Initializing the DSSAT-Century model: inverse calibration of carbon pools from apparent soil N mineralization

The CENTURY soil organic matter model was adapted for the DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer), modular format in order to better simulate the dynamics of soil organic nutrient processes (Gijsman et al., 2002). The CENTURY model divides the soil organic carbon (SOC) into three hypothetical pools: microbial or active material (SOC1), intermediate (SOC2) and the largely inert and stable material (SOC3) (Jones et al., 2003). At the beginning of the simulation, CENTURY model needs a value of SOC3 per soil layer which can be estimated by the model (based on soil texture and management history) or given as an input. Then, the model assigns about 5% and 95% of the remaining SOC to SOC1 and SOC2, respectively. The model performance when simulating SOC and nitrogen (N) dynamics strongly depends on the initialization process. The common methods (e.g. Basso et al., 2011) to initialize SOC pools deal mostly with carbon (C) mineralization processes and less with N. Dynamics of SOM, SOC, and soil organic N are linked in the CENTURY-DSSAT model through the C/N ratio of decomposing material that determines either mineralization or immobilization of N (Gijsman et al., 2002). The aim of this study was to evaluate an alternative method to initialize the SOC pools in the DSSAT-CENTURY model from apparent soil N mineralization (Napmin) field measurements by using automatic inverse calibration (simulated annealing). The results were compared with the ones obtained by the iterative initialization procedure developed by Basso et al., 2011.

Respuesta fisiológica, productiva y cualitativa del cultivar Syrah (Vitis vinifera L) con diferentes frecuencias de riego y densidad de goteros en suelos arcillosos

La disponibilidad hídrica es uno de los principales factores que determinan el rendimiento del viñedo en muchas regiones vitícolas, por lo que sus consecuencias han sido ampliamente estudiadas. Sin embargo, para una cantidad de agua de riego determinada, otros aspectos como la frecuencia de aplicación, o la combinación entre el caudal de los goteros y la distancia entre los mismos (es decir, el patrón de distribución de agua en el suelo), pueden jugar un papel relevante, pero estos factores han sido poco estudiados. El objetivo de este trabajo ha sido evaluar las implicaciones agronómicas y fisiológicas de dos frecuencias de riego (IrrF, cada 2 y 4 días) y dos patrones de distribución de agua (DisP, goteros de 2 L h-1 separados 0,6 m vs. goteros de 4 L h-1 separados 1,2 m). El experimento se llevó a cabo durante cuatro temporadas consecutivas en un viñedo cv. Syrah con un suelo arcilloso en el centro de España, y los dos factores fueron evaluados bajo dos condiciones de disponibilidad hídrica (Baja: 20% de ETo y Media: 40% de ETo). El efecto de la frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en la respuesta agronómica del cv. Syrah se ha estudiado en el capítulo 1. La frecuencia de riego y el patrón de distribución de agua en el suelo afectaron a algunos aspectos de los componentes de rendimiento y desarrollo vegetativo en las dos condiciones de disponibilidad hídrica, aunque los efectos observados no fueron los mismos todos los años. Los efectos fueron más evidentes para IrrF en condiciones de baja disponibilidad hídrica y para DisP en condiciones de disponibilidad hídrica media. Dos de los cuatro años del experimento, el pasar de frecuencia de riego de 2 días a 4 días causó un incremento medio de rendimiento del 20% para la situación de baja disponibilidad hídrica. La textura del suelo, sin duda ha condicionado los resultados obtenidos en los tratamientos regados con el 20% de la ETo, ya que regar cada dos días implicaba la aplicación de pequeñas cantidades de agua y se formaban bulbos de riego superficiales, probablemente favoreciendo las pérdidas por evaporación. En el capítulo 2, se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego y del patrón de distribución de agua en el estado hídrico de la planta y el intercambio gaseoso a nivel de hoja con el fin de explicar las diferencias observadas en la respuesta agronómica. En lo que respecta a la frecuencia de riego, en condiciones de baja disponibilidad hídrica, las plantas regadas cada 4 días (plantas 4d), mostraron mayores tasas de asimilación neta y conductancia estomática que las plantas regadas cada 2 días (plantas 2d), lo que es consistente con la hipótesis de que con la frecuencia de riego de 2 días se produjo una pérdida de eficiencia del uso del agua, probablemente debido a una mayor evaporación como consecuencia del hecho de que el volumen de suelo mojado creado era pequeño y cerca de la superficie. En condiciones de disponibilidad hídrica media, las diferencias en el intercambio gaseoso a nivel de hoja fueron mucho más pequeñas. Al comienzo del verano cada frecuencia de riego se comportó mejor uno de los días de medida, compensando al final del ciclo de riego de 4 días. Sin embargo, a medida que avanzó el verano y el déficit de agua se hizo más alto, las diferencias significativas aparecieron sólo en el 'día 4' del ciclo de riego, cuando las plantas 2d se comportaron mejor que las plantas regadas 4d que llevaban tres días sin regarse. Estas diferencias fisiológicas fueron menores que en condiciones de baja disponibilidad hídrica y al parecer no suficientes para afectar el comportamiento agronómico. En cuanto al patrón de distribución de agua, el efecto fue poco significativo, pero la mayor densidad de goteros tendió a presentar un mayor intercambio gaseoso a nivel de hoja, especialmente a media mañana. El efecto fue más importante para las condiciones de disponibilidad hídrica media. En el capítulo 3, se han comparado las relaciones entre el intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico y la demanda atmosférica, con el fin de explicar los cambios en la intensidad de la respuesta fisiológica observados en el Capítulo 2. No se han encontrado diferencias en dichas relaciones para el patrón de distribución de agua, por lo que sólo se ha analizado el efecto de la frecuencia de riego. El estudio se ha centrado fundamentalmente en si las plantas mostraron una respuesta fisiológica diferente a los cambios en el estado hídrico y en la demanda atmosférica según el tiempo transcurrido desde el último riego. Las diferencias observadas explican los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, y sugieren la existencia de procesos de aclimatación vinculados a la frecuencia de riego y a la disponibilidad hídrica. Las plantas bajo condiciones de baja disponibilidad hídrica se mostraron más aclimatadas al estrés hídrico que aquellas en condiciones de disponibilidad hídrica media. La frecuencia de riego afectó claramente la relación entre los parámetros de intercambio gaseoso a nivel de hoja, el estado hídrico de la planta y las condiciones atmosféricas, y junto con la cantidad de agua aplicada tuvo implicaciones en el desarrollo de mecanismos de aclimatación que afectaron a la respuesta fisiológica de la planta, afectando a la eficiencia del riego. ABSTRACT Water availability is one of the major factors that determine vineyard performance in many grape growing regions, so its implications have been widely studied before. However, for a given irrigation water amount, other aspects such as application frequency, or emitter spacing and flow rate (i.e., distribution pattern), may play a relevant role, but these factors have been scarcely studied. The aim of this work was to evaluate the agronomic and physiological implications of two irrigation frequencies (IrrF, every 2 and 4 days) and two water distribution patterns (DisP, 2 L h−1 emitters every 0.6 m vs. 4 L h−1 emitters every 1.2 m). The experiment was carried out during four consecutive seasons in a cv. Syrah vineyard with a clay soil in central Spain, and the two factors were evaluated under two water availability conditions (LOW WA: 20% of ETo and MEDIUM WA: 40% of ETo). The effect of irrigation frequency and water distribution pattern on the agronomical response of cv. Syrah was studied in Chapter 1. IrrF and DisP affected some aspects of vegetative development and yield components under both water availability conditions, although the effects observed were not the same every year. The effects were more evident for IrrF under low water availability and for DisP under medium water availability. Two out of the four years of the experiment, the change of irrigation frequency from 2 days to 4 days promoted an average yield increase of 20% for the LOW WA situation. Soil texture certainly conditioned the results obtained under LOW WA conditions, since high frequency irrigation implied applying small amounts of water that resulted in limited superficial water bulbs, which probably favored water evaporation. In Chapter 2, the effect of irrigation frequency and water distribution pattern on plant water status and leaf gas exchange was analyzed to explain the differences observed in the agronomical response. Concerning irrigation frequency, under LOW WA conditions, applying irrigation every 4 days, resulted in higher net assimilation rates and stomatal conductance than doing it every 2 days, supporting the hypothesis that the latter frequency resulted in a water use efficiency loss, probably due to higher evaporation as a consequence of the fact the wetted soil volume created was small and close to the surface. Under MEDIUM WA conditions, differences in leaf gas exchange were much smaller. At the beginning of the summer each irrigation frequency behaved better one of the measurements days, compensating at the end of the 4-day irrigation cycle. However, as the summer progressed and water deficit became higher, significant differences appeared only on ‘day 4’ of the irrigation cycle, when 2d plants behaved better than 4d plants. These physiological differences were smaller than under LOW WA conditions and apparently not sufficient to affect agronomical performance. Regarding water distribution pattern, the effect was less significant but the closest emitter spacing resulted in general terms in a higher leaf gas exchange, especially at midmorning. The effect was more noticeable for MEDIUM WA conditions. In Chapter 3, the relationships between leaf gas exchange and leaf water status and atmospheric demand were compared to explain the changes in the intensity of the physiological response observed in Chapter 2. No differences were found in the relationships for water distribution pattern, so only the effect of irrigation frequency was analyzed focusing on whether the plants have a different physiological response to changes in water status and atmospheric demand according to the time elapsed since the last irrigation. Differences observed in the relationships explained the results obtained in the previous chapters, and point at the occurrence of acclimation processes linked to irrigation frequency and to water availability. Plants under LOW WATER AVAILABILITY conditions seemed to be more acclimated to water stress than those under MEDIUM WATER AVAILABILITY conditions. Irrigation frequency clearly affected the relationship between leaf gas exchange parameters, plant water status and atmospheric conditions, and together with the amount of water applied had implications in the development of acclimation mechanisms that affected plant physiological response, thus affecting irrigation efficiency.

Optimización de la aplicación de lodos de depuración de aguas residuales al abonado o mejora de suelos

El objetivo de este trabajo de investigación fue evaluar el efecto de la aplicación de lodos residuales procedentes de una planta de tratamiento de aguas residuales acondicionados como biosólido para el abonado de tres cultivos agrícolas. Esto se realizó a través del estudio de las variables de producción (desarrollo vegetal de cada cultivo) y de la comparación de las características de los suelos utilizados antes y después de los ensayos experimentales. A través de la investigación se confirmó la mejora en la calidad del suelo y mejor rendimiento de cultivo debido a los biosólidos procedentes de tratamiento de aguas residuales. Este trabajo de investigación de tipo descriptivo y experimental, utilizó lodos optimizados que fueron aplicados a tres cultivos agrícolas de ciclo corto. Fueron evaluados dos cultivos (sandía y tomate) bajo riego y un cultivo (arroz) en secano. En la primera fase del trabajo se realizó la caracterización de los lodos, para ellos se realizaron pruebas físico químicas y microbiológicas. Fue utilizado el método de determinación de metales por espectrometría de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente, (ICP-AES) para conocer las concentraciones de metales. La caracterización microbiológica para coliformes totales y fecales se realizó utilizando la técnica del Número más probable (NMP), y para la identificación de organismos patógenos se utilizó el método microbiológico propuesto por Kornacki & Johnson (2001), que se fundamenta en dos procesos: pruebas presuntivas y prueba confirmativa. Tanto los resultados para la determinación de metales y elementos potencialmente tóxicos; como las pruebas para la determinación de microorganismos potencialmente peligrosos, estuvieron por debajo de los límites considerados peligrosos establecidos por la normativa vigente en Panama (Reglamento Técnico COPANIT 47-2000). Una vez establecido la caracterización de los lodos, se evalúo el potencial de nutrientes (macro y micro) presentes en los biosólidos para su potencial de uso como abono en cultivos agrícolas. El secado de lodos fue realizado a través de una era de secado, donde los lodos fueron deshidratados hasta alcanzar una textura pastosa. “La pasta de lodo” fue transportada al área de los ensayos de campo para continuar el proceso de secado y molida. Tres ensayos experimentales fueron diseñados al azar con cinco tratamientos y cuatro repeticiones para cada uno de los tres cultivos: sandía, tomate, arroz, en parcelas de 10m2 (sandía y tomate) y 20 m2 (arroz) para cada tratamiento. Tres diferentes dosis de biosólidos fueron evaluadas y comparadas con un tratamiento de fertilizante comercial y un tratamiento control. La dosis de fertilizante comercial utilizada en cada cultivo fue la recomendada por el Instituto de Investigación Agropecuaria de Panamá. Los ensayos consideraron la caracterización inicial del suelo, la preparación del suelo, semilla, y arreglo topográfico de los cultivos siguiendo las recomendaciones agronómicas de manejo de cultivo establecida por el Instituto de Investigación Agropecuaria. Para los ensayos de sandía y tomate se instaló el sistema de riego por goteo. Se determinaron los ácidos húmicos presentes en los cultivos, y se estudiaron las variables de desarrollo de cada cultivo (fructificación, cosecha, peso de la cosecha, dimensiones de tamaño y color de las frutas, rendimiento, y la relación costo – rendimiento). También se estudiaron las variaciones de los macro y micro nutrientes y las variaciones de pH, textura de suelo y MO disponible al inicio y al final de cada uno de los ensayos de campo. Todas las variables y covariables fueron analizadas utilizando el programa estadístico INFOSAT (software para análisis estadístico de aplicación general) mediante el análisis de varianza, el método de comparaciones múltiples propuesto por Fisher (LSD Fisher) para comparar las medias de los cultivares y el coeficiente de correlación de Pearson que nos permite analizar si existe una asociación lineal entre dos variables. En la evaluación de los aportes del biosólido a los cultivos se observó que los macronutrientes N y P se encontraban de los límites requeridos en cada uno de los cultivos, pero que los niveles de K estuvieron por debajo de los requerimientos de los cultivos. A nivel de la fertilización tradicional con fertilizante químico se observó que la dosis recomendada para cada uno de los cultivos del estudio estaba sobreestimada en los tres principales macronutrientes: Nitrógeno, Fosforo y Potasio. Contenían concentraciones superiores de N, P y K a las requeridas teóricamente por el cultivo. El nutriente que se aporta en exceso es el Fósforo. Encontramos que para el cultivo de sandía era 18 veces mayor a lo requerido por el cultivo, en tomate fue 12 veces mayor y en el cultivo de arroz, 34 veces mayor. El fertilizante comercial tuvo una influencia en el peso final y rendimiento final en cada uno de los cultivos del estudio. A diferencia, los biosólidos tuvieron una influencia directa en el desarrollo de los cultivos (germinación, coloración, tamaño, longitud, diámetro, floración y resistencia a enfermedades). Para el caso de la sandía la dosis de biosólido más cercana al óptimo para el cultivo es la mayor dosis aplicada en este ensayo (97.2 gramos de biosólido por planta). En el caso de tomate, el fertilizante comercial obtuvo los mejores valores, pero las diferencias son mínimas con relación al tratamiento T1, de menor dosis de biosólido (16.2 gramos de biosólido por planta). Los resultados generales del ensayo de tomate estuvieron por debajo del rendimiento esperado para el cultivo. Los tratamientos de aplicación de biosólidos aportaron al desarrollo del cultivo en las variables tamaño, color y resistencia a las enfermedades dentro del cultivo de tomate. Al igual que el tomate, en el caso del arroz, el tratamiento comercial obtuvo los mejores resultados. Los resultados finales de peso y rendimiento del cultivo indican que el tratamiento (T2), menor dosis de biosólido (32.4 gramos por parcela), no tuvo diferencias significativas con los resultados obtenidos en las parcelas con aplicación de fertilizante comercial (T1). El tratamiento T4 (mayor dosis de biosólido) obtuvo los mejores valores para las variables germinación, ahijamiento y espigamiento del cultivo, pero al momento de la maduración obtuvo los menores resultados. Los biosólidos aportan nutrientes a los cultivos y al final del ensayo se observó que permanecen disponibles en el suelo, aportando a la mejora del suelo final. En los tres ensayos, se pudo comprobar que los aportes de los biosólidos en el desarrollo vegetativo de los cultivos. También se encontró en todos los ensayos que no hubo diferencias significativas (p > 0.05) entre los tratamientos de biosólidos y fertilizante comercial. Para obtener mejores resultados en estos tres ensayos se requeriría que a la composición de biosólidos (utilizada en este ensayo) se le adicione Potasio, Calcio y Magnesio en las cantidades requeridas por cada uno de los cultivos. ABSTRACT The objective of this investigation was to evaluate the effect of residual sewage sludge obtained from the residual water of a treatment plant conditioned as Biosolid used on three reliable agricultural crops. The effect of the added sewage sludge was evaluated through the measurement of production variables such as crop plant development and the comparison of the soil characteristics used before and after the experimental tests. This investigation confirmed that biosolids from wastewater treatment can contribute to the growth of these crops. In this experimental approach, optimized sludge was applied to three short-cycle crops including two low-risk crops (watermelon and tomato) and one high-risk crop (rice) all grown on dry land. In the first phase of work, the characteristics of the sludge were assessed using chemical, physical and microbiological tests. The concentrations of metals were determined by atomic emission spectrometry inductively coupled plasma, (ICP-AES). Microbiological characterization was performed measuring total coliform and fecal count using the most probable number technique (NMP) and microbiological pathogens were identified using Kornacki & Johnson (2001) method based on two processes: presumptive and confirmatory tests. Both the results for the determination of metals and potentially toxic elements, as testing for the determination of potentially dangerous microorganisms were below the limits established by the applicable standard in Panama (Technical Regulate COPANIT 47-2000). After the metal and bacterial characterization of the sludge, the presence of macro or micronutrients in biosolids was measured to evaluate its potential for use as fertilizer in the growth of agricultural crops. The sludge was dehydrated via a drying process into a muddy slurry. The pulp slurry was transported to the field trial area to continue the process of drying and grinding. Three randomized experimental trials were designed to test with five treatment regimens and four replications for each of the crops: watermelon, tomato, rice. The five treatment regimens evaluated were three different doses of bio solid with commercial fertilizer treatment control and no fertilizer treatment control. Treatment areas for the watermelon and tomato were 10m2 plots land and for rice was 20m2. The amount of commercial fertilizer used to treat each crop was based on the amount recommended by Agricultural Research Institute of Panama. The experimental trials considered initial characterization of soil, soil preparation, seed, and crop topographical arrangement following agronomic crop management recommendations. For the tests evaluating the growth of watermelons and tomatoes and drip irrigation system was installed. The amount of humic acids present in the culture were determined and developmental variable of each crop were studied (fruiting crop harvest weight, size dimensions and color of the fruit, performance and cost effectiveness). Changes in macro and micronutrients and changes in pH, soil texture and OM available were measured at the beginning and end of each field trial. All variables and covariates were analyzed using INFOSAT statistical program (software for statistical analysis of general application) by analysis of variance, multiple comparisons method as proposed by Fisher (LSD Fisher) to compare the means of cultivars and the Pearson ratio that allows us to analyze if there is a linear association between two variables. In evaluating the contribution of biosolids to agricultural crops, the study determined that the macronutrients N & P were within the requirements of crops, but K levels were below the requirements of crops. In terms of traditional chemical fertilizer fertilization, we observed that the recommended dose for each study crop was overestimated for the three major nutrients: nitrogen, phosphorus and potassium. Higher concentrations containing N, P and K to the theoretically required by the crop. The recommended dose of commercial fertilizer for crops study contained greater amounts of phosphorus, crops that need. The level of phosphorous was found to be18 times greater than was required for the cultivation of watermelon; 12 times higher than required for tomato, and 34 times higher than required for rice cultivation. Phosphorus inputs of commercial fertilizer were a primary influence on the weight and performance of each crop. Unlike biosolids had a direct influence on crop development (germination, color, size, length, diameter, flowering and disease resistance). In the case of growth of watermelons, the Biosolid dose closest to the optimum for cultivation was applied the highest dose in this assay (97.2 grams of bio solids per plant). In the case of tomatoes, commercial fertilizer had the best values but the differences were minimal when compared to treatment T1, the lower dose of sewage sludge (Biosolid 16.2 grams per plant). The overall results for the tomato crop yield of the trial were lower than expected. Additionally, the application of biosolids treatment contributed to the development of fruit of variable size, color and disease resistance in the tomato crops. Similar to the tomato crop, commercial fertilizer treatment provided the best results for the rice crop. The final results of weight and crop yield for rice indicated that treatment with T2 amount of biosolids (34.2 grams per plot) was not significantly different from the result obtained in the application plot given commercial fertilizer (T1). The T4 (higher dose of bio solid) treatment had the best values for the germination, tillering and bolting variables of the rice crop but for fruit ripening yielded lower results. In all three trials, biosolids demonstrated the ability to contribute in the vegetative growth of crops. It was also found in all test no significant differences (p>0.05) between treatment of bio solid and commercial fertilizer. Biosolids provided nutrients to the crops and even at the end of the trial remained available in the ground soil, contributing to the improvement of the final ground. The best results from these three trials is that the use of bio solids such as those used in this assay would require the addition of potassium, calcium and magnesium in quantities required for each crop.

An image segmentation based on a genetic algorithm for determining soil coverage by crop residues

Determination of the soil coverage by crop residues after ploughing is a fundamental element of Conservation Agriculture. This paper presents the application of genetic algorithms employed during the fine tuning of the segmentation process of a digital image with the aim of automatically quantifying the residue coverage. In other words, the objective is to achieve a segmentation that would permit the discrimination of the texture of the residue so that the output of the segmentation process is a binary image in which residue zones are isolated from the rest. The RGB images used come from a sample of images in which sections of terrain were photographed with a conventional camera positioned in zenith orientation atop a tripod. The images were taken outdoors under uncontrolled lighting conditions. Up to 92% similarity was achieved between the images obtained by the segmentation process proposed in this paper and the templates made by an elaborate manual tracing process. In addition to the proposed segmentation procedure and the fine tuning procedure that was developed, a global quantification of the soil coverage by residues for the sampled area was achieved that differed by only 0.85% from the quantification obtained using template images. Moreover, the proposed method does not depend on the type of residue present in the image. The study was conducted at the experimental farm “El Encín” in Alcalá de Henares (Madrid, Spain).