Influence of climate variability and stocking strategies on greenhouse gas emissions (GHGE), production and profit of a northern Queensland beef cattle herd

Previous studies of greenhouse gas emissions (GHGE) from beef production systems in northern Australia have been based on models of ‘steady-state’ herd structures that do not take into account the considerable inter-annual variation in liveweight gain, reproduction and mortality rates that occurs due to seasonal conditions. Nor do they consider the implications of flexible stocking strategies designed to adapt these production systems to the highly variable climate. The aim of the present study was to quantify the variation in total GHGE (t CO2e) and GHGE intensity (t CO2e/t liveweight sold) for the beef industry in northern Australia when variability in these factors was considered. A combined GRASP–Enterprise modelling platform was used to simulate a breeding–finishing beef cattle property in the Burdekin River region of northern Queensland, using historical climate data from 1982–2011. GHGE was calculated using the method of Australian National Greenhouse Gas Inventory. Five different stocking-rate strategies were simulated with fixed stocking strategies at moderate and high rates, and three flexible stocking strategies where the stocking rate was adjusted annually by up to 5%, 10% or 20%, according to pasture available at the end of the growing season. Variation in total annual GHGE was lowest in the ‘fixed moderate’ (~9.5 ha/adult equivalent (AE)) stocking strategy, ranging from 3799 to 4471 t CO2e, and highest in the ‘fixed high’ strategy (~5.9 ha/AE), which ranged from 3771 to 7636 t CO2e. The ‘fixed moderate’ strategy had the least variation in GHGE intensity (15.7–19.4 t CO2e/t liveweight sold), while the ‘flexible 20’ strategy (up to 20% annual change in AE) had the largest range (10.5–40.8 t CO2e/t liveweight sold). Across the five stocking strategies, the ‘fixed moderate’ stocking-rate strategy had the highest simulated perennial grass percentage and pasture growth, highest average rate of liveweight gain (121 kg/steer), highest average branding percentage (74%) and lowest average breeding-cow mortality rate (3.9%), resulting in the lowest average GHGE intensity (16.9 t CO2e/t liveweight sold). The ‘fixed high’ stocking rate strategy (~5.9 ha/AE) performed the poorest in each of these measures, while the three flexible stocking strategies were intermediate. The ‘fixed moderate’ stocking strategy also yielded the highest average gross margin per AE carried and per hectare. These results highlight the importance of considering the influence of climate variability on stocking-rate management strategies and herd performance when estimating GHGE. The results also support a body of previous work that has recommended the adoption of moderate stocking strategies to enhance the profitability and ecological stability of beef production systems in northern Australia.

Rangeland profitability in the northern Gulf region of Queensland: understanding beef business complexity and the subsequent impact on land resource management and environmental outcomes

The farm-gate value of extensive beef production from the northern Gulf region of Queensland, Australia, is ~$150 million annually. Poor profitability and declining equity are common issues for most beef businesses in the region. The beef industry relies primarily on native pasture systems and studies continue to report a decline in the condition and productivity of important land types in the region. Governments and Natural Resource Management groups are investing significant resources to restore landscape health and productivity. Fundamental community expectations also include broader environmental outcomes such as reducing beef industry greenhouse gas emissions. Whole-of-business analysis results are presented from 18 extensive beef businesses (producers) to highlight the complex social and economic drivers of management decisions that impact on the natural resource and environment. Business analysis activities also focussed on improving enterprise performance. Profitability, herd performance and greenhouse emission benchmarks are documented and discussed.

Comparing fixed and flexible stocking as adaptations to inter-annual rainfall variability in the extensive beef industry of northern Australia

Many beef producers within the extensive cattle industry of northern Australia attempt to maintain a constant herd size from year-to-year (fixed stocking), whereas others adjust stock numbers to varying degrees annually in response to changes in forage supply. The effects of these strategies on pasture condition and cattle productivity cannot easily be assessed by grazing trials. Simulation studies, which include feedbacks of changes to pasture condition on cattle liveweight gain, can extend the results of grazing trials both spatially and temporally. They can compare a large number of strategies, over long periods of time, for a range of climate periods, at locations which differ markedly in climate. This simulation study compared the pasture condition and cattle productivity achieved by fixed stocking at the long-term carrying capacity with that of 55 flexible stocking strategies at 28 locations across Queensland and the Northern Territory. Flexible stocking strategies differed markedly in the degree they increased or decreased cattle stocking rates after good and poor pasture growing seasons, respectively. The 28 locations covered the full range in average annual rainfall and inter-annual rainfall variability experienced across northern Australia. Constrained flexibility, which limited increases in stocking rates after good growing seasons to 10% but decreased them by up to 20% after poor growing seasons, provides sustainable productivity gains for cattle producers in northern Australia. This strategy can improve pasture condition and increase cattle productivity relative to fixed stocking at the long-term carrying capacity, and its capacity to do this was greatest in the semiarid rangeland regions that contain the majority of beef cattle in northern Australia. More flexible stocking strategies, which also increased stocking rates after good growing seasons by only half as much as they decreased them after poor growing seasons, were equally sustainable and more productive than constrained flexibility, but are often impractical at property and industry scales. Strategies with the highest limits (e.g. 70%) for both annual increases and decreases in stocking rates could achieve higher cattle productivity, but this was at the expense of pasture condition and was not sustainable. Constrained flexible stocking, with a 10% limit for increases and a 20% limit for decreases in stocking rates annually, is a risk-averse adaptation to high and unpredictable rainfall variability for the extensive beef industry of northern Australia. © Australian Rangeland Society 2016.

Comparison of adhesion layers of gold on silicate glasses for SERS detection

Gold is one of the most widely used metals for building up plasmonic devices. Although slightly less efficient than silver for producing sharp resonance, its chemical properties make it one of the best choices for designing sensors. Sticking gold on a silicate glass substrate requires an adhesion layer, whose effect has to be taken into account. Traditionally, metals (Cr or Ti) or dielectric materials (TiO2 or Cr2O3 ) are deposited between the glass and the nanoparticle. Recently, indium tin oxide and (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTMS) were used as a new adhesion layer. The aim of this work is to compare these six adhesion layers for surface- enhanced Raman scattering sensors by numerical modeling. The near-field and the far-field optical responses of gold nanocylinders on the different adhesion layers are then calculated. It is shown that MPTMS leads to the highest field enhancement, slightly larger than other dielectric materials. We attributed this effect to the lower refractive index of MPTMS compared with the others.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.