Modelling weed management effects on soil erosion in rubber plantations in Southwest China

Land use in Xishuangbanna, Southwest China, a typical subtropical rain forest region, has been dramatically changed over the past 30 years. Driven by favorable market opportunities, a rapid expansion of rubber plantations has taken place. This disturbs forests and land occupied by traditional swidden agriculture thus strongly affecting hydrological/erosion processes, and threatening soil fertility and water quality. The presented PhD thesis aimed at assessing farmer acceptable soil conservation strategies in rubber plantations that efficiently control on-site soil loss over an entire rotation time (25 – 40 years) and off-site sediment yield in the watershed. The study started with field investigations on erosion processes and soil conservation management options in rubber plantations (Chapter 2 and 3). Based on the field data, the physically based model “Land Use Change Impact Assessment” (LUCIA) was employed to assess long-term conservation effects in rubber plantations (Chapter 4) and scale effects on sediment yield in the watershed (Chapter 5). Specifically, the first study aimed at assessing soil loss in rubber plantations of different ages (4, 12, 18, 25 and 36 year old) and relating erosion potential to surface cover and fine root density by applying the Universal Soil Loss Equation (USLE) model. This study adopted the space-for-time substitution for field experimental design instead of establishing a long-term observation. Spatial heterogeneity of soil properties (e.g. texture, organic carbon content) and topography (slope steepness and length) interfered erosion at different plantation ages. To meet this challenge, namely account for possible impacts of soil properties and slope on erosion, the empirical USLE model was applied in data analysis to calculate the combined annual cover, management and support practice factor CP, which represents ecosystem erosivity. Calculated CP values varied with the growth phase of rubber in the range of 0.006 - 0.03. Surface cover was recognized as the major driver responsible for the erosive potential changes in rubber plantations. The mid-age rubber plantation exhibited the largest erosion (3 Mg ha-1) due to relatively low surface cover (40%-60%) during the rainy season, which was attributed to low weed cover (below 20%) and the low surface-litter cover favored by a high decomposition rate. Based on the results of the first study, the second study focused on reducing soil loss in rubber plantations by maintaining a high surface cover through improved weed management. Among the different weeding strategies tested, no-weeding most efficiently reduced on-site soil loss to 0.5 Mg ha-1. However, due to the low farmer acceptance of the no-weeding option, we recommend reducing herbicide application to a single dose at the beginning of the rainy season (once-weeding) to better conserve soil as well as inhibiting overgrowth of the understory vegetation. As the second experiment lasted only one-year, while rubber plantation is a perennial crop with a commercial lifespan of 25 – 40 years, the third study applied the LUCIA model to simulate the temporal dynamics of soil erosion in rubber plantations under different weeding strategies. The erosion module in LUCIA was extended to simulate both runoff and rainfall based soil detachment to better reflect the impact of the multi-layer structure of the plantation canopy. The improved LUCIA model successfully represented weed management effects on soil loss and runoff at the test site with a modelling efficiency (EF) of 0.5-0.96 and R2 of 0.64-0.92. Long-term simulation results confirmed that “once-weeding” controlled annual soil loss below 1 Mg ha-1 and kept weed cover below 50%. Therefore, this weeding strategy was suggested as an eco- and farmer friendly management in rubber plantations. Furthermore, LUCIA was applied at watershed level to evaluate plot conservation impact on sediment yield. Two neighboring sub-watersheds with different land cover were chosen: one a forest dominated (S1, control), the other with a mosaic land use (S2), which served to assess mono-conservation (conservation only in rubber plantations) and multi-conservation (conservation in maize, rubber and tea plantations) effects on total sediment yields. The model was well calibrated and validated based on peak flow (EF of 0.70 for calibration and 0.83 for validation) and sediment yield (EF of 0.71 for calibration and 0.95 for validation) measured from the two watersheds outlet points. Model results showed that improved weed management in rubber plantations can efficiently reduce the total sediment yields by 20%; while multi-conservation was largely able to offset increased sediment yields by land use change. In summary, while exploring the dynamics of erosion processes in rubber plantations, a physically based model (LUCIA) was extended and applied to simulate weed management effects over an entire crop cycle (40 years) and implications at higher scale level (watershed sediment yield). Once-weeding per year was identified as an improved management to reduce on-site erosion and off-site sediment yield. But to fully offset increased sediment yield by land use change, a multi-conservation strategy should be employed, which not only focuses on new land uses, like rubber plantations, but also takes care of traditional agricultural types. A conceptual framework is proposed to further assess the specific sub-watershed erosion (e.g. sediment or water yield) effects in large watersheds by spatially combining process-oriented and data-driven (e.g. statistic based, machine learning based) models. This study also serves as a case study to investigate ecological issues (e.g. erosion processes, land use change impact) based on short-term data and modelling in the absence of long-term observations.

Die Landnutzung in Xishuangbanna, Südwestchina, einer typischen subtropischen Regenwaldregion, hat sich in den letzten 30 Jahren dramatisch verändert. Getrieben von günstigen Marktchancen hat ein rapider Ausbau von Kautschukplantagen stattgefunden. Dies beeinflusst Wälder und Flächen, die durch traditionellem Brandrodungsackerbau bewirtschaftet werden, was starke Auswirkungen auf hydrologische Prozesse und Erosionsprozesse hat und die Bodenfruchtbarkeit und Wasserqualität bedroht. Die vorliegende Dissertation zielte auf die Bewertung von akzeptablen Bodenschutzstrategien für Landwirte in Kautschukplantagen ab, die den Bodenverlust innerhalb des Standortes während einer ganzen Rotationszeit (25 - 40 Jahre) und den Sedimentausstoß außerhalb des Standortes im Wassereinzugsgebiet effizient kontrollieren. Die Studie begann mit Felduntersuchungen zu Erosionsprozessen und Bodenschutz-Managementoptionen in Kautschukplantagen (Kapitel 2 und 3). Basierend auf den Felddaten wurde das physikalisch basierte Modell "Land Use Change Impact Assessment" (LUCIA) eingesetzt, um Langzeitschutzeffekte in Kautschukplantagen (Kapitel 4) und Skaleffekte auf den Sedimentausstoß im Wassereinzugsgebiet zu bewerten (Kapitel 5). Konkret zielte die erste Studie darauf ab, den Bodenverlust in Kautschukplantagen unterschiedlichen Alters (4, 12, 18, 25 und 36 Jahre alt) zu untersuchen und das Erosionspotenzial mit der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (USLE) in Beziehung zur Oberflächenbedeckung und Feinwurzeldichte zu setzen. In dieser Studie wurde die „space-for-time substitution“ für experimentelle Feldforschung anstelle einer Langzeitbeobachtung übernommen. Räumliche Heterogenität der Bodeneigenschaften (z. B. Textur, organischer Kohlenstoffgehalt) und Topographie (Neigungssteilheit und -länge) beeinträchtigten die Erosion bei verschiedenen Pflanzungsaltern. Um dieser Herausforderung zu begegnen, nämlich mögliche Auswirkungen von Bodeneigenschaften und Gefälle auf die Erosion zu berücksichtigen, wurde das empirische USLE-Modell in der Datenanalyse, zur Berechnung der kombinierten jährlichen Bodenbedeckung, Management und support practice factor (CP), das die Ökosystem-Erosivität darstellt, verwendet. Berechnete CP-Werte variierten mit der Wachstumsphase von Kautschuk im Bereich von 0,006-0,03. Die Oberflächenbedeckung wurde als der Haupttreiber für Änderungen des erosiven Potentials in Kautschukplantagen anerkannt. Die Kautschukplantage mittleren Alters wies aufgrund der relativ geringen Oberflächenbedeckung (40% -60%) während der Regenzeit die größte Erosion (3 Mg ha-1) auf. Dies wurde auf einen geringen Unkrautbewuchs (unter 20%) und eine geringe Bodenbedeckung durch Oberflächenstreu, verursacht durch eine hohe Zersetzungsrate, zurückgeführt. Basierend auf den Ergebnissen der ersten Studie konzentrierte sich die zweite Studie auf die Verringerung des Bodenverlusts in Kautschukplantagen, indem eine hohe Oberflächenbedeckung durch verbessertes Unkrautmanagement aufrechterhalten wurde. Unter den verschiedenen getesteten Unkrautbekämpfungsstrategien reduzierte „no-weeding“ den Bodenverlust vor Ort auf 0,5 Mg ha-1 am effizientesten. Aufgrund der geringen Akzeptanz der Unkrautbekämpfung durch den Landwirt empfehlen wir jedoch zu Beginn der Regenzeit („einmaliges Unkrautjäten“) eine Herbizidapplikation auf eine Einzeldosis zu reduzieren, um den Boden besser zu erhalten und das Überwachsen der Unterholzvegetation zu verhindern. Da das zweite Experiment nur ein Jahr dauerte, während die Kautschukplantage eine mehrjährige Pflanze mit einer kommerziellen Lebensdauer von 25 bis 40 Jahren ist, wurde in der dritten Studie das LUCIA-Modell zur Simulation der zeitlichen Dynamik der Bodenerosion in Kautschukplantagen unter verschiedenen Strategien eingesetzt. Das Erosionsmodul in LUCIA wurde erweitert, um sowohl oberflächenabfluss- als auch niederschlagsbedingte Bodenerosion zu simulieren, um den Einfluss der mehrschichtigen Struktur des Plantagenschirms besser widerzuspiegeln. Das verbesserte LUCIA-Modell stellte erfolgreich die Auswirkungen des Unkrautmanagements auf den Bodenverlust und den Oberflächenabfluss am Versuchsstandort mit einer Modellierungseffizienz (EF) von 0,5-0,96 und R2 von 0,64-0,92 dar. Die Ergebnisse der Langzeitsimulationen bestätigten, dass "einmaliges Jäten" den jährlichen Bodenverlust unter 1 Mg ha-1 kontrollierte und die Unkrautabdeckung unter 50% hielt. Daher wurde diese Unkrautbekämpfungsstrategie als umwelt- und landwirtfreundliches Management in Kautschukplantagen vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde LUCIA auf Wassereinzugsgebietsebene angewendet, um die Auswirkung der Flächenerhaltung auf den Sedimentausstoß zu bewerten. Zur Bewertung der Auswirkungen auf die Gesamtsedimentmengen wurden zwei benachbarte Teileinzugsgebiete mit unterschiedlicher Landbedeckung ausgewählt. Für die Auswirkungen von Einzelschutz („mono-conservation“; Schutz nur in Kautschukplantagen) hat eine von Wald dominierende Landnutzung (S1, Kontrolle) gedient und für die Auswirkungen von Mehrfachschutz („multi-conservation“; Schutz in Mais-, Kautschuk- und Teeplantagen) eine Mosaiklandnutzung (S2). Das Modell wurde gut kalibriert und validiert basierend auf dem Peak-Flow (EF von 0,70 für die Kalibrierung und 0,83 für die Validierung) und dem Sedimentertrag (EF von 0,71 für die Kalibrierung und 0,95 für die Validierung), die an den zwei Austrittsstellen des Wassereinzugsgebiets gemessen wurden. Die Modellergebnisse zeigten, dass ein verbessertes Unkrautmanagement in Kautschukplantagen die gesamten Sedimentausbeuten um 20% reduzieren kann; während Mehrfachschutz weitgehend in der Lage war, erhöhte Sedimenterträge durch Landnutzungsänderungen auszugleichen. Zusammenfassend wurde, während der Untersuchung der Dynamik von Erosionsprozessen in Kautschukplantagen, ein physikalisch basiertes Modell (LUCIA) erweitert und angewendet, um Unkrautmanagementeffekte über einen gesamten Erntezyklus (40 Jahre) und Implikationen auf höherer Maßstabsebene (Wasserscheidensedimentmenge) zu simulieren. Einmaliges Unkrautbekämpfung pro Jahr wurde als verbessertes Management identifiziert, um die Erosion vor Ort und den Sedimentaustrag außerhalb des Wassereinzugsgebietes zu reduzieren. Um den durch die Landnutzungsänderung erhöhten Sedimentausstoß jedoch vollständig ausgleichen zu können, sollte eine Mehrfachschutzstrategie angewandt werden, die sich nicht nur auf neue Landnutzungen wie Kautschukplantagen konzentriert, sondern sich auch um traditionelle landwirtschaftliche Typen kümmert. Ein konzeptueller Rahmen wird vorgeschlagen, um die spezifischen Erosionseffekte der sub-Wassereinzugsgebiete (z. B. Sediment oder Wasserausbeute) in großen Wassereinzugsgebieten durch räumliche Kombination von prozessorientierten und datengesteuerten (z. B. statistisch und machine-learning basierten) Modellen weiter zu bewerten. Diese Studie dient auch als Fallstudie zur Untersuchung ökologischer Fragen (z. B. Erosionsprozesse, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen) auf der Grundlage von Kurzzeitdaten und Modellierung in Abwesenheit von Langzeitbeobachtungen.