Evaluating the sustainable intensification of arable farms

Sustainable Intensification (SI) of agriculture has recently received widespread political attention, in both the UK and internationally. The concept recognises the need to simultaneously raise yields, increase input use efficiency and reduce the negative environmental impacts of farming systems to secure future food production and to sustainably use the limited resources for agriculture. The objective of this paper is to outline a policy-making tool to assess SI at a farm level. Based on the method introduced by Kuosmanen and Kortelainen (2005), we use an adapted Data Envelopment Analysis (DEA) to consider the substitution possibilities between economic value and environmental pressures generated by farming systems in an aggregated index of Eco-Efficiency. Farm level data, specifically General Cropping Farms (GCFs) from the East Anglian River Basin Catchment (EARBC), UK were used as the basis for this analysis. The assignment of weights to environmental pressures through linear programming techniques, when optimising the relative Eco-Efficiency score, allows the identification of appropriate production technologies and practices (integrating pest management, conservation farming, precision agriculture, etc.) for each farm and therefore indicates specific improvements that can be undertaken towards SI. Results are used to suggest strategies for the integration of farming practices and environmental policies in the framework of SI of agriculture. Paths for improving the index of Eco-Efficiency and therefore reducing environmental pressures are also outlined.

Simulation of tree-ring widths with a model for primary production, carbon allocation, and growth

We present a simple, generic model of annual tree growth, called "T". This model accepts input from a first-principles light-use efficiency model (the "P" model). The P model provides values for gross primary production (GPP) per unit of absorbed photosynthetically active radiation (PAR). Absorbed PAR is estimated from the current leaf area. GPP is allocated to foliage, transport tissue, and fine-root production and respiration in such a way as to satisfy well-understood dimensional and functional relationships. Our approach thereby integrates two modelling approaches separately developed in the global carbon-cycle and forest-science literature. The T model can represent both ontogenetic effects (the impact of ageing) and the effects of environmental variations and trends (climate and CO2) on growth. Driven by local climate records, the model was applied to simulate ring widths during the period 1958–2006 for multiple trees of Pinus koraiensis from the Changbai Mountains in northeastern China. Each tree was initialised at its actual diameter at the time when local climate records started. The model produces realistic simulations of the interannual variability in ring width for different age cohorts (young, mature, and old). Both the simulations and observations show a significant positive response of tree-ring width to growing-season total photosynthetically active radiation (PAR0) and the ratio of actual to potential evapotranspiration (α), and a significant negative response to mean annual temperature (MAT). The slopes of the simulated and observed relationships with PAR0 and α are similar; the negative response to MAT is underestimated by the model. Comparison of simulations with fixed and changing atmospheric CO2 concentration shows that CO2 fertilisation over the past 50 years is too small to be distinguished in the ring-width data, given ontogenetic trends and interannual variability in climate.

Variation in morphological and physiological parameters in herbaceous perennial legumes in response to phosphorus supply

Change in morphological and physiological parameters in response to phosphorus (P) supply was studied in 11 perennial herbaceous legume species, six Australian native (Lotus australis, Cullen australasicum, Kennedia prorepens, K. prostrata, Glycine canescens, C. tenax) and five exotic species (Medicago sativa, Lotononis bainesii, Bituminaria bituminosa var albomarginata, Lotus corniculatus, Macroptilium bracteatum). We aimed to identify mechanisms for P acquisition from soil. Plants were grown in sterilised washed river sand; eight levels of P as KH2PO4 ranging from 0 to 384 μg P g−1 soil were applied. Plant growth under low-P conditions strongly correlated with physiological P-use efficiency and/or P-uptake efficiency. Taking all species together, at 6 μg P g−1 soil there was a good correlation between P uptake and both root surface area and total root length. All species had higher amounts of carboxylates in the rhizosphere under a low level of P application. Six of the 11 species increased the fraction of rhizosphere citrate in response to low P, which was accompanied by a reduction in malonate, except L. corniculatus. In addition, species showed different plasticity in response to P-application levels and different strategies in response to P deficiency. Our results show that many of the 11 species have prospects for low-input agroecosystems based on their high P-uptake and P-use efficiency.

Commensalism in an agroecosystem: hydraulic redistribution by deep-rooted legumes improves survival of a droughted shallow-rooted legume companion

We investigated commensalism of water use among annual shallow-rooted and perennial deep-rooted pasture legumes by examining the effect of hydraulic lift by Cullen pallidum (N.T.Burb.) J.W.Grimes and Medicago sativa on growth, survival and nutrient uptake of Trifolium subterraneum L. A vertically split-root design allowed separate control of soil water in top and bottom soil. Thirty-five days after watering ceased in the top tube, but soil remained at field capacity in the bottom tube, an increase in shallow soil water content by hydraulic lift was 5.6 and 5.9 g kg−1 soil overnight for C. pallidum and M. sativa, respectively. Trifolium subterraneum in this treatment maintained higher leaf water potentials (with M. sativa) or exhibited a slower decline (with C. pallidum) than without companion perennial plants; and shoot biomass of T. subterraneum was 56% (with C. pallidum) and 67% (with M. sativa) of that when both top and bottom tubes were at field capacity. Uptake of rubidium (a potassium analog) and phosphorus by T. subterraneum was not facilitated by hydraulic lift. Interestingly, phosphorus content was threefold greater, and shoot biomass 1.5–3.3-fold greater when T. subterraneum was interplanted with C. pallidum compared with M. sativa, although dry weight of C. pallidum was much greater than that of M. sativa. This study showed that interplanting with deep-rooted perennial legumes has benefited the survival of T. subterraneum.

Soil phosphorus supply affects nodulation and N:P ratio in 11 perennial legume seedlings

Developing new perennial pasture legumes for low-P soils is a priority for Australian Mediterranean agro-ecosystems, where soil P availability is naturally low. As legumes tend to require higher P inputs than non-legumes, the ability of these plants to fix N2 under varying soil P levels must be determined. Therefore, the objective of this study was to investigate the influence of soil P supply on plant N status and nodule formation in 11 perennial legumes, including some novel pasture species. We investigated the effect of applying soil P, ranging from 0 to 384 μg P/g dry soil, on plant N status and nodulation in a glasshouse. Without exogenous P supply, shoot N concentration and N : P ratio were higher than at 6 μg P/g soil. Shoot N concentration and N : P ratio then changed little with further increase in P supply. There was a close positive correlation between the number of nodules and shoot P concentration in 7 of the 11 species. Total nodule dry weight and the percentage of plant dry weight that consisted of nodules increased when P supply increased from 6 to 48 μg P/g. Without exogenous P addition, N : P ratios partitioned into a two-group distribution, with species having a N : P ratio of either >70 or <50 g/g. We suggest that plants with a high N : P ratio may take up N from the soil constitutively, while those with a low N : P ratio may regulate their N uptake in relation to internal P concentration. The flexibility of the novel pasture legumes in this study to adjust their leaf N concentrations under different levels of soil P supplements other published evidence of good growth and high P uptake and P-use efficiency under low soil P supply and suggests their potential as pasture plants in low-P soils in Australian Mediterranean agro-ecosystems warrants further attention.

Effects of selective logging on tropical forest tree growth

We combined measurements of tree growth and carbon dioxide exchange to investigate the effects of selective logging on the Aboveground Live Biomass (AGLB) of a tropical rain forest in the Amazon. Most of the measurements began at least 10 months before logging and continued at least 36 months after logging. The logging removed similar to 15% of the trees with Diameter at Breast Height (DBH) greater than 35 cm, which resulted in an instantaneous 10% reduction in AGLB. Both wood production and mortality increased following logging, while Gross Primary Production (GPP) was unchanged. The ratio of wood production to GPP (the wood Carbon Use Efficiency or wood CUE) more than doubled following logging. Small trees (10 cm < DBH < 35 cm) accounted for most of the enhanced wood production. Medium trees (35 cm < DBH < 55 cm) that were within 30 m of canopy gaps created by the logging also showed increased growth. The patterns of enhanced growth are most consistent with logging-induced increases in light availability. The AGLB continued to decline over the study, as mortality outpaced wood production. Wood CUE and mortality remained elevated throughout the 3 years of postlogging measurements. The future trajectory of AGLB and the forest`s carbon balance are uncertain, and will depend on how long it takes for heterotrophic respiration, mortality, and CUE to return to prelogging levels.

Doses e parcelamento de nitrogênio em alface

A alface é a hortaliça folhosa mais consumida no mundo. É uma rica fonte de vitaminas e sais minerais que está presente no cardápio diário de grande parte da população brasileira. O nitrogênio é o nutriente mais importante para a produção de alface. O excesso ou falta desse nutriente acarretam queda na produção e problemas de qualidade nutritiva, por excesso de nitrato. A dose recomendada de nitrogênio varia muito entre autores e órgãos oficiais. Uma parte do nitrogênio aplicado ao solo é perdida por lixiviação, contaminando os mananciais de água. Devido a isso é recomendada a sua aplicação em diversas etapas, cujo número também é variável nas recomendações. Este trabalho teve por objetivo determinar qual a dose de nitrogênio e seu modo de aplicação que proporcionam a maior produção, sem comprometer a qualidade da alface do tipo “lisa”, nas condições de clima e solo do município de Eldorado do Sul, região da Grande Porto Alegre, RS. Foram realizados dois estudos, um testando doses crescentes de nitrogênio sob a forma de uréia e o outro testando o parcelamento em diversas épocas do cultivo. Foram avaliados a produção de matéria fresca e seca, os teores de nitrogênio, amônio e nitrato no tecido seco, a extração e a eficiência do uso do fertilizante. Os resultados revelam que a dose de 200 kgha-1 foi a que proporcionou maior rendimento da cultura e que a dose de 400 kgha-1 diminui a produção. A extração de nitrogênio foi da ordem de 35,7 kgha-1 e os teores de nitrogênio, amônio e nitrato foram respectivamente de 2,45%; 651,7 mg.kg-1 e 153,6 mg.kg-1. O teor de nitrato na alface foi muito menor do que o considerado prejudicial a saúde humana. A eficiência do uso do fertilizante foi de 12,06% quando aplicado 200 kgha-1 de N em 3 épocas. A eficiência do uso do adubo foi aumentada em 26,35% com o parcelamento em 4 doses iguais de 50 kg ha-1, aplicadas no plantio e aos 15, 30 e 45 dias após, sem alterar a qualidade visual e nutricional da alface.

Cobrança pelo uso da água e o setor de saneamento no Estado de São Paulo

A partir dos objetivos propostos pelas políticas nacionais de saúde, ambientais e de saneamento básico buscou-se analisar os efeitos da cobrança pelo uso da água no setor de saneamento básico, visando identificar possíveis variações causadas por este instrumento econômico no acesso à água, na qualidade do produto ofertado e na qualidade do serviço prestado. Ainda, por se tratar de um serviço público, analisamos a performance técnica das empresas paulistas do setor de saneamento básico na prestação deste serviço por meio da metodologia Data Envelopment Analysis. Esta ferramenta resulta em um indicador de desempenho, com base na melhor relação input/output, ao estabelecer um ranking de eficiência médio a partir das práticas mais eficientes de cada unidade produtiva.

Integração de características de planta, de dossel e de solo para maior eficiência da adubação nitrogenada em cobertura em milho

O milho é um das culturas mais exigentes em nitrogênio (N). A sua aplicação na dose e época correta pode aumentar a sua eficiência de uso, diminuindo custos e danos ambientais. Foram estudadas características de planta, de dossel e de solo, como indicadores da disponibilidade de N no sistema solo-planta para predição da necessidade deste nutriente em cobertura em milho. Foram conduzidos cinco experimentos a campo e dois em casa de vegetação, nas estações de crescimento de 2002/03 e 2003/04, na Estação Experimental Agronômica e na Faculdade de Agronomia da UFRGS, em Eldorado do Sul e em Porto Alegre-RS, Brasil, respectivamente, e dois experimentos a campo no ano de 2004 no Estern Cereal and Oilseed Research Center, em Ottawa-Ontário, Canadá. Foram avaliadas, em diferentes locais e situações de manejo, características de planta, de dossel e de solo, citando-se: teores de nitrato, amônio e N mineral no solo e na folha; massa seca e área foliar da folha e da planta, teor e acúmulo de N na folha e na planta; teor relativo de clorofila na folha, medido pelo clorofilômetro, reflectância do dossel, medido por dois tipos de radiômetros e fluorescência da folha, medida pelo fluorômetro. Além disso, foram avaliados o rendimento de grãos e seus componentes e parâmetros de eficiência técnica e econômica de uso de N. Dentre as características de planta, o teor relativo de clorofila na folha, e dentre os de solo, o teor de nitrato no solo, destacaram-se entre os demais avaliados. Foram determinados níveis críticos e doses ótimas de N, bem como estabelecidas curvas de calibração para dois níveis de manejo com base nestas características para monitoramento da lavoura. No que diz respeito às características de dossel estudadas, a reflectância apresentou melhores resultados que a fluorescência como indicador do nível de N no sistema solo-planta. Os estudos realizados mostraram que dentre as caracteríticas avaliadas, atualmente, o teor relativo de clorofila na folha tem o maior potencial para auxiliar na determinação da época mais adequada para aplicação de N em cobertura em milho.

Integração de modelos espaciais e temporais para predições de níveis freáticos extremos

O objetivo deste trabalho foi avaliar cenários de níveis freáticos extremos, em bacia hidrográfica, por meio de métodos de análise espacial de dados geográficos. Avaliou-se a dinâmica espaço‑temporal dos recursos hídricos subterrâneos em área de afloramento do Sistema Aquífero Guarani. As alturas do lençol freático foram estimadas por meio do monitoramento de níveis em 23 piezômetros e da modelagem das séries temporais disponíveis de abril de 2004 a abril de 2011. Para a geração de cenários espaciais, foram utilizadas técnicas geoestatísticas que incorporaram informações auxiliares relativas a padrões geomorfológicos da bacia, por meio de modelo digital de terreno. Esse procedimento melhorou as estimativas, em razão da alta correlação entre altura do lençol e elevação, e agregou sentido físico às predições. Os cenários apresentaram diferenças quanto aos níveis considerados extremos - muito profundos ou muito superficiais - e podem subsidiar o planejamento, o uso eficiente da água e a gestão sustentável dos recursos hídricos na bacia.

Economic analysis of the intercropping of lettuce and tomato in different seasons under protected cultivation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Nutrição de micronutrientes em mudas de goiabeira em resposta ao uso de soluções nutritivas

The objective of this study was to evaluate the effect of different nutrient solutions oil the development and concentration of micronutrients ill guava cuttings. Two cultivars - Paluma and Seculo XXI - and four nutritional solutions were evaluated, using a factorial scheme (2x4) with three repetitions. At 90 days of hydroponic culture, dry mass and micronutrient nutrition in the cuttings were evaluated. The Paluma guava cuttings displayed greater development and nutritional requirements for boron, iron and manganese, as compared to cultivar Seculo M. The studied nutrient solutions did not affect accumulation, absorption or use efficiency of micronutrients in guava cuttings, except for copper and zinc, regardless of cultivar.

Produção de milho em plantio direto com adubação nitrogenada e cobertura do solo na pré-safra

A utilização de plantas de cobertura de solo em pré-safra é uma alternativa para fornecer nitrogênio (N) ao milho e viabilizar o sistema plantio direto nas Regiões Sudeste, Centro-Oeste, Norte e Nordeste, com inverno seco. Este estudo teve o objetivo de avaliar o efeito de doses de N e de espécies de plantas de cobertura, cultivadas em pré-safra, no fornecimento de N e na produtividade de milho em plantio direto. O delineamento experimental foi de blocos ao acaso, com parcelas subdivididas e quatro repetições. O estudo foi desenvolvido de 2000 a 2003. Os tratamentos principais foram constituídos de quatro sistemas de uso e manejo: milho em plantio direto após crotalária (PDcrot); milho em plantio direto após braquiária no primeiro ano e lablab nos dois últimos (PDlab); milho em plantio direto após milheto (PDmil); milho em plantio convencional após pousio (PC); e os secundários de três doses de N em cobertura para o milho (0, 60 e 120 kg ha-1). Foram avaliados, no milho, massa da matéria seca da parte aérea, produtividade de grãos, N acumulado e eficiência de utilização do N. A maior eficiência de utilização do N pelas plantas de milho ocorreu nos sistemas de plantio direto e crotalária em pré-safra e plantio convencional após pousio, que não diferiu entre os dois sistemas e foram superiores à dos sistemas de plantio direto em que foram utilizados lablab e milheto em pré-safra, que também não diferiram entre si. A máxima produtividade de grãos de milho foi de 7.259; 7.234; 6.723 e 6.461 kg ha-1, nas doses de N de 97,1; 120,0; 87,8 e 96,1 kg ha-1 nos sistemas plantio direto e crotalária, plantio convencional, plantio direto e lablab, e plantio direto e milheto em pré-safra, respectivamente (média dos três anos). No cultivo de milho em sistema de plantio direto a utilização de crotalária proporcionou maior produtividade em relação ao milheto e lablab em pré-safra.

Consórcio de milho e Brachiaria decumbens em diferentes preparos de solo

Preparos conservacionistas e sistemas de produção que visam à maximização sustentável do uso do solo e da água têm surgido como alternativas para regiões caracterizadas por períodos chuvosos relativamente curtos e temperaturas elevadas. O objetivo deste trabalho foi avaliar o sistema de consorciação entre milho e Brachiaria decumbens que melhor se adapte às condições edafoclimáticas da região da Zona da Mata do Estado de Alagoas. Os tratamentos consistiram de um híbrido de milho BRS3150, cultivado nos sistemas: Preparo Convencional, Cultivo Mínimo e Semeadura Direta (BRS3150 consorciado com Brachiaria decumbens). O delineamento utilizado foi o de blocos casualisados com parcelas subdivididas. Amostras de solo foram coletadas para análise química. Também foram avaliados os componentes da produção e produtividade de grãos de milho. Os diferentes preparos do solo e a presença de Brachiaria decumbens, no sistema de consócio com milho, não exerceram influência sobre os componentes da produção. Os resultados analisados permitem concluir que a presença da Brachiaria decumbens interferiu negativamente na produtividade dos grãos de milho, quando cultivado em sistema de consórcio, e as maiores produtividades foram obtidas nos sistemas conservacionistas.

The nitrogen sufficiency index underlying estimates of nitrogen fertilization requirements of common bean

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