High-throughput Phenotyping of Wheat Seminal Root Traits in a Breeding Context

Water availability is a major limiting factor for wheat (Triticum aestivum L.) in rain-fed agricultural systems worldwide. Root architecture has important functional implications for the timing and extent of soil water extraction, yet selection for root traits in wheat breeding programs has been largely limited due to the lack of suitable phenotyping methods. The aim of this research was to develop a low-cost high-throughput phenotyping method to facilitate selection for desirable root traits. We developed a method to assess ‘seminal root angle’ and ‘seminal root number’ in seedlings – two proxy traits associated to root architecture of mature wheat plants (1). The method involves measuring the angle between the first pair of seminal roots and the number of roots of wheat seedlings grown in transparent pots (Figure 1). Images captured at 5 to 10 days after sowing are analyzed to calculate seminal root angle and number. Performing this technique under “speed breeding” conditions (plants grown at a density of 600 plants / m2, under controlled temperature and constant light) allows the selection based on the desired root traits of up to 5 consecutive generations within 12 months. Alternatively, when focusing only on germplasm screening, up to 52 successive phenotypic assays can be conducted within 12 months. This approach has been shown to be highly reproducible, it requires little resource (time, space, and labour) and can be used to rapidly enrich breeding populations with desirable alleles for narrow root angle and a high number of seminal roots to indirectly target the selection of deeper root system with higher branching at depth. Such root characteristics are highly desirable in wheat to cope with the climate model projections, especially in summer rainfall dominant regions including some Australian, Indian, South American and African cropping regions, where winter crops mainly rely on deep stored water.

Albedo enhancement over land to counteract global warming: impacts on hydrological cycle

A recent modelling study has shown that precipitation and runoff over land would increase when the reflectivity of marine clouds is increased to counter global warming. This implies that large scale albedo enhancement over land could lead to a decrease in runoff over land. In this study, we perform simulations using NCAR CAM3.1 that have implications for Solar Radiation Management geoengineering schemes that increase the albedo over land. We find that an increase in reflectivity over land that mitigates the global mean warming from a doubling of CO2 leads to a large residual warming in the southern hemisphere and cooling in the northern hemisphere since most of the land is located in northern hemisphere. Precipitation and runoff over land decrease by 13.4 and 22.3%, respectively, because of a large residual sinking motion over land triggered by albedo enhancement over land. Soil water content also declines when albedo over land is enhanced. The simulated magnitude of hydrological changes over land are much larger when compared to changes over oceans in the recent marine cloud albedo enhancement study since the radiative forcing over land needed (-8.2 W m(-2)) to counter global mean radiative forcing from a doubling of CO2 (3.3 W m(-2)) is approximately twice the forcing needed over the oceans (-4.2 W m(-2)). Our results imply that albedo enhancement over oceans produce climates closer to the unperturbed climate state than do albedo changes on land when the consequences on land hydrology are considered. Our study also has important implications for any intentional or unintentional large scale changes in land surface albedo such as deforestation/afforestation/reforestation, air pollution, and desert and urban albedo modification.

Trends and Variability of AVHRR-Derived NPP in India

In this paper, we estimate the trends and variability in Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)-derived terrestrial net primary productivity (NPP) over India for the period 1982-2006. We find an increasing trend of 3.9% per decade (r = 0.78, R-2 = 0.61) during the analysis period. A multivariate linear regression of NPP with temperature, precipitation, atmospheric CO2 concentration, soil water and surface solar radiation (r = 0.80, R-2 = 0.65) indicates that the increasing trend is partly driven by increasing atmospheric CO2 concentration and the consequent CO2 fertilization of the ecosystems. However, human interventions may have also played a key role in the NPP increase: non-forest NPP growth is largely driven by increases in irrigated area and fertilizer use, while forest NPP is influenced by plantation and forest conservation programs. A similar multivariate regression of interannual NPP anomalies with temperature, precipitation, soil water, solar radiation and CO2 anomalies suggests that the interannual variability in NPP is primarily driven by precipitation and temperature variability. Mean seasonal NPP is largest during post-monsoon and lowest during the pre-monsoon period, thereby indicating the importance of soil moisture for vegetation productivity.

Hydro-mechanical characterization of Barmer 1 bentonite from Rajasthan, India

The conceptual model for deep geological disposal of high level nuclear waste (HLW) is based on multiple barrier system consisting of natural and engineered barriers. Buffer/backfill material is regarded as the most important engineered barrier in HLW repositories. Due to large swelling ability, cation adsorption capacity, and low permeability bentonite is considered as suitable buffer material in HLW repositories. Japan has identified Kunigel VI bentonite, South Korea - Kyungju bentonite, China - GMZ bentonite, Belgium - FoCa clay, Sweden - MX-80 bentonite, Spain - FEBEX bentonite and Canada - Avonseal bentonite as candidate bentonite buffer for deep geological repository program. An earlier study on Indian bentonites by one of the authors suggested that bentonite from Barmer district of Rajasthan (termed Barmer 1 bentonite), India is suited for use as buffer material in deep geological repositories. However, the hydro-mechanical properties of the Barmer 1 bentonite are unavailable. This paper characterizes Barmer 1 bentonite for hydro-mechanical properties, such as, swell pressure, saturated permeability, soil water characteristic curve (SWCC) and unconfined compression strength at different dry densities. The properties of Barmer 1 bentonite were compared with bentonite buffers reported in literature and equations for designing swell pressure and saturated permeability coefficient of bentonite buffers were arrived at. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hydrological importance of sacred forest fragments in Central Western Ghats of India

Sacred groves are patches of forests of special spiritual significance to humans, offering also a diverse range of ecological and environmental services. We have attempted here to understand the local hydrological dynamics of a sacred forest, in terms of the benefits the village community derive, in central Western Ghats region of India. A comparative assessment has been made between two small watersheds in terms of their landscape structure (woody species composition) with soil water properties and availability of water in the respective downstream villages. The result shows that, sacred site with more primeval vegetation has close association with soil moisture in comparison to non-sacred site during dry spell of the year. The higher soil moisture ensures year long availability of water in the downstream village of the sacred site which facilitates farming of commercial crops with higher economic returns to the farmers, unlike the farmers in the other village where they face water crisis during the lean season. The study emphasizes the need for conservation endeavour on sacred groves highlighting its potential for water conservation at local and regional levels.

Macropores generated during shrinkage in two paddy soils using X-ray micro-computed tomography

Soil shrinkage curve represents a decrease of total porosity or an increase of bulk density with water loss. However, our knowledge of the dynamics of pores and their geometry during soil shrinkage is scarce, partially due to lack of reliable methods for determining soil pores in relation to change in soil water. This study aimed to investigate the dynamics of macropores (>30 mu m) of paddy soils during shrinkage. Two, paddy soils, which were sampled from one paddy field cultivated for 20 years (YPF) and the other one for over 100 years (OPF), represented difference in crack geometry in the field. Macropore parameters (volume, connectivity, and orientation of pores) and soil shrinkage parameters were determined on the same undisturbed soil cores by X-ray microtomography and shrinkage curve, respectively. Macroporosity was on average four times larger in the YPF than in the OPF whereas the shrinkage capacity was lower in the YPF as compared to the OPF (0.09 vs. 0.15 COLE). Soil shrinkage increased the volume of pores by 3.7% in the YPF and by 1.6% in the OPF as well as their connectivity. The formation of macropores occurred mostly in the proportional shrinkage phase. As a result, the slope of the proportional shrinkage phase was smaller in the YPF (0.65) than in the OPF (0.89). New macropores were cracks and extended pre-existing pores in the range of 225-1215 pm size without any preferential orientation. This work provides image evidences that in paddy soils with high shrinkage capacity more macropores are generated in the soil presenting a smaller proportional shrinkage slope. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nutrient dynamics of seasonal tanks in the dry zone of Sri Lanka in relation to their hydrological regimes

Village tanks are put to a wide range of uses by the rural communities that depend on them for their survival. As the primacy of irrigation has decreased under these tanks due to a variety of climatic and economic reasons there is a need to reevaluate their use for other productive functions. The research presented in this paper is part of a programme investigating the potential to improve the management of living aquatic resources in order to bring benefits to the most marginal groups identified in upper watershed areas. Based on an improved typology of seasonal tanks, the seasonal changes and dynamics of various water quality parameters indicative of nutrient status and fisheries carrying capacity are compared over a period of one year. Indicators of Net (Primary) Productivity (NP): Rates of Dissolved Oxygen (DO) change, Total Suspended Solids (TSS): Total Suspended Volatile solids (TVSS) ratios are the parameters of principle interest. Based on these results a comparative analysis is made on two classes of ‘seasonal’ and ‘semi-seasonal’ tanks. Results indicate a broad correlation in each of these parameters with seasonal trends in tank hydrology. Highest productivity levels are associated with periods of declining water storage, whilst the lowest levels are associated with the periods of maximum water storage shortly after the NW monsoon. This variation is primarily attributed to dilution effects associated with depth and storage area. During the yala period, encroachment of the surface layer by several species of aquatic macrophyte also has progressively negative impacts on productivity. The most seasonal tanks show wider extremes in seasonal nutrient dynamics, overall, with less favourable conditions than the ‘semi-seasonal’ tanks. Never the less all the tanks can be considered as being highly productive with NP levels comparable to fertilised pond systems for much of the year. This indicates that nutrient status is not likely to be amongst the most important constraints to enhancing fish production. Other potential management improvements based on these results are discussed. [PDF contains 19 pages]

A note on the shallow ponds on the gravel ridge of Epping Forest, Essex

In a recent study in Freshwater Forum on Speakman's Pond (also known as Nursery Pond) the impression was given that it had been a permanent water-filled pond which had recently dried out due to exceptionally low rainfall. In fact, Nursery Pond was created by the extraction of gravel and was never more than 50 cm deep, until the creation of trenches in 1989 to provide a refuge for aquatic life. The Nursery Pond followed a seasonal pattern of filling with winter rain and slowly drying out between 1940 to 1970. It had no established aquatic vegetation, no fish, and only rarely amphibians. Permanent water was present only from about 1979 until 1995 due to leakage from a Thames water storage reservoir.

Avaliação de proposições matemáticas para interpretação do comportamento de solos residuais não saturados

Nas últimas décadas, teorias têm sido formuladas para interpretar o comportamento de solos não saturados e estas têm se mostrado coerentes com resultados experimentais. Paralelamente, várias técnicas de campo e de laboratório têm sido desenvolvidas. No entanto, a determinação experimental dos parâmetros dos solos não saturados é cara, morosa, exige equipamentos especiais e técnicos experientes. Como resultado, essas teorias têm aplicação limitada a pesquisas acadêmicas e são pouco utilizados na prática da engenharia. Para superar este problema, vários pesquisadores propuseram equações para representar matematicamente o comportamento de solos não saturados. Estas proposições são baseadas em índices físicos, caracterização do solo, em ensaios convencionais ou simplesmente em ajustes de curvas. A relação entre a umidade e a sucção matricial, convencionalmente denominada curva característica de sucção do solo (SWCC) é também uma ferramenta útil na previsão do comportamento de engenharia de solos não saturados. Existem muitas equações para representar matematicamente a SWCC. Algumas são baseadas no pressuposto de que sua forma está diretamente relacionada com a distribuição dos poros e, portanto, com a granulometria. Nestas proposições, os parâmetros são calibrados pelo ajuste da curva de dados experimentais. Outros métodos supõem que a curva pode ser estimada diretamente a partir de propriedades físicas dos solos. Estas propostas são simples e conveniente para a utilização prática, mas são substancialmente incorretas, uma vez que ignoram a influência do teor de umidade, nível de tensões, estrutura do solo e mineralogia. Como resultado, a maioria tem sucesso limitado, dependendo do tipo de solo. Algumas tentativas têm sido feitas para prever a variação da resistência ao cisalhamento com relação a sucção matricial. Estes procedimentos usam, como uma ferramenta, direta ou indiretamente, a SWCC em conjunto com os parâmetros efetivos de resistência c e . Este trabalho discute a aplicabilidade de três equações para previsão da SWCC (Gardner, 1958; van Genuchten, 1980; Fredlund; Xing, 1994) para vinte e quatro amostras de solos residuais brasileiros. A adequação do uso da curva característica normalizada, proposta por Camapum de Carvalho e Leroueil (2004), também foi investigada. Os parâmetros dos modelos foram determinados por ajuste de curva, utilizando técnicas de problema inverso; dois métodos foram usados: algoritmo genético (AG) e Levenberq-Marquardt. Vários parâmetros que influênciam o comportamento da SWCC são discutidos. A relação entre a sucção matricial e resistência ao cisalhamento foi avaliada através de ajuste de curva utilizando as equações propostas por Öberg (1995); Sällfors (1997), Vanapalli et al., (1996), Vilar (2007); Futai (2002); oito resultados experimentais foram analisados. Os vários parâmetros que influênciam a forma da SWCC e a parcela não saturadas da resistência ao cisalhamento são discutidos.

Monitoramento microbiológico e físico-químico de tanques de armazenamento de óleo e água

A injeção da água do mar nos campos marítimos (offshore), processo este conhecido como recuperação secundária de petróleo, gera muitos resíduos e efluentes. Dentre estes, pode-se destacar a água produzida, que consiste de água de formação, água naturalmente presente na formação geológica do reservatório de petróleo, e água de injeção, aquela normalmente injetada no reservatório para aumento de produção. Sete tanques de armazenamento de água/óleo de um terminal foram monitorados quanto à presença de micro-organismos e teores de sulfato, sulfeto, pH e condutividade. Particularmente, as bactérias redutoras de sulfato (BRS), que agem às expensas da atividade de outras espécies, reduzindo sulfato à sulfeto, constituindo-se num problema-chave. Os tanques de óleo codificados como Verde, Ciano, Roxo, Cinza, Vermelho, Amarelo e Azul, apresentaram comportamentos distintos quanto aos parâmetros microbiológicos e físico-químicos. Após este monitoramento, de acordo com valores referência adotados, e levando-se em conta como principais parâmetros classificatórios concentrações de BRS, bactérias anaeróbias totais e sulfeto, os dois tanques considerados mais limpos do monitoramento foram os tanques roxo e ciano. Analogamente, por apresentarem os piores desempenhos frente aos três principais parâmetros, os tanques amarelo e cinza foram considerados os mais sujos de todo o monitoramento. Após esta segregação, esses três principais parâmetros, mais a concentração de sulfato, foram inter-relacionados a fim de se corroborar esta classificação. Foi possível observar que o sulfeto instantâneo não foi o parâmetro mais adequado para se avaliar o potencial metabólico de uma amostra. Por este motivo, foram verificados os perfis metabólicos das BRS presentes nas amostras, confirmando a segregação dos tanques, baseada em parâmetros em batelada

Fish and fisheries in the Sesan River Basin: catchment baseline, fisheries section

The present report was prepared for the Water and Food Challenge Program project “Optimizing the management of a cascade of reservoirs at the catchment level” (MK3). It constitutes the baseline assessment of fish and fisheries in the Sesan River Basin. The objective of the MK3 project is to contribute knowledge and recommendations so that cascades of reservoirs corresponding to hydropower dams in the Mekong Basin are managed in ways that are more fair and equitable for all water users. This project seeks to understand at the catchment scale the cumulative upstream and downstream consequences of management decisions taken for multiple reservoirs. Revised rules for water storage infrastructure management will in particular take into account fisheries and agricultural potential as well as hydropower gen

Monitoramento microbiológico e físico-químico de tanques de armazenamento de óleo e água

A injeção da água do mar nos campos marítimos (offshore), processo este conhecido como recuperação secundária de petróleo, gera muitos resíduos e efluentes. Dentre estes, pode-se destacar a água produzida, que consiste de água de formação, água naturalmente presente na formação geológica do reservatório de petróleo, e água de injeção, aquela normalmente injetada no reservatório para aumento de produção. Sete tanques de armazenamento de água/óleo de um terminal foram monitorados quanto à presença de micro-organismos e teores de sulfato, sulfeto, pH e condutividade. Particularmente, as bactérias redutoras de sulfato (BRS), que agem às expensas da atividade de outras espécies, reduzindo sulfato à sulfeto, constituindo-se num problema-chave. Os tanques de óleo codificados como Verde, Ciano, Roxo, Cinza, Vermelho, Amarelo e Azul, apresentaram comportamentos distintos quanto aos parâmetros microbiológicos e físico-químicos. Após este monitoramento, de acordo com valores referência adotados, e levando-se em conta como principais parâmetros classificatórios concentrações de BRS, bactérias anaeróbias totais e sulfeto, os dois tanques considerados mais limpos do monitoramento foram os tanques roxo e ciano. Analogamente, por apresentarem os piores desempenhos frente aos três principais parâmetros, os tanques amarelo e cinza foram considerados os mais sujos de todo o monitoramento. Após esta segregação, esses três principais parâmetros, mais a concentração de sulfato, foram inter-relacionados a fim de se corroborar esta classificação. Foi possível observar que o sulfeto instantâneo não foi o parâmetro mais adequado para se avaliar o potencial metabólico de uma amostra. Por este motivo, foram verificados os perfis metabólicos das BRS presentes nas amostras, confirmando a segregação dos tanques, baseada em parâmetros em batelada

Avaliação dos parâmetros de compressibilidade da camada de argila mole da Baixada de Jacarepaguá, após longo período de sobrecarga de aterro.

Foram realizados ensaios de adensamento, SIC e CRS, em amostras retiradas de um depósito argiloso muito mole, na Baixada de Jacarepaguá, 15 anos após a execução de um aterro. As amostras foram retiradas do mesmo local onde foram obtidas as amostras da primeira campanha, por ocasião do projeto. Os ensaios CRS, realizados com diferentes velocidades de deformação, são comparados aos resultados dos ensaios SIC da campanha atual de investigação. Os parâmetros geotécnicos da camada de argila muito mole, 15 anos após a construção do aterro, são comparados aos parâmetros da camada original. O aumento das tensões de sobreadensamento e redução do OCR são obtidos da interpretação dos ensaios atuais. A grandeza do recalque foi inferida a partir da nova estratigrafia, através da espessura atual da camada na região investigada, pela variação do índice de vazios e pela variação do teor médio de umidade. Os recalques previstos originalmente, incluindo a parcela de compressão secundária, são comparados aos recalques inferidos e medidos através de placa de recalque. As principais conclusões da pesquisa sugerem que a qualidade dos corpos de prova da primeira campanha foram superiores aos atuais, apesar dos cuidados com a amostragem, transporte das amostras e preparação dos corpos de prova no laboratório na segunda campanha de ensaios. Atribuiu-se esta ocorrência ao processo construtivo, que impôs movimentação excessiva ao maciço argiloso, interferindo com suas características de maior uniformidade em seu processo de deposição natural. Os ensaios de adensamento com diferentes velocidades de carregamento apresentaram comportamento similar, com variação da posição relativa das curvas e x σv, com ensaios mais rápidos exibindo maiores índices de vazios. As curvas do índice de vazios versus tensão efetiva ilustram, de forma acentuada, a redução significativa do índice de vazios da segunda campanha em relação ao solo natural, antes do lançamento do aterro. Os recalques previstos e os obtidos, seja pela instrumentação, seja pelos demais registros, indicam valores bastante próximos, em face da variabilidade da estratigrafia e dos parâmetros geotécnicos inerentes à natureza dos depósitos sedimentares.

Desenvolvimento de metodologias para a determinação da atividade biogênica de bactérias redutoras de sulfato

A corrosão causada por H2S biogênico frequentemente resulta em danos extensos na indústria do petróleo. O presente trabalho avaliou parâmetros de crescimento microbiano e aplicou metodologias de determinação de sulfetos por técnicas espectrofotométrica na região da luz visível e radiorespirométrica para avaliação da atividade metabólica, correlacionando com a população de bactérias redutoras de sulfato, determinada através da técnica do Número Mais Provável (NMP). Amostras de água de formação e consórcio de BRS foram avaliadas através do arraste de sulfetos estáveis produzidos biogenicamente e quantificados por espectrofotometria. O cálculo das velocidades instantâneas e específicas de produção de sulfetos permitiu avaliar de que maneira alguns parâmetros de crescimento microbiano podem afetar o metabolismo das BRS. A detecção de concentrações traço de sulfetos biogênicos pode ser realizada através de ensaios radiorespirométricos. Para isto, diluições em série de água do mar sintética com três amostras distintas foram avaliadas. Os testes realizados indicam que o acréscimo do tempo de incubação de cultura microbiana anaeróbia mista contribuiu para o aumento das capacidades de redução de sulfato, assim como o aumento das fontes de carbono. Ambas as técnicas provaram ser um rápido teste para a detecção de sulfetos biogênicos, particularmente aqueles associados aos produtos de corrosão, sendo uma ferramenta muito útil para monitoração e controle de tanques de armazenamento de água e óleo, plataformas continentais de petróleo e diversos tipos de reservatórios. O presente trabalho prevê a continuidade dos experimentos, através de avaliação de um maior universo de amostras da indústria do petróleo e medições menos espaçadas da técnica espectrofotométrica, além da avaliação radiorespirométrica em modo contínuo, evitando os efeitos inibitórios do H2S

基于土壤水分平衡原理的毛乌素沙地草地种植咨询系统

本研究初步建立了基于土壤水分平衡原理的毛乌素沙地草地种植咨询系统“ASSG”，该系统用于进行毛乌素地区沙地草地利用和种植管理咨询，并可进行更新知识库和存储有关咨询结果的操作。该系统适用于田间工作者、农场管理者、有关科研人员以及任何对生态科学和自然资源管理感兴趣者。 在文中描述了该咨询系统的开发过程，即系统的需求分析、设计、实现和运行，该系统实现了专家系统和仿真模型的结合，该模型即基于水分平衡的最佳植被覆盖率模型，有如下初步结论产生：土壤水分的平衡随植被覆盖率变化的情况（上升或下降）取决于立地条件的差异，笼统地讲“植被覆盖率越高越好”或“植被覆盖率一概不宜太高”未免失之偏颇。 在解决复杂的生态学问题时人工智能／专家系统技术的应用以及在定性模型和方法（如专家系统）的应用中使用定量模型（如仿真模型）正处于发展之中，本系统的实现是应用专家系统与仿真模型结合的方法解决实际生态学问题的又一个例子。