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Soil and Water

Combining flood irrigation and controlled subsurface drainage to irrigate maize in a temperate subhumid climate - D. Nsengiyumva, F. Papineau and R.S. Broughton

Efficient, cost effective removal of sediment from river water used for subsurface irrigation is required to protect the subsurface drain pipes from clogging. Flood irrigation of a field combined with controlled drainage was assessed as a potential method of filtering river water used for subsurface irrigation. This system of irrigation consists of applying river water on a small section of the field from which water soaks into the soil to subsurface drain pipes under the flooded area. With the outlet of the subsurface drainage system closed, the water is distributed throughout the whole system, thereby subsurface irrigating the crops. Results indicate that water applied to the flooded section of the field redistributes within a few hours through the entire field. Sealing of the soil of the flooded section with sediment from the river water was not detected. Also, the yield of maize from this method of irrigating was comparable to that obtained under conventional subsurface irrigation. Based on this one-year study, flood irrigation combined with controlled drainage appears to be a practical option for using sediment laden river water to irrigate crops on relatively flat, subsurface drained fields.

Une méthode efficace et peu coûteuse est nécessaire pour réduire le contenu en sédiments de l'eau de rivière utilisée pour l'irrigation souterraine, en vue de préserver le bon fonctionnement du système de drains souterrains. Une méthode dirrigation, la submersion d'une partie du terrain combinée au drainage contrôlé, a été testée parmi dautres solutions potentielles. Cette méthode consiste à appliquer l'eau de la rivière sur une petite section du champ sous culture doù leau sinfiltre dans le sol pour atteindre les drains souterrains. Le contrôle de drainage consiste à fermer la sortie du système de drainage au niveau de la chambre de contrôle. Ainsi, l'eau qui atteint cette chambre est repoussée en arrière pour être redistribuée dans tout le système de drains souterrains, irrigant ainsi souterrainement les plantes. Les résultats montrent qu'à partir de la partie inondée, l'eau se redistribue en quelques heures dans tout le champ. La formation de croûte à la surface du sol par les particules fines contenues dans l'eau d'inondation, qui était appréhendée au début de l'experience, ne s'est pas matérialisée. Cette méthode d'irrigation est comparable au système d'irrigation souterraine conventionnelle en ce qui concerne les rendements du maïs. Daprès ces résultats dune saison de recherche, il appert que l'irrigation par submersion combinée au drainage contrôlé s'avère être une alternative intéressante pour lirrigation des cultures avec de leau chargée de sédiments, lorsque la topographie, le sol et la nappe phréatique sont propices à lutilisation dune telle méthode.

Estimating potato yield with the SUBSTOR model in Québec - M.H. Mahdian and J. Gallichand

The growth and development of a crop involve interactions between many physical, chemical, and biological processes. Crop growth models facilitate the study of the effect of these interactions on crop yield. Potato yields simulated by the SUBSTOR model were compared with measured values at Saint-Catherine-de-la-Jacques-Cartier near Québec, QC. A sensitivity analysis was performed to identify the crop input parameters to which SUBSTOR is most sensitive. Results of the sensitivity analysis showed that SUBSTOR outputs related to yield are sensitive to changes in the date of emergence and genetic parameters, especially variations in the degree of determinacy and potential tuber expansion rate. SUBSTOR was calibrated in 1992 and verified in 1993. Results of the simulations show that, on average, SUBSTOR overestimated potato dry yield by 4% in 1992 and underestimated it by 15% in 1993. In 1992 and 1993, maturity dates were simulated accurately, but maximum leaf area index was overestimated. Tuber initiation date was accurately simulated in 1993 and underestimated by 10 days in 1992. Since 1992 and 1993 were wet years, the crop is not likely to have suffered from water stress. However, simulated soil water content was underestimated during the growing season in 1993 that resulted in underestimation of potato yield. Keywords: SUBSTOR, simulation, yield, potatoes, model.

La croissance et le développement d'une culture impliquent l'interaction de plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques. Les modèles de croissance peuvent faciliter l'étude de l'effet de ces interactions sur le rendement des cultures. Les rendements de la pomme de terre simulés par le modèle SUBSTOR ont été comparés avec ceux mesurés au champ à Saint-Catherine-de-la-Jacques-Cartier près de Québec, QC. Une analyse de sensibilité a été réalisée pour déterminer les paramètres de croissance auxquels SUBSTOR était sensible. Les résultats de l'analyse de sensibilité ont montré que les sorties du modèle SUBSTOR reliées au rendement, sont sensibles à la variation de la date d'émergence et aux paramètres génétiques, particulièrement le degré de détermination et le taux potentiel de l'expansion des tubercules. SUBSTOR a été calibré en 1992 et testé en 1993. Les résultats de cette simulation montrent que SUBSTOR a sur-estimé de 4% le rendement sec de la pomme de terre en 1992 et l'a sous-estimé de 15% en 1993. En 1992 et 1993, ce modèle a simulé précisément la date de maturité, mais surestimé l'indice de surface foliaire maximum. La date d'initiation de la tubérisation a été simulée précisément en 1993 et sous-estimée de 10 jours en 1992. Puisque 1992 et 1993 furent des années humides, il est peu probable que la culture ait souffert de stress hydrique. Toutefois, en 1993 la teneur en eau a été sous-estimée par SUBSTOR ce qui a résulté en une sous-estimation du rendement de la pomme de terre. Mots clés: SUBSTOR, simulation, rendement, pommes de terre, modèle.

Regional estimation of water deficit and potato yield in Québec - M.H. Mahdian and J. Gallichand

A lack of water during the growing season can cause sufficient stress to prevent normal physiological development of potatoes. In Québec, water stress is a cause of reduction in potato yield. This study was conducted to estimate the spatial variability of simulated potato water deficit and yield increase resulting from irrigation on soil ranging from coarse to medium texture using the SUBSTOR crop growth model. Irrigation set point was fixed to 30% of the available water. Methods of triangulation, thin plate smoothing splines, kriging and inverse distance were evaluated for interpolation accuracy. Seasonal water deficit and percent yield increase were determined at three exceedance probability levels. Results of the simulation showed that regional water deficits were 245, 203, and 159 mm at the 10, 20, and 50% exceedance probability levels, respectively. For potato yield, simulated regional yield increases were 142, 73, and 25% at corresponding probability levels. Under Québec climatic conditions, coarse soils will benefit more from irrigation than medium textured soils. With irrigation, simulated average yield increases were 31.5% for sandy soils and 22.0% for loamy soils. The interpolation method of thin plate smoothing splines, with elevation as the covariable, was the most accurate for seasonal water deficit and had a mean absolute error of 19.6 mm. For yield increase, the inverse distance was the best estimation method and had a mean absolute error of 35.8%. Keywords: modeling, interpolation, irrigation, potato, yield.

Le manque d'eau durant la saison de croissance peut causer un stress suffisant pour empêcher le développement physiologique normal de la pomme de terre qui est sensible au stress hydrique. Malgré l'abondance des précipitations au Québec, le stress hydrique est une cause de la réduction du rendement de la pomme de terre. Cette étude a été réalisée afin de déterminer la variabilité spatiale du déficit hydrique et de l'augmentation du rendement de la pomme de terre au Québec suite à l'irrigation en utilisant le modèle de croissance SUBSTOR. Le point de déclenchement de l'irrigation a été fixé à 30% de la réserve utile. La performance d'interpolation des méthodes de triangulation, splines plaques minces, krigeage et distance inverse a été évaluée. Le déficit hydrique saisonnier et le pourcentage d'augmentation du rendement ont été déterminés pour trois niveaux de probabilité de dépassement. Les résultats ont montré que le déficit hydrique saisonnier était de 245, 203 et 159 mm pour une probabilité de dépassement de 10, 20 et 50%, respectivement. Pour le rendement de la pomme de terre, l'augmentation régionale a été de 142, 73 et 25% pour les mêmes niveaux de probabilité. Ces résultats confirment que les sols sableux peuvent bénéficier plus de l'irrigation que les sols loameux. En utilisant l'irrigation, l'augmentation du rendement a été de 31.5% pour les sols sableux et de 22.0% pour les sols loameux. La méthode d'interpolation des splines plaques minces, avec l'élévation comme covariable, était la plus précise avec une erreur moyenne absolue de biais de 19.6 mm sur le besoin en irrigation saisonnier. Pour l'augmentation du rendement, l'inverse de la distance a donné la meilleure estimation avec une erreur moyenne absolue de 35.8%. Mots clés: modélisation, interpolation, irrigation, pomme de terre, rendement.

Economic feasibility of subsurface irrigation in eastern Ontario and southern Quebec - N.G. Barnett, C.A. Madramootoo and M.N. Mejia

A study was conducted to determine the economic benefits of subsurface irrigation using field results and historical climatic and grain price data. The experimental field site was under a ridge-till system with corn (Zea mays L.) and soybean (Glycine Max Merr.) strip cropping. During the 1995 and 1996 growing seasons, water consumption was monitored. The costs of all necessary system components as well as power consumption were taken into account. Climatic data were tabulated to compare the years of study with the long term averages. Crop yields of irrigated and non-irrigated sections of the field were measured. The experimental results were used to predict expenses and economic returns of subsurface irrigation at a larger scale (25 ha). When strip cropping is taken into consideration, crop yields from irrigated land were increased by 10% and 21% as compared to yields from non-irrigated land, in 1995 and 1996, respectively. Benefits from scenarios of a low yield response (+5%) and a high yield response (+25%) were also analyzed using discount rates of 8% and 12%. Depending on yield increase, grain prices, and discount rate used, the benefit/cost ratios ranged from 1.08 to 7.21. Subsurface irrigation increased returns by $3.59/ha per year at the low end to $264.35/ha per year at the high end. Judging from past climatic data of the region, the economic benefits subsurface irrigation would most likely fall in the range of $60.85/ha per year to $140.48/ha per year. Keywords: subsurface irrigation, watertable management, corn-soybean strip cropping, yield response, economic benefits.

Une étude fut entreprise pour déterminer les bénéfices économiques de l'irrigation souterraine en utilisant des données au champ et une historique du climat et des prix pour les grains. Au site expérimental une culture intercalaire en bandes de maïs (Zea mays L.) et de fève soja (Glycine Max Merr.) sur billons fut utilisée. Durant les saisons de croissance de 1995 et 1996, la consommation en eau fut enregistrée. Les coûts de tout les nécessaires du système et de consommation en énergie furent pris en considération. Les données climatiques furent classées afin de comparer les années d'étude aux moyennes à long terme. Le rendement des parcelles irriguées et non-irriguées fut mesuré. Les résultats expérimentaux furent utilisés pour prédire les coûts et recettes de l'irrigation souterraine à grande envergure (25 ha). Lorsque la culture intercalaire en bandes fut prise en considération, les rendements avec irrigation furent 10% et 21% plus élevés que sans irrigation en 1995 et 1996, respectivement. Les bénéfices pour un cas d'amélioration du rendement faible (+5%) ou important (+25%) furent aussi analysés en utilisant des taux d'escompte de 8% et 12%. Dépendant de l'augmentation en rendement, les prix pour le maïs et la fève soja et le taux d'escompte utilisé, les rapports bénéfices/coûts varièrent d'un minimum de 1.08 jusqu'à un maximum de 7.21. L'irrigation souterraine augmenta les recettes de $3.59/ha/année au plus bas jusqu'à $264.35/ha/année au plus haut. Jugeant de l'historique climatique de la région, les bénéfices économiques de l'irrigation souterraine se trouveraient entre $60.85/ha/année et $140.48/ha/année. Mots clefs: irrigation souterraine, gestion de la nappe phréatique, culture intercalaire en bandes de maïs-fève soja, bénéfices économiques.

Structures and Environment

Sequencing batch reactors for the treatment of egg processing wastewater - M.P. Olsson, K.V. Lo and E. A. Charter

Due to plant expansion, a British Columbia egg processor was looking for a means of increasing the capacity of an aerated lagoon system for treating egg processing wastewater. To avoid a major capital investment, upgrading to a sequencing batch reactor (SBR) appeared to be an attractive option. For this reason, two parallel lab-scale SBR systems were operated over an eight month period for the treatment of egg processing wastewater. The results showed very good removal rates of 99% for BOD, 88% for COD, and 65% for TSS. Aeration requirements were found to be 1.5 L/min and 0.5 L/min for two 4 litre reactors in series. The coefficients a and b, for the determination of oxygen requirements, were established at 0.68 g O₂/g BOD and 0.32 d^-1, respectively. Dissolved oxygen levels between 1 and 3 mg/L were maintained at a design mean cell residence time of 20 days. Coliforms were reduced from 3500 MPN/100 ml in the influent to 80 MPN/100 ml in the effluent. Confirmed coliforms were identified as Bacillus sp. and Micrococcus sp. Salmonella and fecal coliforms were not detected in either the influent or effluent wastewater.

Suite à un agrandissement, un producteur de produits d'oeufs transformés de la Colombie Britannique cherchait un moyen d'augmenter sa capacité de traitement d'eaux usées. On a choisi d'améliorer le système en transformant en réacteur séquentiel (RS) pour éviter une capitalisation importante en investissements capitaux. Pour conséquente, la performance de traitement de deux systèmes de RS en parallèle, à l'échelle de laboratoire, a été suivie pendant huit mois. On a obtenu une réduction de 99% de la DBO, 88% de la DCO, et 65% des SS. Les deux réacteurs de 4 litres, en série, ont requis un taux d'aération de 1,5 et 0,5 litres par minute. Les coefficients a' et b' de la demande d'aération ont été établis à 0,68 g O₂/g DBO et 0,32 par jour. L'oxygène en solution a été maintenu entre 1 et 3 mg/L pour une durée de résidence des cellules de 20 jours. Le niveau de coliforms est passé de 3500 MPN/100 ml avant traitement à 80 MPN/100 ml pour l'effluent. Des bacillus sp. et des micrococcus sp. ont été identifiés parmi les coliforms. Il n'y a pas eu de salmonella ni de coliforms fécaux détectés dans le système.

Monitoring of biogas production from fermentation of rice straw using a bubble counting sensor - D.H. Woo, C.H. Hwang, I.S. Chung and J.K. Chun

A bubble counting sensor with an on-line monitoring system was applied to biogas production from fermentation of rice straw. This simple and low-cost sensor was capable of measuring bubble diameter and counts by a photointerrupter and a clock cycle (2441Hz). The detectable range of gas production rate was 0.067 - 10 mL/min. The on-line monitoring system built with a one-chip microcomputer was operated for over 100 days and demonstrated to be promising in monitoring gas production during fermentation processes. Keywords: biogas production, rice straw, bubble counting sensor, on-line monitoring, fermentation.

Un capteur-compteur de bulles équipé d'un système de surveillance en temps réel a été utilisé pour mesurer la production de biogas à partir de la fermentation de la paille de riz. Avec cet appareil simple et peu coûteux, on est capable de mesurer le nombre et le diamètre de bulles par le photointerrupter et le cycle d'horlogerie (2441 Hz). Le gamme mesurable du taux de production du gaz a été de 0.067 à 10 mL/min. L'ensemble du système a fonctionné pendant plus de 100 jours et a montré un potentiel prometteur pour la surveillance de la production du gaz pour tout procédé de fermentation. Mot clés: production de biogas, paille de riz, capteur pour compter le bulles, surveillance en ligne fermentation.

A procedure and its application in evaluating pit additives for odor control - J. Zhu, D.S. Bundy, X. Li and N. Rashid

A procedure for testing swine manure pit additive products in terms of the effectiveness of reducing malodor and volatile substances from a manure storage area is presented. This procedure combines many features of the past methods. It includes considerations in many respects to ensure that the test results correctly reflect the real performance of the pit additive products tested. And this is necessary for providing reliable information to pork producers in selecting appropriate pit additive products for odor control. Five commercial pit additive products were tested using this procedure and the data for both odor threshold and liquid chemical analysis were obtained. Based on this study, all the five products significantly reduced odor threshold levels as compared with the control samples. Four of the five products reduced odor threshold by 83% to 87% and the other reduced by 58%. Liquid chemical analysis showed that three of the five products accomplished significant reductions in volatile fatty acids. The reduction of aerial ammonia and hydrogen sulfide emissions was not determined.

Une méthode fut vérifiée pour évaluer l'effet d'additifs sur le niveau d'odeur et les substances volatiles du lisiers de porcs à l'entreposage. Cette méthode utilise plusieurs techniques développées plus tôt mais considère plusieurs aspects directement reliés à la performance réelle des additifs. Ces aspects doivent être inclus dans la méthode dans le but d'informer les éleveurs de porcs afin de leur permettre de sélectionner un additif pour le contrôle des odeurs des lisiers de leur troupeau. Cinq additifs commerciaux à lisiers furent testés avec la méthode proposée en comparant leur effet sur le contrôle des odeurs et la composition chimique de lisier de porc. Cette étude a démontré que les 5 additifs peuvent réduire de façon significative le taux d'odeur dégagé par les lisiers de porcs à l'entreposage. Quatre des additifs ont réduit le point de détection de 83% à 87% alors que le cinquième réduisait celui-ci de 58%. L'analyse des lisiers a démontré que 3 des 5 additifs pouvaient réduire significativement le taux d'acides gras volatiles des lisiers. Aucune réduction de la volatilisation du NH₃ et du H₂S n'a pu être détecté.

The effect of a conical bin insert on low patterns of ground feed in a model bin - Q. Zhang, J.I. Bergen and M.G. Britton

Tests were conducted to study the flow behavior of ground feed in a corrugated steel bin with a bin insert (flow enhancing device). The bin was 1.5 m high by 1.0 m in diameter, with a 45 hopper and it was instrumented with diaphragm pressure transducers for measuring lateral pressures on the bin wall. The insert was tested at three locations: 260, 290, and 510 mm from the outlet. Ratholing occurred and flow stopped completely when the bin insert was not present in the bin. The material flow was continuous when the insert was installed at the bin-to-hopper transition. Installation of the bin insert did not cause any significant changes in either static or dynamic pressures on the bin wall. Keywords: flow, powder material, feed, bin insert.

Des tests ont été menés pour étudier l'écoulement de la moulée dans un silo en acier ondulé où un mécanisme pour améliorer l'écoulement avait été installé. Le silo avait 1.5 m de hauteur et 1.0 m de diamètre, était muni d'une trémie à 45 et équipé de capteurs de pression à diaphragme pour mesurer les pressions latérales sur les parois. Le mécanisme inséré fut testé en trois positions: 260, 290, et 510 mm de la sortie. Lorsque le mécanisme n'était pas installé dans le silo, l'écoulement s'arrêtait complètement. Cependant, lorsque le mécanisme était inséré entre la trémie et le silo, l'écoulement était continu. L'insertion du mécanisme dans le silo n'a pas changé de façon significative les pressions statiques ou dynamiques sur les parois. Mots-clefs: écoulement, matière pulvérisée, moulée, mécanisme inséré.

Time study on dairy cows in an automatic milking system with a selection unit and one-way cow traffic - J. Stefanowska, S. Devir and H. Hogeveen

Twenty-four Holstein Friesian cows were kept in a loose housing system with one-way traffic from the lying area to the feeding area through an automatic milking system (AMS) and from the feeding area to the lying area through a one-way gate. The AMS consisted of a double-compartment selection unit (SU), one milking stall (MS), a passage from the SU to the MS, a passage from the MS to the feeding area, and a passage directly from the SU to the feeding area. During the sixth month of automatic milking, cows were observed three times during 24 h within a one-week interval. On average, cows came to the AMS 12.5 times per day: 3.4 times with milking and concentrate in the SU and MS, 1.6 times with no milking but with concentrate in the SU, and 7.5 times with no milking and no concentrate. Leaving the SU took the cows 24.4 s when they went to the MS during milking visits and 143.5 s for the remaining visits. Cows that were quicker to leave the SU in the direction of the MS were slower to leave the MS (P<0.01). Cows placed their hind hoofs inside the MS voluntarily in 65% of the visits; in the remaining visits the closing gate forced them to do this. The average duration of leaving the MS was 51.4 s. This increased with milk yield and daily concentrate allotment and also when the cow kept her head in the trough when the exit-gate of the MS opened. Cows stayed on average 238 s in the passage between the MS and the feeding area. Statistically significant differences between individual cows were found in the durations of leaving the SU and the MS, in passing between the SU and the MS, and in standing in the passage between the MS and the feeding area. It might be possible to increase the capacity of the AMS by accelerating the movement of cows through it. Cows that are not milked would get some concentrate after passing through the SU. Cows that are milked would get some concentrate during milking and some after leaving the AMS. Key-words: automatic milking, selection unit, behavior, cow traffic, lay-out.

Vingt-quatre vaches hollandaises étaient gardées dans un système de logement, à stabulation assez libre, dont la circulation s'effectuait en sens unique de l'espace où se couchaient les vaches à l'espace d'affouragement par voie d'un système de traite automatique (STA), et de l'espace d'affouragement à l'espace de coucher par voie d'une barrière qui ne s'ouvrait que dans un seul sens. Le STA consistait en deux unités de sélection (US), une stalle de traite (ST), un passage qui menait des deux US jusqu'à la ST, un passage de la ST à l'espace d'affouragement et un passage direct des US à la salle d'affouragement. Dans le sixième mois de traite automatique on observait les vaches trois fois pendant 24 heures aux intervalles d'une semaine. En moyenne les vaches entraient dans le STA 12.5 fois par jour: elles entraient dans le ST 3.4 fois, pour la traite et pour recevoir une portion de forages concentrés dans l'US et dans la ST; elles entraient dans l'US 1.6 fois, pour recevoir une portion de forage concentré, sans continuer à la ST; elles passaient 7.5 fois par le STA sans traite et sans forage concentré. Pendant les visites pour la traite automatique les vaches prenaient 24.4 s pour sortir de l'US et d'aller à la ST. Pendant les autres visites elles passaient 143.5 s en sortant de l'US. Les vaches qui sortaient plus vites de l'US pour aller à la ST sortaient plus lentement de la ST (P<0.01). Les vaches mettaient les pattes de derrière dans la ST volontairement pendant 65% des visites. Pendant les autres visites c'était la barrière en train de se fermer qui les obligeait de le faire. En moyenne les vaches passaient 51.4 s en sortant de la ST. La durée s'augmentait selon la production laitière des vaches et la portion quotidienne de forage concentré. Cela ce passait également quand une vache restait avec la tête dans la mangeoire après l'ouverture de la barrière. En moyenne les vaches demeuraient 238 s dans le passage qui menait de la ST à l'espace d'affouragement. Les différences d'une signifiance statistique entre les individuels se trouvaient dans le temps que prenaient les vaches pour sortir de l'US et de la ST, pour passer entre l'US et la ST et pour rester dans le passage entre la ST et l'espace d'affouragement. Il serait peut-être possible d'augmenter la capacité du STA si on accélérait le passage des vaches au travers du STA. Les vaches qui ne sont pas traites recevraient de forage concentré après qu'elles passent par l'US. Les vaches qui sont traites recevraient une partie de leur portion de forage concentré pendant la traite et une partie après qu'elles sortent du STA.