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Geospatial variation of physical attributes and sugarcane productivity in cohesive soils

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Abstract

Sugarcane productivity is highly variable across space, and knowledge about the spatial distribution of soil physical attributes is important to guide management practices and evaluate the effects of agricultural operations on productivity. Thus, the objective of this study was to determine the best sampling density to represent the physical attributes of an Ultisol Typic Hapludult, to determine the spatial variability of these physical attributes, and to correlate them with sugarcane productivity. A sampling grid was delimited in a sugarcane crop in its first cycle, where 32 samples were collected that were spaced 7 m apart. The samples were collected undisturbed for soil density, total porosity, macroporosity and microporosity determination. In addition, disturbed samples were also collected to determine gravimetric water content. A penetrometer was used to evaluate the soil mechanical resistance. Sugarcane productivity was measured in the same sites. Descriptive statistics and geostatistical analysis were applied to evaluate data variability and correlation between sugarcane productivity and soil physical attributes. The physical attributes of soil: penetration resistance, moisture, total porosity, macroporosity, microporosity, soil density and sugarcane productivity showed spatial dependence, and fit to spherical and exponential mathematical models. Kriging maps identified homogeneous and heterogeneous regions, indicating that the geostatistical techniques were useful for geospatial characterization. The minimum sampling density to estimate sugarcane productivity was 14 samples per hectare and was dependent on penetration resistance and total soil porosity.

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\(_{\gamma }^{ \wedge } ({\text{h}})\) :

Value of semivariance for a distance h

a:

Range of the semivariogram in metres

A:

Total area in hectare (ha)

BD:

Bulk density

BS:

Base saturation

CNPq:

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (Brazillian National Council for Scientific and Technological Development)

CEC:

Cation exchange capacity

CV:

Coefficient of variation

C0 :

Nugget effect

C1 :

Structural variance

C0 + C1 :

Sill

DEM:

Digital elevation model

EECAC:

Sugarcane experimental station of Carpina

ETc:

Accumulated crop evapotranspiration

ETr:

Reference evapotranspiration

Exp:

Exponential model

Kc:

Crop coefficient

KS:

Kolmogorov–Smirnov test

MaP:

Macroporosity

MiP:

Microporosity

mwp:

Estimated mean weight of the plot

mws:

Mean weight per stem

N (h):

Number of pairs involved in the calculation of the semivariance

N:

Minimum number of samplings necessary to determine a sampling grid

PROD:

Productivity

RTNP:

Relative total neutralizing power

SD:

Spatial dependence: (nugget effect/sill) × 100

Sph:

Spherical model

SPR:

Soil penetration resistance

TP:

Total porosity

ts:

Total of sampled stems

tws:

Total weight of the harvested stems

W:

Gravimetric water content

Z (x i):

Value of the attribute Z at the position xi

Z (x i + h):

Value of the attribute Z separated by a distance h from the position xi

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Acknowledgements

The authors thank the Sugarcane Experimental Station of Carpina (EECAC) for the logistic and operational support. The study was supported by CNPq Project No. 574961/2008-9 “Gesso agrícola na melhoria do ambiente radicular da cana de açúcar e suas implicações na produtividade agrícola (ProGessoCana)”.

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Authors and Affiliations

  1. Department of Agronomy, Federal Rural University of Pernambuco, Dom Manuel de Medeiros St, S/N, Dois Irmãos, Recife, Pernambuco, 52171900, Brazil

    Thiago Rodrigo Schossler, Bruno Campos Mantovanelli, Brivaldo Gomes de Almeida, Fernando José Freire & Maria Betânia Galvão dos Santos Freire

  2. Department of Agricultural Engineering, Federal Rural University of Pernambuco, Dom Manuel de Medeiros St, s/n, Dois Irmãos, Recife, Pernambuco, 52171900, Brazil

    Manassés Mesquita da Silva

  3. Dom Agostinho Ikas Agricultural School, Federal Rural University of Pernambuco, Address: Doutor Francisco Correia Av, 643, São Lourenço da Mata, Pernambuco, 54735-000, Brazil

    Ceres Duarte Guedes Cabral de Almeida

Authors
  1. Thiago Rodrigo Schossler
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  2. Bruno Campos Mantovanelli
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  3. Brivaldo Gomes de Almeida
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  4. Fernando José Freire
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  5. Manassés Mesquita da Silva
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  6. Ceres Duarte Guedes Cabral de Almeida
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  7. Maria Betânia Galvão dos Santos Freire
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Correspondence to Brivaldo Gomes de Almeida.

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Schossler, T.R., Mantovanelli, B.C., de Almeida, B.G. et al. Geospatial variation of physical attributes and sugarcane productivity in cohesive soils. Precision Agric 20, 1274–1291 (2019). https://doi.org/10.1007/s11119-019-09652-y

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