The recent similarity hypotheses to describe water infiltration into homogeneous soils

A similarity hypothesis recently presented to describe horizontal infiltration into homogeneous soils, developed for coarse-textured soils like sieved marine sand, implies that the soil water retention function (h) is the mirror image of an extended Boltzmann transform function (2). A second hypothesis applicable to vertical infiltration suggests that the soil water retention function (h) is also the mirror image of the soil water profile (z). Using previously published infiltration data, we investigated whether these two similarity solutions successfully describe infiltration into two normal soils. Although the theory using the first similarity assumption adequately describes horizontal cumulative infiltration and infiltration rate into both soils, it fails to estimate soil water distributions measured between soil profiles. The second similarity solution for vertical infiltration into either soil completely fails to coincide with measured soil water distributions, cumulative infiltration and infiltration rate.

The recent similarity hypotheses to describe water infiltration into homogeneous soils

A similarity hypothesis recently presented to describe horizontal infiltration into homogeneous soils, developed for coarse-textured soils like sieved marine sand, implies that the soil water retention function (h) is the mirror image of an extended Boltzmann transform function (2). A second hypothesis applicable to vertical infiltration suggests that the soil water retention function (h) is also the mirror image of the soil water profile (z). Using previously published infiltration data, we investigated whether these two similarity solutions successfully describe infiltration into two normal soils. Although the theory using the first similarity assumption adequately describes horizontal cumulative infiltration and infiltration rate into both soils, it fails to estimate soil water distributions measured between soil profiles. The second similarity solution for vertical infiltration into either soil completely fails to coincide with measured soil water distributions, cumulative infiltration and infiltration rate.(AU)

Scaling to generalize a single solution of Richards' equation for soil water redistribution

Using scaling methods, a single solution of Richards' equation (RE) will suffice for numerous specific cases of water flow in unsaturated soils. In this study, a new method is developed to scale RE for the soil water redistribution process. Two similarity conditions are required: similarity in the shape of the soil water content profiles as well as of the water flux density curves. An advantage of this method is that it is not restricted to a specific soil hydraulic model - hence, all such models can be applied to RE. To evaluate the proposed method, various soil textures and initial conditions were considered. After the RE was solved numerically using the HYDRUS-1D model, the solutions were scaled. The scaled soil water content profiles were nearly invariant for medium- and fine-textured soils when the soil profile was not deeply wetted. The textural range of the soils in which the similarity conditions are held decreases as the initial conditions deal with a deeply wetted profile. Thus, the scaling performance was poor in such a condition. This limitation was more pronounced in the coarse-textured soils. Based on the scaling method, a procedure is suggested by which the solution of RE for a specific case can be used to approximate solutions for many other cases. Such a procedure reduces complicated numerical calculations and provides additional opportunities for solving the highly nonlinear RE as in the case of unsaturated water flow in soils.

Scaling to generalize a single solution of Richards' equation for soil water redistribution

Using scaling methods, a single solution of Richards' equation (RE) will suffice for numerous specific cases of water flow in unsaturated soils. In this study, a new method is developed to scale RE for the soil water redistribution process. Two similarity conditions are required: similarity in the shape of the soil water content profiles as well as of the water flux density curves. An advantage of this method is that it is not restricted to a specific soil hydraulic model - hence, all such models can be applied to RE. To evaluate the proposed method, various soil textures and initial conditions were considered. After the RE was solved numerically using the HYDRUS-1D model, the solutions were scaled. The scaled soil water content profiles were nearly invariant for medium- and fine-textured soils when the soil profile was not deeply wetted. The textural range of the soils in which the similarity conditions are held decreases as the initial conditions deal with a deeply wetted profile. Thus, the scaling performance was poor in such a condition. This limitation was more pronounced in the coarse-textured soils. Based on the scaling method, a procedure is suggested by which the solution of RE for a specific case can be used to approximate solutions for many other cases. Such a procedure reduces complicated numerical calculations and provides additional opportunities for solving the highly nonlinear RE as in the case of unsaturated water flow in soils.

Energy flow in castor bean (Ricinus communis L.) production systems

Although energy analysis is a way to evaluate the sustainability of production systems, this practice is not often used in the agribusiness. In this context, the castor bean (Ricinus communis L) is an agricultural crop not yet well studied despite its great potential in the Brazilian energetic scenario. This article aimed to evaluate the productive potential of the castor bean oil, using an energetic view applied to two management systems: low (System 1) and medium (System 2) technologies. The quantification of the used material fluxes was made converting these factors in energy units. The input energy fluxes were 3,170.6 MJ ha¹ and 10,366.0 MJ ha¹ for Systems 1 and 2, respectively. The energy balance of System 1 was 11,938.2 MJ ha¹ and that of System 2 16,296.5 MJ ha¹. The net energetic gain or the energy gain over the invested energy (EROI) of System 1 was 3.8 and of System 2, 2.6. Although presenting a greater energy demand and a lower EROI, System 2 had a greater energy balance, demonstrating a better viability of this cultivation system for the production of castor bean oil.

A análise energética é uma forma de se avaliar a sustentabilidade de um sistema produtivo, apesar de ainda pouco utilizada no setor agropecuário. Inserida neste setor encontra-se a produção da mamoneira (Ricinus communis L.), cultura ainda pouco estudada e que apresenta grande importância para o agronegócio brasileiro. Avaliou-se sob a ótica energética a produção potencial de óleo de mamona em dois sistemas de cultivo: com baixa (Sistema 1) e média (Sistema 2) tecnologias. Foi realizada a quantificação dos fluxos de materiais empregados nos dois sistemas de produção e conversão destes fatores em unidades de energia. Os fluxos de energia de entrada foram de 3.170,6 MJ ha¹ e 10.366 MJ ha¹ para os sistemas 1 e 2, respectivamente. O balanço de energia foi de 11.938,2 MJ ha¹ no sistema 1 e 16.296,5 MJ ha¹ no sistema 2. A lucratividade energética, retorno em energia sobre energia investida (EROI) do sistema 1 foi de 3,8 e no sistema 2 de 2,6. Apesar de apresentar uma maior demanda energética e menor EROI, o sistema 2 obteve maior balanço energético, demonstrando a maior viabilidade deste tipo de cultivo para a cultura da mamoneira.

Energy flow in castor bean (Ricinus communis L.) production systems

Although energy analysis is a way to evaluate the sustainability of production systems, this practice is not often used in the agribusiness. In this context, the castor bean (Ricinus communis L) is an agricultural crop not yet well studied despite its great potential in the Brazilian energetic scenario. This article aimed to evaluate the productive potential of the castor bean oil, using an energetic view applied to two management systems: low (System 1) and medium (System 2) technologies. The quantification of the used material fluxes was made converting these factors in energy units. The input energy fluxes were 3,170.6 MJ ha¹ and 10,366.0 MJ ha¹ for Systems 1 and 2, respectively. The energy balance of System 1 was 11,938.2 MJ ha¹ and that of System 2 16,296.5 MJ ha¹. The net energetic gain or the energy gain over the invested energy (EROI) of System 1 was 3.8 and of System 2, 2.6. Although presenting a greater energy demand and a lower EROI, System 2 had a greater energy balance, demonstrating a better viability of this cultivation system for the production of castor bean oil.

A análise energética é uma forma de se avaliar a sustentabilidade de um sistema produtivo, apesar de ainda pouco utilizada no setor agropecuário. Inserida neste setor encontra-se a produção da mamoneira (Ricinus communis L.), cultura ainda pouco estudada e que apresenta grande importância para o agronegócio brasileiro. Avaliou-se sob a ótica energética a produção potencial de óleo de mamona em dois sistemas de cultivo: com baixa (Sistema 1) e média (Sistema 2) tecnologias. Foi realizada a quantificação dos fluxos de materiais empregados nos dois sistemas de produção e conversão destes fatores em unidades de energia. Os fluxos de energia de entrada foram de 3.170,6 MJ ha¹ e 10.366 MJ ha¹ para os sistemas 1 e 2, respectivamente. O balanço de energia foi de 11.938,2 MJ ha¹ no sistema 1 e 16.296,5 MJ ha¹ no sistema 2. A lucratividade energética, retorno em energia sobre energia investida (EROI) do sistema 1 foi de 3,8 e no sistema 2 de 2,6. Apesar de apresentar uma maior demanda energética e menor EROI, o sistema 2 obteve maior balanço energético, demonstrando a maior viabilidade deste tipo de cultivo para a cultura da mamoneira.

General procedure to initialize the cyclic soil water balance by the Thornthwaite and Mather method

The original Thornthwaite and Mather method, proposed in 1955 to calculate a climatic monthly cyclic soil water balance, is frequently used as an iterative procedure due to its low input requirements and coherent estimates of water balance components. Using long term data sets to establish a characteristic water balance of a location, the initial soil water storage is generally assumed to be at field capacity at the end of the last month of the wet season, unless the climate is (semi-) arid when the soil water storage is lower than the soil water holding capacity. To close the water balance, several iterations might be necessary, which can be troublesome in many situations. For (semi-) arid climates with one dry season, Mendonça derived in 1958 an equation to quantify the soil water storage monthly at the end of the last month of the wet season, which avoids iteration procedures and closes the balance in one calculation. The cyclic daily water balance application is needed to obtain more accurate water balance output estimates. In this note, an equation to express the water storage for the case of the occurrence of more than one dry season per year is presented as a generalization of Mendonça's equation, also avoiding iteration procedures.

O método original de Thornthwaite e Mather, proposto em 1955 para calcular o balanço hídrico semanal, é utilizado com freqüência devido à baixa exigência de dados de entrada e da obtenção de estimativas coerentes dos parâmetros do balanço. Como valor inicial para o início dos cálculos, geralmente assume-se que o armazenamento de água encontra-se na capacidade de campo ao fim do último mês da estação chuvosa. Ele será menor que a capacidade de campo em casos de climas áridos e semi-áridos. Para fechar o balanço, muitos ciclos iterativos podem ser necessários, o que pode ser complicado em muitas situações. Para climas áridos e semi-áridos com apenas uma estação seca, Mendonça desenvolveu em 1958 uma equação para quantificar o armazenamento no último mês da estação chuvosa, que permite fechar o balanço em um ciclo apenas. O balanço hídrico diário torna-se necessário para se obter estimativa de saídas mais precisas. Nessa nota, é apresentada uma rotina para expressar o armazenamento de água para o caso da ocorrência de mais de uma estação seca, uma situação que é bastante relevante quando é feito o balanço em escala diária, em regiões áridas e semi-áridas.

General procedure to initialize the cyclic soil water balance by the Thornthwaite and Mather method

The original Thornthwaite and Mather method, proposed in 1955 to calculate a climatic monthly cyclic soil water balance, is frequently used as an iterative procedure due to its low input requirements and coherent estimates of water balance components. Using long term data sets to establish a characteristic water balance of a location, the initial soil water storage is generally assumed to be at field capacity at the end of the last month of the wet season, unless the climate is (semi-) arid when the soil water storage is lower than the soil water holding capacity. To close the water balance, several iterations might be necessary, which can be troublesome in many situations. For (semi-) arid climates with one dry season, Mendonça derived in 1958 an equation to quantify the soil water storage monthly at the end of the last month of the wet season, which avoids iteration procedures and closes the balance in one calculation. The cyclic daily water balance application is needed to obtain more accurate water balance output estimates. In this note, an equation to express the water storage for the case of the occurrence of more than one dry season per year is presented as a generalization of Mendonça's equation, also avoiding iteration procedures.

O método original de Thornthwaite e Mather, proposto em 1955 para calcular o balanço hídrico semanal, é utilizado com freqüência devido à baixa exigência de dados de entrada e da obtenção de estimativas coerentes dos parâmetros do balanço. Como valor inicial para o início dos cálculos, geralmente assume-se que o armazenamento de água encontra-se na capacidade de campo ao fim do último mês da estação chuvosa. Ele será menor que a capacidade de campo em casos de climas áridos e semi-áridos. Para fechar o balanço, muitos ciclos iterativos podem ser necessários, o que pode ser complicado em muitas situações. Para climas áridos e semi-áridos com apenas uma estação seca, Mendonça desenvolveu em 1958 uma equação para quantificar o armazenamento no último mês da estação chuvosa, que permite fechar o balanço em um ciclo apenas. O balanço hídrico diário torna-se necessário para se obter estimativa de saídas mais precisas. Nessa nota, é apresentada uma rotina para expressar o armazenamento de água para o caso da ocorrência de mais de uma estação seca, uma situação que é bastante relevante quando é feito o balanço em escala diária, em regiões áridas e semi-áridas.

Spatial variability of soil hydraulic properties on a steep slope in the loess plateau of China

The understanding of the structure of the spatial variability of soil surface hydraulic properties on steep slopes is important for modeling infiltration and runoff processes. The objective of this study was to investigate the spatial variability of these properties on a steep slope of the Loess Plateau in northwest China. A 9600 m² area was systematically sampled in a grid of 106 points spaced 10 m x 10 m. Hydraulic properties were determined with a disc infiltrometer under multiple pressure heads (-15, -9, -6, -3, 0 cm) at each sample point. Classical and geo-statistical methods were used for data analysis. The results indicated that the variation of Gardner's a and hydraulic conductivities at all applied pressure heads was moderate and the heterogeneity for hydraulic conductivities increased as the applied pressure head increased. Along the slope, hydraulic conductivities generally decreased downwards, while the Gardner's a fluctuated slightly. The Gardner's a of the shaded aspect of the slope was greater than that of the sunny aspect. The hydraulic conductivities of the shaded aspect were greater at higher pressure heads as compared to the sunny aspect, but lower than those of the sunny aspect at lower pressure heads. Correlation analysis showed a negative correlation between hydraulic conductivity and soil organic matter and clay ( 0.01 mm) contents. Hydraulic conductivities at pressure heads of -3, -6, -9, -15 cm varied across the slope and their spatial dependence increased as the pressure head declined. The heterogeneity and spatial dependence of hydraulic properties were larger for the areas with shaded aspect as compared to the sunny aspect, however, as pressure decreased they showed a progressively increasing spatial structure, and their spatial structure behaved increasingly similar in both the shaded and sunny aspects.

A compreensão da estrutura da variabilidade especial das propriedades hidráulicas do solo de encostas íngremes é importante na modelagem dos processos de infiltração e de escoamento superficial da água. O objetivo deste estudo foi investigar a variabilidade destas propriedades em uma encosta íngreme do "Loess Plateau" do noroeste da China. Uma área de 9600 m² foi sistematicamente amostrada em um grid de 106 pontos espaçados de 10 m x 10 m. As propriedades hídricas foram determinadas com um infiltrômetro de disco operando sob múltiplas cargas hidráulicas (-15, -9, -6, -3, 0 cm) em cada ponto de observação. Métodos clássicos e geoestatísticos foram empregados na análise dos dados. Os resultados mostraram que a variação do índice a de Gardner e das condutividades hidráulicas em todas as cargas aplicadas foi moderada e que a heterogeneidade das condutividades hidráulicas aumentou à medida que a carga hidráulica aumentava. Na direção do declive, as condutividades geralmente decresceram a jusante, enquanto os a de Gardner flutuavam moderadamente. Os a de Gardner das encostas sombreadas foram maiores do que os das encostas ensolaradas. As condutividades hidráulicas das encostas sombreadas foram maiores para cargas hidráulicas maiores em comparação com as encostas ensolaradas, mas menores que as das encostas ensolaradas para cargas hidráulicas menores. A análise de correlação mostrou uma correlação negativa entre a condutividade hidráulica e os teores de matéria orgânica e argila ( 0.01 mm). As condutividades hidráulicas sob cargas de -3, -6, -9, -15 cm variaram em toda encosta e suas dependências espaciais aumentaram à medida que a carga diminuía. A heterogeneidade e a dependência espacial das propriedades hídricas foram maiores para as áreas em encostas sombreadas em comparação com as encostas ensolaradas, entretanto, à medida que a carga hidráulica decrescia, elas apresentaram progressivamente uma estrutura especial mais intensa, e esta estrutura se comportou cada vez mais similar para as encostas sombreadas e ensolaradas.

Soil water content temporal-spatial variability of the surface layer of a Loess Plateau hillside in China

Surface soil moisture exhibits an important variability in terms of spatial and temporal domains, which may result in critical uncertainties for agricultural water management. The purposes of this study were (i) to characterize the temporal dynamics and stability of the spatial variability of the surface 0-6 cm soil water content on a hill-slope; (ii) to investigate issues related to soil moisture conditions including dominating factors on soil moisture and to the estimation of the mean . During a period of more than one month was measured on thirteen days by Frequency Domain Reflectometry using a 10 x 10 m grid of measurement points covering a 60 x 280 m domain within a hill-slope of the Loess Plateau in China. Soil water content exhibited a moderate variability for each measurement date, and the correlation length (l) for ranged from 8.4 to 27.7 m. With the soil becoming drier, l decreased, the CV% and the sampling number for accurate mean estimation increased. Aspect, elevation, organic matter content, clay content, and bulk density were the main influencing factors, whose extent of influence weakened with decreasing . Based on time stability analysis and on the correlation of mean relative difference of with the relative difference of dominating factors, mean q values were well estimated, with a better accuracy under wetter conditions.

A umidade da camada superficial do solo apresenta uma variabilidade importante nos domínios espacial e temporal, que pode levar a incertezas críticas para o manejo agrícola da água. Os objetivos deste estudo incluíram: (i) a caracterização da dinâmica temporal e da estabilidade da variabilidade espacial da umidade da camada 0-6 cm em uma encosta em declive; (ii) investigação de parâmetros ligados às condições de umidade, incluindo fatores dominantes da umidade na estimativa de um valor médio de q. Durante um período de mais de um mês, q foi medida em 13 dias com auxílio da técnica da Refletometria do Domínio da Frequência, em uma grade de 10 x 10 cm, cobrindo uma área de 60 x 280 m, situada em uma encosta do "Loess Plateau" da China. A umidade do solo apresentou variabilidade moderada em cada data de medida e o alcance da correlação (l) para q variou de 8,4 a 27,7 m. Com o solo mais seco, l decresceu, o CV% e o número de amostras necessário para obter uma média precisa, aumentaram. O aspecto, a elevação, o conteúdo de matéria orgânica e a densidade do solo foram os principais fatores interferentes na umidade, cuja intensidade de influência diminuiu com a umidade. Baseado na análise de estabilidade temporal e na correlação da diferença relativa média de com a diferença relativa média dos fatores dominantes, valores médios de q puderam ser mais bem estimados, com maior precisão sobre condições mais úmidas.

Soil water content temporal-spatial variability of the surface layer of a Loess Plateau hillside in China

Surface soil moisture exhibits an important variability in terms of spatial and temporal domains, which may result in critical uncertainties for agricultural water management. The purposes of this study were (i) to characterize the temporal dynamics and stability of the spatial variability of the surface 0-6 cm soil water content on a hill-slope; (ii) to investigate issues related to soil moisture conditions including dominating factors on soil moisture and to the estimation of the mean . During a period of more than one month was measured on thirteen days by Frequency Domain Reflectometry using a 10 x 10 m grid of measurement points covering a 60 x 280 m domain within a hill-slope of the Loess Plateau in China. Soil water content exhibited a moderate variability for each measurement date, and the correlation length (l) for ranged from 8.4 to 27.7 m. With the soil becoming drier, l decreased, the CV% and the sampling number for accurate mean estimation increased. Aspect, elevation, organic matter content, clay content, and bulk density were the main influencing factors, whose extent of influence weakened with decreasing . Based on time stability analysis and on the correlation of mean relative difference of with the relative difference of dominating factors, mean q values were well estimated, with a better accuracy under wetter conditions.

A umidade da camada superficial do solo apresenta uma variabilidade importante nos domínios espacial e temporal, que pode levar a incertezas críticas para o manejo agrícola da água. Os objetivos deste estudo incluíram: (i) a caracterização da dinâmica temporal e da estabilidade da variabilidade espacial da umidade da camada 0-6 cm em uma encosta em declive; (ii) investigação de parâmetros ligados às condições de umidade, incluindo fatores dominantes da umidade na estimativa de um valor médio de q. Durante um período de mais de um mês, q foi medida em 13 dias com auxílio da técnica da Refletometria do Domínio da Frequência, em uma grade de 10 x 10 cm, cobrindo uma área de 60 x 280 m, situada em uma encosta do "Loess Plateau" da China. A umidade do solo apresentou variabilidade moderada em cada data de medida e o alcance da correlação (l) para q variou de 8,4 a 27,7 m. Com o solo mais seco, l decresceu, o CV% e o número de amostras necessário para obter uma média precisa, aumentaram. O aspecto, a elevação, o conteúdo de matéria orgânica e a densidade do solo foram os principais fatores interferentes na umidade, cuja intensidade de influência diminuiu com a umidade. Baseado na análise de estabilidade temporal e na correlação da diferença relativa média de com a diferença relativa média dos fatores dominantes, valores médios de q puderam ser mais bem estimados, com maior precisão sobre condições mais úmidas.

Spatial variability of soil hydraulic properties on a steep slope in the loess plateau of China

The understanding of the structure of the spatial variability of soil surface hydraulic properties on steep slopes is important for modeling infiltration and runoff processes. The objective of this study was to investigate the spatial variability of these properties on a steep slope of the Loess Plateau in northwest China. A 9600 m² area was systematically sampled in a grid of 106 points spaced 10 m x 10 m. Hydraulic properties were determined with a disc infiltrometer under multiple pressure heads (-15, -9, -6, -3, 0 cm) at each sample point. Classical and geo-statistical methods were used for data analysis. The results indicated that the variation of Gardner's a and hydraulic conductivities at all applied pressure heads was moderate and the heterogeneity for hydraulic conductivities increased as the applied pressure head increased. Along the slope, hydraulic conductivities generally decreased downwards, while the Gardner's a fluctuated slightly. The Gardner's a of the shaded aspect of the slope was greater than that of the sunny aspect. The hydraulic conductivities of the shaded aspect were greater at higher pressure heads as compared to the sunny aspect, but lower than those of the sunny aspect at lower pressure heads. Correlation analysis showed a negative correlation between hydraulic conductivity and soil organic matter and clay ( 0.01 mm) contents. Hydraulic conductivities at pressure heads of -3, -6, -9, -15 cm varied across the slope and their spatial dependence increased as the pressure head declined. The heterogeneity and spatial dependence of hydraulic properties were larger for the areas with shaded aspect as compared to the sunny aspect, however, as pressure decreased they showed a progressively increasing spatial structure, and their spatial structure behaved increasingly similar in both the shaded and sunny aspects.

A compreensão da estrutura da variabilidade especial das propriedades hidráulicas do solo de encostas íngremes é importante na modelagem dos processos de infiltração e de escoamento superficial da água. O objetivo deste estudo foi investigar a variabilidade destas propriedades em uma encosta íngreme do "Loess Plateau" do noroeste da China. Uma área de 9600 m² foi sistematicamente amostrada em um grid de 106 pontos espaçados de 10 m x 10 m. As propriedades hídricas foram determinadas com um infiltrômetro de disco operando sob múltiplas cargas hidráulicas (-15, -9, -6, -3, 0 cm) em cada ponto de observação. Métodos clássicos e geoestatísticos foram empregados na análise dos dados. Os resultados mostraram que a variação do índice a de Gardner e das condutividades hidráulicas em todas as cargas aplicadas foi moderada e que a heterogeneidade das condutividades hidráulicas aumentou à medida que a carga hidráulica aumentava. Na direção do declive, as condutividades geralmente decresceram a jusante, enquanto os a de Gardner flutuavam moderadamente. Os a de Gardner das encostas sombreadas foram maiores do que os das encostas ensolaradas. As condutividades hidráulicas das encostas sombreadas foram maiores para cargas hidráulicas maiores em comparação com as encostas ensolaradas, mas menores que as das encostas ensolaradas para cargas hidráulicas menores. A análise de correlação mostrou uma correlação negativa entre a condutividade hidráulica e os teores de matéria orgânica e argila ( 0.01 mm). As condutividades hidráulicas sob cargas de -3, -6, -9, -15 cm variaram em toda encosta e suas dependências espaciais aumentaram à medida que a carga diminuía. A heterogeneidade e a dependência espacial das propriedades hídricas foram maiores para as áreas em encostas sombreadas em comparação com as encostas ensolaradas, entretanto, à medida que a carga hidráulica decrescia, elas apresentaram progressivamente uma estrutura especial mais intensa, e esta estrutura se comportou cada vez mais similar para as encostas sombreadas e ensolaradas.

Comparison between climatological and field water balances for a coffee crop

The use of climatological water balances in substitution to complete water balances directly measured in the field allows a more practical crop management, since the climatological water balances are based on data monitored as a routine. This study makes a comparison between these methods in terms of estimatives of evapotranspiration, soil water storage, soil available water, runoff losses, and drainage below root zone, during a two year period, taking as an example a coffee crop of the variety Catuaí, three to five years old. Climatological water balances based on the estimation of the evapotranspiration through the methods of Thornthwaite and Penman-Monteith, can reasonably substitute field measured balances, however underestimating the above mentioned variables.

A utilização de balanços hídricos climatológicos em substituição aos balanços hídricos completos e medidos diretamente no campo permite um manejo da cultura de forma mais prática, pois os balanços hídricos climatológicos se baseiam em dados coletados rotineiramente. Foi feita comparação entre estes balanços em termos de estimativas de evapotranspiração, armazenamento de água no solo, capacidade de água disponível, perdas por escoamento superficial e drenagem profunda, por um período de dois anos, tomando como exemplo a cultura de café, variedade Catuaí, de três a cinco anos de idade. Os balanços hídricos climatológicos baseados na estimativa da evapotranspiração pelos métodos de Thornthwaite e Penman-Monteith substituem razoavelmente as medidas de campo, porém subestimando as variáveis mencionadas.

Comparison between climatological and field water balances for a coffee crop

The use of climatological water balances in substitution to complete water balances directly measured in the field allows a more practical crop management, since the climatological water balances are based on data monitored as a routine. This study makes a comparison between these methods in terms of estimatives of evapotranspiration, soil water storage, soil available water, runoff losses, and drainage below root zone, during a two year period, taking as an example a coffee crop of the variety Catuaí, three to five years old. Climatological water balances based on the estimation of the evapotranspiration through the methods of Thornthwaite and Penman-Monteith, can reasonably substitute field measured balances, however underestimating the above mentioned variables.

A utilização de balanços hídricos climatológicos em substituição aos balanços hídricos completos e medidos diretamente no campo permite um manejo da cultura de forma mais prática, pois os balanços hídricos climatológicos se baseiam em dados coletados rotineiramente. Foi feita comparação entre estes balanços em termos de estimativas de evapotranspiração, armazenamento de água no solo, capacidade de água disponível, perdas por escoamento superficial e drenagem profunda, por um período de dois anos, tomando como exemplo a cultura de café, variedade Catuaí, de três a cinco anos de idade. Os balanços hídricos climatológicos baseados na estimativa da evapotranspiração pelos métodos de Thornthwaite e Penman-Monteith substituem razoavelmente as medidas de campo, porém subestimando as variáveis mencionadas.

Growth, development, and fertilizer-15N recovery by the coffee plant

The relationship between growth and fertilizer nitrogen recovery by perenial crops such as coffee is poorly understood and improved understanding of such relations is important for the establishment of rational crop management practices. In order to characterize the growth of a typical coffee crop in Brazil and quantify the recovery of 15N labeled ammonium sulfate, and improve information for fertilizer management practices this study presents results for two consecutive cropping years, fertilized with 280 and 350 kg ha-1 of N, respectively, applied in four splittings, using five replicates. Shoot dry matter accumulation was evaluated every 60 days, separating plants into branches, leaves and fruits. Labeled sub-plots were used to evaluate N-total and 15N abundance by mass spectrometry. During the first year the aerial part reached a recovery of 71% of the fertilizer N applied up to February, but this value was reduced to 34% at harvest and 19% at the beginning of the next flowering period due to leaf fall and fruit export. For the second year the aerial part absorbed 36% of the fertilizer N up to March, 47% up to harvest and 19% up to the beginning of the next flowering period. The splitting into four applications of the used fertilizer rates was adequate for the requirements of the crop at these growth stages of the coffee crop.

A relação entre o crescimento e a recuperação do N do fertilizante aplicado a culturas perenes como a do café não é bem conhecida e é um passo chave para o estabelecimento de práticas culturais racionais. Para caracterizar o crescimento de uma cultura típica de café do Brasil, quantificar a recuperação do sulfato de amônio marcado com 15N e contribuir para a melhoria das práticas de manejo de fertilizantes, este estudo apresenta dados para dois anos agrícolas consecutivos, com fertilização de 280 e 350 kg ha-1 de N, respectivamente, aplicados em quatro vezes, utilizando cinco repetições. O acúmulo de matéria seca pela parte aérea foi medido a cada 60 dias separando as diferentes partes da planta em ramos, folhas e frutos. Subparcelas marcadas com 15N foram utilizadas para determinar as concentrações de 15N e N-total por espectrometria de massa. A parte aérea da planta durante o 1º ano chegou a absorver 71% do N do adubo aplicado até fevereiro, mas esta porcentagem se reduziu até 34% na época da colheita e até 19% no início da nova floração. No 2º ano a parte aérea chegou a absorver 36% do N do adubo até março, 47% na colheita e 19% no início da próxima floração. As doses aplicadas (280 kg ha-1 de N no 1º ano e 350 kg ha-1 no 2º ano, ambos parcelados em quatro vezes) foram adequadas neste estágio de crescimento da cultura.

Growth, development, and fertilizer-15N recovery by the coffee plant

The relationship between growth and fertilizer nitrogen recovery by perenial crops such as coffee is poorly understood and improved understanding of such relations is important for the establishment of rational crop management practices. In order to characterize the growth of a typical coffee crop in Brazil and quantify the recovery of 15N labeled ammonium sulfate, and improve information for fertilizer management practices this study presents results for two consecutive cropping years, fertilized with 280 and 350 kg ha-1 of N, respectively, applied in four splittings, using five replicates. Shoot dry matter accumulation was evaluated every 60 days, separating plants into branches, leaves and fruits. Labeled sub-plots were used to evaluate N-total and 15N abundance by mass spectrometry. During the first year the aerial part reached a recovery of 71% of the fertilizer N applied up to February, but this value was reduced to 34% at harvest and 19% at the beginning of the next flowering period due to leaf fall and fruit export. For the second year the aerial part absorbed 36% of the fertilizer N up to March, 47% up to harvest and 19% up to the beginning of the next flowering period. The splitting into four applications of the used fertilizer rates was adequate for the requirements of the crop at these growth stages of the coffee crop.

A relação entre o crescimento e a recuperação do N do fertilizante aplicado a culturas perenes como a do café não é bem conhecida e é um passo chave para o estabelecimento de práticas culturais racionais. Para caracterizar o crescimento de uma cultura típica de café do Brasil, quantificar a recuperação do sulfato de amônio marcado com 15N e contribuir para a melhoria das práticas de manejo de fertilizantes, este estudo apresenta dados para dois anos agrícolas consecutivos, com fertilização de 280 e 350 kg ha-1 de N, respectivamente, aplicados em quatro vezes, utilizando cinco repetições. O acúmulo de matéria seca pela parte aérea foi medido a cada 60 dias separando as diferentes partes da planta em ramos, folhas e frutos. Subparcelas marcadas com 15N foram utilizadas para determinar as concentrações de 15N e N-total por espectrometria de massa. A parte aérea da planta durante o 1º ano chegou a absorver 71% do N do adubo aplicado até fevereiro, mas esta porcentagem se reduziu até 34% na época da colheita e até 19% no início da nova floração. No 2º ano a parte aérea chegou a absorver 36% do N do adubo até março, 47% na colheita e 19% no início da próxima floração. As doses aplicadas (280 kg ha-1 de N no 1º ano e 350 kg ha-1 no 2º ano, ambos parcelados em quatro vezes) foram adequadas neste estágio de crescimento da cultura.

Neural network and state-space models for studying relationships among soil properties

The study of soil property relationships is of great importance in agronomy aiming for a rational management of environmental resources and an improvement of agricultural productivity. Studies of this kind are traditionally performed using static regression models, which do not take into account the involved spatial structure. This work has the objective of evaluating the relation between a time-consuming and "expensive" variable (like soil total nitrogen) and other simple, easier to measure variables (as for instance, soil organic carbon, pH, etc.). Two important classes of models (linear state-space and neural networks) are used for prediction and compared with standard uni- and multivariate regression models, used as reference. For an oat crop cultivated area, situated in Jaguariuna, SP, Brazil (22º41' S, 47º00' W) soil samples of a Typic Haplustox were collected from the plow layer at points spaced 2 m apart along a 194 m spatial transect. Recurrent neural networks and standard state-space models had a better predictive performance of soil total nitrogen as compared to the standard regression models. Among the standard regression models the Vector Auto-Regression model had a better predictive performance for soil total nitrogen.

O estudo da relação entre as propriedades do solo é de grande importância na área agronômica objetivando um manejo racional dos recursos naturais do meio ambiente e um aumento na produtividade agrícola. Tradicionalmente este estudo tem sido realizado usando modelos de regressão estática os quais não levam em consideração a estrutura espacial envolvida. Este trabalho teve o objetivo de avaliar a relação entre uma variável de determinação mais cara e demorada (por exemplo, nitrogênio total do solo) e outras de mais barata e rápida determinação (p.e., carbono orgânico do solo, pH, etc.). Duas importantes classes de modelos (espaço de estados linear e redes neurais) são usadas para predição e comparadas aos modelos de regressão uni- e multivariados aqui usados como referência. Para tal, em uma área experimental cultivada com aveia, situada em Jaguariúna, SP (22º41' S e 47º00' W), amostras de um solo classificado como Latossolo foram coletadas na camada arável ao longo de uma transeção espacial de 194 m, eqüidistantes de 2 m. Os modelos de rede neural recorrente e de espaço de estados padrão tiveram uma melhor performance preditiva da variável nitrogênio total do solo quando comparados aos modelos de regressão padrão. Entre os modelos de regressão padrão o Autoregressivo Vetorial teve um melhor desempenho preditivo da variável nitrogênio total do solo.

Neural network and state-space models for studying relationships among soil properties

The study of soil property relationships is of great importance in agronomy aiming for a rational management of environmental resources and an improvement of agricultural productivity. Studies of this kind are traditionally performed using static regression models, which do not take into account the involved spatial structure. This work has the objective of evaluating the relation between a time-consuming and "expensive" variable (like soil total nitrogen) and other simple, easier to measure variables (as for instance, soil organic carbon, pH, etc.). Two important classes of models (linear state-space and neural networks) are used for prediction and compared with standard uni- and multivariate regression models, used as reference. For an oat crop cultivated area, situated in Jaguariuna, SP, Brazil (22º41' S, 47º00' W) soil samples of a Typic Haplustox were collected from the plow layer at points spaced 2 m apart along a 194 m spatial transect. Recurrent neural networks and standard state-space models had a better predictive performance of soil total nitrogen as compared to the standard regression models. Among the standard regression models the Vector Auto-Regression model had a better predictive performance for soil total nitrogen.

O estudo da relação entre as propriedades do solo é de grande importância na área agronômica objetivando um manejo racional dos recursos naturais do meio ambiente e um aumento na produtividade agrícola. Tradicionalmente este estudo tem sido realizado usando modelos de regressão estática os quais não levam em consideração a estrutura espacial envolvida. Este trabalho teve o objetivo de avaliar a relação entre uma variável de determinação mais cara e demorada (por exemplo, nitrogênio total do solo) e outras de mais barata e rápida determinação (p.e., carbono orgânico do solo, pH, etc.). Duas importantes classes de modelos (espaço de estados linear e redes neurais) são usadas para predição e comparadas aos modelos de regressão uni- e multivariados aqui usados como referência. Para tal, em uma área experimental cultivada com aveia, situada em Jaguariúna, SP (22º41' S e 47º00' W), amostras de um solo classificado como Latossolo foram coletadas na camada arável ao longo de uma transeção espacial de 194 m, eqüidistantes de 2 m. Os modelos de rede neural recorrente e de espaço de estados padrão tiveram uma melhor performance preditiva da variável nitrogênio total do solo quando comparados aos modelos de regressão padrão. Entre os modelos de regressão padrão o Autoregressivo Vetorial teve um melhor desempenho preditivo da variável nitrogênio total do solo.

Field spatial and temporal patterns of soil water content and bulk density changes

Soil water content (theta) and bulk density (rhos) greatly influence important soil and plant processes, such as water movement, soil compaction, soil aeration, and plant root system development. Spatial and temporal variability of theta and rhos during different periods of the year and different phases of crops are of fundamental interest. This work involves the characterization of spatial and temporal patterns of theta and rhos during different climatic periods of year, aiming to verify whether there are significant temporal changes in rhos at the soil surface layer when submitted to wetting and drying cycles. The field experiment was carried out in a coffee plantation, Rhodic Kandiudalf soil, clayey texture. Using a neutron/gamma surface probe, theta and rhos were measured meter by meter along a 200 m spatial transect, along an interrow contour line. During the wet period there was no difference of spatial patterns of theta while during the dry period differences were observed, and can be associated to precipitation events. It was also observed that there are rhos temporal changes at the soil surface along the studied period as a consequence of the in situ wetting and drying cycles.

Umidade (teta) e densidade do solo (ros) influenciam importantes processos no solo e planta tais como: movimento de água, compactação do solo, aeração do solo e desenvolvimento radicular. Baseado neste fato, questões referentes à variabilidade espacial e temporal de teta e ros para diferentes períodos do ano e diferentes fases de desenvolvimento da cultura do café tornam-se de extremo interesse. Este trabalho teve como objetivo caracterizar padrões espaciais e temporais de teta e ros durante diferentes períodos do ano e verificar se existem mudanças temporais significativas de ros na superfície do solo quando submetida a ciclos de umedecimento/secagem. O experimento foi conduzido em campo cultivado com café em um solo classificado como Nitossolo Vermelho Eutrófico. O experimento iniciou-se em maio de 2001 com espaçamento de 1,75 m entre linhas e 0,75 m entre plantas. Medidas de teta e ros foram feitas metro a metro ao longo de 200 m usando uma sonda de superfície nêutron/gama. Durante o período úmido não houve padrões de diferença espacial para teta, enquanto que para o período seco o contrário foi observado. Estes padrões podem ser associados a eventos de precipitação alterando a estrutura de correlação espacial para observações adjacentes de teta. Para ros existem mudanças temporais na superfície do solo ao longo do período estudado como uma conseqüência dos ciclos de umedecimento/secagem no campo.

Variability of water balance components in a coffee crop in Brazil

Establishing field water balances is difficult and costly, the variability of their components being the major problem to obtain reliable results. This component variability is presented herein for a coffee crop grown in the Southern Hemisphere, on a tropical soil with 10% slope. It was observed that: rainfall has to be measured with an appropriate number of replicates; irrigation can introduce great variability into calculations; evapotranspiration, calculated as a remainder of the water balance equation, has exceedingly high coefficients of variation; the soil water storage component is the major contributor in error propagation calculations to estimate evapotranspiration; and that runoff can be satisfactorily controlled on the 10% slope through crop management practices.

O estabelecimento de balanços hídricos no campo é difícil e dispendioso, sendo a variabilidade de seus componentes o maior problema para se obter resultados confiáveis. Esta variabilidade dos componentes é aqui apresentada para uma cultura de café desenvolvida no hemisfério sul, em um solo tropical com 10% de declividade. Foi observado que a chuva deve ser medida com número apropriado de repetições; a irrigação pode introduzir grande variabilidade dos cálculos; a evapotranspiração calculada a partir da equação do balanço hídrico tem coeficientes de variação muito altos; o componente armazenamento de água no solo é o que mais contribui na propagação dos erros; e que a enxurrada pode ser satisfatoriamente controlada nesse declive de 10% por meio de práticas de manejo.