Soil erosion and conservation potential of row crop farming in mountainous landscapes of South Korea

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Arnhold, Sebastian:
Soil erosion and conservation potential of row crop farming in mountainous landscapes of South Korea.
Bayreuth , 2013 . - XV, 91 S. S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Soils play an essential role for mankind because they provide fundamental ecosystem services required for human life, primarily for the production of food by providing the environment for plant growth. However, soils worldwide became highly threatened by human induced degradation, especially as a consequence of accelerated erosion by water during recent decades. In consideration of climate change and an increasing food demand of a rising population, there is an urgent need to conserve the soil resources by implementing effective erosion control measures for agricultural production. The effective implementation of those measures strongly depends on the specific conditions of particular regions and requires the analysis of the existing farming systems and their capability for erosion control. Objective of this thesis is the analysis of the major agricultural practices applied for row crop cultivation in mountainous watersheds of South Korea with respect to water erosion and the identification of their conservation potential. Our first two studies analyze the subsurface flow processes, the runoff patterns, and the associated erosion rates of the widely applied plastic covered ridge-furrow system (plastic mulch), and our third study investigates the impact of herbicide applications on erosion associated with conventional and organic farming. To analyze the flow processes induced by the plastic mulch cultivation, we conducted four irrigation experiments on potato fields that represent a smooth surface, uncovered ridges, and plastic covered ridges with and without a developed crop canopy. With an automatic sprinkler, we irrigated small plots with a dye tracer solution of Brilliant Blue and potassium iodide, collected surface runoff, and excavated soil profiles to visualize the subsurface flow patterns, which were subsequently analyzed by image index functions. We found that the ridge-furrow system, especially when ridges are covered with plastic, decreased infiltration and generated high amounts of surface runoff, whereas a developed crop canopy increased infiltration due to interception and stem flow. The analyses of the subsurface flow patterns show that the plastic covered ridge-furrow system induces preferential infiltration in furrows and planting holes due to its topography and the impermeable covers, but that the impact on flow processes in the soils is relatively small compared to the impact on runoff generation. To identify the patterns of overland flow and the erosion rates associated with the plastic mulch system, we installed runoff collectors to monitor runoff and sediment transport of two potato fields with concave and convex topographies, and we applied the EROSION 3D model to compare the plastic covered ridge-furrow system to uncovered ridges and a smooth surface. We found that plastic mulch cultivation considerably increases soil erosion compared to uncovered ridges as a consequence of high amounts of surface runoff. Our results show that the ridge-furrow system concentrated overland flow on the concave field, resulting in severe gully erosion, but prevented flow accumulation and reduced erosion on the convex field, which demonstrates that the effect of this cultivation strategy is primarily controlled by the field topography and its orientation. To analyze the effects of conventional and organic farming on water erosion, we measured multiple vegetation parameters of crops and weeds of conventional and organic farms cultivating bean, potato, radish, and cabbage, and we simulated long-term soil loss rates with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). We found that organic farming reduced erosion for radish, as a result of an increased weed biomass due to the absence of herbicides, but that it increased erosion for potato due to lower crop coverage, presumably as a consequence of crop-weed competition or herbivory associated with the absence of agricultural chemicals. Although we demonstrated that a developed weed cover in the furrows can potentially decrease the erosion risk for row crops, our results show that the average annual erosion rates of both farming systems exceed by far any tolerable soil loss. In consideration of the generally high soil loss found in our studies, we conclude that the applied farming practices are not capable for effective erosion control and soil conservation in this region. However, based on our findings, we could identify possible modifications of those practices that can help to reduce the risk of erosion in the future. We recommend perforated plastic covers for ridges to reduce runoff generation, and the orientation of the ridge-furrow system along the contours or towards field edges to prevent flow accumulation and gully formation. Additionally, we suggest residue mulching of furrows to protect the soil surface from overland flow, and the cultivation of winter cover crops after harvest to maintain a better soil cover throughout the year.

Abstract in weiterer Sprache

Böden spielen eine entscheidende Rolle für die Menschheit durch die Bereitstellung von grundlegenden Ökosystem-Dienstleistungen, insbesondere für die Produktion von Nahrungsmitteln. Dennoch sind Böden weltweit einer zunehmenden Zerstörung ausgesetzt, die hauptsächlich durch vom Menschen intensivierte Erosion verursacht wird. Vor dem Hintergrund von Klimawandel und dem steigenden Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung, ist die Erhaltung der Bodenressourcen, durch die Umsetzung effektiver Erosionsschutzmaßnahmen, unumgänglich. Die Wirksamkeit dieser Maßnahmen hängt jedoch stark von den lokalen Gegebenheiten in den verschiedenen Regionen der Welt ab und erfordert eine intensive Untersuchung der landwirtschaftlichen Praktiken und deren Eignung zur Erosionsminderung. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der vorherrschenden Ackerbauverfahren für Reihenkulturen in den Bergregionen von Südkorea, in Hinblick auf Bodenerosion sowie deren Potenzial für den Erosionsschutz. In den ersten beiden Studien dieser Arbeit untersuchten wir den verbreiteten Reihenanbau mit Folienabdeckung (Plastic Mulch) und die dadurch hervorgerufenen Fließprozesse im Boden, Abflussmuster und Erosionsraten, und in der dritten Studie analysierten wir den Einfluss von Herbizid-Einsatz auf Erosion im Zusammenhang mit konventioneller und biologischer Landwirtschaft. Um die Fließprozesse im Boden zu untersuchen, wurden vier Beregnungsexperimente durchgeführt, die verschiedene Anbauverfahren und Vegetationsstadien repräsentierten. Mithilfe eines automatischen Beregners besprühten wir die Bodenoberfläche mit einer Tracer-Lösung mit Brilliant Blue und Kaliumiodid, bestimmten die Abflussmengen und legten anschließend Profile frei, um die unterirdischen Fließwege zu visualisieren, die dann mit Bild-Indizes analysiert wurden. Wir fanden heraus, dass der Reihenanbau, insbesondere mit Folienabdeckung, die Infiltration herabsetzte und zu erhöhter Abflussbildung führte, während ein ausgebildeter Pflanzenbestand durch Interzeption und Stammabfluss die Infiltration begünstigte. Die Analysen der Fließwege zeigten, dass der Reihenanbau durch seine Oberflächenform und die Wasserundurchlässigkeit der Folie präferenzielle Infiltration induziert, die Fließprozesse im Boden allerdings nur geringfügig beeinflusst. Um die Fließmuster des Oberflächenabflusses und die damit verbundene Erosion zu untersuchen, wurden Abfluss-Kollektoren auf zwei Feldern mit konkaver und konvexer Topographie installiert, um Abfluss und Sedimenttransport zu messen. Mithilfe des Modells EROSION 3D haben wir anschließend den Reihenanbau mit Folienabdeckung mit anderen Anbauverfahren verglichen. Wir fanden heraus, dass durch die verstärkte Abflussbildung infolge der Abdeckung die Erosion deutlich erhöht wurde. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der Reihenanbau auf dem konkaven Feld den Abfluss konzentrierte und zu starker Gully-Erosion führte, während er auf dem konvexen Feld Abflussakkumulation verhinderte und damit die Erosion verringerte, was verdeutlicht, dass der Effekt dieses Anbauverfahrens in erster Linie von Topographie und Reihenausrichtung bestimmt wird. Um den Einfluss von konventioneller und biologischer Landwirtschaft auf die Bodenerosion zu analysieren, wurden verschiedene Vegetationsmerkmale von Feldfrüchten und Unkräutern von konventionellen und biologischen Betrieben gemessen und die langjährigen Abtragsraten mithilfe der Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) simuliert. Wir fanden heraus, dass durch den Verzicht auf Herbizide, der eine erhöhte Unkrautentwicklung zur Folge hatte, der biologische Anbau von Rettich die Erosion minderte. Bei Kartoffeln hingegen wurde durch den biologischen Anbau aufgrund eines geringer entwickelten Pflanzenbestandes die Erosion erhöht, was wahrscheinlich eine Folge von Konkurrenz mit Unkräutern oder Fraßschäden war. Obwohl wir gezeigt haben, dass eine höhere Bodenbedeckung durch Unkräuter das Erosionsrisiko senken kann, verdeutlichen unsere Ergebnisse auch, dass die jährlichen Erosionsraten beider Anbaustrategien bei weitem den tolerierbaren Bodenabtrag übersteigen. In Anbetracht der generell hohen Erosionsraten in unseren Studien, stellen wir fest, dass die angewandten landwirtschaftlichen Praktiken in dieser Region nicht für einen effizienten Erosionsschutz geeignet sind. Dennoch konnten wir aufgrund unserer Ergebnisse mögliche Nachbesserungen identifizieren, die dabei helfen können, das Erosionsrisiko zu mindern. Wir empfehlen den Einsatz von perforierter Folie zur Reihenabdeckung, um die Abflussbildung zu reduzieren, und die Ausrichtung der Reihen entlang von Höhenlinien oder in Richtung der Feldränder, um Abflussakkumulation und Gully-Bildung zu verhindern. Darüberhinaus schlagen wir das Mulchen mit Pflanzenrückständen vor, um die Furchen vor Oberflächenabfluss zu schützen, sowie den Anbau von Wintergetreide nach der Ernte, um eine bessere Bodenbedeckung über das Jahr zu gewährleisten.