Evaluation of geo-physics methods to study the effects of land use on salinity in rice production systems in the Vietnam Mekong Delta

Abstract

In the Vietnam Mekong Delta (VMD), salinity is a major concern for rice production, which is highly susceptible to saltwater intrusion due to its proximity to the sea and tidal influences. Climate change induced sea level rise, reduced upstream freshwater flows and land subsidence are exacerbating the problem. As a result, saltwater intrudes into the rivers, canals and aquifers of the VMD, reducing the availability of freshwater for irrigation and agricultural use. As the worlds largest rice exporter, the impacts of salinity on rice production in the VMD is significant and poses a serious threat to food security. Addressing the impact of salinity on rice production in the VMD requires a comprehensive approach to assess salinity from the topsoil to the subsoil layers. Therefore, this study was conducted to evaluate salinity issues in rice production systems and figure out the link between rice production systems in the VMD and salinity by applying geophysical methods. Geophysical methods were used in this study including Electromagnetic Induction (EMI) and Electrical Resistivity Tomography (ERT). EMI measures electrical conductivity, while ERT measures electrical resistivity, which is the inverse of conductivity and is closely related to soil salinity. ERT was employed to assess salinity of the subsurface to a depth of 40 m, while EMI was used to detect topsoil salinity up to 1.5 m depth. The case study, Tra Vinh province, in the VMD was chosen for the soil salinity investigation. Soil salinity measurement was conducted during dry season in different land-use types related to rice production systems in the VMD. The field measurements were carried out in two consecutive dry seasons, the dry season of 2019-2020 and dry season of 2020-2021. The first measurement was carried out at five case study sites with different cropping patterns to validate the ERT data and to compare the two methods to determine the best method for investigating soil salinity. Five boreholes were drilled to a depth of 40 m to validate the ERT measurement for subsurface salinity. In the following dry season, ERT and EMI were measured in the extensive survey, with the measurement sites selected along four typical geological transects in the Tra Vinh province. With a desire to use ERT alone to assess soil salinity, ERT data was then used to predict topsoil salinity along with EMI measurement. However, the results from ERT measurement seems to underestimated topsoil salinity due to the lack of measurement on the fields compared to the EMI. The conductivity data collected from different land use types, showed that double rice crop fields are the most prone to salinity than other cropping patterns such as, triple rice, triple/double rice, and single rice. In general, however, topsoil salinity is not a critical issue in the study area compared to potential salinity from the near surface water table, which varies from a relatively shallow depths, from 2 m to 5 m depth, identified by ERT using a resistivity of less than 3 Ωm as the threshold for saline water. The saline water table is the Tra Vinh province increase with the proximity to the sea. As analyzing from resistivity maps, saltwater intrudes the subsurface groundwater from two directions: rivers along the province, and from the sea. Therefore, the double rice, single rice fields and small area of triple rice fields distributed along the two main rivers in the Tra Vinh province are highly affected by saline subsurface water. From the results we see that salinity affect land use in rice production system, and not another way round. Furthermore, we would like to prove for the first time the capability of ERT and EMI in evaluating soil salinity in the rice cultivation fields in the VMD. In addition, we suggested the powerful methods to capture and monitor saltwater intrusion into the rice fields from top to subsurface, which is necessary to improve and protect rice production.

Im vietnamesischen Mekong-Delta (VMD) ist der Salzgehalt ein großes Problem für den Reisanbau, der aufgrund der Nähe zum Meer und der Gezeiteneinflüsse sehr anfällig für das Eindringen von Salzwasser ist. Der durch den Klimawandel bedingte Anstieg des Meeresspiegels, die Verringerung des Süßwasserzuflusses und die Landabsenkung verschärfen das Problem. Infolgedessen dringt Salzwasser in die Flüsse, Kanäle und Grundwasserleiter des VMD ein, wodurch die Verfügbarkeit von Süßwasser für die Bewässerung und die landwirtschaftliche Nutzung verringert wird. Als weltweit größter Reisexporteur sind die Auswirkungen der Salinität auf die Reisproduktion im VMD erheblich und stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Ernährungssicherheit dar. Um die Auswirkungen von Salinität auf die Reisproduktion im VMD in den Griff zu bekommen, ist ein umfassender Ansatz zur Bewertung der Salzbelastung vom Oberboden bis zu den Unterbodenschichten erforderlich. Die vorliegende Studie wurde durchgeführt, um die Salzbelastung in Reisanbausystemen zu bewerten und den Zusammenhang zwischen Reisanbausystemen im VMD und Salinität mit Hilfe geophysikalischer Methoden herauszufinden. In dieser Studie wurden geophysikalische Methoden eingesetzt, darunter die elektromagnetische Induktion (EMI) und die elektrische Widerstandstomographie (ERT). EMI misst die elektrische Leitfähigkeit, während ERT den elektrischen Widerstand misst, der den Kehrwert der Leitfähigkeit darstellt und eng mit dem Salzgehalt des Bodens verbunden ist. ERT wurde eingesetzt, um den Salzgehalt des Untergrunds bis zu einer Tiefe von 40 m zu ermitteln, während EMI zur Feststellung der Salzbelastung des Oberbodens bis zu einer Tiefe von 1,5 m verwendet wurde. Als Fallstudie wurde die Provinz Tra Vinh im VMD für die Untersuchung des Salzgehalts im Boden ausgewählt. Die Messung des Bodensalzgehalts wurde während der Trockenzeit in verschiedenen Landnutzungsarten im Zusammenhang mit Reisanbausystemen in der VMD durchgeführt. Die Feldmessungen wurden in zwei aufeinanderfolgenden Trockenzeiten durchgeführt, in der Trockenzeit 2019-2020 und in der Trockenzeit 2020-2021. Die erste Messung wurde an fünf Fallstudienstandorten mit unterschiedlichen Anbaumustern durchgeführt, um die ERT-Daten zu validieren und die beiden Methoden zu vergleichen, um die beste Methode zur Untersuchung des Bodensalzgehalts zu ermitteln. Zur Validierung der ERT-Messung des unterirdischen Salzgehalts wurden fünf Bohrungen bis zu einer Tiefe von 40 m durchgeführt. In der darauffolgenden Trockenzeit wurden ERT und EMI im Rahmen einer umfassenden Erhebung eingesetzt, wobei die Messstellen entlang von vier typischen geologischen Transekten in der Provinz Tra Vinh ausgewählt wurden. In dem Bestreben, die Salzbelastung des Bodens allein mit dem ERT zu bewerten, wurden die ERT-Daten zusammen mit der EMI-Messung zur Vorhersage des Salzgehalts des Oberbodens verwendet. Die Ergebnisse der ERT-Messung scheinen jedoch den Salzgehalt des Oberbodens zu unterschätzen, da im Vergleich zum EMI keine Messungen auf den Feldern vorgenommen wurden. Die Leitfähigkeitsdaten, die von verschiedenen Bodennutzungsarten gesammelt wurden, zeigten, dass Felder mit Doppelreisanbau stärker zur Versalzung neigen als andere Anbaumuster wie Dreifachreis, Dreifach-/Doppelreis und Einfachreis. Im Allgemeinen ist die Versalzung des Oberbodens im Untersuchungsgebiet jedoch kein kritisches Problem, verglichen mit der potenziellen Versalzung durch den oberflächennahen Grundwasserspiegel, der in einer relativ geringen Tiefe von 2 bis 5 m liegt und vom ERT mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 3 Ωm als Schwellenwert für salzhaltiges Wasser ermittelt wurde. Der Salzwasserspiegel in der Provinz Tra Vinh nimmt mit der Nähe zum Meer zu. Wie aus den Widerstandskarten hervorgeht, dringt Salzwasser aus zwei Richtungen in das unterirdische Grundwasser ein: aus den Flüssen der Provinz und aus dem Meer. Daher sind die Doppelreisfelder, die Einzelreisfelder und ein kleiner Bereich von Dreifachreisfeldern, die entlang der beiden Hauptflüsse in der Provinz Tra Vinh verteilt sind, stark vom salzhaltigen Grundwasser betroffen. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass der Salzgehalt die Landnutzung im Reisanbausystem beeinflusst und nicht umgekehrt. Darüber hinaus konnten wir zum ersten Mal die Nutzbarkeit von ERT und EMI bei der Bewertung des Bodensalzgehalts in den Reisanbaugebieten im VMD nachweisen. Darüber hinaus haben wir leistungsfähige Methoden zur Erfassung und Überwachung des Eindringens von Salzwasser in die Reisfelder von oben bis zum Untergrund vorgeschlagen, die zur Verbesserung und zum Schutz der Reisproduktion notwendig sind.