Effects of agricultural management practices on earthworm populations and crop yield: validation and application of a mechanistic modelling approach

There is little consensus on how agriculture will meet future food demands sustainably. Soils and their biota play a crucial role by mediating ecosystem services that support agricultural productivity. However, a multitude of site-specific environmental factors and management practices interact to affect the ability of soil biota to perform vital functions, confounding the interpretation of results from experimental approaches. Insights can be gained through models, which integrate the physiological, biological and ecological mechanisms underpinning soil functions. We present a powerful modelling approach for predicting how agricultural management practices (pesticide applications and tillage) affect soil functioning through earthworm populations. By combining energy budgets and individual-based simulation models, and integrating key behavioural and ecological drivers, we accurately predict population responses to pesticide applications in different climatic conditions. We use the model to analyse the ecological consequences of different weed management practices. Our results demonstrate that an important link between agricultural management (herbicide applications and zero, reduced and conventional tillage) and earthworms is the maintenance of soil organic matter (SOM). We show how zero and reduced tillage practices can increase crop yields while preserving natural ecosystem functions. This demonstrates how management practices which aim to sustain agricultural productivity should account for their effects on earthworm populations, as their proliferation stimulates agricultural productivity. Synthesis and applications. Our results indicate that conventional tillage practices have longer term effects on soil biota than pesticide control, if the pesticide has a short dissipation time. The risk of earthworm populations becoming exposed to toxic pesticides will be reduced under dry soil conditions. Similarly, an increase in soil organic matter could increase the recovery rate of earthworm populations. However, effects are not necessarily additive and the impact of different management practices on earthworms depends on their timing and the prevailing environmental conditions. Our model can be used to determine which combinations of crop management practices and climatic conditions pose least overall risk to earthworm populations. Linking our model mechanistically to crop yield models would aid the optimization of crop management systems by exploring the trade-off between different ecosystem services.

Soil bacterial phoD gene abundance and expression in response to applied phosphorus and long-term management

Bacterial transformation of phosphorus (P) compounds in soil is largely dependent on soil microbial community function, and is therefore sensitive to anthropogenic disturbances such as fertilization or cropping systems. However, the effect of soil management on the transcription of bacterial genes that encode phosphatases, such as phoD, is largely unknown. This greenhouse study examined the effect of long-term management and P amendment on potential alkaline phosphatase (ALP) activity and phoD gene (DNA) and transcript (RNA) abundance. Soil samples (0–15 cm) were collected from the Glenlea Long-term Rotation near Winnipeg, Manitoba, to compare organic, conventional and prairie management systems. In the greenhouse, pots of soil from each management system were amended with P as either soluble mineral fertilizer or cattle manure and then planted with Italian ryegrass (Lolium multiforum). Soils from each pot were sampled for analysis immediately and after 30 and 106 days. Significant differences among the soil/P treatments were detected for inorganic P, but not the organic P in NaHCO3-extracts. At day 0, ALP activity was similar among the soil/P treatments, but was higher after 30 days for all P amendments in soil from organically managed plots. In contrast, ALP activity in soils under conventional and prairie management responded to increasing rates of manure only, with significant effects from medium and high manure application rates at 30 and 106 days. Differences in ALP activity at 30 days corresponded to the abundance of bacterial phoD genes, which were also significantly higher in soils under organic management. However, this correlation was not significant for transcript abundance. Next-generation sequencing allowed the identification of 199 unique phoD operational taxonomic units (OTUs) from the metagenome (soil DNA) and 35 unique OTUs from the metatranscriptome (soil RNA), indicating that a subset of phoD genes was being transcribed in all soils.

Seamlessly integrating similarity queries in SQL

Modern database applications are increasingly employing database management systems (DBMS) to store multimedia and other complex data. To adequately support the queries required to retrieve these kinds of data, the DBMS need to answer similarity queries. However, the standard structured query language (SQL) does not provide effective support for such queries. This paper proposes an extension to SQL that seamlessly integrates syntactical constructions to express similarity predicates to the existing SQL syntax and describes the implementation of a similarity retrieval engine that allows posing similarity queries using the language extension in a relational DBM. The engine allows the evaluation of every aspect of the proposed extension, including the data definition language and data manipulation language statements, and employs metric access methods to accelerate the queries. Copyright (c) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Describing Web Service Architectures through Design-by-Contract

Architectural description languages (ADLs) are used to specify a high-level, compositional view of a software application, specifying how a system is to be composed from coarse-grain components. ADLs usually come equipped with a formal dynamic semantics, facilitating specification and analysis of distributed and event-based systems. In this paper, we describe the TrustME, an ADL framework that provides both a process and a structural view of web service-based systems. We use Petri-net descriptions to give a dynamic view of business workflow for web service collaboration. We adapt the approach of Schmidt to define a form of Meyer's design-by-contract for configuring workflow architectures. This serves as a configuration-level means of constructing safer, more robust systems.

Depleting the curriculum: teaching digital platforms and curricular impoverishment

The paper aims at showing how curricular complexity tends to be depleted by the use of digital platforms based on the SCORM (Sharable Content Object Reference Model) standard, which was created with the main purpose of recycling content as it is supposed to be independent both from the context of learning and the supporting technology also deemed to be neutral, all surrounded by a rhetoric of innovation and “pedagogical” innovation. The starting point of the discussion is García Perez’s model of Traditional Didactics as a simple tool to show almost graphically that any ancient didactic model is far richer in terms of complexity than the linearity, in disguise most of the times but still visible under a not so sophisticated critical lens, of the interaction human-(reusable) content that is the basis of the SCORM standard. The paper also addresses some of the more common deliberate mix-ups related to those digital platforms, such as learning and teaching, content and learning object, systems of automatic teaching and learning management systems.

Funções de pedotransferência para a curva de resistência do solo à penetração

Funções de pedotransferência são regressões utilizadas para estimar atributos edáficos dependentes a partir de atributos independentes e de fácil determinação. Nesse sentido, são propostas na literatura diversas funções de pedotransferência que visam predizer a resistência do solo à penetração. Objetivou-se, portanto, com este trabalho, desenvolver e comparar a eficiência de cinco funções de pedotransferência para a curva de resistência do solo à penetração, presentes na literatura, por meio do ajuste de dados obtidos tanto com o penetrômetro de impacto (campo) quanto com o penetrômetro eletrônico (laboratório), em um Latossolo manejado sob diferentes modos (convencional e plantio direto). Foram coletadas amostras indeformadas de solo na entrelinha das culturas, nas camadas de 0-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m, logo após a semeadura, no florescimento e na colheita, para determinação dos atributos físico-hídricos do solo e também da resistência do solo à penetração, com o uso do penetrômetro eletrônico. A resistência do solo à penetração, obtida com o penetrômetro de impacto, foi determinada conforme a variação do conteúdo de água no solo ao longo do ciclo das culturas. As curvas ajustadas de resistência do solo à penetração tiveram a precisão e a acurácia testadas por meio de parâmetros estatísticos e foram comparadas pelo teste F. Houve sobreposição dos valores estimados pelo ajuste das curvas, evidenciando que a maneira de obtenção da resistência do solo à penetração (campo ou laboratório) não influenciou a relação entre a resistência à penetração e os atributos do solo. As equações RP = aUg b; RP = a(1-Ug)b; RP = ae bUg e RP = a + be não diferiram e foram as mais precisas e acuradas na predição da resistência do solo à penetração.

Atributos físicos nos tempos de adoção de manejos em Latossolo cultivado com soja

A condução das operações de preparo de forma inadequada ocasiona sérios problemas de conservação do solo, destacando-se a compactação, que acarreta a redução do espaço poroso, principalmente dos macroporos, e altera os atributos físico-hídricos. Este trabalho teve como objetivo verificar a influência dos diferentes sistemas e tempos de adoção de manejos em Latossolo Vermelho de Jaboticabal, Estado de São Paulo, por meio da densidade máxima, e correlacioná-la com a produtividade da soja, a densidade relativa e a umidade crítica de compactação. O delineamento experimental foi o inteiramente casualizado com parcelas subdivididas (cinco sistemas de uso e três camadas), com quatro repetições. Os cinco sistemas de uso foram: plantio direto por cino anos (SPD5), plantio direto por sete anos (SPD7), plantio direto por nove anos (SPD9), preparo convencional (SPC) e uma área adjacente de mata nativa (MN). As camadas do solo avaliadas foram as de 0-0,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m, nas quais foram determinados a densidade máxima do solo (Ds máx), a umidade crítica de compactação (Ugc), a densidade relativa do solo (Dsr), a composição granulométrica, a porosidade e o teor de matéria orgânica do solo. Os resultados mostraram que o comportamento das curvas de compactação do solo foi o mesmo em todas as camadas dos diferentes manejos e que os teores de matéria orgânica não justificaram as pequenas alterações da Ds máx. Para o Latossolo Vermelho, as operações mecanizadas nos sistemas de manejo podem ser executadas na faixa de 0,13 a 0,19 kg kg-1 de umidade sem causar degradação física. Verificou-se que a Dsr ótima e a umidade crítica de compactação foram de 0,86 e 0,15 kg kg-1, respectivamente, embora os diferentes sistemas e tempos de adoção de manejo tenham apresentado comportamento semelhante quanto à produtividade da soja.

Qualidade física de um latossolo vermelho férrico sob sistemas de uso e manejo

The soil physical quality is defined as the soil capacity to maintain the sustainable productivity during the years. To assess soil physical quality, attributes were evaluated in the layers of 0.0-0.10, 0.10-0.20, 0.20-0.30, 0.30-0.40 m in acrustox. The experimental design was entirely randomized, with four systems of use ( corn, sugar-cane, pasture and native vegetation), four soil depths and four replications. The parameter evaluated were: texture, degree of clay flocculation, soil bulk density, porosity, water retention and "S" parameter. The usage and management systems caused soil physical degradation, being greater in pasture system with intensive usage, with smaller soil physical quality for plants development. The soil physical quality, evaluated by physical attributes, followed the following order: native vegetation > maize > sugar-cane > pasture. The Oxisol, although shows present excellent physical structure and needs an adequate management to prevent excessive compaction.

Physical quality of an Oxisol cultivated with maize submited to cover crops in the pre-cropping period

The intensive use of land alters the distribution of the pore size which imparts consequences on the soil physical quality. The Least Limiting Water Range (LLWR) allows for the visualization of the effects of management systems upon either the improvement or the degradation of the soil physical quality. The objective of this study was to evaluate the physical quality of a Red Latosol (Oxisol) submited to cover crops in the period prior to the maize crop in a no-tillage and conventional tillage system, using porosity, soil bulk density and the LLWR as attributes. The treatments were: conventional tillage (CT) and a no-tillage system with the following cover crops: sunn hemp (Crotalaria juncea L.) (NS), pearl millet (Pennisetum americanum (L.) Leeke) (NP) and lablab (Dolichos lablab L.) (NL). The experimental design was randomized blocks in subdivided plots with six replications, with the plots being constituted by the treatments and the subplots by the layers analyzed. The no-tillage systems showed higher total porosity and soil organic matter at the 0-0.5 m layer for the CT. The CT did not differ from the NL or NS in relation to macroporosity. The NP showed the greater porosity, while CT and NS presented lower soil bulk density. No <= 10 % airing porosity was found for the treatments evaluated, and value for water content where soil aeration is critical (theta(PA)) was found above estimated water content at field capacity (theta(FC)) for all densities. Critical soil bulk density was of 1.36 and 1.43 Mg m(-3) for NP and CT, respectively. The LLWR in the no-tillage systems was limited in the upper part by the theta(FC), and in the bottom part, by the water content from which soil resistance to penetration is limiting (theta(PR)). By means of LLWR it was observed that the soil presented good physical quality.

Qualidade física de um latossolo vermelho acriférrico sob diferentes sistemas de uso e manejo

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

Influência do cultivo da cana-de-açúcar e da mineralogia da fração argila nas propriedades físicas de latossolos vermelhos

As atuais técnicas de manejo da cultura da cana-de-açúcar utilizam um vigoroso revolvimento do solo por ocasião do plantio, com o uso de arados, grades pesadas e subsoladores. O objetivo deste trabalho foi avaliar o grau de modificação de algumas propriedades físicas de um Latossolo Vermelho caulinítico (LVd) e de um Latossolo Vermelho caulinítico-oxídico (LVdf) cultivados com cana-de-açúcar e sob mata nativa no município de Jaboticabal (SP), além de comparar as propriedades físicas encontradas em ambos os Latossolos. O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado, em esquema de parcelas subdivididas 4 x 3 (manejos e camadas), com quatro repetições. Também foi realizada a análise conjunta entre as propriedades físicas dos Latossolos. Os sistemas de uso foram: cana planta (CP), cana soca de segundo ano (C2), cana soca de quarto ano (C4) e mata nativa (MN). Avaliaram-se a densidade do solo (Ds), a sua porosidade e o diâmetro médio ponderado (DMP) nas camadas de 00,10, 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m. Os efeitos dos sistemas de uso e manejo sobre os atributos físicos, nas diferentes camadas, foram verificados a partir da análise de variância; quando significativas, as médias foram comparadas pelo teste de Tukey a 5 %. A MN do LVdf apresentou maior macroporosidade e menor microporosidade em relação à das áreas cultivadas, mas, para porosidade total e Ds, a MN apresentou diferença apenas para C2 e C4. O tempo de cultivo da cana-de-açúcar proporcionou o aumento da Ds e diminuição da macroporosidade em ambos os Latossolos. Entretanto, o maior teor de óxido de Fe no LVdf proporcionou maior porosidade total e menor Ds, e sua macroporosidade permaneceu acima de 0,10 m³ m-3 em todos os manejos e camadas. Os sistemas de uso do solo com cana-de-açúcar reduziram a estabilidade de agregados, em relação à mata nativa.

Phosphorus fractions in Brazilian Cerrado soils as affected by tillage

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

Alterações de alguns atributos físicos e das frações húmicas de um Nitossolo vermelho na sucessão milheto-soja em sistema plantio direto

No Estado de São Paulo, restrições do regime de chuvas no período de outono-inverno e temperaturas elevadas limitam a produção e a manutenção de cobertura no solo, tornando importante estudar alternativas para a implantação eficaz do Sistema Plantio Direto nesse Estado, especialmente para produção de fitomassa e manejo adequado para maior persistência da palha, em quantidade suficiente para melhoria da qualidade física e da matéria orgânica do solo. O experimento, conduzido em Nitossolo Vermelho distroférrico, na Fazenda Experimental Lageado-FCA-UNESP-Botucatu, teve por objetivo estudar no sistema plantio direto as prováveis alterações de alguns atributos físicos e das frações húmicas do solo com a utilização do milheto, verificando sua resposta, em três épocas de semeadura e sob cinco manejos dos resíduos, após cinco anos de estabelecida essa sucessão. O delineamento experimental foi o de blocos casualizados, com esquema de parcelas subdivididas, com quatro repetições. As parcelas foram representadas por três épocas de semeadura da cultura do milheto: época 1 (E1), época 2 (E2) e época 3 (E3). As subparcelas foram representadas por manejos da ceifa da fitomassa, sendo: manejo 1 (M1) - ceifa a cada florescimento e retirada da fitomassa; manejo 2 (M2) - ceifa a cada florescimento e permanência da fitomassa; manejo 3 (M3) - ceifa apenas no primeiro florescimento e retirada da fitomassa; manejo 4 (M4) - ceifa apenas no primeiro florescimento e permanência da fitomassa; e manejo 5 (M5) - livre crescimento. Foram coletadas amostras de solo com estrutura indeformada para realização das análises físicas, para as quais as profundidades amostradas foram: 0-0,05, 0,05-0,10 e 0,10-0,20 m. Para fracionamento químico da matéria orgânica, as profundidades foram de 0-0,05 e 0,05-0,10 m. em relação às culturas, avaliou-se a produtividade da soja, e para o milheto, a quantidade de matéria seca produzida pela parte aérea e a percentagem de fitomassa em cobertura deixada sobre o solo. A produtividade de matéria seca do milheto decresceu na ordem E1 > E2 > E3. A densidade do solo, a macroporosidade, a microporosidade e a porosidade total variaram com a época de semeadura do milheto. A adição contínua de fitomassa com ceifa a cada florescimento e permanência da cobertura proporcionou maior incremento nas frações menos estáveis da matéria orgânica (ácido húmico e ácido fúlvico). Recomenda-se, diante das condições edafoclimáticas estudadas, a semeadura do milheto na segunda e terceira épocas com ceifa apenas no primeiro florescimento, sempre se utilizando da permanência da fitomassa, para obter melhor cobertura, qualidade física do solo (menor densidade do solo, maior porosidade total) e maior produtividade para soja.

Propriedades químicas de um latossolo vermelho distrófico de cerrado sob diferentes usos e manejos

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