Flow and transport processes as affected by tillage management under monsoonal conditions in South Korea

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Ruidisch, Marianne:
Flow and transport processes as affected by tillage management under monsoonal conditions in South Korea.
Bayreuth , 2013 . - XIX, 174 S. S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

A sustainable agriculture, which provides enough yields to satisfy the food demand and minimizes the impacts on ecosystem services such as provision of high water quality, is challenging especially in monsoon regions. In this thesis, plastic mulched ridge cultivation (RTpm) under monsoonal conditions and its impact on flow processes and nitrate transport was investigated. On hillslopes, we monitored surface and subsurface flow processes in four plastic mulched potato fields using a network of tensiometers, FDR sensors, runoff collectors and flow dividers as well as Brilliant Blue FCF tracer experiments. The obtained datasets were used to calibrate the process-based models HYDRUS 2/3D and EROSION 3D in order to quantify drainage water fluxes, surface runoff and erosion rates of RTpm compared to ridge tillage without coverage (RT) and conventional flat tillage (CT). In a flat terrain, N fate under fertilizer rates at 50, 150, 250 and 350 kg NO3− ha−1 was investigated in a plastic mulched radish field using suction lysimeters, tensiometers and a 15N tracer experiment. We used datasets of nitrate concentrations and matric potentials to calibrate a water flow and solute transport model using the numerical code HydroGeoSphere. RTpm affects soil water dynamics dominantly during dry periods, when ridge soil was drier compared to furrow soil caused by the protective plastic coverage and root water uptake in ridges. Hence, pressure head gradients induced lateral flow from furrows to ridges. Under monsoonal conditions, soil was fully saturated and down slope lateral flow occurred in the coarse textured topsoil. The dye tracer experiments showed that matrix flow dominated in the sandy topsoil. Lateral funnel flow above the tillage pan was the prominent preferential flow path. Unexpectedly, macropore flow in deeper soil horizons was not detected. The field and modeling studies revealed that surface runoff was substantially increased under RTpm compared to RT and CT. However, the field topography primarily controlled surface runoff and erosion rates. The concavity of the field led to flow accumulation and high erosion losses in the center of the field, while a convex shape resulted in less soil erosion. NO3− leaching was found to be the prominent pathway especially during the early season. Furthermore, the biomass production did not significantly differ between NO3− fertilizer rates of 150 to 350 kg ha−1. Hence, we recommend NO3− fertilizer application of 150 kg ha−1, a better fertilizer placement and split applications. We simulated whether the given recommendations on fertilizer best management practices (FBMPs) decreased NO3− leaching amounts. Compared to RT under conventional fertilization in ridges and furrows, the simulations showed that NO3− leaching can be considerably reduced up to 82% by combining RTpm, fertilizer placement only in ridges and split applications with a total fertilizer NO3− amount of 150 kg ha−1. Based on these findings, the impact of RTpm on flow and transport processes has to be evaluated differently depending on terrain complexity. In a flat terrain, where surface runoff processes are absent or minimal, RTpm has several advantages. Beside functions such as weed control, and earlier plant emergence due to higher temperatures, plastic mulching decreases drainage water and NO3− leaching. Thus, RTpm enhances nutrient retention below the plastic mulch and reduces NO3− groundwater contamination risk. On slopes, where precipitation contributes substantially to surface runoff, RTpm even increases runoff, soil erosion and surface leaching of agrochemicals into aquatic systems. This thesis provides several recommendations, aiming to minimize environmental impacts and to decrease costs of fertilizer and herbicide inputs. To reduce surface runoff and soil erosion at sloped fields, we suggest applying perforated plastic mulch and a ridge configuration following contours of the field. Furthermore, we recommend omitting application of herbicides in furrows to allow weed growth, which slows down runoff processes. These suggestions would increase infiltration and subsurface flow processes automatically become more important. However, absent preferential flow to deeper soil layers indicated a low groundwater contamination risk. Since funnel flow above the tillage pan was found to be the most important preferential flow path, we propose the establishment of riparian buffer zones. This would also help to reduce the discharge of sediments and fertilizers via surface runoff into the streams. Finally, FBMPs such as fertilizer placement only in ridges and split applications were found to decrease nitrate leaching considerably. Hence, we suggest applying FBMPs with impermeable plastic mulch in flat terrain, while on hill slopes FBMPs should be applied with perforated plastic mulch. To reduce the leaching and erosion risk after harvest when the plastic mulched ridges are removed, we recommend cultivating cover crops.

Abstract in weiterer Sprache

Eine nachhaltige Landwirtschaft sollte einerseits hohe Erträge erzielen, um die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln zu befriedigen und andererseits negative Auswirkungen auf ökosystemare Dienstleitungen wie z.B. Belastungen der Grund -und Fließgewässer minimieren. Diese Herausforderungen stellen sich umso dringlicher in Gebieten, die Wetterextremen ausgesetzt sind. In dieser Studie wurde der Dammanbau mit Plastikfolienbedeckung (RTpm) im monsungeprägten Haean in Südkorea auf dessen Auswirkungen auf die Fließ- und Transportprozesse untersucht. Die Bodenwasserdynamik, der Oberflächenabfluss, der Sedimenttransport und präferentielles Fließen wurden auf vier Kartoffelfeldern in Hanglage mittels Tensiometern, FDR Sensoren, Abflusskollektoren und Brilliant Blue FCF Beregnungsexperimente untersucht. Die prozess-basierten Modelle Hydrus 2/3D und Erosion 3D wurden mit den erhobenen Datensätzen kalibriert, um die Fluss- und Erosionsraten unter RTpm zu quantifizieren und mit dem Dammanbau ohne Folie (RT) und dem konventionellen flachen Anbau (CT) zu vergleichen. In der Beckenebene wurde auf einem Rettichfeld der Verbleib des Stickstoffs anhand 15N markierten Düngers, Saugkerzen und Tensiometern unter vier Düngemengen (50, 150, 250 und 350 kg NO3- ha-1) untersucht. Die gemessenen Nitratkonzentrationen und Matrixpotentiale wurden daraufhin verwendet, um ein Wasserdynamik-und Stofftransportmodell zu kalibrieren und verschiedene Düngermanagement-Szenarien zu simulieren. Die Bodenwasserdynamik unter RTpm in Hanglagen wird maßgeblich in trockenen Perioden beeinflusst. Die schützende Folie sowie die Wasseraufnahme der Wurzeln verursachen horizontale Druckgradienten und ein laterales Fließen von den Furchen hin zu den Dämmen. Monsunereignisse führten zur Sättigung des Bodens und zum Zwischenabfluss auf der Pflugsohle. Die Tracer-Experimente ergaben, dass homogener Matrixfluss im sandigen Oberboden dominiert. Laterales Fließen auf der Pflugsohle trat bei allen Versuchen unabhängig von den Anbaupraktiken auf. Entgegen unserer Erwartung wurde kein Makroporenfluss im Unterboden festgestellt. Insgesamt ergaben sowohl die Feldmessungen als auch die Modellierung, dass der Oberflächenabfluss durch RTpm extrem erhöht wird. Das Ausmaß der Erosion hing von der jeweiligen Topografie des Feldes ab. Eine konkave Form des Feldes führte zur erheblicher Bodenerosion in der Mitte des Feldes. Eine konvexe Form des Feldes leitete hingegen den Oberflächenabfluss in den Furchen zu den Feldrändern, sodass hier nur geringe Erosionsraten simuliert wurden. Generell wurde festgestellt, dass die Auswaschung des NO3- besonders in der frühen Wachstumsphase der Pflanzen die größte Rolle spielt. Außerdem ergab die Studie, dass sich die Biomasse des Rettichs zwischen den drei höchsten Düngerraten nicht signifikant unterschied. Daher wurde empfohlen, die Düngerrate auf 150 kg ha-1 zu beschränken, den Dünger besser zu platzieren und in mehreren Raten aufzugeben. Die Simulationen zeigten, dass im Vergleich zu RT und einer konventionellen Düngung in Furchen und Dämmen die Nitratauswaschung unter RTpm, einer Gesamtdüngerrate von 150 kg ha-1 aufgeteilt in drei Applikationen und einer Platzierung des Düngers nur in den Dämmen um bis zu 82% reduziert werden kann. Aufgrund der Ergebnisse muss RTpm in Abhängigkeit vom Gelände bewertet werden. In der Ebene, wo der Niederschlag gänzlich zur Grundwasserneubildung beiträgt, bietet RTpm neben der Unkrautkontrolle und einer früheren Keimung infolge höherer Temperaturen unter der Folie den Vorteil, die Nitratauswaschung und somit das Risiko einer Grundwasserbelastung zu senken. Durch die Kombination von insgesamt niedrigeren Düngerraten mit einer besseren Platzierung des Düngers nur in den Dämmen und einer mehrfachen Aufbringung von kleineren Düngerraten, kann die NO3- Auswaschung zudem erheblich reduziert werden. In Hanglagen steigert RTpm hingegen den direkten Abfluss, wodurch ein erhöhtes Risiko der Bodenerosion und des oberflächlichen Stofftransports in die Gewässernetze entsteht. Um den direkten Abfluss und Bodenerosion in Hanglagen zu verringern, schlagen wir die Optimierung des Düngemanagement in Kombination mit perforierter Folie vor. Zudem sollten die Dämme exakt entlang der Feldkonturen verlaufen. Die Infiltration in den Furchen könnte durch Unkrautwachstum erhöht werden, wodurch die Kosten für Herbizide eingespart werden könnten. Das Risiko einer Grundwasserkontamination durch erhöhte Infiltration kann aufgrund fehlender Makroporenflüsse im Unterboden als gering eingestuft werden. Der präferentielle Fluss auf der Pflugsohle würde sich jedoch verstärken. Daher empfiehlt es sich, Pufferzonen zwischen Fließgewässern und landwirtschaftlichen Flächen anzulegen, um den Eintrag von Düngemitteln und Agrochemikalien durch ober- und unterirdische Abflüsse zu minimieren. Zudem wäre es sinnvoll, bodenbedeckende Zwischenfrüchte zu kultivieren, um das Risiko der Auswaschung und der Bodenerosion im Herbst zu senken.