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Doctoral Thesis
2002
Soil erosion in Andean Cropping Systems: The impact of Rainfall Erosivity
Soil erosion in Andean Cropping Systems: The impact of Rainfall Erosivity
Abstract (English)
Rationale and methods
The Andean region of Colombia, 30% of the country, has about 15% of the tot. population and 50% of the rural population. A great part of the countries food-crops are grown on the hillsides of the region, which are severely degraded or threatened by degradation. The objectives of the present study were:
a) to determine the applicability of the USLE rainfall erosivity factor to the Andean Region, particularly the energy-intensity term b) to calculate long-term erosivity data c) to establish the long-term erosivity of two soil types in the research area d) to evaluate the yield and soil conservation performance of several cassava-based cropping systems.
Research was carried out at two sites in the Cauca department in the southwest of Colombia. Santander de Quilichao is located at 3o 6' N, 76 o 31' W, at an altitude of 990 m a.m.s.l., with an annual precipitation of 1,789 mm and an average temperature of 23.7 o C. Mondomo, which lies 2o 53' N, 76 o 35' W at an altitude of 1,450 m a.m.s.l., has an annual precipitation of 2,133 mm and an average temperature of 18.2 o C. The soils at both sites belong to the inceptisols, which form about 77% of the soils of the Cauca departments.
In 1987 erosion plots were established at both sites on slopes of between 7% and 20% consisting of 8 treatments and 3 repetitions at Quilichao with 2 at Mondomo. During the research in this study, the 8 treatments comprised: 1) Continuous bare fallow, 2) Traditional cassava-based rotation, 3) Continuous sole cassava, 4) Cassava-based rotation with minimum tillage and mulch, 5) Cassava-based rotation with two previous years of bush fallow, 6) Cassava-based rotation with vetiver grass barriers, 7) Cassava-based rotation with legume strips, and 8) Cassava-based rotation with improved fallow element.
Rainfall erosivity
Drop size distribution measurements with a Joss-Waldvogel Distrometer showed that the USLE R factor is applicable for the research region as no significant differences were found between the measured kinetic energy of rainfall events and calculated values according to the USLE.
The average annual r-factor values during the 12 year research period for Quilichao and Mondomo were 10,037 and 9,016 MJ ha-1 mm h-1 a-1 respectively. A highly significant relationship was found between a modified Fournier index based upon average monthly rainfall amounts and the equivalent monthly r-factor values.
Soil losses
K-factor values measured of 0.017 t h MJ-1 mm-1 at Quilichao and 0.011 t h MJ1 mm-1 at Mondomo may be regarded as being between medium and low, although soil losses on the bare fallow plots were very high due to the extreme erosivity of the climate. Total soil losses in Quilichao on the bare fallow from 1986 to 1998 were 1,840 t ha-1. In Mondomo it was 2,380 t ha-1.
From June 1994 to July 1997, the 7 cropped treatments in Quilichao showed susceptibility to erosion in the following order (from high to low):
Sole continuous cassava, bush fallow >> farmer rotation, legume strips > improved fallow > minimum tillage, grass barriers. In Mondomo the susceptibility to erosion for the same period was: Sole continuous cassava >> legume strips >> bush fallow > improved fallow, farmer rotation > grass barriers, minimum tillage.
When calculating soil loss for a representative plot only the minimum tillage and grass barrier treatments reached levels below the tolerable average annual soil losses under both the Quilichao and Mondomo conditions.The erosivity and erodibility values for the whole 12-year duration of this project showed that there is a highly significant relationship between annual soil loss amounts and the R-factor of the USLE. The continuous bare fallow plots showed strong declines of organic matter at both sites.
Yield performance
The two conservation treatments, minimum tillage and grass barriers, showed no significant differences regarding yield compared to the widely used continuous cassava system. The farmer rotation treatment showed the highest yield levels, but there were no significant differences between this treatment and the minimum tillage treatment at Mondomo and Quilichao.
Conclusions
The results confirm the high erosivity of the climate and support the necessity of maintaining permanent soil cover. The proven applicability of the R-Factor of the USLE for the region and the long-term soil erodibility values determined should enable the potential erosion risk to be estimated and appropriate soil conservation measures offered. Of the cropping systems evaluated, both the minimum tillage and the vetiver grass barrier treatments proved to be interesting alternatives to the local cropping systems as they reduced soil erosion to a sustainable level and at the same time reached or even surpassed the yields of the traditional cassava monocropping. All the other systems would lead to degradation if long-term permanent cropping was practised.
Abstract (German)
Methoden
Die Andine Region Kolumbiens, die etwa 30% des Landes bildet, ist Lebensraum von 50% der Landbevölkerung und von großer Wichtigkeit für die Lebensmittelproduktion. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren: a) Den Erosivitätsfaktor R der USLE für tropisch-andine Bedingungen zu ermitteln b) Langjährige Bodenerodierbarkeitswerte für zwei Bodentypen der Region zu bestimmen c) Verschiedene Maniokanbausysteme im Hinblick auf Bodenschutz und Erträge zu bewerten.
Die Versuche wurden im Südwesten Kolumbiens durchgeführt. Santander de Quilichao liegt bei 3o6'N, 76o31'W auf einer Höhe von 990 m über N.N. Das langjährige Jahresniederschlagsmittel liegt bei 1,789 mm und die Durchschnittstemperatur bei 23.7oC. Mondomo liegt bei 2o53'N, 76o35'W auf einer Höhe von 1,450 m über N.N., mit einer durchschnittlichen Niederschlagsmenge von 2,133 mm und einer Durchschnittstemperatur von 18.2oC. Die Böden beider Standorte gehören zu den Inceptisolen, die etwa 77% der Böden der Region bilden. An beiden Versuchstandorten wurden Erosionsparzellen auf Hängen mit Gefällen zwischen 7 und 20% eingerichtet. Es wurden 8 verschiedene Behandlungen durchgeführt, angelegt mit 3 Wiederholungen in Quilichao und 2 in Mondomo. Von 1994 bis 1998 wurden die folgenden Behandlungen mit einander verglichen: 1) Langjährige Schwarzbrache, 2) Traditionelle auf Maniok basierende Fruchtfolge, 3) Maniok im Daueranbau, 4) Auf Maniok basierende Fruchtfolge mit Minimalbodenbearbeitung und Mulch, 5) Auf Maniok basierende Fruchtfolge mit vorheriger Buschbrache, 6) Auf Maniok basierende Fruchtfolge mit Vetiver Grassbarrieren im Abstand von 8m, 7) Auf Maniok basierende Fruchtfolge mit Leguminosenstreifen im Mischanbau, 8) Auf Maniok basierende Fruchtfolge mit verbesserter Brache als Fruchtfolgeelement.
Erosivität
Die gemessenen Tröpfchengrößenverteilungen zeigten, dass der R-Faktor der USLE im Einsatzgebiet anwendbar ist, da zwischen den gemessenen Kinetischen-Energiesummen von Niederschlagsereignissen und nach der USLE Methodologie errechneten keine signifikanten Unterschiede festgestellt wurden. Der durchschnittliche jährliche R-Faktor von 1987 bis 1998 lag bei 10,037 and 9,016 MJ ha-1 mm h-1 jeweils für Quilichao und Mondomo. Es wurde ein hoch signifikanter Zusammenhang zwischen monatlichen R-Faktorwerten und einem modifizierten Fournier-Index festgestellt.
Bodenverluste
Während die ermittelten K-Faktorwerte von 0.017 t h MJ-1 mm-1 für Quilichao und 0.011 t h MJ-1 mm-1 für Mondomo als mittel bis niedrig gelten können, waren die Bodenverluste auf den USLE-Parzellen, bedingt durch die hohe Erosivität, sehr hoch. Der Bodenverlust von 1987 bis 1998 betrug 1,840 t ha-1 in Quilichao, in Mondomo bei 2,380 t ha-1. Von 1994 bis 1997 zeigten die 7 bepflanzten Behandlungen in Quilichao folgende Abfolge hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber Erosion: Maniok im Daueranbau, Buschbrache >> traditionelle Fruchtfolge, Leguminosenstreifen > verbesserte Brache > Minimalbodenbearbeitung mit Mulch, Vetiver Grassbarrieren. Für Mondomo galt: Maniok im Daueranbau >> Leguminosenstreifen >> Buschbrache > verbesserte Brache, traditionelle Fruchtfolge > Vetiver Grassbarrieren, Minimalbodenbearbeitung mit Mulch.
Die Anwendung der K-Faktor Werte auf ein Standardfeld zeigte, dass nur Minimalbodenbearbeitungs- und Vetiver Grassbarrierenbehandlungen als nachhaltig gelten können. Die Betrachtung des Zeitraums von 1986 bis 1998 zeigte einen hochsignifikanten linearen Zusammenhang zwischen jährlichen Bodenabtragsmengen und dem R-Faktor.
Produktivität
Die trad. Fruchtfolge erbrachte über 4 Jahre die höchsten Erträge. Bei Maniokanbau lagen von 1994 bis 1997 in Quilichao mit Ausnahme der Grassbarrieren- und Leguminosen- streifenbehandlungen die übrigen Erträge deutlich über der Maniok im Daueranbau Behandlung. In Mondomo lagen die Erträge von Maniok im Daueranbau auf gleichem Niveau verglichen mit Minimal Bodenbearbeitung und Buschbrache.
Schlussfolgerungen
Die Ergebnisse belegen die hohe Erosivität des Klimas in der Versuchsregion und unterstreichen die Notwendigkeit, den Boden das ganze Jahr über zu schützen. Durch die Bestätigung der Verwendbarkeit des R-Faktors der USLE für die Region sowie der erfassten langjährigen Mittelwerte der Erodibilität des Bodens sollte es möglich sein, für weitere Bereiche der Andinen Region Kolumbiens und darüber hinaus das Erosionsrisiko unter Anwendung der USLE abzuschätzen und dementsprechend Bodenschutzmaßnahmen zu empfehlen. Unter den evaluierten Anbausystemen erwiesen sich sowohl die Minimalbodenbearbeitung als auch der Einsatz von Vetiver Grasbarrieren als interessante Alternative zu den lokalen Anbausystemen, da beide die Erosion auf ein nachhaltiges Niveau reduzierten und gleichzeitig das Ertragsniveau der herkömmlichen Anbaumethode erreichten bzw. übertrafen. Alle anderen Systeme würden auf längere Sicht zur Degradation und letztlich Verlust der Anbauflächen führen.
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Notes
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute for Plant Production and Agroecology in the Tropics and Subtropics
Examination date
2003-02-02
Supervisor
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Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
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url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/4982},
author = {Sonder, Kai},
title = {Soil erosion in Andean Cropping Systems: The impact of Rainfall Erosivity},
year = {2002},
school = {Universität Hohenheim},
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