Soil organic carbon changes simulated with the AMG model in a high-organic-matter Mollisol

Abstract

Soil organic carbon (SOC) management requires a precise knowledge of how it is affected by soil use. Simulation models could help for this purpose. The AMG model is simple, requires information that is easily available, and uses few parameters. This model has neither been calibrated/adjusted nor validated for loamy soils with high SOC concentrations. We hypothesized that AMG would satisfactorily simulate SOC stock changes in soils with these characteristics. The aims of this work were: 1) to adjust and validate AMG for different tillage systems, nitrogen (N) fertilization levels and crop types for loamy-high-SOC Mollisols, and 2) to simulate future SOC changes under different production scenarios. We used SOC stocks (0-20 cm depth) from three long-term experiments (1976-2012) (tillage systems, crop rotations, and N fertilization) in the Southeastern Buenos Aires Province, Argentina (37º 45' S, 58º 18' W) on a complex of Mollisols. Data from two of those experiments was split into two groups to adjust unknown model parameters and for cross validation. Data from the third experiment was used for independent validation. The model was used to simulate SOC stock variation (30 yr) under different combinations of initial SOC stocks (SOCi, three levels) and crop rotations (six rotations regarding continuous cropping and crop-pasture rotations). Model performance was evaluated through statistical indicators based on observed-simulated value differences, and simple linear regression of observed on simulated values. Cross validation yielded promising indicators with the mean observed-simulated value differences close to 0 (P > 0.05). Root mean square error (RMSE) and RMSE as percentage of the mean of observed values (RMSEp) were 6.0 Mg C ha-1 and 7.5%, respectively, which are acceptable. Simple linear regression of observed and simulated values was highly significant (P < 0.01) with intercept and slope not different from zero and one (P > 0.05), respectively, although R2 was low. Indicators of model performance by groups of treatments were, in general, acceptable and did not show clear trends associated with any management type. However, model performance was poorer under no tillage (NT) and N fertilization probably because of little observed data available for that treatment factor combination. Validation with independent data confirmed that AMG simulated SOC change satisfactorily. Future scenario simulations showed that when the SOCi stock was high (close to SOC saturation), even rotations with high intensification and carbon input produced a SOC stock decrease. Conversely, when the SOCi stock was low (35% loss of SOC with respect to saturation) all scenarios led to a SOC stock increase. However, AMG failed to acceptably simulate the expected effect of pastures in the rotation. The AMG model satisfactorily simulated SOC stock changes due to different management techniques of soils with a loamy surface texture and high original SOC stock. Therefore, the model could be used as a tool to help management planning with an admissible simulation error (RMSEp ~6%).

El manejo del carbono orgánico del suelo (SOC) requiere del conocimiento de cómo es afectado por su uso. Modelos de simulación podrían ayudar en esta tarea. El modelo AMG es simple, requiere información fácilmente disponible y se basa en pocos parámetros. Este modelo no ha sido calibrado ni validado para suelos de textura franca con elevado contenido de SOC. Nosotros hipotetizamos que AMG simulará satisfactoriamente los cambios en el SOC debidos al uso agrícola de suelos de tales características. Los objetivos fueron: 1) ajustar y validar AMG en diferentes condiciones de sistema de labranza, fertilización con nitrógeno (N) y tipos de cultivos para Mollisoles de textura superficial franca y elevado contenido de SOC, y 2) simular cambios futuros de SOC bajo diferentes escenarios de producción. Utilizamos los contenidos de SOC (0-20 cm) de tres experimentos de larga duración (1976-2012) de sistemas de labranza, rotaciones de cultivos y fertilización con N en el sudeste de la provincia de Buenos Aires, Argentina (37º 45' S, 58º 18' W) sobre un complejo de Mollisoles. Los datos de dos ellos fueron divididos en dos grupos al azar para ajustar algunos de los parámetros del modelo y para validación cruzada, respectivamente. Los datos del tercer experimento fueron utilizados para una validación independiente. El modelo fue usado para simular la variación del SOC (30 años) bajo diferentes combinaciones de contenido inicial de SOC (SOCi, tres niveles) y rotaciones de cultivos (seis rotaciones considerando agricultura continua y rotaciones cultivo-pastura). El desempeño del modelo fue evaluado a través de indicadores estadísticos basados en la diferencia observados-simulados y regresiones lineales simples de observados vs. simulados. La validación cruzada dio resultados prometedores con una media de observados-simulados cercana a 0 (P > 0,05). La raíz del cuadrado medio del error (RMSE) y el RMSE como porcentaje de la media de los valores observados (RMSEp) fueron 6,0 Mg C ha-1 y 7,5%, respectivamente, que son valores aceptables. La regresión lineal simple de observados vs. simulados fue altamente significativa (P< 0,01) con ordenada al origen igual a 0 y pendiente igual a 1 (P > 0,05), aunque el R2 fue bajo. Los indicadores por grupos de tratamientos fueron, en general, aceptables y no mostraron tendencias asociadas a un manejo en particular. Sin embargo, el desempeño del modelo fue más pobre bajo siembra directa (NT) con fertilización con N, posiblemente debido a la poca información disponible para esa combinación de tratamientos. La validación con datos independientes confirmó el buen desempeño de AMG. Las simulaciones a futuro mostraron que cuando SOCi era alto (cercano a la saturación de SOC), aún las rotaciones con alta intensificación y aporte de carbono provocaron disminución del contenido de SOC. Por el contrario, cuando SOCi fue bajo (35% de pérdida del SOC a saturación) todos los escenarios condujeron a aumentar el SOC. Sin embargo, AMG no fue capaz de simular aceptablemente el efecto esperado de las pasturas en la rotación. El modelo AMG simuló satisfactoriamente los cambios en contenido de SOC debido a diferentes manejos del suelo con textura franca y elevado contenido original de SOC. Por lo tanto, el modelo podría ser utilizado como herramienta de apoyo a la planificación del manejo con un error admisible (RMSEp ~6%).

A gestão do carbono orgânico do solo (SOC) necessita de um conhecimento rigoroso de como o uso do solo a pode afetar . Com esse objetivo podem ser utilizados modelos de simulação. O modelo AMG é simples, requer informação facilmente disponível e baseia-se num reduzido número de parâmetros. Esse modelo não tem contudo sido calibrado/ajustado nem validado para solos argilosos com elevado nível de SOC. Neste estudo partiu-se da hipótese que o modelo AMG poderá simular satisfatoriamente as variações de SOC devidas ao uso agrícola em solos com essas características. Os objetivos foram: 1) ajustar e validar o AMG sob diferentes condições de sistema de preparação do solo, fertilização com azoto (N) e tipos de cultura para Molisolos com textura argilosa e elevado teor de SOC, e 2) simular variações futuras de SOC sob diferentes cenários de produção. Para as simulações utilizaram-se os teores de SOC (0-20 cm) de três ensaios de longa duração (1976-2012) com sistemas de preparação do solo, rotações de culturas e fertilização com N no sueste da provincia de Buenos Aires, Argentina (37º 45' S, 58º 18' W) sobre um complexo de Molisolos. Os dados provenientes de dois de esses ensaios foram divididos em dois grupos ao acaso para ajustar parâmetros do modelo e para a validação cruzada, respetivamente. Os dados do terceiro ensaio forma usados para validar o modelo. O modelo foi usado para simular a variação de SOC (30 anos) sob diferentes combinações de teor inicial de SOC (SOCi, três níveis) e rotações de culturas (seis rotações com agricultura continua e rotações cultura-pastagem). O desempenho do modelo foi avaliado mediante índices estatísticos baseados na diferença observados-simulados, e regressões lineares simples entre observados e simulados. A validação cruzada apresentou resultados promissores com uma média da diferença entre observados e simulados próxima de 0 (P > 0,05). A raiz do quadrado médio do erro (RMSE) e o RMSE expresso como percentagem da média dos valores observados (RMSEp) foram 6,0 Mg C ha-1 e 7,5%, respetivamente, os quais são valores considerados aceitáveis. A regressão linear simples entre observados e simulados foi altamente significativa (P < 0,01) com um coeficiente linear da reta de regressão próximo de 0 e com um coeficiente angular da reta próximo de 1 (P > 0,05), apesar do valor de R2 ser baixo. Os índices por grupos de tratamentos foram, em geral, aceitáveis e não mostraram tendências associadas a uma gestão em particular. Contudo, o desempenho do modelo foi mais pobre em condições de fertilização com NT e N, possivelmente devido à pouca informação disponível para essa combinação de tratamentos. A validação com dados independentes confirmou que o AMG simulou a alteração do SOC de forma satisfatória. Os cenários futuros mostraram que quando o nível de SOCi foi elevado (próximo a saturação de SOC), mesmo as rotações com elevada intensificação e aportes de carbono provocaram diminuição do conteúdo de SOC. Pelo contrário, quando SOCi foi baixo (35% de perdas do SOC a saturação) todos os cenários aumentaram o nível de SOC. No entanto, o AMG não simulou aceitavelmente o efeito das pastagens na rotação. O modelo AMG simulou satisfatoriamente as variações de SOC devido a diferentes gestões do solo com textura argilosa e elevado teor inicial de SOC. Como tal, o modelo poderia ser usado como ferramenta de apoio no planeamento da gestão com um erro considerado admissível (RMSEp ~6%).