An evidence-based review on the likely economic and environmental impact of genetically modified cereals and oilseeds for UK agriculture

An evidence-based review of the potential impact that the introduction of genetically-modified (GM) cereal and oilseed crops could have for the UK was carried out. The inter-disciplinary research project addressed the key research questions using scenarios for the uptake, or not, of GM technologies. This was followed by an extensive literature review, stakeholder consultation and financial modelling. The world area of canola, oilseed rape (OSR) low in both erucic acid in the oil and glucosinolates in the meal, was 34M ha in 2012 of which 27% was GM; Canada is the lead producer but it is also grown in the USA, Australia and Chile. Farm level effects of adopting GM OSR include: lower production costs; higher yields and profits; and ease of farm management. Growing GM OSR instead of conventional OSR reduces both herbicide usage and environmental impact. Some 170M ha of maize was grown in the world in 2011 of which 28% was GM; the main producers are the USA, China and Brazil. Spain is the main EU producer of GM maize although it is also grown widely in Portugal. Insect resistant (IR) and herbicide tolerant (HT) are the GM maize traits currently available commercially. Farm level benefits of adopting GM maize are lower costs of production through reduced use of pesticides and higher profits. GM maize adoption results in less pesticide usage than on conventional counterpart crops leading to less residues in food and animal feed and allowing increasing diversity of bees and other pollinators. In the EU, well-tried coexistence measures for growing GM crops in the proximity of conventional crops have avoided gene flow issues. Scientific evidence so far seems to indicate that there has been no environmental damage from growing GM crops. They may possibly even be beneficial to the environment as they result in less pesticides and herbicides being applied and improved carbon sequestration from less tillage. A review of work on GM cereals relevant for the UK found input trait work on: herbicide and pathogen tolerance; abiotic stress such as from drought or salinity; and yield traits under different field conditions. For output traits, work has mainly focussed on modifying the nutritional components of cereals and in connection with various enzymes, diagnostics and vaccines. Scrutiny of applications submitted for field trial testing of GM cereals found around 9000 applications in the USA, 15 in Australia and 10 in the EU since 1996. There have also been many patent applications and granted patents for GM cereals in the USA for both input and output traits;an indication of the scale of such work is the fact that in a 6 week period in the spring of 2013, 12 patents were granted relating to GM cereals. A dynamic financial model has enabled us to better understand and examine the likely performance of Bt maize and HT OSR for the south of the UK, if cultivation is permitted in the future. It was found that for continuous growing of Bt maize and HT OSR, unless there was pest pressure for the former and weed pressure for the latter, the seed premia and likely coexistence costs for a buffer zone between other crops would reduce the financial returns for the GM crops compared with their conventional counterparts. When modelling HT OSR in a four crop rotation, it was found that gross margins increased significantly at the higher levels of such pest or weed pressure, particularly for farm businesses with larger fields where coexistence costs would be scaled down. The impact of the supply of UK-produced GM crops on the wider supply chain was examined through an extensive literature review and widespread stakeholder consultation with the feed supply chain. The animal feed sector would benefit from cheaper supplies of raw materials if GM crops were grown and, in the future, they might also benefit from crops with enhanced nutritional profile (such as having higher protein levels) becoming available. This would also be beneficial to livestock producers enabling lower production costs and higher margins. Whilst coexistence measures would result in increased costs, it is unlikely that these would cause substantial changes in the feed chain structure. Retailers were not concerned about a future increase in the amount of animal feed coming from GM crops. To conclude, we (the project team) feel that the adoption of currently available and appropriate GM crops in the UK in the years ahead would benefit farmers, consumers and the feed chain without causing environmental damage. Furthermore, unless British farmers are allowed to grow GM crops in the future, the competitiveness of farming in the UK is likely to decline relative to that globally.

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.

Evaluation of optical techniques for characterising soil organic matter quality in agricultural soils

Soil organic matter (SOM) is one of the main global carbon pools. It is a measure of soil quality as its presence increases carbon sequestration and improves physical and chemical soil properties. The determination and characterisation of humic substances gives essential information of the maturity and stresses of soils as well as of their health. However, the determination of the exact nature and molecular structure of these substances has been proven difficult. Several complex techniques exist to characterise SOM and mineralisation and humification processes. One of the more widely accepted for its accuracy is nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Despite its efficacy, NMR needs significant economic resources, equipment, material and time. Proxy measures like the fluorescence index (FI), cold and hot-water extractable carbon (CWC and HWC) and SUVA-254 have the potential to characterise SOM and, in combination, provide qualitative and quantitative data of SOM and its processes. Spanish and British agricultural cambisols were used to measure SOM quality and determine whether similarities were found between optical techniques and 1H NMR results in these two regions with contrasting climatic conditions. High correlations (p < 0.001) were found between the specific aromatic fraction measured with 1H NMR and SUVA-254 (Rs = 0.95) and HWC (Rs = 0.90), which could be described using a linear model. A high correlation between FI and the aromatics fraction measured with 1H NMR (Rs = −0.976) was also observed. In view of our results, optical measures have a potential, in combination, to predict the aromatic fraction of SOM without the need of expensive and time consuming techniques.

Soil quality assessment based on carbon stratification index in different olive grove management practices in Mediterranean areas

In Mediterranean areas, conventional tillage increases soil organic matter losses, reduces soil quality, and contributes to climate change due to increased CO2 emissions. CO2 sequestration rates in soil may be enhanced by appropriate agricultural soil management and increasing soil organic matter content. This study analyzes the stratification ratio (SR) index of soil organic carbon (SOC), nitrogen (N) and C:N ratio under different management practices in an olive grove (OG) in Mediterranean areas (Andalusia, southern Spain). Management practices considered in this study are conventional tillage (CT) and no tillage (NT). In the first case, CT treatments included addition of alperujo (A) and olive leaves (L). A control plot with no addition of olive mill waste was considered (CP). In the second case, NT treatments included addition of chipped pruned branches (NT1) and chipped pruned branches and weeds (NT2). The SRs of SOC increased with depth for all treatments. The SR of SOC was always higher in NT compared to CT treatments, with the highest SR of SOC observed under NT2. The SR of N increased with depth in all cases, ranging between 0.89 (L-SR1) and 39.11 (L-SR3 and L-SR4).The SR of C:N ratio was characterized by low values, ranging from 0.08 (L-SR3) to 1.58 (NT1-SR2) and generally showing higher values in SR1 and SR2 compared to those obtained in SR3 and SR4. This study has evaluated several limitations to the SR index such as the fact that it is descriptive but does not analyze the behavior of the variable over time. In addition, basing the assessment of soil quality on a single variable could lead to an oversimplification of the assessment. Some of these limitations were experienced in the assessment of L, where SR1 of SOC was the lowest of the studied soils. In this case, the higher content in the second depth interval compared to the first was caused by the intrinsic characteristics of this soil's formation process rather than by degradation. Despite the limitations obtained SRs demonstrate that NT with the addition of organic material improves soil quality.

Emergence dynamics of barnyardgrass and jimsonweed from two depths when switching from conventional to reduced and no-till conditions

A cylinder experiment was conducted in northern Greece during 2005 and 2006 to assess emergence dynamics of barnyardgrass (Echinochloa crus-galli (L.) Beauv.) and jimsonweed (Datura stramonium L.) in the case of a switch from conventional to conservation tillage systems (CT). Emergence was surveyed from two burial depths (5 and 10 cm) and with simulation of reduced tillage (i.e. by soil disturbance) and no-till conditions. Barnyardgrass emergence was significantly affected by burial depth, having greater emergence from 5 cm depth (96%) although even 78% of seedlings emerged from 10 cm depth after the two years of study. Emergence of barnyardgrass was stable across years from the different depths and tillage regimes. Jimsonweed seeds showed lower germination than barnyardgrass during the study period, whereas its emergence was significantly affected by soil disturbance having 41% compared to 28% without disturbance. A burial depth x soil disturbance interaction was also determined, which showed higher emergence from 10 cm depth with soil disturbance. Jimsonweed was found to have significantly higher emergence from 10 cm depth with soil disturbance in Year 2. Seasonal emergence timing of barnyardgrass did not vary between the different burial depth and soil disturbance regimes, as it started in April and lasted until end of May in both years. Jimsonweed showed a bimodal pattern, with first emergence starting end of April until mid-May and the second ranging from mid-June to mid-August from 10 cm burial depth and from mid-July to mid-August from 5 cm depth, irrespective of soil disturbance in both cases.

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.

Dinâmica da água no solo em cultivos de milho sob plantio direto e preparo convencional

A dinâmica da água em sistema de plantio direto (PD) é alterada em relação ao preparo convencional (PC) devido a modificações na estrutura do solo e a presença de palha na superfície. Para avaliar estas diferenças foram conduzidos experimentos de campo, em 2001/02 e 2002/03, em Eldorado do Sul, RS. O objetivo geral foi quantificar alterações físico-hídricas no perfil e na superfície do solo em PD e PC, com ênfase na dinâmica da água e respostas das plantas de milho. Os sistemas de manejo do solo foram implantados na área em 1995. Foram avaliadas propriedades físicas, a movimentação e a armazenagem de água no solo. Mediu-se a infiltração e a capacidade de campo e monitorou-se a dinâmica da água durante o ciclo da cultura, enfocando a secagem do solo e a extração de água em períodos sem precipitação. Nestes períodos também foi determinada a evaporação da água na superfície e avaliadas respostas das plantas. Os efeitos do plantio direto se evidenciaram nas camadas de solo próximas à superfície. A mesoporosidade foi a propriedade física mais afetada, apresentando uma distribuição exponencial de mesoporos no plantio direto, enquanto no preparo convencional a mesma se aproximou de uma curva normal. Em geral, a condutividade hidráulica, a retenção e a disponibilidade de água foram mais elevadas em plantio direto, principalmente, próximo à superfície. O solo em PD também apresentou maior umidade volumétrica com menor energia de retenção, resultando em redução no avanço da frente de secagem do solo e extração de água. A evaporação também foi maior em PD, demonstrando que a maior umidade no solo em plantio direto se deve ao aumento na capacidade de armazenagem de água. O aprofundamento radicular foi sempre maior no preparo convencional. O plantio direto altera propriedades físicas ligadas à dinâmica da água, proporcionando maior disponibilidade hídrica no solo ao longo do tempo.

Desempenho de um trator agrícola equipado com pneus radiais e diagonais com três níveis de lastros líquidos

A utilização correta de pneus em tratores, tanto em relação ao seu tipo quanto à calibração de sua pressão interna, e a lastragem ideal para cada condição de carga são fatores que influem significativamente no desempenho do trator. Esta pesquisa teve como objetivo comparar o desempenho de um trator equipado com pneus radiais e com pneus diagonais, para três condições de lastragem líquida (0%, 40% e 75% de água), em três condições superficiais de um Nitossolo Vermelho distrófico (superfície firme, preparada e com cobertura vegetal de resto de milho) e em três velocidades teóricas de deslocamento (4 km h-1, 5 km h-1 e 7 km h-1), informadas no painel do trator, correspondendo às marchas B1, B2 e C1. O melhor desempenho do trator, equipado com pneu diagonal, ocorreu na condição de 75% de água nos pneus, apresentando maior velocidade de deslocamento, menor patinhagem do trator, menor consumo horário de combustível e gerando maior potência na barra de tração. Com pneus radiais, o melhor desempenho do trator ocorreu na condição de 40% de água nos pneus, proporcionando maiores velocidades de deslocamento do trator, menores patinhagens, menores consumos, horário e específico de combustível, e maiores potência e rendimento na barra de tração.

Semeadora-adubadora: mecanismos de corte de palha e cargas verticais aplicadas

This work had as objective to evaluate the performance of mechanisms of cutting of the no-tillage seedrills in different vegetable coverings and applied vertical loads. The experimental design used was in randomized blocks and factorial scheme 3 x 4, with four replications. The trials were accomplished with three different mechanisms of culting of the straw (plane disc, corrugated disc and wavy disc), using four different vertical loads (750, 1500, 2250 and 3000 N). All treatments were accomplished in five straw coverings (corn, sorghum, triticale, black oats and radish). The results showed that larger the amount of dry matter covering the soil, higher the demand of horizontal and vertical forces. The wavy disc promotes the largest values of area of mobilized soil and requires large horizontal force, vertical force and horizontal force per area of cutting depth of discs (specific force). The treatment with plane disc required higher values of the horizontal forces per area of mobilized soil and of vertical force in the corn and sorghum coverings.

Períodos de dessecação de Urochloa ruziziensis e seu reflexo na produtividade da soja RR

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

Épocas de manejo químico de Brachiaria decumbens antecedendo o plantio direto de soja

O manejo químico da cobertura vegetal e a manutenção da palhada sobre o solo são preocupações comuns para os produtores que adotam o sistema plantio direto na região dos cerrados. Com o objetivo de estudar a influência da época de manejo químico de B. decumbens sobre o desenvolvimento e a produtividade da cultura da soja em sistema plantio direto, foram realizados dois ensaios a campo, respectivamente, com os cultivares BRS 154 e MG/BR 46-Conquista, no ano de 2003. em cada ensaio, testaram-se quatro épocas de manejo de B. decumbens antecedendo a semeadura da soja (28, 14, 7 e 0 dias), utilizando-se o herbicida glifosato. Os ensaios foram conduzidos em delineamento inteiramente casualizado, utilizando-se três repetições no primeiro e quatro no segundo. Determinou-se a matéria seca da cobertura vegetal e avaliou-se a reinfestação de B. decumbens. Na cultura da soja, foram determinados: altura de inserção da primeira vagem, número de vagens por planta, umidade dos grãos, massa de 100 grãos e produtividade. Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a época mais adequada para o manejo químico de B. decumbens com glifosato situa-se entre 7 e 14 dias antes da semeadura da cultura da soja e que a escolha da época de manejo químico da cobertura vegetal afeta de forma decisiva o desenvolvimento e a produtividade da cultura.

Comunidade infestante e sua interferência no feijoeiro implantado sob plantio direto, na safra de primavera

O objetivo deste estudo foi determinar os períodos críticos de interferência das plantas daninhas no feijoeiro no sistema de plantio direto, na safra de primavera. A cultura antecessora ao feijoeiro foi a de milheto, que gerou 2 t ha-1 de massa seca. Os tratamentos foram constituídos por períodos crescentes (0, 10, 17, 24, 31, 45 e 66 dias após a emergência) de convivência ou de controle das plantas daninhas. O delineamento experimental adotado foi o de blocos ao acaso, com os tratamentos dispostos no esquema fatorial 2 x 6, com quatro repetições, mais duas testemunhas: uma limpa durante todo o ciclo da cultura e outra suja, ausente de controle. A comunidade infestante foi composta por 16 espécies, sendo dez eudicotiledôneas. A espécie de maior importância foi a losna-branca (Parthenium hysterophorus). O período anterior à interferência (PAI) ocorreu até o estádio fenológico V2, e o período total de prevenção à interferência (PTPI), até o estádio V4; assim, o período crítico de prevenção à interferência (PCPI) ficou entre os estádios V2 e V4 do feijoeiro. A safra de primavera mostrou-se alternativa viável de produção. O acúmulo médio de massa e o número médio de indivíduos das plantas daninhas foram pequenos, ocasionando menor interferência na cultura e, consequentemente, um curto PCPI. Houve redução de 19% na produtividade média do feijoeiro quando a cultura conviveu durante todo o seu ciclo com a comunidade infestante.

Aplicação de calcário e culturas de cobertura na implantação do sistema plantio direto em cerrado

Este estudo objetivou avaliar a correção do solo no estabelecimento do sistema plantio direto em Latossolo Vermelho localizado em região típica de Cerrado, Selvíria - MS. Os tratamentos consistiram em cinco formas de aplicação de calagem, em dose única ou parcelada, e duas culturas de cobertura. A calagem sem incorporação, independentemente do modo de aplicação, corrigiu a acidez do solo e aumentou os teores de Ca e Mg na camada de 0-0,05 m; nas demais profundidades, não houve alterações significativas desses atributos. A incorporação do calcário na camada de 0-0,2m modificou, uniformemente, os valores de pH, Ca, Mg e soma de bases do solo até à profundidade de 0,2 m. O sorgo como cultura de cobertura possibilitou maiores teores de Ca e Mg quando a dose de calcário foi subdividida em três aplicações.

Adubação nitrogenada para milho com o uso de plantas de cobertura e modos de aplicação de calcário

O sistema plantio direto (SPD) é uma realidade na região dos Cerrados, mas alguns questionamentos persistem nesse tipo de manejo como o modo de realização da calagem e a dose de nitrogênio (N) a ser adotada em cultura comercial, em relação às culturas precedentes. Desse modo, objetivou-se avaliar modos de aplicar o calcário na implantação do SPD e o efeito de culturas de cobertura precedentes sobre a necessidade de adubação nitrogenada da cultura do milho, durante diferentes anos agrícolas. O delineamento experimental utilizado foi de blocos casualizados, em esquema fatorial 5 x 2 (modos de aplicação do calcário x culturas de cobertura) e posterior divisão em três subparcelas, referentes às doses de N (0, 90 e 180 kg ha-1). Foram avaliados quatro modos de aplicação de calcário: incorporado a 0-0,2 m, em out./2001; dose total em superfície aplicada, em out./2001; aplicação de 1/2 da dose, em out./2001, e 1/2, em ago./2002, na superfície; e aplicação de 1/3 da dose recomendada, em mar./2001, + 1/3, em out./2001, e 1/3, em ago./2002, também em superfície. Além de um tratamento testemunha (sem calcário) e duas culturas de cobertura, crotalária e milheto. Os diferentes modos de calagem não alteraram a produtividade de grãos de milho. O cultivo de milho após crotalária apresentou melhor desempenho e menor demanda de adubação nitrogenada, quando comparado ao cultivado após milheto.

Acúmulo de massa seca e macronutrientes por plantas de Glycine max e Richardia brasiliensis

Foram realizados dois experimentos, em condições de casa de vegetação, no Departamento de Biologia Aplicada à Agropecuária da FCAV-UNESP de Jaboticabal, objetivando-se determinar o acúmulo de massa seca, assim como a distribuição e o acúmulo de macronutrientes durante os ciclos de vida de plantas de soja cultivar BR16, no período de outubro de 2000 a fevereiro de 2001, e de Richardia brasiliensis (poaia-branca), uma planta daninha de elevada importância para esta cultura no Brasil, especialmente em áreas de plantio direto, no período de outubro de 1998 a fevereiro de 1999. Os estudos foram realizados em delineamento experimental inteiramente casualizado, com quatro repetições. Quatro plantas cresceram em vasos com capacidade de sete litros, preenchidos com areia de rio lavada, peneirada e irrigada diariamente com solução nutritiva. Os tratamentos foram representados pelas épocas de amostragem, realizadas a intervalos de 14 dias, a saber: 22, 36, 50, 64, 78, 92, 106, 120, 134, 148, 162 e 176 dias após a emergência (DAE) das plantas de R. brasiliensis; e 21, 35, 49, 63, 77, 91, 105 e 119 DAE das plantas de soja cv. BR-16 (precoce). em ambas as plantas, as folhas tiveram a maior partição de biomassa durante sete semanas. Para este dado, a partição foi maior para as estruturas reprodutivas em soja e nos caules para a poaia-branca. O ponto de máximo acúmulo teórico de massa seca deu-se aos 104 DAE para a soja (36,6 g por planta) e aos 146 DAE para a poaia-branca (16,4 g por planta). da emergência até aos 50 DAE as folhas apresentaram maior participação no acúmulo de massa seca, nas duas espécies. Após 50 DAE notou-se, em ambas as espécies, uma inversão na representatividade das folhas por caules, para a espécie daninha, e por caules e posteriormente por estruturas reprodutivas, para a cultura. A taxa de absorção diária dos macronutrientes atingiu maiores valores entre 69 e 87 DAE para a soja e entre 106 a 111 DAE para a planta daninha. Levando em conta a média dos valores de pontos de inflexão observados para a cultura da soja, aos 78 DAE uma planta de soja acumula teoricamente 25,9 g de massa seca; 615,5 mg de N; 77,2 mg de P; 538,6 mg de K; 535,0 mg de Ca; 171,5 mg de Mg; e 39,5 mg de S. Para o mesmo período, uma planta de R. brasiliensis acumula teoricamente 3,7 g de massa seca; 50,8 mg de N; 3,2 mg de P; 104,4 mg de K; 127,8 mg de Ca; 18,8 mg de Mg; e 3,7 mg de S.