Compound-specific 13C fingerprinting for sediment source allocationin intensely cultivated catchments

Abstract

The loss of fertile topsoil due to soil degradation and erosion not only threatens crop productivity, but also induces sedimentation of aquatic systems and leads to social-, economical-, and environmental problems in many regions of the world. The abandonment of shifting cultivation in favor of intensive mono-cultural cropping systems on sloping land accompanied by rainfall detachment and surface runoff induced soil erosion is one of the most pressing environmental and agricultural problems in the highlands of Southeast Asia. Informed soil management strategies require knowledge on the main sediment sources in a catchment. Compound-specific stable isotope (CSSI) fingerprinting, based on δ13C values of fatty acid methyl ester (FAME), allows identifying hot-spots of soil erosion, particularly with regard to assigning sediment sources to actual land uses. In this regard, we assessed the potential of the CSSI – fingerprinting approach to assign sediment sources to specific land use types in various intensely cultivated catchments. In a first step we improved the statistical procedure to identify sediment sources in a heterogeneous agricultural catchment in the mountainous northwestern region of Vietnam. In a next step we tested the CSSI-fingerprinting under different agro-ecological conditions to evaluate its global applicability, using an aligned protocol. Finally, we integrated CSSI-fingerprinting and fallout radio nuclide (FRN, 210Pbex, 137Cs) analysis to estimate past net erosion rates linked to land use types. In conclusion, the integrated Bayesian SIAR-CSSI approach was an appropriate tool to identify and assign sediment sources to actual land uses in small and heterogeneous catchments. This methodology was also suitable to identify hot-spots of soil erosion in contrasting catchments of different sizes and agro-ecological zones. Integrating CSSI-fingerprinting and fallout radio nuclide analysis to determine past sediment budgets provided insight into the impact of specific land use changes on soil retrogression and degradation. Such knowledge is of great value for informed and effective soil conservation through evidence-based land management and decision making.

Der Verlust von fruchtbarem Oberboden durch Bodendegradation und -erosion bedroht nicht nur die Pflanzenproduktivität, sondern führt auch zur Sedimentierung von aquatischen Systemen und führt in vielen Regionen der Welt zu sozialen, ökonomischen und ökologischen Problemen. Der Verzicht auf Wanderfeldbaus zugunsten intensiver monokultureller Anbausysteme auf Hangflächen, begleitet von durch Niederschlag verursachte, oberflächennaher Bodenerosion, ist eines der drängendsten Umwelt- und Agrarprobleme im Hochland Südostasiens. Fundierte Strategien für Bodenmanagement erfordern Kenntnisse über die wichtigsten Sedimentquellen in einem Einzugsgebiet. Das substanzspezifische Stabilisotopen (CSSI) Fingerprinting-Verfahren, basierend auf den δ13C-Werten von Fettsäuremethylester (FAME), ermöglicht die Identifizierung von Hotspots der Bodenerosion, insbesondere im Hinblick auf die Zuordnung von Sedimentquellen zu tatsächlichen Landnutzungen. In diesem Zusammenhang haben wir das Potenzial des CSSI-Fingerprinting-Verfahrens untersucht, um Sedimente spezifischer Landnutzungsarten in verschiedenen, intensiv kultivierten Einzugsgebieten zuzuordnen. In einem ersten Schritt haben wir das statistische Verfahren zur Identifizierung von Sedimentquellen in einem heterogenen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet im gebirgigen Nordwesten Vietnams verfeinert. Im nächsten Schritt testeten wir das CSSI-Fingerprinting-Verfahren unter verschiedenen agrarökologischen Bedingungen, um dessen globale Anwendbarkeit unter Verwendung eines einheitlichen Protokolls zu bewerten. Schließlich integrierten wir CSSI-Fingerprinting und Fallout-Radionuklidanalyse (FRN, 210Pbex, 137Cs), um vergangene Nettoerosionsraten in Verbindung mit Landnutzungstypen zu schätzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der integrierte Bayessche-SIAR-CSSI-Ansatz ein geeignetes Instrument zur Identifizierung und Zuordnung von Sedimentquellen zu tatsächlichen Landnutzungen in kleinen und heterogenen Einzugsgebieten war. Diese Methodik war auch geeignet, Hot Spots der Bodenerosion in kontrastierenden Einzugsgebieten unterschiedlicher Größe und agrarökologischer Zonen zu identifizieren. Die Integration von CSSI-Fingerprinting-Verfahrens und Fallout-Radionuklid-Analyse zur Bestimmung früherer Sedimentbudgets ermöglichte Einblicke in die Auswirkungen spezifischer Landnutzungsänderungen auf Bodenregression und -degradation. Dieses Wissen ist von großem Wert für einen fundierten und effektiven Bodenschutz durch evidenzbasiertes Landmanagement und Entscheidungsfindung.