Tracing water and nitrate movement through soils with bromide
Loading...
Date
2003-01
Authors
Zeleke, Ketema Tilahun
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: The pollution of surface and subsurface water is a serious problem worldwide. To clean
up a once polluted groundwater source is very difficult and costly, if not impossible.
Almost all the sources responsible for groundwater pollution originate in the vadose zone
of the subsurface. A better understanding of the movement of chemicals in the vadose
zone under different conditions can therefore contribute significantly to prevent the
pollution of groundwater resources. One particularly important pollutant of groundwater
sources in agricultural areas is nitrogen. However, it is very difficult to study the
movement of this chemical in agricultural soils, because of its complex and
interdependent transformations in the soil. The major aim of this thesis was to compare
the movement of bromide and nitrogen in the Bainsvlei soil of South Africa and a soil of
Ethiopia, under steady state, transient state and cropped soil conditions, with the view to
use bromide as a substitute tracer for nitrogen.
The hydraulic properties of the Bainsvlei soil were determined in situ. Different
simplified models were used to determine the hydraulic conductivity of the soil, and the
performance of the models was evaluated. A steady state experiment was conducted using
bromide tracer and a rainfall simulator to determine solute transport parameters using
deterministic and stochastic models. Parameters determined from the deterministic
convective-dispersive equation and the stochastic stream tube model were similar. It was
observed that this soil did not exhibit preferential flow. From the experiments conducted
to determine the effect of intensity and continuity of water application on solute transport,
it was observed that increasing the intensity and continuity of rainfall/irrigation increases
leaching in this soil. The experiments conducted on a bare plot under natural rainfall
conditions suggested the leaching of a fertilizer could be minimized if the fertiliser is not
applied in batch mode at the beginning of the growing season of a crop, but split over the
growing season of the crop.
The study of the movement of bromide and nitrate was repeated with the alluvial sandy
loam of Dire Dawa, Ethiopia. Two sets of plots were used for this purpose. One set was
left bare and the other planted with maize. No clear conclusions could be reached from
this study because of the high natural background nitrate concentration of the soil, which
obscured the positions of the concentration peaks. Nevertheless, the experiment did show
that the maize uptake attenuated the movement of both chemicals in the soil and that the
rate at which maize plants take up nitrogen depends on the vegetative stage of the plants.
When combined with the results of the leaching experiment on the bare plot, these results indicate that it would be more economical, and environmental friendly, if a farmer applies
the fertilizer not in batch mode at the beginning of the growing season, but split it over
the growing season, dependent on the vegetative phase of the crop and weather
conditions.
Afrikaans: Die besoedeling van oppervlak- en ondergrondse water is 'n wêreldwye probleem. Die skoonmaak van 'n besoedelde grondwaterbron is uiters moeilik en duur, indien nie onmoontlik nie. Bykans alle bronne verantwoordelik vir grondwater besoedeling ontstaan in die onversadigde sone onder die grondoppervlak. Indien die beweging van chemikalieë onder verskillende toestande in die onversadigde sone dus beter verstaan kan word, kan dit lei tot 'n aansienlike verbetering in pogings om grondwaterbesoedeling te verhoed. Een belangrike bron van grondwaterbesoedeling in landbou gebiede is stikstof. Dit is egter baie moeilik om die beweging van stikstof in landbougronde te bestudeer, aangesien dit komplekse en interafhanklike transformasies in die grond ondergaan. Die hoofdoel van hierdie tesis is om die beweging van bromied en stikstof in die Bainsvlei grond van Suid Afrika en ook in ’n grond van Ethiopië te vergelyk onder ewewigs-, oorgangs- en beplante grond toestande, met die doel om bromied as 'n plaasvervanger vir stikstof in studies van die beweging van stikstof te gebruik. Die hidrologiese kenmerke van die Bainsvlei grond is op die terrein bepaal. Verskeie vereenvoudigde modelle is gebruik om die hidroliese geleiding van die grond te bepaal, en die effektiwiteit van hierdie modelle is ondersoek. 'n Ewewigstoestand eksperiment is gedoen, met bromied as spoorder en ’n reënval simuleerder om die massa transport parameters van die grond met behulp van stochastiese en deterministiese modelle oplossing te bepaal. Parameters bepaal met behulp van die deterministiese konvektiewe dispersiewe vergelyking en die stochastiese stroombuis model het nie veel verskil nie. Daar is ook gevind dat hierdie grond nie voorkeurvloei vertoon nie. Uit eksperimente met die doel om die effek van die intensiteit en kontinuiteit van water op die massa transport te bepaal, is gevind dat ’n toename in intensiteit en kontinuiteit van reënval of besproeiing die loging in hierdie grond laat toeneem. Die eksperimente wat uitgevoer is op 'n skoon perseel onder natuurlike reënval, dui daarop dat die loging van kunsmis geminimaliseer kan word indien die kunsmis deelsgewys oor die groeiseisoen van 'n oes toegedien word, in plaas van eenmalig aan die begin van die seisoen. Die studie van die beweging van bromied en stikstof is herhaal met die alluviale sanderige kleigrond van Dire Dawa, Ethiopië. Twee stelle persele is vir hierdie doel gebruik. Een stel is skoon gelaat, terwyl die ander met mielies beplant is. Geen duidelike gevolgtrekkings kon bereik word uit hierdie studie nie. Die rede hiervoor is dat die hoë natuurlike agtergrond nitraatkonsentrasie van die grond die posisies van die konsentrasie pieke verskuil het. Die eksperiment het nietemin bewys dat die opname van die mielies die beweging van beide chemikalieë in die grond verminder het, en dat die hoeveelheid stikstof wat die mielieplante op ’n bepaalde tydstip opneem, deur die vegetatiewe stadium van die plante bepaal word. Hierdie resultate, gekombineer met die resultate van die logingseksperiment op die skoon perseel, dui aan dat dit meer ekonomies sowel as meer omgewingsvriendelik sal wees as ’n boer die kunsmis deelsgewys oor die groeiseisoen in afhanklikheid van die ontwikkelingstadium van die gewas en die weersomstandighede toedien, in plaas van 'n enkele toediening aan die begin van die seisoen.
Afrikaans: Die besoedeling van oppervlak- en ondergrondse water is 'n wêreldwye probleem. Die skoonmaak van 'n besoedelde grondwaterbron is uiters moeilik en duur, indien nie onmoontlik nie. Bykans alle bronne verantwoordelik vir grondwater besoedeling ontstaan in die onversadigde sone onder die grondoppervlak. Indien die beweging van chemikalieë onder verskillende toestande in die onversadigde sone dus beter verstaan kan word, kan dit lei tot 'n aansienlike verbetering in pogings om grondwaterbesoedeling te verhoed. Een belangrike bron van grondwaterbesoedeling in landbou gebiede is stikstof. Dit is egter baie moeilik om die beweging van stikstof in landbougronde te bestudeer, aangesien dit komplekse en interafhanklike transformasies in die grond ondergaan. Die hoofdoel van hierdie tesis is om die beweging van bromied en stikstof in die Bainsvlei grond van Suid Afrika en ook in ’n grond van Ethiopië te vergelyk onder ewewigs-, oorgangs- en beplante grond toestande, met die doel om bromied as 'n plaasvervanger vir stikstof in studies van die beweging van stikstof te gebruik. Die hidrologiese kenmerke van die Bainsvlei grond is op die terrein bepaal. Verskeie vereenvoudigde modelle is gebruik om die hidroliese geleiding van die grond te bepaal, en die effektiwiteit van hierdie modelle is ondersoek. 'n Ewewigstoestand eksperiment is gedoen, met bromied as spoorder en ’n reënval simuleerder om die massa transport parameters van die grond met behulp van stochastiese en deterministiese modelle oplossing te bepaal. Parameters bepaal met behulp van die deterministiese konvektiewe dispersiewe vergelyking en die stochastiese stroombuis model het nie veel verskil nie. Daar is ook gevind dat hierdie grond nie voorkeurvloei vertoon nie. Uit eksperimente met die doel om die effek van die intensiteit en kontinuiteit van water op die massa transport te bepaal, is gevind dat ’n toename in intensiteit en kontinuiteit van reënval of besproeiing die loging in hierdie grond laat toeneem. Die eksperimente wat uitgevoer is op 'n skoon perseel onder natuurlike reënval, dui daarop dat die loging van kunsmis geminimaliseer kan word indien die kunsmis deelsgewys oor die groeiseisoen van 'n oes toegedien word, in plaas van eenmalig aan die begin van die seisoen. Die studie van die beweging van bromied en stikstof is herhaal met die alluviale sanderige kleigrond van Dire Dawa, Ethiopië. Twee stelle persele is vir hierdie doel gebruik. Een stel is skoon gelaat, terwyl die ander met mielies beplant is. Geen duidelike gevolgtrekkings kon bereik word uit hierdie studie nie. Die rede hiervoor is dat die hoë natuurlike agtergrond nitraatkonsentrasie van die grond die posisies van die konsentrasie pieke verskuil het. Die eksperiment het nietemin bewys dat die opname van die mielies die beweging van beide chemikalieë in die grond verminder het, en dat die hoeveelheid stikstof wat die mielieplante op ’n bepaalde tydstip opneem, deur die vegetatiewe stadium van die plante bepaal word. Hierdie resultate, gekombineer met die resultate van die logingseksperiment op die skoon perseel, dui aan dat dit meer ekonomies sowel as meer omgewingsvriendelik sal wees as ’n boer die kunsmis deelsgewys oor die groeiseisoen in afhanklikheid van die ontwikkelingstadium van die gewas en die weersomstandighede toedien, in plaas van 'n enkele toediening aan die begin van die seisoen.
Description
Keywords
Thesis (Ph.D. (Geohydrology))--University of the Free State, 2003, Groundwater -- Pollution, Radioactive tracers in soil chemistry, Soils -- Leaching