京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(地球環境学) / 乙第13493号 / 論地環博第16号 / 新制||地環||44(附属図書館) / 京都大学大学院地球環境学舎地球環境学専攻 / (主査)教授 舟川 晋也, 教授 西前 出, 准教授 真常 仁志, 教授 樋口 浩和 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Global Environmental Studies / Kyoto University / DFAM

There is growing interest within the agricultural industry on how cover crop systems affect soil health and economic productivity in integrated crop-livestock systems. This study investigated the combined effects of cover crop species; no-till and conventional till; and grazed (G) and un-grazed (UG) in a continuous corn (Zea mays) production system in east-central Mississippi. Cover crops were established in the fall of 2019 and 2020 in two separate field studies. Corn yield was not affected by grazing or tillage but was affected by cover crop species. We then compared the difference in cover crop species treatments with their respective corn yield and observed the greatest net return with the control ($252.09 ac-1). Organic matter was greater with the G area (1.03%) as compared to the UG (0.88%). Grazing resulted in bulk densities of 1.45 and 1.47 g cm3-1 for UG and G, respectively.

Sistemas integrados de lavoura e pecuária têm, por paradigma, o efeito do animal no sistema. Esse efeito é função, dentre outros, do manejo da intensidade de pastejo e de como os animais reagem às estruturas de pasto decorrentes. O propósito deste estudo foi avaliar o comportamento em pastejo de novilhos de corte em diferentes estruturas de pasto e seus padrões de deslocamento. Investigou-se a hipótese de que diferentes alturas promoveriam alterações nos padrões de comportamento dos animais em pastejo. Neste sentido, este experimento foi conduzido em uma área de integração lavoura-pecuária da Fazenda do Espinilho, município de Tupanciretã – RS, de julho a novembro de 2005, em pastagem de azevém anual (Lolium multiflorum Lam.) e aveia preta (Avena strigosa Schreb.), que sucedia uma lavoura de soja. Manejou-se o pasto sob lotação contínua, com carga variável, em quatro alturas (tratamentos), a saber: 10, 20, 30, 40 cm, distribuídos em um delineamento experimental de blocos casualizados com três repetições. As avaliações foram realizadas no período diurno, por observação visual direta, em três datas de avaliações, duas delas coincidindo ao estádio vegetativo e a terceira ao reprodutivo. As diferentes estruturas criadas foram resultado de diferentes disponibilidades de forragem tendo em vista o aumento linear da massa de forragem (P<0,0001) com o aumento da altura do pasto. Em situações de menor disponibilidade de forragem observou-se que os animais apresentam comportamento de pastejo compensatório, aumentando seu tempo de pastejo diário (P=0,0208) e apresentando ciclos mais longos de refeições (P=0,0302). Além do mais, aumentam a taxa de bocados (P<0,0001), o número total de estações alimentares visitadas (P=0,0009), o número de bocados por estação alimentar (P= 0,0178), o número total de bocados (P<0,0001) e reduzem o tempo de ruminação (P=0,0443) e o tempo de permanência na estação alimentar (P=0,0142). Em termos de deslocamento, verificou-se que os animais procedem menos passos entre estações alimentares (P=0,0115) quando a forragem é limitante, porém, o número total de passos verificados é maior (P=0,0033) ao longo do período de pastejo. Para concluir, confirmou-se a hipótese de que os animais modificam seu comportamento em diferentes estruturas de pasto e, principalmente, alteram seu padrão de deslocamento, o que poderá implicar em conseqüências de impacto num sistema de integração lavoura-pecuária. / The animal’s effect in the system is a paradigm in integrated crop-livestock operations. This effect is a function, among others, of the management of the grazing intensity and how animals react to the sward structures. The purpose of this study was to evaluate steers grazing behaviour in different sward structures and their displacement patterns. The hypothesis that different heights could promote changes in the ingestive behavior of animals was tested. In this sense, the experiment was conducted in an integrated crop/livestock area at Espinilho farm, Tupanciretã/RS/Brazil (Fazenda do Espinilho), from July to November 2005, in Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) and black oat (Avena Strigosa Schreb.) pasture succeeding soybean. The pasture was managed with continuous variable stocking at 10, 20, 30 and 40 cm sward height distributed in a completely randomized block design with three replicates. Data was recorded by visual assessment, from sunrise until sundown, in three evaluation dates, two in the vegetative stage and one in the reproductive stage. Different structures were created as a result of the linear increasing in herbage masses (P<0.0001) with increasing sward height. In limited herbage situation animals present compensatory behaviour, increasing their daily grazing time (P=0.0208) and presenting longer meal lengths (P=0.0302). Moreover, animals increase bite rate (P<0.0001), the number of visited feeding stations (P=0.0009), the number of bites per feeding station (P= 0.0178), the total number of bites (P<0.0001) and decrease ruminating time (P=0.0443) and time per feeding station (P=0.0142). In terms of animal displacement, it was verifyied they proceed less steps between feeding stations (P=0.0115) with limited herbage, however, the total number of steps is greater (P=0.0033) along the grazing period. To conclude, the hypothesis that animals modify their behaviour in different sward structures was confirmed and, mainly modifies their displacement patterns with potential consequences to integrated crop-livestock systems.

Sistemas integrados de lavoura e pecuária têm, por paradigma, o efeito do animal no sistema. Esse efeito é função, dentre outros, do manejo da intensidade de pastejo e de como os animais reagem às estruturas de pasto decorrentes. O propósito deste estudo foi avaliar o comportamento em pastejo de novilhos de corte em diferentes estruturas de pasto e seus padrões de deslocamento. Investigou-se a hipótese de que diferentes alturas promoveriam alterações nos padrões de comportamento dos animais em pastejo. Neste sentido, este experimento foi conduzido em uma área de integração lavoura-pecuária da Fazenda do Espinilho, município de Tupanciretã – RS, de julho a novembro de 2005, em pastagem de azevém anual (Lolium multiflorum Lam.) e aveia preta (Avena strigosa Schreb.), que sucedia uma lavoura de soja. Manejou-se o pasto sob lotação contínua, com carga variável, em quatro alturas (tratamentos), a saber: 10, 20, 30, 40 cm, distribuídos em um delineamento experimental de blocos casualizados com três repetições. As avaliações foram realizadas no período diurno, por observação visual direta, em três datas de avaliações, duas delas coincidindo ao estádio vegetativo e a terceira ao reprodutivo. As diferentes estruturas criadas foram resultado de diferentes disponibilidades de forragem tendo em vista o aumento linear da massa de forragem (P<0,0001) com o aumento da altura do pasto. Em situações de menor disponibilidade de forragem observou-se que os animais apresentam comportamento de pastejo compensatório, aumentando seu tempo de pastejo diário (P=0,0208) e apresentando ciclos mais longos de refeições (P=0,0302). Além do mais, aumentam a taxa de bocados (P<0,0001), o número total de estações alimentares visitadas (P=0,0009), o número de bocados por estação alimentar (P= 0,0178), o número total de bocados (P<0,0001) e reduzem o tempo de ruminação (P=0,0443) e o tempo de permanência na estação alimentar (P=0,0142). Em termos de deslocamento, verificou-se que os animais procedem menos passos entre estações alimentares (P=0,0115) quando a forragem é limitante, porém, o número total de passos verificados é maior (P=0,0033) ao longo do período de pastejo. Para concluir, confirmou-se a hipótese de que os animais modificam seu comportamento em diferentes estruturas de pasto e, principalmente, alteram seu padrão de deslocamento, o que poderá implicar em conseqüências de impacto num sistema de integração lavoura-pecuária. / The animal’s effect in the system is a paradigm in integrated crop-livestock operations. This effect is a function, among others, of the management of the grazing intensity and how animals react to the sward structures. The purpose of this study was to evaluate steers grazing behaviour in different sward structures and their displacement patterns. The hypothesis that different heights could promote changes in the ingestive behavior of animals was tested. In this sense, the experiment was conducted in an integrated crop/livestock area at Espinilho farm, Tupanciretã/RS/Brazil (Fazenda do Espinilho), from July to November 2005, in Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) and black oat (Avena Strigosa Schreb.) pasture succeeding soybean. The pasture was managed with continuous variable stocking at 10, 20, 30 and 40 cm sward height distributed in a completely randomized block design with three replicates. Data was recorded by visual assessment, from sunrise until sundown, in three evaluation dates, two in the vegetative stage and one in the reproductive stage. Different structures were created as a result of the linear increasing in herbage masses (P<0.0001) with increasing sward height. In limited herbage situation animals present compensatory behaviour, increasing their daily grazing time (P=0.0208) and presenting longer meal lengths (P=0.0302). Moreover, animals increase bite rate (P<0.0001), the number of visited feeding stations (P=0.0009), the number of bites per feeding station (P= 0.0178), the total number of bites (P<0.0001) and decrease ruminating time (P=0.0443) and time per feeding station (P=0.0142). In terms of animal displacement, it was verifyied they proceed less steps between feeding stations (P=0.0115) with limited herbage, however, the total number of steps is greater (P=0.0033) along the grazing period. To conclude, the hypothesis that animals modify their behaviour in different sward structures was confirmed and, mainly modifies their displacement patterns with potential consequences to integrated crop-livestock systems.

Sistemas integrados de lavoura e pecuária têm, por paradigma, o efeito do animal no sistema. Esse efeito é função, dentre outros, do manejo da intensidade de pastejo e de como os animais reagem às estruturas de pasto decorrentes. O propósito deste estudo foi avaliar o comportamento em pastejo de novilhos de corte em diferentes estruturas de pasto e seus padrões de deslocamento. Investigou-se a hipótese de que diferentes alturas promoveriam alterações nos padrões de comportamento dos animais em pastejo. Neste sentido, este experimento foi conduzido em uma área de integração lavoura-pecuária da Fazenda do Espinilho, município de Tupanciretã – RS, de julho a novembro de 2005, em pastagem de azevém anual (Lolium multiflorum Lam.) e aveia preta (Avena strigosa Schreb.), que sucedia uma lavoura de soja. Manejou-se o pasto sob lotação contínua, com carga variável, em quatro alturas (tratamentos), a saber: 10, 20, 30, 40 cm, distribuídos em um delineamento experimental de blocos casualizados com três repetições. As avaliações foram realizadas no período diurno, por observação visual direta, em três datas de avaliações, duas delas coincidindo ao estádio vegetativo e a terceira ao reprodutivo. As diferentes estruturas criadas foram resultado de diferentes disponibilidades de forragem tendo em vista o aumento linear da massa de forragem (P<0,0001) com o aumento da altura do pasto. Em situações de menor disponibilidade de forragem observou-se que os animais apresentam comportamento de pastejo compensatório, aumentando seu tempo de pastejo diário (P=0,0208) e apresentando ciclos mais longos de refeições (P=0,0302). Além do mais, aumentam a taxa de bocados (P<0,0001), o número total de estações alimentares visitadas (P=0,0009), o número de bocados por estação alimentar (P= 0,0178), o número total de bocados (P<0,0001) e reduzem o tempo de ruminação (P=0,0443) e o tempo de permanência na estação alimentar (P=0,0142). Em termos de deslocamento, verificou-se que os animais procedem menos passos entre estações alimentares (P=0,0115) quando a forragem é limitante, porém, o número total de passos verificados é maior (P=0,0033) ao longo do período de pastejo. Para concluir, confirmou-se a hipótese de que os animais modificam seu comportamento em diferentes estruturas de pasto e, principalmente, alteram seu padrão de deslocamento, o que poderá implicar em conseqüências de impacto num sistema de integração lavoura-pecuária. / The animal’s effect in the system is a paradigm in integrated crop-livestock operations. This effect is a function, among others, of the management of the grazing intensity and how animals react to the sward structures. The purpose of this study was to evaluate steers grazing behaviour in different sward structures and their displacement patterns. The hypothesis that different heights could promote changes in the ingestive behavior of animals was tested. In this sense, the experiment was conducted in an integrated crop/livestock area at Espinilho farm, Tupanciretã/RS/Brazil (Fazenda do Espinilho), from July to November 2005, in Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam.) and black oat (Avena Strigosa Schreb.) pasture succeeding soybean. The pasture was managed with continuous variable stocking at 10, 20, 30 and 40 cm sward height distributed in a completely randomized block design with three replicates. Data was recorded by visual assessment, from sunrise until sundown, in three evaluation dates, two in the vegetative stage and one in the reproductive stage. Different structures were created as a result of the linear increasing in herbage masses (P<0.0001) with increasing sward height. In limited herbage situation animals present compensatory behaviour, increasing their daily grazing time (P=0.0208) and presenting longer meal lengths (P=0.0302). Moreover, animals increase bite rate (P<0.0001), the number of visited feeding stations (P=0.0009), the number of bites per feeding station (P= 0.0178), the total number of bites (P<0.0001) and decrease ruminating time (P=0.0443) and time per feeding station (P=0.0142). In terms of animal displacement, it was verifyied they proceed less steps between feeding stations (P=0.0115) with limited herbage, however, the total number of steps is greater (P=0.0033) along the grazing period. To conclude, the hypothesis that animals modify their behaviour in different sward structures was confirmed and, mainly modifies their displacement patterns with potential consequences to integrated crop-livestock systems.

Land-use change (LUC) or land use has been largely responsible for a large part of carbon dioxide emissions and soil degradation. The increased demand for bioenergy has led to the expansion of sugarcane areas in the south-central region, especially in areas previously used as pasture, and increased demand for food has expanded the use of marginal soils (i.e, sandy). In this way, the native vegetation gave place to the areas with pastures and, later, the transformed pastures in fields for the production of grains or bioenergy. However, despite the high positive economic impact for the country through the production of soybeans and sugarcane, it is not known how this LUC is affecting the resources and the quality of the soil. For this, in this work the indicators to evaluate soil quality under different land uses in the tropical transition region of southern Brazil were measured. Four land uses (native vegetation, pasture, sugarcane, and soybean) were evaluated in three sites with different soil conditions. The hypothesis tested in this study was that intensification of agriculture through pasture management, soybean cultivation under no-tillage system (NT), integrated crop-livestock system (ICLS) and sugarcane improved soil quality. Soil samples were collected in three layers (0.0 - 0.10, 0.10 - 0.20, 0.20 -0.30 m) in Londrina, Santo Inácio and São Jorge do Ivaí, northern- PR- Brazil. Physical, chemical, biological attributes, stocks of carbon and nitrogen were analyzed in the laboratory. A Soil Quality Index (SQI) was also calculated using the Soil Management Assessment Framework (SMAF). The results point to the enormous potential of soil carbon sequestration through NT, ICLS and pasture management, especially in the marginal areas in the process of agricultural expansion in Brazil. In addition, it was concluded that land use with soybean and sugarcane does not induce physical and chemical degradation of the soil in relation to pasture, but the low carbon and nitrogen inventory in the soil, and the lower SQI, the expansion of sugarcane should be avoided in sandy soils. / A mudança de uso da terra (MUT), ou o uso da terra, tem sido responsável, globalmente, por grande parte das emissões de dióxido de carbono e pela degradação do solo. O aumento da demanda por bioenergia, tem ocasionado a expansão das áreas de cana-de-açúcar na região centro sul, principalmente em áreas que anteriormente eram usadas como pastagem, e o aumento da demanda por alimentos tem expandido as áreas de produção de grãos para solos marginais (ou seja, arenosos). Desta forma, a vegetação nativa deu lugar às áreas com pastagens e, posteriormente, as pastagens transformadas em lavouras para a produção de grãos ou bioenergia. Contudo, apesar do alto impacto econômico positivo para o país através da produção da soja e da cana-de-açúcar, não se tem conhecimento de como esta MUT está afetando os recursos e a qualidade do solo. Para isto, neste trabalho mensuramos indicadores para avaliar a qualidade do solo sob diferentes usos na região de transição tropical no Sul do Brasil. Foram avaliados quatro usos da terra (vegetação nativa, pastagem, cultivo com cana-de-açúcar e cultivo com soja) em três locais com condições de solo distintas. A hipótese testada neste trabalho foi que a intensificação da agricultura através do manejo das pastagens, do cultivo da soja em sistema plantio direto (SPD), integração lavoura pecuária (ILP) e da cana-de-açúcar melhoram a qualidade do solo. Amostras de solo foram coletadas em três camadas (0,0 – 0,10; 0,10 – 0,20; e 0,20 – 0,30 m) nos municípios de Londrina, Santo Inácio e São Jorge do Ivaí, região norte do PR. Foram analisados, em laboratório, atributos físicos, químicos, biológicos, estoques de carbono e nitrogênio do solo. Também foi calculado um índice de qualidade do solo (IQS) através da Soil Management Assessment Framework (SMAF). Os resultados apontam enorme potencial de sequestro de carbono no solo através do SPD, ILP e manejo das pastagens, principalmente nas áreas marginais em processo de expansão da agricultura no Brasil. Além disso, concluiu-se que o uso da terra com soja e cana-de-açúcar não induz degradação física e química do solo em relação a pastagem, porém o baixo estoque de carbono e nitrogênio no solo, e o menor IQS, orientam que a expansão da cana-de-açúcar deve ser evitada em solos arenosos.

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For the first study two areas under iCLF (iCLF1 and iCLF3, with one and three rows of Eucalyptus urograndis by hedgerow, respectively) were selected. They were cultivated in this system since 2009 in Nova Canaã do Norte, MT. A continuous pasture was used as reference. Soil samples were taken from eight layers (0.0 to 1.0 m) for the evaluation of the bulk density, texture, total C and N and δ¹³C. The second study was conducted in the Cerrado biome. The evaluated areas (Paddock 4 - P4 and Paddock 5 - P5 has been being managed in iCL since 2000. Bulk density and the organic matter content were determined for the 0.0-0.1 and 0.1-0.3 m layers. The CQESTR is a process based model which simulates the effect of climate, crop rotation and tillage management practices on SOC. The model was calibrated with P5 data and validated with P4 data. Its performance was evaluated using statistical regression analysis and the root mean square deviation (MSD). For the first study, the soil C stocks and isotopic composition were affected by the implementation of the iCLF system. The forest component was an important factor for soil C accumulation for both areas under iCLF. The N can be a limiting factor for C accumulation. We concluded that iCLF affected soil C and N stocks in the short term, however, longer iCLF deployment time would be necessary to elucidate the impact of iCLF in the long-term. In the second study model calibration was performed by adjusting the basic decomposition rate coefficient. The measured and simulated values were significantly correlated with an MSD of 2.11, indicating that the model captured spatial-temporal dynamics of SOC in the topsoil. However, CQESTR underestimated SOC for the 0,1-0,3 m layer, probably due to lack of site specific grass or crop root biomass and distribution data under tropical conditions. Additional calibration is required to improve prediction of SOC stabilization process in the subsoil layers of tropical soils. In the long term (20 years), for the superficial (0,0-0,1 m) soil layer, the model simulated C accumulation in iCL and C loss in soybean/corn grain production system independently of the use of zero-tillage or conventional tillage in either of these systems under Cerrado conditions. / Os sistemas de integração lavoura-pecuária (iLP) e integração lavourapecuária- floresta (iLPF) são apontados como potenciais acumuladores de carbono no solo. Entretanto, ainda há poucos estudos científicos que avaliaram a real contribuição desses sistemas de produção. O presente trabalho incluiu dois estudos para avaliação desses sistemas. O primeiro teve por objetivo avaliar a acumulação e a origem do carbono do solo em iLPF na região de transição dos biomas Cerrado-Amazônia; e o segundo estudo teve por objetivo calibrar e validar o modelo CQESTR para o ecossistema Cerrado bem como avaliar o efeito de práticas de manejo do solo, incluindo iLP e vários cenários no carbono orgânico do solo (COS) ao longo do tempo. Para o primeiro estudo foram selecionadas duas áreas sob iLPF (iLPF1 e iLPF3, sistemas com uma linha e três linhas de Eucalyptus urograndis por renque, respectivamente) cultivadas nesse sistema desde 2009 e uma pastagem no município de Nova Canaã do Norte, MT. Amostras de oito camadas (0,0-1,0 m) foram tomadas para avaliação da densidade, textura, teor de C e N total e δ¹³C. O segundo estudo foi conduzido no bioma Cerrado, em área que vem sendo manejada em iLP desde 2000. Foram avaliadas duas áreas, os Piquete 4 (P4) e Piquete 5 (P5). A densidade do solo e o teor de matéria orgânica foram determinados para as camadas 0,0-0,1 e 0,1-0,3 m. O CQESTR é um modelo de simulação de C baseado em processos que simula o efeito do clima, rotações de cultura e práticas de manejo no COS. O modelo foi calibrado com dados do P5 e validado com P4. Seu desempenho foi avaliado usando análise estatística de regressão e o desvio médio quadrático (MSD). No primeiro estudo, a composição isotópica do solo e os estoques de C foram afetados pela implantação do sistema iLPF. O componente florestal foi importante fator na acumulação de C em ambas as áreas sob iLPF. O N pode ser um fator limitante para a acumulação de C. Conclui-se que o iLPF afeta os estoques de C e N do solo no curto prazo, entretanto, novas avaliações com maior tempo de implantação do iLPF poderiam auxiliar na elucidação do comportamento desses elementos no sistema em longo prazo. No segundo estudo, a calibração do modelo foi realizada pelo ajuste do coeficiente da taxa de decomposição básica. Os valores simulados e medidos foram significativamente correlacionados com um MSD de 2,11, indicando que o modelo capturou satisfatoriamente a dinâmica temporal do COS na camada superficial. Entretanto, o CQESTR subestimou o COS para a camada subsequente 0,1-0,3 m, provavelmente devido às diferenças na biomassa e distribuição de raízes de gramíneas de clima tropical e temperado. Calibração adicional é requerida para melhorar a predição do COS e processos de estabilização nas camadas subsuperficiais de solos tropicais. Para a camada 0,0-0,1 m, em longo prazo (20 anos), o modelo simulou acumulação de C em iLP e decréscimo de C em sistema de produção com sucessão soja/milho, tanto sob plantio direto quanto preparo convencional em condições do Cerrado.