Soils and food security: challenges and opportunities

Soils most obviously contribute to food security in their essential role in crop and fodder production, so affecting the local availability of particular foods. They also have a direct influence on the ability to distribute food, the nutritional value of some foods and, in some societies, the access to certain foods through local processes of allocation and preferences. The inherent fertility of some soils is greater than that of others, so that crop yields vary greatly under semi-natural conditions. Husbandry practices, including the use of manures and fertilisers, have evolved to improve biological, chemical and physical components of soil fertility and thereby increase crop production. The challenge for the future is to sustain soil fertility in ways that increase the yield per unit area while simultaneously avoiding other detrimental environmental consequences. This will require increased effort to develop practices that use inputs such as nutrients, water and energy more efficiently. Opportunities to achieve this include adopting more effective ways to apply water and nutrients, adopting tillage practices that promote water infiltration and increase of organic matter, and breeding to improve the effectiveness of root systems in utilising soil-based resources.

Enhancement of buffer strips can improve provision of multiple ecosystem services

Farmland invertebrates play a pivotal role in the provision of ecosystem services, i.e. services that benefit humans. For example, bumblebees, solitary bees and honeybees, are crucial to the pollination of many of the world's crops and wildflowers, with over 70% of the world's major food crops dependent on the pollination services provided by these insects. The larvae of some butterfly species are considered to be pests; however, together with moth and sawfly larvae, they represent a key dietary component for many farmland birds. Spiders and ground beetles predate on crop pests including aphids, whilst soil macrofauna such as earthworms are vital for soil fertility services and nutrient recycling. Despite their importance, population declines of invertebrates have been observed during the last sixty years in the UK and NW Europe. For example, seven UK bumblebee species are in decline, and in the last 20 years, the species Bombus subterraneus (short-haired bumblebee) has become extinct, whilst there was a 54% decline in honeybee colony numbers in England from 1985 to 2005. Comparable trends have been documented for butterflies with a 23% decline in UK farmland species such as Anthocharis cardamines (orange tip) between 1990 and 2007. These declines have been widely attributed to the modern intensive arable management practices that have been developed to maximise crop yield. For example, loss and fragmentation of foraging and nesting habitats, including species-rich meadows and hedgerows, have been implicated in the decline of bees and butterflies. Increased use of herbicides and fertilisers has caused detrimental effects on many plant species with negative consequences for predatory invertebrates such as spiders and beetles which rely on plants for food and shelter.

Land use intensity and trees on farms in Malawi

Rapidly increasing population densities in Malawi have put a huge strain on the existing agricultural land and the surrounding woodland. Smallholder agriculture is the dominant economic activity of Malawi’s rural population and many farmers have been forced to cultivate marginal lands with less fertile soils, making conditions much more difficult to grow crops. Natural woodland is under increasing pressure from the opening of new lands for cultivation and the increased demand for firewood, timber and other woody resources, with rural households historically obtaining most of their complementary inputs and saleable commodities from nearby areas of forest (Arnold, 1997a). Despite this increasing pressure, woodlands are not being cleared indiscriminately; selected indigenous species are left standing in fields and around households. These are joined by exotic species that are planted and maintained. These trees provide products and services that are vital, yielding food, firewood, building materials and medicine, replenishing soil fertility and protecting against soil erosion. Following a Boserupian approach, this study attempts to establish the reality of a trajectory of enhanced on-farm tree planting and management as population pressure mounts and as part of a more general process of agricultural intensification. The study examines the combination of factors (social, economic, political and environmental) that either stimulate or discourage on-farm tree planting on smallholdings in Malawi, highlighting how woodland resource use changes over a gradient of land use intensity. This study gives a detailed insight into the way that tree planting and management in the smallholder farming system in Malawi works and identifies a trend of increased tree planting/management alongside an increase in agricultural intensification. However, there is no single ‘path’ of intensification; the link between agricultural change and tree planting is complex and there are many trajectories of intensification that a farmer may follow, dependent on his/her social or economic circumstances. The study recommends that agroforestry interventions give rigorous consideration to the needs of the local community, and the suitability of trees to address those needs, before embarking on programmes that advocate tree planting and management as a panacea.

Engineering a plant community to deliver multiple ecosystem services

The sustainable delivery of multiple ecosystem services requires the management of functionally diverse biological communities. In an agricultural context, an emphasis on food production has often led to a loss of biodiversity to the detriment of other ecosystem services such as the maintenance of soil health and pest regulation. In scenarios where multiple species can be grown together, it may be possible to better balance environmental and agronomic services through the targeted selection of companion species. We used the case study of legume-based cover crops to engineer a plant community that delivered the optimal balance of six ecosystem services: early productivity, regrowth following mowing, weed suppression, support of invertebrates, soil fertility building (measured as yield of following crop), and conservation of nutrients in the soil. An experimental species pool of 12 cultivated legume species was screened for a range of functional traits and ecosystem services at five sites across a geographical gradient in the United Kingdom. All possible species combinations were then analyzed, using a process-based model of plant competition, to identify the community that delivered the best balance of services at each site. In our system, low to intermediate levels of species richness (one to four species) that exploited functional contrasts in growth habit and phenology were identified as being optimal. The optimal solution was determined largely by the number of species and functional diversity represented by the starting species pool, emphasizing the importance of the initial selection of species for the screening experiments. The approach of using relationships between functional traits and ecosystem services to design multifunctional biological communities has the potential to inform the design of agricultural systems that better balance agronomic and environmental services and meet the current objective of European agricultural policy to maintain viable food production in the context of the sustainable management of natural resources.

Global change pressures on soils from land use and management

Soils are subject to varying degrees of direct or indirect human disturbance, constituting a major global change driver. Factoring out natural from direct and indirect human influence is not always straightforward, but some human activities have clear impacts. These include land use change, land management, and land degradation (erosion, compaction, sealing and salinization). The intensity of land use also exerts a great impact on soils, and soils are also subject to indirect impacts arising from human activity, such as acid deposition (sulphur and nitrogen) and heavy metal pollution. In this critical review, we report the state-of-the-art understanding of these global change pressures on soils, identify knowledge gaps and research challenges, and highlight actions and policies to minimise adverse environmental impacts arising from these global change drivers. Soils are central to considerations of what constitutes sustainable intensification. Therefore, ensuring that vulnerable and high environmental value soils are considered when protecting important habitats and ecosystems, will help to reduce the pressure on land from global change drivers. To ensure that soils are protected as part of wider environmental efforts, a global soil resilience programme should be considered, to monitor, recover or sustain soil fertility and function, and to enhance the ecosystem services provided by soils. Soils cannot, and should not, be considered in isolation of the ecosystems that they underpin and vice versa. The role of soils in supporting ecosystems and natural capital needs greater recognition. The lasting legacy of the International Year of Soils in 2015 should be to put soils at the centre of policy supporting environmental protection and sustainable development.

An assessment of the effects of climate change on horticulture

Horticulture may be defined as the intensive cultivation and harvesting of plants for financial, environmental and social profit. Evidence for the occurrence of climate change more generally and reasons why this process is happening with such rapidity are discussed. These changes are then considered in terms of the effects which might alter the options for worldwide intensive horticultural cultivation of plants and its interactions with other organisms. Potentially changing climates will have considerable impact upon horticultural processes and productivity across the globe . Climate change will alter the growth patterns and capabilities for flowering and fruiting of many perennial and annual horticultural plants. In some regions perennial fruit crops are likely to experience substantial difficulties because of altered seasonal conditions affecting dormancy, acclimation and subsequent flowering and fruiting. Elsewhere these crops may benefit from the effects of climate change as a result of reduced cold damage and increased length of the growing season. There will be considerable effects for aerial and edaphic microbes invertebrate and vertebrate animals which have benign and pathogenic interactions with horticultural plants. Microbial activity and as a consequence soil fertility may alter. New pests and pathogens may become prevalent and damaging in areas where the climate previously excluded their activity. Vital resources such as water and nutrients may become scarce in some regions reducing opportunities for growing horticultural crops. Wind and windiness are significant factors governing the success of horticultural plants and the scale of their impacts may change as climate alters. Damaging winds could limit crop growing in areas where previously it flourished. Forms of macro- and micro-landscaping will change as the spectrum of plants which can be cultivated alters and the availability of resources and their cost changes driven by scarcities brought about by climate change. The horticultural economy of India as it may be affected by climate change is described as an individual example in a detailed study.

Characterization by Fluorescence of Organic Matter from Oxisols under Sewage Sludge Applications

Sewage sludge from wastewater treatment contains organic matter and plant nutrients that can play an important role in agricultural production and the maintenance of soil fertility, The present study has aimed to evaluate the degree of humification following sewage sludge application of soil organic matter by laser-induced fluorescence and humic acids using ultraviolet-visible fluorescence, and including comparison with Fourier-transform infrared spectroscopy and elemental analysis. Sewage sludge applications to the soil caused a decrease in the degree of humification of the soil organic matter and humic acids for both a Typic Eutrorthox (clayey) soil and a Typic Haplorthox (sandy) soil of around 14 and 27%, respectively. This effect is probably clue to incorporation of newly formed humic substances from the sewage sludge into the characteristics of less humified material, and to the indigenous soil humic substances. The minor alterations observed in the clay soil probably occurred due to both the greater mineral association, which better stabilized the indigenous soil organic matter, and the higher microbial activity in this soil, which accelerated sewage sludge mineralization. Sewage sludge applications increased the C content for the clay and sandy soils by 7.4 and 15.4 g kg(-1), respectively, suggesting a positive effect on these two soils.

Mapeamento das formas do relevo para estimativa de custos de fertilização em cana-de-açúcar

A modelagem matemática associada ao conhecimento da variabilidade dos atributos do solo e mapeamento das formas do relevo pode auxiliar no manejo da fertilidade do solo em usinas sucroalcooleiras. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o uso da geoestatística e da modelagem matemática na estimativa de custos de fertilização, em diferentes formas do relevo. em uma área de 200 ha, foram identificadas duas formas de relevo, uma côncava e outra convexa, sendo os solos coletados nos pontos de cruzamento de uma malha, com intervalos regulares de 50 m, perfazendo um total de 623 pontos. As amostras foram submetidas a análises químicas, e, posteriormente, os dados foram avaliados por meio da estatística descritiva, geoestatística e modelagem matemática. Os resultados mostraram que, quando as formas do relevo são incorporadas às análises geoestatística e de modelagem matemática, ocorre aumento na eficiência de aplicação do calcário, fósforo e potássio no solo.

Alterações nos atributos de fertilidade em solo adubado com composto de lixo urbano

O composto de lixo urbano é um adubo orgânico que vem sendo, com bastante freqüência, utilizado em áreas de produção de hortaliças. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da aplicação do composto de lixo urbano na fertilidade do solo, na produção de alface e no acúmulo de nutrientes nas plantas. O experimento foi realizado em casa de vegetação, em colunas de PVC, em delineamento em blocos ao acaso, com cinco tratamentos, doses de 0; 30; 60; 90 e 120 t ha-1 de composto de lixo urbano e oito repetições. As colunas receberam solo das profundidades de 0-20 (tratado com composto de lixo), 20-40 e 40-60 cm de um Argissolo, textura média, e uma muda de alface. Ao final do cultivo, colunas de quatro repetições de cada tratamento foram desmontadas e, nas demais colunas, fez-se um segundo cultivo de alface. A incorporação de composto de lixo urbano na profundidade de 0-20 cm melhorou a fertilidade do solo da própria camada em que foi aplicado e da camada de 20-40 cm, mas não alterou as características da camada de 40-60 cm. A adubação com composto de lixo urbano propiciou aumento do pH e dos teores de MO, P, K, Ca e Mg do solo, na camada de 0-20 cm, e de pH e Ca, na profundidade de 20-40 cm. A melhora da fertilidade do solo com a aplicação de composto de lixo urbano acarretou aumento de produção de alface e provocou maior acúmulo de P, K e Ca nas plantas.

Uso da krigagem indicatriz na avaliação de indicadores de fertilidade do solo

Este trabalho teve como objetivo identificar zonas diferenciadas de manejo por meio de indicadores de fertilidade em Latossolos cultivados com cana-de-açúcar, utilizando-se a técnica de krigagem indicatriz, com vistas em buscar um aprimoramento na utilização de técnicas de agricultura de precisão. O estudo foi realizado em uma área de 90 ha pertencente a uma área maior de 1.900 ha, localizada em Jaboticabal, Estado de São Paulo, Brasil (21 ° 15 ' S e 48 ° 18 ' W). Na área experimental, foi estabelecida uma malha de amostragem regular de 50 m, com 420 pontos. em cada ponto, coletou-se uma amostra de solo, na qual foram determinados os teores de matéria orgânica, P, K disponíveis e o valor de V. Os dados obtidos para estas características do solo, assim como as combinações entre elas, foram codificados em valores indicadores 0 ou 1, conforme as variáveis apresentassem valores acima ou abaixo do valor de corte estabelecido, escolhido para cada variável, respectivamente. Os resultados propiciaram a confecção de mapas de probabilidade de cada variável (individual e combinada), o que possibilitou identificar regiões com diferentes níveis de fertilidade do solo na área experimental.

Culturas de cobertura e sua influência na fertilidade do solo sob sistema de plantio direto (SPD)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Resposta de feijão-vagem a diferentes níveis de fertilidade

Estudou-se a resposta de feijão-vagem de crescimento indeterminado à fertilidade do solo em Anápolis (GO). Utilizaram-se sete linhagens (Hav 13, Hav 38, Hav 40, Hav 49, Hav 56, Hav 64 e Hav 68), e as cultivares Favorito Ag 480, Macarrão Bragança e Teresópolis Ag 484, em sete doses da formulação 4-30-16 aplicadas ao solo (D0= 0; D1=200; D(2)400; D3=600; D4=800; D5=1000 e D6=1200 kg/ha). Houve diferenças significativas entre genótipos para todas características avaliadas, dentro de cada dose do formulado, exceto para produtividade, no quinto nível, e para altura média das plantas no nível mais elevado de fertilidade. As linhagens Hav 49 e Hav 64 igualaram-se aos genótipos de maiores rendimentos em todos os ambientes. O nível médio de fertilidade foi o mais conveniente, do ponto de vista econômico, para todas as características consideradas. Com exceção de Hav 13 e Teresópolis Ag 484, que se mostraram imprevisíveis quanto à produtividade, Hav 13 e Hav 64, quanto ao número de vagens por planta e Favorito Ag 480 quanto à altura média das plantas, os demais genótipos foram estáveis. Todos os genótipos responderam proporcionalmente à melhoria do ambiente para produtividade, número de vagens por planta e altura das plantas. Quanto ao peso médio das vagens a linhagem Hav 40 respondeu menos que proporcionalmente ao aumento da fertilidade do solo, mostrando-se adaptável a solos menos férteis, enquanto a cultivar Teresópolis Ag 484 respondeu mais que proporcionalmente à melhoria da fertilidade mostrando-se adaptável a solos mais férteis.

Florescimento em cana-de-açúcar

O florescimento da cana-de-açúcar é um processo fisiológico complexo formado por vários estádios de desenvolvimento, e cada estádio tem a sua própria necessidade ambiental e fisiológica. Os fatores externos relacionados com o florescimento são: fotoperíodo, temperatura, umidade e radiação solar, além da fertilidade do solo. Por outro lado, os fatores internos envolvem fitocromo, hormônios, florígeno, ácidos nucleicos, dentre outros. A intensidade do processo de florescimento e as consequências na qualidade da cana-de-açúcar variam com a variedade e com o clima. A redução do volume de caldo é o principal fator no qual o florescimento interfere, resultante do aumento do teor de fibras. Como as demais Poaceae, a cana-de-açúcar floresce, frutifica e morre, garantindo a perpetuação da espécie. Dessa forma, o homem procura interferir na natureza tentando evitar o florescimento da cana-de-açúcar, seja por meio de melhoramento genético ou por meio de reguladores vegetais. em áreas comerciais de produção de cana-de-açúcar, onde há condições ideais para o florescimento da cultura, é recomendado o uso de variedade com potencial menos florífero. E, quando não é possível esse manejo varietal, o uso de inibidores do florescimento é a melhor alternativa para evitar mais perdas no conteúdo de sacarose.

Biomassa e atividades microbianas em solo sob pastagem com diferentes lotações de ovinos

Os efeitos da lotação de animais na produção de ovinos têm sido bastante estudados. No entanto, informações sobre seus efeitos na biomassa e nas atividades microbianas e, em conseqüência, na fertilidade do solo de pastagens são escassas. Neste trabalho, os efeitos da lotação de ovinos (LO) na biomassa e nas atividades microbianas responsáveis pela transformação dos compostos do C e N em solo de clima subtropical foram avaliados. As amostras de solo foram coletadas nas camadas de 0-10 e 10-20 cm de pastos com baixa LO (5 animais ha-1), alta LO (40-50 animais ha-1) e com ausência de animais, em um delineamento inteiramente casualizado em parcelas subdivididas, com seis repetições. Os maiores valores de biomassa microbiana e das atividades respiratória, nitrificante e enzimática (urease e protease) foram encontrados nos solos dos pastos com baixa LO. Estes pastos também acumularam as maiores quantidades de matéria orgânica e N total. Essas variáveis foram reduzidas nos pastos sem animais ou com alta LO. Vegetação descontínua e intensa mineralização podem ter acarretado a diminuição dessas variáveis nos pastos com alta LO. Alta correlação foi obtida entre matéria orgânica, C orgânico e N total com as quantidades de biomassa microbiana e a atividade enzimática. A camada de 0-10 cm apresentou valores maiores das variáveis estudadas do que os encontrados na camada de 10-20 cm.

Acidez do solo e calagem em pomares de frutíferas tropicais

A produtividade agrícola nos trópicos é afetada, principalmente, pelos fatores ligados à acidez do solo (pH, saturação por bases, acidez potencial, disponibilidade de nutrientes). A calagem é uma prática bem conhecida para corrigir a acidez do solo em culturas anuais, ainda que não seja praticada com a regularidade necessária. Entretanto, em culturas perenes, a incorporação de corretivos é mais complexa, devido às características desse grupo de plantas e à carência de informações científicas sobre o assunto. em condições de acidez, a calagem promove a neutralização do Al3+, a elevação do pH e o fornecimento de Ca e Mg, possibilitando a proliferação de raízes, com reflexos positivos no crescimento da parte aérea das plantas. Contudo, devido à baixa solubilidade e à lenta movimentação do calcário ao longo do perfil do solo, há obrigatoriedade de se fazer distribuição uniforme e incorporação profunda, antecedendo a implantação do pomar, a fim de garantir o eficiente aproveitamento de água e de nutrientes contidos nessas camadas. A calagem deve ser considerada um investimento, pois seus benefícios perduram além de um ano ou de uma safra agrícola. Isso se deve ao efeito residual dos corretivos de acidez do solo, sendo o tempo de duração desse efeito dependente de vários fatores, entre os quais: condições edafoclimáticas, cultura, manejo da área e tipo de corretivo empregado. em geral, partículas maiores de calcário têm efeito residual mais prolongado, sendo empregadas na implantação dos pomares. No entanto, a relação entre o tamanho da partícula e o efeito residual tem sido pouco pesquisada, devido à necessidade de estudos de longa duração. em função das elevadas doses de adubos nitrogenados utilizadas nos pomares de altos rendimentos, a acidez do solo aumenta, como resultado do processo de nitrificação. em pomares já implantados, o procedimento atualmente utilizado pelos produtores é a incorporação superficial do calcário na área. As recomendações talvez fossem outras, caso houvesse maior subsídio da pesquisa, tendo em vista os diversos problemas fitossanitários que podem ocorrer, direta ou indiretamente da prática da incorporação do corretivo, tais como redução do sistema radicular, ferimento das raízes e consequente risco de infecções, com disseminação de pragas e doenças no pomar. O objetivo desta revisão é apresentar os principais resultados de pesquisas sobre o assunto, mostrando os efeitos da calagem sobre a fertilidade do solo, a nutrição e a produtividade de frutíferas de grande importância econômica para o Brasil, bem como discutir a duração do efeito residual dos corretivos e a dose mais ecônomica a ser aplicada nos pomares de frutas em implantação e em produção.