Influence of drought-induced acidification on the mobility of dissolved organic carbon in peat soils

A strong relationship between dissolved organic carbon (DOC) and sulphate (SO42−) dynamics under drought conditions has been revealed from analysis of a 10-year time series (1993–2002). Soil solution from a blanket peat at 10 cm depth and stream water were collected at biweekly and weekly intervals, respectively, by the Environmental Change Network at Moor House-Upper Teesdale National Nature Reserve in the North Pennine uplands of Britain. DOC concentrations in soil solution and stream water were closely coupled, displaying a strong seasonal cycle with lowest concentrations in early spring and highest in late summer/early autumn. Soil solution DOC correlated strongly with seasonal variations in soil temperature at the same depth 4-weeks prior to sampling. Deviation from this relationship was seen, however, in years with significant water table drawdown (>−25 cm), such that DOC concentrations were up to 60% lower than expected. Periods of drought also resulted in the release of SO42−, because of the oxidation of inorganic/organic sulphur stored in the peat, which was accompanied by a decrease in pH and increase in ionic strength. As both pH and ionic strength are known to control the solubility of DOC, inclusion of a function to account for DOC suppression because of drought-induced acidification accounted for more of the variability of DOC in soil solution (R2=0.81) than temperature alone (R2=0.58). This statistical model of peat soil solution DOC at 10 cm depth was extended to reproduce 74% of the variation in stream DOC over this period. Analysis of annual budgets showed that the soil was the main source of SO42− during droughts, while atmospheric deposition was the main source in other years. Mass balance calculations also showed that most of the DOC originated from the peat. The DOC flux was also lower in the drought years of 1994 and 1995, reflecting low DOC concentrations in soil and stream water. The analysis presented in this paper suggests that lower concentrations of DOC in both soil and stream waters during drought years can be explained in terms of drought-induced acidification. As future climate change scenarios suggest an increase in the magnitude and frequency of drought events, these results imply potential for a related increase in DOC suppression by episodic acidification.

Five years of carbon dioxide fluxes measurements in a highly vegetated suburban area

Suburban areas continue to grow rapidly and are potentially an important land-use category for anthropogenic carbon-dioxide (CO2) emissions. Here eddy covariance techniques are used to obtain ecosystem-scale measurements of CO2 fluxes (FC) from a suburban area of Baltimore, Maryland, USA (2002–2006). These are among the first multi-year measurements of FC in a suburban area. The study area is characterized by low population density (1500 inhabitants km−2) and abundant vegetation (67.4% vegetation land-cover). FC is correlated with photosynthetic active radiation (PAR), soil temperature, and wind direction. Missing hourly FC is gap-filled using empirical relations between FC, PAR, and soil temperature. Diurnal patterns show net CO2 emissions to the atmosphere during winter and net CO2 uptake by the surface during summer daytime hours (summer daily total is −1.25 g C m−2 d−1). Despite the large amount of vegetation the suburban area is a net CO2 source of 361 g C m−2 y−1 on average.

Evidence of increased net ecosystem productivity associated with a longer vegetated season in a deciduous forest in south-central Indiana, USA

Observations of net ecosystem exchange (NEE) of carbon and its biophysical drivers have been collected at the AmeriFlux site in the Morgan-Monroe State Forest (MMSF) in Indiana, USA since 1998. Thus, this is one of the few deciduous forest sites in the world, where a decadal analysis on net ecosystem productivity (NEP) trends is possible. Despite the large interannual variability in NEP, the observations show a significant increase in forest productivity over the past 10 years (by an annual increment of about 10 g C m−2 yr−1). There is evidence that this trend can be explained by longer vegetative seasons, caused by extension of the vegetative activity in the fall. Both phenological and flux observations indicate that the vegetative season extended later in the fall with an increase in length of about 3 days yr−1 for the past 10 years. However, these changes are responsible for only 50% of the total annual gain in forest productivity in the past decade. A negative trend in air and soil temperature during the winter months may explain an equivalent increase in NEP through a decrease in ecosystem respiration.

An energy budget agent-based model of earthworm populations and its application to study the effects of pesticides

Earthworms are important organisms in soil communities and so are used as model organisms in environmental risk assessments of chemicals. However current risk assessments of soil invertebrates are based on short-term laboratory studies, of limited ecological relevance, supplemented if necessary by site-specific field trials, which sometimes are challenging to apply across the whole agricultural landscape. Here, we investigate whether population responses to environmental stressors and pesticide exposure can be accurately predicted by combining energy budget and agent-based models (ABMs), based on knowledge of how individuals respond to their local circumstances. A simple energy budget model was implemented within each earthworm Eisenia fetida in the ABM, based on a priori parameter estimates. From broadly accepted physiological principles, simple algorithms specify how energy acquisition and expenditure drive life cycle processes. Each individual allocates energy between maintenance, growth and/or reproduction under varying conditions of food density, soil temperature and soil moisture. When simulating published experiments, good model fits were obtained to experimental data on individual growth, reproduction and starvation. Using the energy budget model as a platform we developed methods to identify which of the physiological parameters in the energy budget model (rates of ingestion, maintenance, growth or reproduction) are primarily affected by pesticide applications, producing four hypotheses about how toxicity acts. We tested these hypotheses by comparing model outputs with published toxicity data on the effects of copper oxychloride and chlorpyrifos on E. fetida. Both growth and reproduction were directly affected in experiments in which sufficient food was provided, whilst maintenance was targeted under food limitation. Although we only incorporate toxic effects at the individual level we show how ABMs can readily extrapolate to larger scales by providing good model fits to field population data. The ability of the presented model to fit the available field and laboratory data for E. fetida demonstrates the promise of the agent-based approach in ecology, by showing how biological knowledge can be used to make ecological inferences. Further work is required to extend the approach to populations of more ecologically relevant species studied at the field scale. Such a model could help extrapolate from laboratory to field conditions and from one set of field conditions to another or from species to species.

ERA-Interim/Land: a global land surface reanalysis data set

ERA-Interim/Land is a global land surface reanalysis data set covering the period 1979–2010. It describes the evolution of soil moisture, soil temperature and snowpack. ERA-Interim/Land is the result of a single 32-year simulation with the latest ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) land surface model driven by meteorological forcing from the ERA-Interim atmospheric reanalysis and precipitation adjustments based on monthly GPCP v2.1 (Global Precipitation Climatology Project). The horizontal resolution is about 80 km and the time frequency is 3-hourly. ERA-Interim/Land includes a number of parameterization improvements in the land surface scheme with respect to the original ERA-Interim data set, which makes it more suitable for climate studies involving land water resources. The quality of ERA-Interim/Land is assessed by comparing with ground-based and remote sensing observations. In particular, estimates of soil moisture, snow depth, surface albedo, turbulent latent and sensible fluxes, and river discharges are verified against a large number of site measurements. ERA-Interim/Land provides a global integrated and coherent estimate of soil moisture and snow water equivalent, which can also be used for the initialization of numerical weather prediction and climate models.

Improved seasonal prediction of the hot summer of 2003 over Europe through better representation of uncertainty in the land surface

Methods to explicitly represent uncertainties in weather and climate models have been developed and refined over the past decade, and have reduced biases and improved forecast skill when implemented in the atmospheric component of models. These methods have not yet been applied to the land surface component of models. Since the land surface is strongly coupled to the atmospheric state at certain times and in certain places (such as the European summer of 2003), improvements in the representation of land surface uncertainty may potentially lead to improvements in atmospheric forecasts for such events. Here we analyse seasonal retrospective forecasts for 1981–2012 performed with the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts’ (ECMWF) coupled ensemble forecast model. We consider two methods of incorporating uncertainty into the land surface model (H-TESSEL): stochastic perturbation of tendencies, and static perturbation of key soil parameters. We find that the perturbed parameter approach considerably improves the forecast of extreme air temperature for summer 2003, through better representation of negative soil moisture anomalies and upward sensible heat flux. Averaged across all the reforecasts the perturbed parameter experiment shows relatively little impact on the mean bias, suggesting perturbations of at least this magnitude can be applied to the land surface without any degradation of model climate. There is also little impact on skill averaged across all reforecasts and some evidence of overdispersion for soil moisture. The stochastic tendency experiments show a large overdispersion for the soil temperature fields, indicating that the perturbation here is too strong. There is also some indication that the forecast of the 2003 warm event is improved for the stochastic experiments, however the improvement is not as large as observed for the perturbed parameter experiment.

Efeitos da solarização do solo através de plástico transparente sobre o desenvolvimento da tiririca (Cyperus rotundus)

Um ensaio foi conduzido em condições de campo, durante o verão, com o objetivo de avaliar o potencial da técnica de solarização do solo no controle da tiririca (Cyperus rotundus L.). O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados com três repetições, e os tratamentos num esquema fatorial 2 x 2 x 3, sendo duas situações de cobertura (com e sem plástico transparente de 300 mm de espessura), dois estádios de desenvolvimento da planta daninha (vegetativo e florescimento) e três períodos de cobertura com plástico (15, 30 e 60 dias). A temperatura do solo sob solarização teve um aumento médio de 4,3oC em relação à testemunha, atingindo valores superiores a 50oC em determinados horários. Observou-se, também, um acúmulo da ordem de 400 % nos teores de CO2 na atmosfera do solo solarizado. Nessas condições houve inibição da brotação dos tubérculos e diminuição no peso de matéria seca de todas as partes estudadas da planta. Houve redução da taxa de multiplicação dos tubérculos, reduzindo-a de 1:11 para 1:4, quando coberta no estádio vegetativo e para 1:9 quando a cobertura se realizou no estádio de florescimento. Houve, ainda diminuição na ordem de 20% na viabilidade dos tubérculos remanescentes.

Sensibilidade de Metarhizium anisopliae à temperatura e umidade em três tipos de solos

Este trabalho teve como objetivo investigar o efeito da temperatura e do teor de umidade do solo na sobrevivência de Metarhizium anisopliae (Metsch.) Sorok. em três tipos de solos. Foram utilizados o Latossolo Vermelho textura argilosa, Latossolo Vermelho textura média e Argissolo Vermelho Amarelo textura arenosa média. As temperaturas empregadas foram 21,5; 26,8 e 31,5°C, e os teores de umidade foram 35, 65 e 100% de saturação. A sobrevivência do fungo foi avaliada após zero, 20, 40, 60, 80, 100 e 120 dias de incubação em cada temperatura estudada. Na análise do efeito do teor de umidade, a sobrevivência foi avaliada após zero, 14, 28, 42, 56, 70, 84, 98 e 112 dias de incubação à temperatura de 27,0±1,0°C. em ambos os ensaios, foi determinado o número de unidades formadores de colônias (UFC) em placa de Petri. Houve influência significativa da temperatura e do teor de umidade na sobrevivência do fungo. O maior crescimento e a maior sobrevivência ocorreram nas temperaturas de 21,5 e 26,8°C, enquanto que, no solo incubado a 31,5°C, o fungo cresceu pouco, e a população declinou rapidamente. No teor de 65% de umidade, houve rápido crescimento do fungo, mas no 112° dia foi observado um declínio da população nos três tipos de solos. Nos teores de 35 e 100% de umidade, o crescimento foi menor, mas obteve-se maior sobrevivência do fungo no solo.

Variabilidade espacial da emissão de CO2, da temperatura e umidade de um latossolo desprovido de vegetação sob diferentes lâminas de molhamento

The irrigation application is one of the most useful techniques in tropical environments, especially during dry seasons. In this study, CO2 efflux, temperature and soil moisture were studied in a field sampled with a grid having 48 points distributed in 35 x 25 m, under irrigation promoted by a sprinkler located at the center of the area, provoking different levels of water deposition, with maximum irrigation levels of 44.4 and 62.2 mm in points closer to the sprinkler. The results show that the emissions, temperature and moisture were strongly affected by the two irrigations events, having a total water level added of 106,6 mm for the points next to the sprinkler and zero for the most distant points from it. The maps of space variation of the variables, as well as the linear correlation between them, indicate that the emissions were positively related to the soil moisture and negative correlated to the soil temperature only after the irrigations events. The special variability models of soil CO2 emission changed from exponential to spherical after the irrigations events. Such results indicate that soil moisture is among possible controlling factors of the soil CO2 emission, because even with reductions in soil temperature provoked by the wetness, emissions increased strongly.

Temperatura do solo em função do preparo do solo e do manejo da cobertura de inverno

Com o objetivo de avaliar o efeito do preparo do solo e do manejo da cobertura de inverno (consórcio aveia-preta + nabo forrageiro) sobre a temperatura do solo, realizou-se um experimento em um Nitossolo em Botucatu-SP no outono/inverno de 2000. Utilizou-se um delineamento em blocos casualizados em esquema fatorial 3 x 3 (três preparos e três manejos). O preparo do solo constou de: preparo convencional, preparo conservacionista com escarificação e plantio direto, e o manejo da cobertura: consórcio dessecado, rolado e triturado. Foram avaliados a temperatura do solo (termopares) a 5 cm de profundidade, de hora em hora, aos 7, 14, 30, 45 e 60 dias após a emergência das plantas do consórcio; o teor de água do solo na profundidade de 10 cm, nas mesmas épocas; e a cobertura do solo (massa seca e índice de cobertura), imediatamente após aplicação dos tratamentos. O sistema plantio direto apresentou temperaturas do solo menores que as do preparo convencional, até o 14º dia após emergência (DAE) das plantas. A partir do 30° DAE das plantas, a temperatura não foi mais influenciada pelos tratamentos, devido à cobertura do consórcio e ocorrência de boa disponibilidade de água no solo. Os manejos da cobertura com rolo-faca, triturador e herbicida não influenciaram a temperatura do solo. A temperatura do solo não interferiu no crescimento e desenvolvimento das culturas de cobertura.

Production of iceberg lettuce using mulches

A utilização da cobertura do solo pode trazer inúmeros benefícios ao cultivo de alface. Este experimento teve como objetivo avaliar o efeito de tipos de coberturas de solo no cultivo de alface tipo americana cv. Lucy Brown. Os tratamentos foram: 1- canteiro sem cobertura e sem capina (testemunha), 2- canteiro sem cobertura, com capina quinzenal, 3- canteiro com cobertura de bagaço de cana de 2 cm de espessura, 4- canteiro com cobertura de plástico preto, 5- canteiro com cobertura de plástico dupla face (prateado/preto). Foram avaliados o ciclo das plantas no campo, a quantidade de clorofila nas folhas, a produção em peso individual de cabeça e a quantidade de nutrientes absorvidos nas folhas. A utilização de cobertura plástica do tipo dupla face proporcionou os maiores valores médios de produção. Foi também o tratamento em que foram obtidos os maiores valores para quantidade de clorofila, nitrogênio, fósforo, enxofre, boro e ferro acumulado nas folhas.

Modificações químicas em solo solarizado, com e sem incorporação de resíduos orgânicos

The soil solarization is used in small properties as an alternative for control of phytopathogens and weeds, besides it also can affect the availability of some nutrients and phytotoxic elements in the soil. Thus, one experiment was carried out as a three-factor factorial (solarized and not solarized soil x with and without addition of vegetable residue x four collection times) for evaluation of variations of pH, organic matter, phosphorus, total nitrogen, potassium, calcium, magnesium and aluminum in a soil characterized as Distrofic Red Latosoil, in Botucatu county (SP). The incorporated vegetable residue was constituted of crop remains of kale (Brassica oleraceae var. acephala L.) fresh and triturated. Soil samples of each treatment were collected from zero to Urn of depth, at 7, 21, 35, and 49 days after solarization treatment, from January to March of 2001. Soil chemical analyses were done as well as the soil temperature were monitored on the treatments. The solarized soil with kale organic residues addition treatment presented higher values of pH, organic matter, total nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium and minor values of aluminum.

Carbon dioxide efflux in a rhodic hapludox as affected by tillage systems in southern Brazil

Os solos agrícolas podem atuar como dreno ou fonte de C atmosférico, dependendo do sistema de manejo adotado. Este estudo foi desenvolvido em experimento de longa duração (22 anos), durante o período de 30 dias do outono, com o objetivo de avaliar o impacto de sistemas de preparo de solo (preparo convencional-PC e plantio direto-PD) nas emissões de C-CO2 de um Latossolo Vermelho distrófico, em Cruz Alta, RS. As emissões de C-CO2 do solo foram avaliadas com câmaras dinâmica (Flux Chamber 6400-09, Licor) e estática (com captação em solução alcalina), imediatamente após a colheita da soja. A temperatura e a umidade do solo foram registradas, concomitantemente com as emissões de C-CO2, por meio de sensor de temperatura e TDR manual, respectivamente, integrantes do Licor-6400. Estimou-se que, em 30 dias, uma quantidade equivalente a menos de 30 % do C aportado pelos resíduos de soja foi emitida na forma de C-CO2. As emissões de C-CO2 no solo em PD foram similares às emissões do solo em PC, independentemente do tipo de câmara utilizada. Diferenças entre sistemas de preparo quanto à emissão de C-CO2, avaliadas com a câmara dinâmica, foram verificadas somente a curto prazo (leituras diárias), com o PD apresentando maiores emissões do que o PC no início do período experimental e menores no final. A câmara dinâmica foi mais eficiente do que a estática em captar as alterações das emissões de C-CO2 em função da variação da temperatura e a porosidade preenchida por água (PPA) no solo em PD, as quais explicaram 83 e 62 % das emissões de C-CO2, respectivamente. O fator Q10, que avalia a sensibilidade da emissão de C-CO2 à temperatura do solo, foi estimado em 3,93, indicando alta sensibilidade da atividade microbiana à temperatura do solo durante o outono. As emissões de C-CO2 registradas no solo em PD com a câmara estática foram correlacionadas às da câmara dinâmica, porém com valores subestimados em relação àquela notadamente nos maiores valores de fluxo. em condições de baixa temperatura e PPA, o preparo de solo induziu limitado incremento de emissão de C-CO2.

Índice de previsão de produção de leite para vacas Jersey

No Brasil, o uso de vários modelos de criação intensiva e semi-extensiva desfavorece a adoção generalizada de métodos de manejo do gado bovino, principalmente do gado leiteiro. Mesmo assim, a produção leiteira pode ser melhorada a partir do uso de tecnologias que possam garantir o manejo adequado do rebanho. O objetivo deste trabalho foi desenvolver um índice de previsão de produção de leite para vacas Jersey em lactação, de genética de alta produtividade, em regime semi-estabulado, nas condições tropicais. Para a obtenção do índice, consideraram-se a temperatura e a umidade relativa do ambiente e a velocidade do ar, assim como valores de precipitação pluviométrica, temperatura do solo do pasto e a radiação solar como agentes estressores, os quais podem alterar a produção de leite. O experimento considerou dois tratamentos: A - as vacas permaneceram em sala de espera guarnecida com chuveiro e ventiladores, por um período 30 min antes da ordenha; B - as vacas não tiveram acesso a essa sala de espera (controle). Fora do período de ordenha, as vacas tiveram acesso ao pasto. Observou-se que as diferenças de médias de produção entre os tratamentos não foram estatisticamente significativas. Foram procedidas as análises para efeito de elaboração do modelo e chegou-se a um modelo factível, considerando a relação entre produção e a precipitação, assim como a temperatura máxima do solo do pasto.

Variabilidade espacial da emissão de CO2 em Latossolos sob cultivo de cana-de-açúcar em diferentes sistemas de manejo

Neste trabalho, foi determinada a estrutura da variabilidade espacial da emissão de CO2, temperatura e umidade de solos desprovidos de vegetação em duas localidades sob cultivo da cana-de-açúcar, em sistemas de manejos de cana crua e de cana queimada, no nordeste do Estado de São Paulo. A emissão de CO2 e a temperatura do solo foram registradas utilizando-se de câmara de fluxo portátil e sensor de temperatura do sistema LI-6400. A umidade foi avaliada utilizando sistema portátil TDR. A maior emissão foi observada no local sob manejo de cana queimada, com valor médio de 2,05 μmol m-2 s-1, porém a dependência espacial na emissão de CO2 foi encontrada somente na área sob manejo de cana crua. Os mapas de krigagem da emissão de CO2, temperatura e umidade do solo sob manejo de cana queimada mostraram correspondência à declividade do terreno, com as maiores emissões e temperaturas localizadas na parte mais alta, sendo as maiores umidades do solo encontradas na parte mais baixa do local estudado. Os resultados indicam correlação linear positiva da emissão de CO2 com a temperatura, e negativa com a umidade do solo somente no local com manejo de cana queimada, e não no sistema de cana crua, onde a presença de palhada certamente impede a ação direta da radiação solar e o escoamento de chuvas.