Improving the management of water and nitrogen resources in cropping systems by using simulation models

Los modelos de simulación de cultivos permiten analizar varias combinaciones de laboreo-rotación y explorar escenarios de manejo. El modelo DSSAT fue evaluado bajo condiciones de secano en un experimento de campo de 16 años en la semiárida España central. Se evaluó el efecto del sistema de laboreo y las rotaciones basadas en cereales de invierno, en el rendimiento del cultivo y la calidad del suelo. Los modelos CERES y CROPGRO se utilizaron para simular el crecimiento y rendimiento del cultivo, mientras que el modelo DSSAT CENTURY se utilizó en las simulaciones de SOC y SN. Tanto las observaciones de campo como las simulaciones con CERES-Barley, mostraron que el rendimiento en grano de la cebada era mas bajo para el cereal continuo (BB) que para las rotaciones de veza (VB) y barbecho (FB) en ambos sistemas de laboreo. El modelo predijo más nitrógeno disponible en el laboreo convencional (CT) que en el no laboreo (NT) conduciendo a un mayor rendimiento en el CT. El SOC y el SN en la capa superficial del suelo, fueron mayores en NT que en CT, y disminuyeron con la profundidad en los valores tanto observados como simulados. Las mejores combinaciones para las condiciones de secano estudiadas fueron CT-VB y CT-FB, pero CT presentó menor contenido en SN y SOC que NT. El efecto beneficioso del NT en SOC y SN bajo condiciones Mediterráneas semiáridas puede ser identificado por observaciones de campo y por simulaciones de modelos de cultivos. La simulación del balance de agua en sistemas de cultivo es una herramienta útil para estudiar como el agua puede ser utilizado eficientemente. La comparación del balance de agua de DSSAT , con una simple aproximación “tipping bucket”, con el modelo WAVE más mecanicista, el cual integra la ecuación de Richard , es un potente método para valorar el funcionamiento del modelo. Los parámetros de suelo fueron calibrados usando el método de optimización global Simulated Annealing (SA). Un lisímetro continuo de pesada en suelo desnudo suministró los valores observados de drenaje y evapotranspiración (ET) mientras que el contenido de agua en el suelo (SW) fue suministrado por sensores de capacitancia. Ambos modelos funcionaron bien después de la optimización de los parámetros de suelo con SA, simulando el balance de agua en el suelo para el período de calibración. Para el período de validación, los modelos optimizados predijeron bien el contenido de agua en el suelo y la evaporación del suelo a lo largo del tiempo. Sin embargo, el drenaje fue predicho mejor con WAVE que con DSSAT, el cual presentó mayores errores en los valores acumulados. Esto podría ser debido a la naturaleza mecanicista de WAVE frente a la naturaleza más funcional de DSSAT. Los buenos resultados de WAVE indican que, después de la calibración, este puede ser utilizado como "benchmark" para otros modelos para periodos en los que no haya medidas de campo del drenaje. El funcionamiento de DSSAT-CENTURY en la simulación de SOC y N depende fuertemente del proceso de inicialización. Se propuso como método alternativo (Met.2) la inicialización de las fracciones de SOC a partir de medidas de mineralización aparente del suelo (Napmin). El Met.2 se comparó con el método de inicialización de Basso et al. (2011) (Met.1), aplicando ambos métodos a un experimento de campo de 4 años en un área en regadío de España central. Nmin y Napmin fueron sobreestimados con el Met.1, ya que la fracción estable obtenida (SOC3) en las capas superficiales del suelo fue más baja que con Met.2. El N lixiviado simulado fue similar en los dos métodos, con buenos resultados en los tratamientos de barbecho y cebada. El Met.1 subestimó el SOC en la capa superficial del suelo cuando se comparó con una serie observada de 12 años. El crecimiento y rendimiento del cultivo fueron adecuadamente simulados con ambos métodos, pero el N en la parte aérea de la planta y en el grano fueron sobreestimados con el Met.1. Los resultados variaron significativamente con las fracciones iniciales de SOC, resaltando la importancia del método de inicialización. El Met.2 ofrece una alternativa para la inicialización del modelo CENTURY, mejorando la simulación de procesos de N en el suelo. La continua emergencia de nuevas variedades de híbridos modernos de maíz limita la aplicación de modelos de simulación de cultivos, ya que estos nuevos híbridos necesitan ser calibrados en el campo para ser adecuados para su uso en los modelos. El desarrollo de relaciones basadas en la duración del ciclo, simplificaría los requerimientos de calibración facilitando la rápida incorporación de nuevos cultivares en DSSAT. Seis híbridos de maiz (FAO 300 hasta FAO 700) fueron cultivados en un experimento de campo de dos años en un área semiárida de regadío en España central. Los coeficientes genéticos fueron obtenidos secuencialmente, comenzando con los parámetros de desarrollo fenológico (P1, P2, P5 and PHINT), seguido de los parámetros de crecimiento del cultivo (G2 and G3). Se continuó el procedimiento hasta que la salida de las simulaciones estuvo en concordancia con las observaciones fenológicas de campo. Después de la calibración, los parámetros simulados se ajustaron bien a los parámetros observados, con bajos RMSE en todos los casos. Los P1 y P5 calibrados, incrementaron con la duración del ciclo. P1 fue una función lineal del tiempo térmico (TT) desde emergencia hasta floración y P5 estuvo linealmente relacionada con el TT desde floración a madurez. No hubo diferencias significativas en PHINT entre híbridos de FAO-500 a 700 , ya que tuvieron un número de hojas similar. Como los coeficientes fenológicos estuvieron directamente relacionados con la duración del ciclo, sería posible desarrollar rangos y correlaciones que permitan estimar dichos coeficientes a partir de la clasificación del ciclo. ABSTRACT Crop simulation models allow analyzing various tillage-rotation combinations and exploring management scenarios. DSSAT model was tested under rainfed conditions in a 16-year field experiment in semiarid central Spain. The effect of tillage system and winter cereal-based rotations on the crop yield and soil quality was evaluated. The CERES and CROPGRO models were used to simulate crop growth and yield, while the DSSAT CENTURY was used in the SOC and SN simulations. Both field observations and CERES-Barley simulations, showed that barley grain yield was lower for continuous cereal (BB) than for vetch (VB) and fallow (FB) rotations for both tillage systems. The model predicted higher nitrogen availability in the conventional tillage (CT) than in the no tillage (NT) leading to a higher yield in the CT. The SOC and SN in the top layer, were higher in NT than in CT, and decreased with depth in both simulated and observed values. The best combinations for the dry land conditions studied were CT-VB and CT-FB, but CT presented lower SN and SOC content than NT. The beneficial effect of NT on SOC and SN under semiarid Mediterranean conditions can be identified by field observations and by crop model simulations. The simulation of the water balance in cropping systems is a useful tool to study how water can be used efficiently. The comparison of DSSAT soil water balance, with a simpler “tipping bucket” approach, with the more mechanistic WAVE model, which integrates Richard’s equation, is a powerful method to assess model performance. The soil parameters were calibrated by using the Simulated Annealing (SA) global optimizing method. A continuous weighing lysimeter in a bare fallow provided the observed values of drainage and evapotranspiration (ET) while soil water content (SW) was supplied by capacitance sensors. Both models performed well after optimizing soil parameters with SA, simulating the soil water balance components for the calibrated period. For the validation period, the optimized models predicted well soil water content and soil evaporation over time. However, drainage was predicted better by WAVE than by DSSAT, which presented larger errors in the cumulative values. That could be due to the mechanistic nature of WAVE against the more functional nature of DSSAT. The good results from WAVE indicate that, after calibration, it could be used as benchmark for other models for periods when no drainage field measurements are available. The performance of DSSAT-CENTURY when simulating SOC and N strongly depends on the initialization process. Initialization of the SOC pools from apparent soil N mineralization (Napmin) measurements was proposed as alternative method (Met.2). Method 2 was compared to the Basso et al. (2011) initialization method (Met.1), by applying both methods to a 4-year field experiment in a irrigated area of central Spain. Nmin and Napmin were overestimated by Met.1, since the obtained stable pool (SOC3) in the upper layers was lower than from Met.2. Simulated N leaching was similar for both methods, with good results in fallow and barley treatments. Method 1 underestimated topsoil SOC when compared with a 12-year observed serial. Crop growth and yield were properly simulated by both methods, but N in shoots and grain were overestimated by Met.1. Results varied significantly with the initial SOC pools, highlighting the importance of the initialization procedure. Method 2 offers an alternative to initialize the CENTURY model, enhancing the simulation of soil N processes. The continuous emergence of new varieties of modern maize hybrids limits the application of crop simulation models, since these new hybrids should be calibrated in the field to be suitable for model use. The development of relationships based on the cycle duration, would simplify the calibration requirements facilitating the rapid incorporation of new cultivars into DSSAT. Six maize hybrids (FAO 300 through FAO 700) were grown in a 2-year field experiment in a semiarid irrigated area of central Spain. Genetic coefficients were obtained sequentially, starting with the phenological development parameters (P1, P2, P5 and PHINT), followed by the crop growth parameters (G2 and G3). The procedure was continued until the simulated outputs were in good agreement with the field phenological observations. After calibration, simulated parameters matched observed parameters well, with low RMSE in most cases. The calibrated P1 and P5 increased with the duration of the cycle. P1 was a linear function of the thermal time (TT) from emergence to silking and P5 was linearly related with the TT from silking to maturity . There were no significant differences in PHINT between hybrids from FAO-500 to 700 , as they had similar leaf number. Since phenological coefficients were directly related with the cycle duration, it would be possible to develop ranges and correlations which allow to estimate such coefficients from the cycle classification.

Improving simulation of soil water balance using lysimeter observations in a semiarid climate.

Water balance simulation in cropping systems is a very useful tool to study how water can be used efficiently. However this requires that models simulate an accurate water balance. Comparing model results with field observations will provide information on the performance of the models. The objective of this study was to test the performance of DSSAT model in simulating the water balance by comparing the simulations with observed measurements. The soil water balance in DSSAT uses a one dimensional ?tipping bucket? soil water balance approach where available soil water is determined by the drained upper limit (DUL), lower limit (LL) and saturated water content (SAT). A continuous weighing lysimeter was used to get the observed values of drainage and evapotranspiration (ET). An automated agrometeorological weather station close to the lisymeter was also used to record the climatic data. The model simulated accurately the soil water content after the optimization of the soil parameters. However it was found the inability of the model to capture small changes in daily drainage and ET. For that reason simulated cumulative values had larger errors as the time passed by. These results suggested the need to compare outputs of DSSAT and some hydrological model that simulates soil water movement with a more mechanistic approach. The comparison of the two models will allow us to find which mechanism can be modified or incorporated in DSSAT model to improve the simulations.

Análisis técnico y financiero de las máquinas de elevación

Los nombres que se usan actualmente para las grúas los ponen las empresas fabricantes y muy frecuentemente no tienen relación con su tipología ni con su capacidad. Por otra parte, es de uso común en la construcción, llamar a las grúas usando su tonelaje nominal que coincide normalmente con su capacidad máxima que se obtiene a radio mínimo. Existe una controversia por el uso de este valor ya que no suele definir bien la capacidad de las maquinas. En cuanto el radio de trabajo se aleja de sus valores mínimos, las grúas están limitadas por el momento de vuelco que no tiene porque comportarse de manera proporcional o ni siquiera relacionada con el valor de la capacidad nominal. Esto hace que comparar grúas mediante sus capacidades nominales (que son sus denominaciones) pueda inducir a errores importantes. Como alternativa, se pretende estudiar el uso de momento máximo de vuelco MLM por sus siglas en ingles (Maximum Load Moment) para intentar definir la capacidad real de las grúas. Se procede a realizar un análisis técnico y financiero de grúas con respecto a ambos valores mencionados con objeto de poder determinar cual de los dos parámetros es más fiable a la hora de definir la capacidad real de estas maquinas. Para ello, se seleccionan dentro de las tres tipologías más importantes por su presencia e importancia en la construcción (grúas de celosía sobre cadenas, grúas telescópicas sobre camión y grúas torre) nueve grúas de distintos tamaños y capacidades con objeto de analizar una serie de parámetros técnicos y sus costes. Se realizan de este modo diversas comparativas analizando los resultados en función de las tipologías y de los tamaños de las distintas maquinas. Para cada máquina se obtienen las capacidades y los momentos de vuelco correspondientes a distintos radios de trabajo. Asimismo, se obtiene el MLM y el coste hora de cada grúa, este último como suma de la amortización de la máquina, intereses del capital invertido, consumos, mantenimiento y coste del operador. Los resultados muestran las claras deficiencias del tonelaje nominal como valor de referencia para definir la capacidad de las grúas ya que grúas con el mismo tonelaje nominal pueden dar valores de capacidad de tres a uno (e incluso mayores) cuando los radios de trabajo son importantes. A raiz de este análisis se propone el uso del MLM en lugar del tonelaje nominal para la denominación de las grúas ya que es un parámetro mucho más fiable. Siendo conscientes de la dificultad que supone un cambio de esta entidad al tratarse de un uso común a nivel mundial, se indican posibles actuaciones concretas que puedan ir avanzando en esa dirección como seria por ejemplo la nomenclatura oficial de los fabricantes usando el MLM dentro del nombre de la grúa que también podría incluir la tipología o al menos alguna actuación legislativa sencilla como obligar al fabricante a indicar este valor en las tablas y características de cada máquina. El ratio analizado Coste horario de la grúa / MLM resulta ser de gran interés y permite llegar a la conclusión que en todas las tipologías de grúas, la eficiencia del coste por hora y por la capacidad (dada por el MLM) aumenta al aumentar la capacidad de la grúa. Cuando los tamaños de cada tipología se reducen, esta eficiencia disminuye y en algunos casos incluso drasticamente. La tendencia del mundo de la construcción de prefabricación y modularización que conlleva pesos y dimensiones de cargas cada vez más grandes, demandan cada vez grúas de mayor capacidad y se podría pensar en un primer momento que ante un crecimiento de capacidades tan significativo, el coste de las grúas se podría disparar y por ello disminuir la eficiencia de estas máquinas. A la vista de los resultados obtenidos con este análisis, no solo no ocurre este problema sino que se observa que dicho aumento de tamaños y capacidades de grúas redunda en un aumento de su eficiencia en cualquiera de las tipologías de estas maquinas que han sido estudiadas. The crane names that are actually used are given by crane manufacturers and, very frequently, they do not have any relationship with the crane type nor with its capacity. On the other hand, it is common in construction to use the nominal capacity (which corresponds in general to the capacity at minimum radius) as crane name. The use of this figure is controversial since it does not really reflect the real crane capacity. When the working radius increases a certain amount from its minimum values, the crane capacity starts to be limited by the crane tipping load and the moment is not really related to the value of the nominal capacity. Therefore, comparing cranes by their nominal capacity (their names) can lead to important mistakes. As an alternative, the use of the maximum load moment (MLM) can be studied for a better definition of real crane capacity. A technical and financial analysis of cranes is conducted using both parameters to determine which one is more reliable in order to define crane’s real capacity. For this purpose, nine cranes with different sizes and capacities will be selected within the most relevant crane types (crawler lattice boom cranes, telescopic truck mounted cranes and tower cranes) in order to analyze several parameters. The technical and economic results will be compared according to the crane types and sizes of the machines. For each machine, capacities and load moments are obtained for several working radius as well as MLM and hourly costs of cranes. Hourly cost is calculated adding up depreciation, interests of invested capital, consumables, maintenance and operator’s cost. The results show clear limitations for the use of nominal capacity as a reference value for crane definition since cranes with the same nominal capacity can have capacity differences of 3 to 1 (or even bigger) when working on important radius. From this analysis, the use of MLM as crane name instead of nominal capacity is proposed since it is a much more reliable figure. Being aware of the difficulty of such change since nominal capacity is commonly used worldwide; specific actions are suggested to progress in that direction. One good example would be that manufacturers would include MLM in their official crane names which could also include the type as well. Even legal action can be taken by simply requiring to state this figure in the crane charts and characteristics of every machine. The analyzed ratio: hourly cost / MLM is really interesting since it leads to the conclusion that for all crane types, the efficiency of the hourly cost divided by capacity (given by MLM) increases when the crane capacity is higher. When crane sizes are smaller, this efficiency is lower and can fall dramatically in certain cases. The developments in the construction world regarding prefabrication and modularization mean bigger weights and dimensions, which create a demand for bigger crane capacities. On a first approach, it could be thought that crane costs could rise significantly because of this capacity hugh increase reducing in this way crane efficiency. From the results obtained here, it is clear that it is definitely not the case but the capacity increase of cranes will end up in higher efficiency levels for all crane types that have been studied.

Occupational allergic multiorgan disease induced by wheat flour

Bakers are repeatedly exposed to wheat flour (WF) and may develop sensitization and occupational rhinoconjunctivitis and/or asthma to WF allergens.1 Several wheat proteins have been identified as causative allergens of occupational respiratory allergy in bakery workers.1 Testing of IgE reactivity in patients with different clinical profiles of wheat allergy (food allergy, wheat-dependent exercise-induced anaphylaxis, and baker's asthma) to salt-soluble and salt-insoluble protein fractions from WF revealed a high degree of heterogeneity in the recognized allergens. However, mainly salt-soluble proteins (albumins, globulins) seem to be associated with baker's asthma, and prolamins (gliadins, glutenins) with wheat-dependent exercise-induced anaphylaxis, whereas both protein fractions reacted to IgE from food-allergic patients.1 Notwithstanding, gliadins have also been incriminated as causative allergens in baker's asthma.2 We report on a 31-year-old woman who had been exposed to WF practically since birth because her family owned a bakery housed in the same home where they lived. She moved from this house when she was 25 years, but she continued working every day in the family bakery. In the last 8 years she had suffered from work-related nasal and ocular symptoms such as itching, watery eyes, sneezing, nasal stuffiness, and rhinorrhea. These symptoms markedly improved when away from work and worsened at work. In the last 5 years, she had also experienced dysphagia with frequent choking, especially when ingesting meats or cephalopods, which had partially improved with omeprazole therapy. Two years before referral to our clinic, she began to have dry cough and breathlessness, which she also attributed to her work environment. Upper and lower respiratory tract symptoms increased when sifting the WF and making the dough. The patient did not experience gastrointestinal symptoms with ingestion of cereal products. Skin prick test results were positive to grass (mean wheal, 6 mm), cypress (5 mm) and Russian thistle pollen (4 mm), WF (4 mm), and peach lipid transfer protein (6 mm) and were negative to rice flour, corn flour, profilin, mites, molds, and animal dander. Skin prick test with a homemade WF extract (10% wt/vol) was strongly positive (15 mm). Serologic tests yielded the following results: eosinophil cationic protein, 47 ?g/L; total serum IgE, 74 kU/L; specific IgE (ImmunoCAP; ThermoFisher, Uppsala, Sweden) to WF, 7.4 kU/L; barley flour, 1.24 kU/L; and corn, gluten, alpha-amylase, peach, and apple, less than 0.35 kU/L. Specific IgE binding to microarrayed purified WF allergens (WDAI-0.19, WDAI-0.53, WTAI-CM1, WTAI-CM2, WTAI-CM3, WTAI-CM16, WTAI-CM17, Tri a 14, profilin, ?-5-gliadin, Tri a Bd 36 and Tri a TLP, and gliadin and glutamine fractions) was assessed as described elsewhere.3 The patient's serum specifically recognized ?-5-gliadin and the gliadin fraction, and no IgE reactivity was observed to other wheat allergens. Spirometry revealed a forced vital capacity of 3.88 L (88%), an FEV1 of 3.04 L (87%), and FEV1/forced vital capacity of 83%. A methacholine inhalation test was performed following an abbreviated protocol,4 and the results were expressed as PD20 in cumulative dose (mg) of methacholine. Methacholine inhalation challenge test result was positive (0.24 mg cumulative dose) when she was working, and after a 3-month period away from work and with no visits to the bakery house, it gave a negative result. A chest x-ray was normal. Specific inhalation challenge test was carried out in the hospital laboratory by tipping WF from one tray to another for 15 minutes. Spirometry was performed at baseline and at 2, 5, 10, 15, 20, 30, 45, and 60 minutes after the challenge with WF. Peak expiratory flow was measured at baseline and then hourly over 24 hours (respecting sleeping time). A 12% fall in FEV1 was observed at 20 minutes and a 26% drop in peak expiratory flow at 9 hours after exposure to WF,