covered by pastures (122 million hectares) with suitable biophysical conditions for intensive crop production; (ii) Historically, there is a clear distinction in landuse dynamics between agriculturally consolidated areas and the agricultural frontier. In agriculturally consolidated areas, cropland yield increases have been associated with pasture intensification and stability or contraction in total farmland area. In contrast, in agricultural frontier areas, cropland yield increases have been associated with agricultural expansion; (iii) Spatial examination of land use transitions since 1960 illustrates the expansion and gradual movement of the agricultural frontier towards the inland of Brazil. However, it also suggests the possible initiation of a reversed trend, i.e. agricultural contraction, in steep areas of the Southeast within the Atlantic Forest biome, which might be in line with the Forest Transition theory (FT); (iv) In Legal Amazon during 2000-2009, cattle population growth, cropland expansion and deforestation were in general concurrent at the municipal level, suggesting a need for modifying the widespread notion of cropland expansion in consolidated regions as a prime causal factor of indirect deforestation through displacement of pastures from these regions to frontier regions.

O Brasil tem uma importante atuação na agricultura mundial. Nas últimas décadas, a produção agrícola tem aumentado intensamente como resultado da expansão tanto em área quanto em produtividade, levando o Brasil a se tornar um produtor líder mundial de carne bovina, soja, açúcar, frango e café. As dificuldades de renovação de estoques mundiais e o aumento acentuado do consumo, especialmente de grãos tais como milho, soja e trigo resultam em condições favoráveis para as principais regiões agrícolas continuarem aumentando a produção. No entanto, há uma falta de pesquisas com base empírica em grande escala que abordem a complexa dinâmica das mudanças no uso da terra relacionadas ao crescimento agrícola de área e de produtividade. O objetivo deste trabalho é abordar os controversos ou pouco investigados pontos essenciais desta questão central por meio de modelagem espacial e bases de dados de acesso aberto. Em primeiro lugar, a disponibilidade de áreas adequadas para a expansão da lavoura foi estimada por meio de um modelo espacialmente explícito em escala nacional. Em seguida, os efeitos das mudanças de produtividade sobre as mudanças de área foram investigados tanto para pastagem e agricultura através de uma análise espacial retrospectiva de longo prazo que abrangeu o período de 1960 a 2006. Posteriormente, um modelo espacial eficaz utilizando variáveischave de levantamento periódico por órgãos oficiais foi desenvolvido para identificar a fronteira agrícola brasileira. Por fim, foi analisada a relação entre desmatamento, expansão da lavoura e expansão da pastagem na região da Amazônia Legal e foram sugeridas evidências para um melhor entendimento da relação entre causa e efeito na mudança do uso da terra. O conjunto de artigos conduziu às seguintes principais conclusões: (i) O Brasil tem uma enorme quantidade de terras cobertas por pastagens (122 milhões de hectares) com condiçoes favoráveis para produção intensiva de culturas agrícolas anuais. (ii) Historicamente, há uma distinção clara na dinâmica de uso da terra entre as áreas agriculturáveis já consolidadas e a fronteira agrícola. Em áreas agrícolas consolidadas, aumentos na produtividade têm sido associados à intensificação de pastagens e à estabilidade ou a diminuição da área agrícola total. Por outro lado, em áreas de fronteira agrícola, o aumento na produtividade tem sido associado com a expansão agrícola. (iii) A análise espacial de transições de uso da terra desde 1960 ilustra a expansão e o movimento gradual da fronteira agrícola em direção ao interior do Brasil. No entanto, também sugere a possível abertura de uma tendência inversa, ou seja, contração agrícola em áreas íngremes do Sudeste dentro do bioma Mata Atlântica, que pode estar de acordo com a teoria da transição florestal (FT). (iv) Na Amazônia Legal, entre 2000 e 2009, crescimento do efetivo bovino, a expansão da agricultura e o desmatamento aconteceram, em geral, de forma silmultânea nos municípios, sugerindo a necessidade de modificar a noção generalizada da expansão de áreas cultiváveis em regiões consolidadas como um fator primordial para o desmatamento indireto por meio do deslocamento de pastagens dessas regiões para regiões de fronteira agrícola.