西非热带农业引入扩张渗透速率改变排水

文摘

端午流域的土地利用和土地覆盖的特点是快速转换从半自然植被(休闲),农业(农田)。这项研究比较饱和(K_年代)和不饱和(K_h)液压导率在农田和休耕在流域获得洞察当前土地利用对土壤水动力学的影响。导水率测定在42(42)对相邻cropland-fallow阴谋使用渗透计。K_年代,K_h、体积密度和土壤质地进一步使用成对双尾学生相比t以及( )。结果表明,两种K_年代和K_h高度变量无关的土地利用类型(变异系数> 100%)。结果还显示,K_年代高(平均1.16倍)下比农田休耕。至于K_h结果表明,从零张力头(−2厘米h),K_h在农田和休闲不是明显不同;然而,随着提供张力降低到饱和状态,K_h在休闲成为统计高于农田。没有发现显著差异之间的土壤质地、容重在农田和休闲意味着观察到的差异的K_年代和K_h在农田和休闲是由于土地利用结构而不是先前存在的差异。这些结果表明日益流失的风险,降低土壤肥力,流域的洪水,因为农业用地的扩张。

1。介绍

导水率(K)是一个关键的液压属性确定水流在土壤中。它是一个重要的输入对水文过程分析和仿真,以及对作物模型。K可能是受几个因素包括地形、土壤类型和母质、植被、土地利用和季节变化(1- - - - - -6]。这些因素的结合K高度可变的土壤物理性质,为特定的土壤和测量值可能大大改变(7]。一个全面的了解K变异性,因此影响因素的贡献仍然是一个挑战。然而,这种理解是理解任何水文系统行为的先决条件,提高渗透过程表示在不同的应用程序,在农业和水文系统开发管理策略。

许多研究增加了理解K变化由于(我)土壤质地(如,[6,8- - - - - -11]),(2)土地利用和土地覆盖变化(1,3,12),(3)土壤类型(13,14),(iv)农业实践(15,16)等。然而,见解获得农业实践的效果(耕作、作物模式,和休闲时间)K具体的变化已被证明是上下文。这是符合一个文献综述Strudley et al。17),得出的结论是,回顾了研究的结果是如此矛盾,几乎一般可以当比较农业实践对土壤水力特性的影响。事实上,农业管理诱导渗透变化可能会盖过了其高自然时空变异性K(15,17]。因此,许多作者(例如,17)表明,研究确定农业管理选项的影响渗透系数应该因此被设计的方式考虑主要影响因素的影响土壤水力性质等土壤类型,土壤本地异质性和地形。

完全量化土壤水力传导率的差异引起的森林转换自发的草,Pirastru et al。4)后一种方法比较的基础上相邻forest-grass字段。通过这种方式,他们最小化潜在的混杂因素来解释土壤水力传导率的差异作为土地使用的函数。排除其他影响因素和评估土地利用变化对土壤水力性质的影响,齐默尔曼et al。18]相比原始森林、牧场和树木种植园位于同质土壤单元。相邻地块比较方法也紧随其后Pirastru et al。19]调查马基群落下土壤水力性质和地下水文动力学和草,一样Agnese et al。20.比较原始森林和牧场。尽管发现通过这些作者和其他(例如,21,22)可能会有所不同,他们强调的重要性考虑同质土壤单位克服主导因素的影响(例如,土壤类型和地形)的影响K在评估土地利用和土地覆盖变化对土壤的影响渗透。

此外,各种procedures-field和实验室用于确定渗透系数,并且每个涉及范围广泛的工具和解决方案。许多研究[23- - - - - -25突出的依赖K值的测定方法。实验室方法进行更多的控制环境,通常被认为是非常可靠虽然样本,和运输可能会引入一个错误的因素。场的方法K测量也可能受到一些偏见。Fodor et al。26)报道,现场测量K可能会导致气泡滞留在土壤由于推进的湿润锋和结果在一个领域可能被低估的渗透系数。Alagna et al。27相比六渗透技术和得出结论,他们提供类似的估计K即使没有完全等效的方法由于不同土壤扰动。总的来说,现场测量方法K被认为是更具有代表性的土壤水分条件5,7,28]。因此,当前的研究采用了现场测量方法。

上述研究一致表明,土地利用变化可能改变土壤水力传导率。此外,他们强调,土壤导水率的变化与转换关联从自然植被取决于当地情况(作物类型、管理实践等)。很少有现场调查有关水文过程是在非洲的热带半湿润气候的地区。数量非常有限的研究进行比较研究K不同土地利用类型之间的值。农田已经逐步取代了自然植被和端午的休闲区域排水在过去几十年(29日]。这种土地利用动态的影响对土壤导水率尚未研究。假设,裁剪和休耕制/不同的自然植被影响土壤水力传导率和自然植被的减少和休耕农田的好处可能修改土壤水动力学和因此改变流域的水文行为。本研究的目的是确定在策划阶段,饱和脂肪和不饱和水力导率在农田和休闲/自然植被和获得的见解关于土地利用和土地覆盖变化对端午流域的土壤水动力学的影响。

2。材料和方法

2.1。研究区和抽样设计

端午的调查进行了排水(图1)。端午流域在布基纳法索的西南地区,占地面积大约195公里²。流域位于苏丹气候区;因此,它的特点是(我)两个季节的交替,包括6到7个月的旱季(11月至4月)和5个月的雨季(5月至10月)和(2)伍迪,长满树木的,矮小的草原植被类型。流域地区的年平均气温在27°C之间的月平均气温24°C和32°C与过去10年的年平均降水量958毫米29日]。的主要土壤组集雨包括潜育土,始成土,淋洗土,Stagnosols, Leptosols, Plinthosols(后者代表约73.1%的面积)(31日]。

渗透测试进行相邻地块:一分之一农田和其他同行在休闲区后的横断面。样线与定义土壤科学和土壤生态学工作组波恩大学的。这一群体产生当地端午流域的土壤地图。在他们的方法中,他们甚至定义线,以确保一个研究区域的覆盖。渗透情节进行横断面线(图1)。占当地土壤异质性,对于一个给定的一对cropland-fallow相邻地块,地块之间的距离保持尽可能(0到3米),和三个每个情节进行渗透试验。饱和导水率K_年代和不饱和导水率K_h值为每个情节的几何平均数计算三个复制渗透测试。相邻的情节选择的过程重复了42次整个流域,产生了一组42块在农田和相关休闲地区42(同行)。渗透测试因此比较两种土地利用类型的配对样本。测试是在2012年8月至10月期间,对应于作物发展和赛季中期阶段,即。6到8周后,耕作在雨季。

2.2。测量方法

一个罩渗透计(32,33)是用于本研究的目的(图2)。内部渗透计是测量两种土壤表面的张力渗透计K_年代和K_h。该方法的优点是现场测量土壤水力传导率,减少土壤扰动,可能在测量观察空气入口点。渗透与罩渗透计从一个封闭罩约四分之三充满水,站在地上。液压压头的控制在引擎盖下的水量是由调整进气管浸没深度的泡沫塔。高度的差异在u形管压力计和竖管中的水位显示应用的压头。应用罩有16厘米半径。在休闲和农田,植被是缩短必要时,允许适当的安装。饱和细砂一直使用对土壤密封罩的边缘一个外环。在测量过程中,水头逐步减少值从0到空气入口点。压头的入渗率记录h≈0,其次是常数的楼梯在压头实施(即0.5厘米。−0.5,1.5−−2厘米)。在h<−3厘米,测量的数量减少,和测量是测量只在可能的情况下。泄漏率(ΔZ/单位时间)测定渗透储层。流率(Δ报道Z在渗透储层= 1厘米)当一个明显是达到稳定状态。

有几种程序计算渗透系数的测量原始数据(26]。然而,渗透系数的稳态渗透在这项研究估计根据伍丁[35]报道说明手册中未来随着罩渗透计(34]。理论原则下属罩渗透计了方程(1- - - - - -5)。

渗透系数K_h是一个函数的水压力水头吗h在土壤36]: 在哪里(L·T⁻¹)是饱和导水率,(左⁻¹)是水头,是一个经验拟合参数。

在稳定状态和基于方程(1),伍丁[35]发现下面的近似解的从浅圆半径为r的池塘中渗透速率: 在哪里稳定的流量(L³·T⁻¹)在一个给定的供给潜力(左)。

和从方程(唯一的未知数2)。他们可以解决通过测量固定水张力与多个圆盘半径或反向使得测量固定磁盘半径在多个水紧张局势。后者是在这项研究中应用。

方程的应用(2),对于水紧张的邻国值(h₁,h₂),(注意,在这个研究之间的压头的区别h₁和h₂= 0.5厘米)

的部门,可以得到如下:

最后,水力传导率是由

2.3。土壤物理和化学性质

测量与渗透测试,安静的表层土(1 - 10厘米)核心和扰动土壤样本采集样本进行实验室分析。原状土样采用不锈钢样品环锤方法夷为平地后土壤的视野。气缸的核心是250厘米³体积,即。,4 cm and 5 cm in radius and height, respectively. The samples were collected on 50% of the infiltration test plots, i.e., 21 disturbed samples and 21 undisturbed soil cores for each land use type. The bulk density was determined by dividing the oven-dry mass of the core soil by its volume, and the coarse particles content was determined by passing the sample through a 2 mm diameter sieve. The texture analysis was carried out by a combination of wet sieving (sand fractions) and sedimentation (silt and clay fraction) [37),而土壤有机碳(SOC)内容是由元素分析(38,39]。

2.4。收集的数据的统计分析

土壤水力传导率通常报道是一个对数正态分布分布的属性(7,40),因此需要转换为正态分布。Shapiro-Wilk测试正常进行,以确定是否渗透数据是正态分布,为目的的转换,以电导率数据进行方差分析。一个成对双尾的学生学习任务进行正常的分布式数据集测试的统计差异K_年代和K_h和纹理在农田和休闲之间。

3所示。结果与讨论

3.1。饱和导水率下农田休耕

Shapiro-Wilk测试表明非正态的分布的饱和渗透系数值,持续几位作者报告的结果41- - - - - -43]。因此,log以10的数据计算,由此而来的日志K_年代显示一个正态分布(表1和图3)。

日志K_年代显示了一个相对较低的简历分别13.65%和24.17%,休闲和农田,表明均匀分布的日志₁₀K_年代。的平均值K_年代对农田和休耕对应高渗透类(7]。然而,这两种土地利用类型单一K_年代值从极低到非常高的类。

除了地形等因素的影响,一个广泛的含砂量和土壤类型影响/组K_年代在这两种土地利用类型下,两个元素可以强调的高色散K_年代在休闲:(i)休闲领域的年龄的差异进行调查(1 - 5年)和(2)休耕制实践(技术)。也突出了米兰达et al。44),总孔隙度和大孔隙度增加的扩展休耕制时期,导致渗透系数的增加。布什休闲或自然再生,通常在排水,导致植物物种的多样性发展的休闲区域。不同休耕制时期与草本植物的不同的物种可能导致广泛的变化K_年代在休闲样本。

同样,的变化K_年代下农田专门可以认为,一方面,耕地作物物种的差异渗透的阴谋。研究农田主要是由高粱、棉花、玉米、豇豆、和花生,每个都有一个特定的耕作日历。裁剪日历的差异进一步暗示不同作物的发展阶段。Alletto和卖弄风情的女人41)强调了发展阶段作为一个根源K_年代时间变化因素在农田中。另一方面,变化K_年代可以解释下农田耕作的农田。研究领域都是耕种。耕作有暂态效应K_年代。饱和导水率通常增加耕作后由于增加勘探中孔和大孔隙,但减少之后由于沉降和固结的土壤16,43]。Osunbitan et al。45耕作)注意到,8周后,K_年代在农田可能降低率低于K_年代在没有耕作土地使用。执行的渗透测试是在一个相对长的时期(大约两个月,部分2。1),这意味着不同的作物发展阶段正在接受调查。此外,作物领域在不同时期了。不同的作物类型、发展阶段和日期的犁,上面的作者,也许可以解释观察到的高分散的K_年代在农田中。

图4表明,饱和导水率通常较高的休闲与农田相比之下。成对双尾学生的学习任务显示日志是有区别的K_年代在农田和日志K_年代在休闲(价值= 0.007)。这些结果符合几项研究的结论18,46)处理土地利用和土地覆盖变化对饱和导水率的影响,减少水力传导率,增加土地使用强度(即。从自然植被转化成作物)。然而,不同作物之间的考虑样本的分布,特别是作物协会(表2),限制了调查的唯一影响作物类型K_年代。此外,90%的采样点位于Plinthosols(土壤占主导地位的集团),可以不执行一致的调查效果,土壤类型之间的区别K_年代在农田和休耕。尽管如此,结果证明K_年代下显著高于休闲与农田相比,表明不同的两种土地利用类型下土壤大孔隙度。

大孔隙有更大的影响在饱和渗透系数比中孔,即使他们通常占据更小一部分土壤总孔隙度(16,47,48]。Iovino et al。49)发现微孔隙非饱和流的贡献相对在耕作的土壤比自然更重要。相反,接近饱和,在自然流动,nontilled土壤集中在相对较少的大型大孔隙。大孔隙在休闲和自然植被主要是由(i)生物活性的蚯蚓、蚂蚁和白蚁3),和(2)植物根系48,50]。下了农田,大孔隙是由(i)固相的重排的耕作工具,(2)植物根系,(3)由蚯蚓(在较小程度上51- - - - - -54]。本杰明(50]报道大孔隙度减少农田休耕相比之下由于蚯蚓和其他自然植被类型和白蚁种群丰度下后者与农田相比。耕作是另外一个守时与瞬态影响孔隙度增量操作;然而,据报道,tillage-induced扰动产生有害的影响既存的大孔隙和蚯蚓和白蚁人口丰富51- - - - - -54]。针对这一趋势增加渗透速率的增加生物活性,Jouquet et al。55)报道,白蚁被单布分解生成结构外壳,降低渗透速率在休耕。Mettrop et al。56)也报告渗透速率的减少由于白蚁活动在布基纳法索北部。

野外观察在渗透测试证明下根密度更高比农田休耕。根的分解和随后形成根通道可能导致更高的大孔隙度在休耕。没有比较调查蚯蚓,白蚁,蚂蚁,人口密度等进行了;然而,系统的年度耕作农田表明动物活动可能会降低下农田相比,休闲区域。

3.2。不饱和导水率

非饱和导水率是源自于渗透速率的测量。在提供张力头(h)−2厘米以下,不饱和导水率在农田和休耕被发现没有统计上的不同(价值= 0.05)。作为提供张力降低到饱和状态,休闲成为下的渗透系数明显高于农田相比(表3)。这个确定不同的渗透系数之间的休闲和农田成为更大的对饱和据Kelishadi et al。57)(图5)。结果支持这个想法,不同渗透系数之间的休闲和农田确实是大孔隙度的差异部分的建议3.1。在高水压力(h),而水主要流经土地利用类型的土壤基质没有区别。这个确定矩阵电导率不同土地利用类型下非常相似。然而,对饱和,当水开始流入土壤大孔隙,观察土地利用类型之间的显著差异,暗示土壤大孔隙的主要功能。

3.3。土壤属性和水力传导率

的学习任务没有显著区别不同土地利用类型和表示的纹理所观察到的不同水文导电性是由土地利用,而不是先前存在的纹理差异(表4)。体积密度和土壤碳含量的比较下两个土地使用显示了类似的趋势。这些结果表明,不同的K_年代农田和休闲之间不太可能由于最初的安排,在土壤孔隙大小。几十年的栽培的端午排水结合缩短休耕制时期不允许顺向表层土中有机质积累即使在休闲地。快速旋转农田和休闲之间往往甚至在流域土壤质地和有机质含量。

4所示。结论

通过饱和和非饱和导水率的比较,研究展出,为同一土地利用类型(农田或休耕),渗透速率是一个高度可变参数的端午排水。然而,相邻地块比较方法进行的研究显示显著差异K_年代和K_h对水的张力低于−2厘米农田和休闲之间的关系。这种差异是由于下丰富的大孔隙比农田休耕。土壤大孔隙度下似乎是减少农田所显示的测量非饱和水力传导在不同水的张力。因此,耕作和其他农业活动可能会影响土壤孔隙大小和安排。

结果进一步表明,减少土壤渗透后转换从休闲到农田不受纹理和只取决于土壤结构,在某种程度上,取决于土地利用。如图所示在这项研究中,农田和休闲区域有着类似的结构组成、容重、有机质含量。总体而言,从休耕土地流转到端午流域的耕地面积在情节——潜在增加渗透地面水流,从而加剧地表径流生成过剩可能导致更多的侵蚀、土壤肥力、或流域的洪水。

数据可用性

上可用的数据集应用于研究请求相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢提供的金融支持德国联邦教育和研究(BMBF)(批准号01 lg1202e)通过西非科技服务中心气候变化和适应土地利用(WASCAL)项目。这手稿依赖一章最近完成的博士论文第一作者,和感谢是由于Bernd Diekkruger博士论文的导师教授。

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