Resumo
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.
Resumo
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.
Resumo
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.
Resumo
The interaction soil-plant was evaluated using a state space approach (dynamic model) comparatively to a static regression model using both, standard and sequential estimations. Experimental soil data consisted of bulk density, macroporosity, microporosity and porosity of a dark red latosol, and plant data of root density in length per unit volume, of a forage-oat crop. Among these, only soil porosity had a good correlation with the root system density, which is the response variable of this study. A static regression model written in the state space form with a sequential estimation, gave a R² coefficient of 0.69, comparatively to a conventional (non-sequential) regression model, which gave a R² coefficient of only 0.59. This soil-plant relation was better described by a dynamic regression model, which gave a R² coefficient greater than 0.98. These results indicate the advantage of the state space approach in relation to the other more conventional regression methods.
Para estudar a interação solo-planta utilizou-se um modelo de espaço de estados (regressão dinâmica) comparativamente à um modelo de regressão estática, em versão convencional e em versão sequencial. Para tal, foram utilizados dados experimentais de densidade do solo, macroporosidade, microporosidade e porosidade total de um solo Latossolo Vermelho Escuro, além da densidade radicular por comprimento de raiz por unidade de volume, de uma cultura de aveia forrageira. Das variáveis explanatórias estudadas, a porosidade total apresentou correlação bastante significativa com a densidade radicular, considerada como a variável resposta do estudo. Um modelo de regressão estática representado na forma de espaço de estados com estimação seqüencial forneceu um coeficiente R² de ajuste igual a 0.69, enquanto que um modelo estático convencional forneceu um coeficiente R² de ajuste de apenas 0.59. Esta relação solo-planta é melhor representada ainda através de um modelo de regressão dinâmica, ou seja, um modelo genuinamente de espaço de estados onde agora o grau de explicação R² passa a mais de 0.98. Isto explicita a vantagem da abordagem de espaço de estados em relação aos outros métodos mais tradicionais de relacionar sistema solo-planta.
Resumo
The assessment of the relationship among soil properties (such as total nitrogen and organic carbon) taken along lines called transects is a subject of great interest in agricultural experimentation. This question has been usually approached through standard state-space methods by some authors in the soil science literature. Important limitations of the mentioned procedures used in practice are pointed out and discussed in this paper, specially those related to the model parameters, meaning and practical interpretation. In the standard state-space approach, based on an autoregressive structure, it does not present any parameters that express the variables relationship at the same point in space, but only at lagged points. Also, its model parameters (in the transition matrix) have a global meaning and not a local one, not expressing more directly the soil heterogeneity. Therefore, the objective here is to propose an alternative state-space approach, based on dynamic (space-varying parameters) regression models in order to avoid the mentioned drawbacks. Soil total nitrogen and soil organic carbon samples were collected on a Typic Haplustox. Samples were taken along a line (transect) located in the middle of two adjacent contour lines. The transect samples, totaling 97, were collected in the plow layer (0-0.20 m) at points spaced 2 meters appart. Results show the comparative advantages of the proposed method (based on an alternative state-space approach) in relation to the standard state-space analysis. Such advantages are related to a more adequate incorporation of soil heterogeneity along the spatial transect resulting in a better model fitting, and greater flexibility of the model's building process with an easier interpretability of the local model coefficients.
A avaliação da relação entre certas variáveis representando propriedades do solo (tais como nitrogênio total e carbono orgânico) coletadas ao longo de linhas chamadas "transects", é assunto de grande interesse em experimentação agrícola. Este problema tem sido usualmente abordado através de modelos estatísticos padrão de espaço de estado por alguns autores na literatura de ciência do solo. As mais importantes limitações dos procedimentos utilizados na prática são apontados e discutidos neste artigo, sendo relacionadas ao significado dos parâmetros do modelo e a sua interpretação prática. A abordagem padrão de espaço de estado, que é baseada em uma estrutura autoregressiva, não apresenta nenhum parâmetro que expressa a relação entre as variáveis no mesmo ponto do espaço, mas somente em pontos defasados. Além disso, os parâmetros do modelo (na matriz de transição) tem um significado global e não local, não expressando diretamente a heterogeneidade do solo. Desta forma, o objetivo aqui é propor uma abordagem alternativa de espaço de estado, baseada em modelos de regressão com coeficientes variando ao longo do espaço de modo a evitar estas limitações. Dados de nitrogênio total e carbono orgânico do solo foram coletados de um Latossolo. Eles foram medidos na camada de 0 0,20 m ao longo de uma transeção de 194 m, totalizando 97 amostras espaçadas entre si de 2 m, entre duas curvas de contorno adjacentes. Os resultados mostram as vantagens comparativas do método proposto em relação ao método de espaço de estados padrão. Tais vantagens estão relacionadas a uma mais adequada incorporação da heterogeneidade do solo ao longo da transeção espacial resultando em um melhor ajuste do modelo e a uma maior flexibilidade no processo de construção do modelo permitindo uma fácil interpretabilidade dos coeficientes estimados.
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The state-space approach is used to describe surface soil water content and temperature behaviour, in a field experiment in which sugarcane is submitted to different management practices. The treatments consisted of harvest trash mulching, bare soil, and burned trash, all three in a ratoon crop, after first cane harvest. One transect of 84 points was sampled, meter by meter, covering all treatments and borders. The state-space approach is described in detail and the results show that soil water contents measured along the transect could successfully be estimated from water content and temperature observations made at the first neighbour.
Para estudar o comportamento do conteúdo de água e da temperatura na camada superficial do solo, a abordagem "state-space" foi empregada em dados obtidos em uma cultura de cana submetida à práticas distintas de manejo. Os tratamentos constaram de cobertura morta com palha (e ponteiros), solo nu e palha queimada, todos no início da primeira soca. As amostragens foram realizadas em uma transeção de 84 pontos, metro a metro, cobrindo todos os tratamentos e bordaduras. A metodologia "state-space" é descrita em detalhe e os resultados mostram que o conteúdo de água no solo pode ser estimado com sucesso a partir de dados de conteúdo de água e de temperatura observados no primeiro vizinho. Para estudar o comportamento do conteúdo de água e da temperatura na camada superficial do solo, a abordagem "state-space" foi empregada em dados obtidos em uma cultura de cana submetida à práticas distintas de manejo. Os tratamentos constaram de cobertura morta com palha (e ponteiros), solo nu e palha queimada, todos no início da primeira soca. As amostragens foram realizadas em uma transeção de 84 pontos, metro a metro, cobrindo todos os tratamentos e bordaduras. A metodologia "state-space" é descrita em detalhe e os resultados mostram que o conteúdo de água no solo pode ser estimado com sucesso a partir de dados de conteúdo de água e de temperatura observados no primeiro vizinho.
Resumo
The effects of soil water spatial variability previous to irrigation and of the field capacity on the estimation of irrigation water depth are evaluated. The experiment consisted of a common bean (Phaseolus vulgaris L.) crop established on a Kandiudalfic Eutrudox of Piracicaba, SP, Brazil, irrigated by central pivot, in which soil water contents were evaluated with a depth neutron gauge, in a grid of 20x4 points with lag of 0.5 m. In a given situation, the 80 calculated irrigation water depths presented a coefficient of variation of 29.3%, with an average water value of 18 mm, maximum of 41mm and minimum of 9 mm. It is concluded that the only practical way of irrigation is the use of an average water depth, due to the inherent variability of the soil, and that the search for better field capacity values does not imply in better water depth estimates.
A influência da variabilidade espacial da umidade do solo em uma situação pré-irrigação e da capacidade de campo é avaliada no cálculo da lâmina de irrigação. O experimento constou de cultura de feijão (Phaseolus vulgaris L.) estabelecida em um ARGISSOLO da região de Piracicaba, SP, irrigada por pivô central, tendo as medidas de umidade sido feitas com sonda de nêutrons, em uma malha de 20x4 pontos, espaçados de 0.5 m. Em determinada situação, os 80 valores de lâmina de irrigação calculados apresentaram um coeficiente de variação de 29.3%, para uma média de 18 mm, com valor mínimo de 9 mm e máximo de 41mm. É concluído que a única forma prática de irrigação é o uso de uma lâmina média devido à variabilidade inerente ao solo, e que a procura de melhores valores para a capacidade de campo não implica em melhores estimativas da lâmina de irrigação.
Resumo
Results of an organic matter management experiment of a sugar cane crop are reported for the first cropping year. Sugar cane was planted in October 1997, and labeled with a 15N fertilizer pulse to study the fate of organic matter in the soil-plant system. A nitrogen balance is presented, partitioning the system in plant components (stalk, tip and straw), soil components (five soil organic matter fractions) and evaluating leaching losses. The 15N label permitted to determine, at the end of the growing season, amounts of nitrogen derived from the fertilizer, present in the above mentioned compartments.
São apresentados resultados de um experimento sobre matéria orgânica em cultura de cana-de-açúcar, relativos ao primeiro ano (cana planta). A cultura foi instalada em outubro de 1997 e marcada com um pulso de fertilizante 15N, para estudar o destino da matéria orgânica no sistema solo-planta. É apresentado um balanço de nitrogênio, subdividindo o sistema em componentes de planta (colmo, ponteiro e palha), componentes de solo (cinco frações de matéria orgânica do solo) e estimando perdas por lixiviação. O 15N permitiu a determinação das quantidades de nitrogênio provenientes do fertilizante nos compartimentos acima mencionados, no final do ciclo da cultura.