Estimation and mitigation assessment of N₂O emission and nitrate leaching in a mountainous catchment in South Korea using the LandscapeDNDC model

Titelangaben

Kim, Youngsun:
Estimation and mitigation assessment of N₂O emission and nitrate leaching in a mountainous catchment in South Korea using the LandscapeDNDC model.
Bayreuth , 2015 . - XVI, 112 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Abstract The application of excessive N fertilizer is a common farming practice in Southeast Asia to ensure the optimum crop yield. However, surplus N in soil induced from higher fertilization than crop N demand is highly susceptible to loss as N2O emission and nitrate leaching during heavy rainfall events in the monsoon season. Intensive farming conducted in the Haean catchment of South Korea has received much attention due to its geographical importance as an upstream region of the Soyang River Dam, which is used as the major drinking water for urban residents (including Seoul). Taking into account the combination of monsoon climate, intensive N fertilizer use and sand dressing prior to mulching and seeding of upland fields in the Haean catchment are likely to cause significant N loss and soil erosion, which have a high potential for directly impacting on the dam water quality via the Mandae stream. The plastic mulch as well as high N fertilization is a typical agricultural management practice for upland crop cultivation in the Haean catchment. To consider effects of plastic mulch on the dynamics of soil temperature and water content, based on soil measurements, meteorological input data i.e. air temperature and precipitation were adjusted to allow the biogeochemical LandscapeDNDC model differentiating simulations of plastic mulch (row) conditions. Furthermore, the actual weather data was applied for the simulation of interrow conditions. The main parameters such as MaxTDD, Tlimit, OptYield and WUECMAX for the simulation of plant growth of major upland crops (i.e. potato, radish, soybean and cabbage) and dominant tree species (i.e. Quercus Mongolica) of the Haean catchment were newly implemented into the model. Taking into account mulching effects and different agricultural management practices, the LandscapeDNDC was validated against detailed field measurements of N2O emission, nitrate concentration, soil temperature and water content (5, 15 and 30 cm soil depth) and biomass production from potato, radish, soybean and cabbage fields. Furthermore, the LandscapeDNDC was also tested against field data of N2O emission, soil temperature and water content (10 cm soil depth) from temperate deciduous forest sites located at three different altitudes and thus different exposure to atmospheric N deposition (24 - 51 kg N ha-1). Application of the adjusted meteorological data showed better prediction of soil temperature and water content from rows covering with plastic mulch as compared to application of the actual weather data (e.g. adjusted data: r2 = 0.49; actual data: r2 = 0.18). Developmental stages of major upland crops were successfully captured by the LandscapeDNDC and separately simulated above- and belowground biomass were in good agreement with measured biomass (r2 = 0.81 - 0.98). The peak N2O emissions after N fertilization from potato, radish and cabbage fields were generally underestimated, however, with respect to high uncertainties and low frequency of measurements, temporal dynamics and magnitude of N2O emission (r2 up to 0.45; ME up to 0.21) as well as nitrate concentration (r2 up to 0.89; ME up to 0.43) were well captured by the model. Based on the successful site validation, the LandscapeDNDC was connected to a GIS database holding all spatially explicit information on climate, soil, vegetation and management and used for estimating N2O emission, nitrate leaching and crop production from intensively managed upland fields and temperate deciduous forest of the Haean catchment (61.5 km²). The main objectives of this thesis were to estimate N2O emission, nitrate leaching and crop yield from the Haean catchment taking into account different land use and environmental conditions and to evaluate mitigation options to minimize N losses while maintaining the current crop yield. The LandscapeDNDC simulation of the mean annual direct N2O emissions from upland fields and temperate deciduous forest was 2.03 and 0.50 kg N ha-1 through 2009 - 2010, respectively. Simulated mean nitrate leaching rates from upland fields resulted in much higher annual values of 112.2 and 125.4 kg N ha-1 in 2009 and 2010, respectively. In contrast, simulated mean nitrate leaching rates from temperate deciduous forest were negligible (≤ 0.01 kg N ha-1 yr-1) both in 2009 and 2010. Direct N2O emission factors for upland fields of the Haean catchment were 0.80 and 0.94% in 2009 and 2010, respectively, which is slightly lower than the IPCC default value of 1%. However, due to the high nitrate leaching rate estimated indirect N2O emission from nitrate leaching was substantial and was in the similar range of direct N2O emission from upland fields. Simulated upland crop biomass ranged between 5.5 and 17.8 t DW ha-1 with annual mean values of 10.4 and 9.3 t DW ha-1 in 2009 and 2010, respectively. Estimation of area-weighted total N2O emission (sum of direct and indirect N2O emissions) from the Haean catchment was 3.31 and 2.93 t N yr-1 in 2009 and 2010, respectively. About 52% of the total N2O emission was derived from fertilized upland fields, covering only 27% of the catchment area. The model predicted nitrate leaching as the dominant pathway of N loss from the Haean catchment with annual values of 72.0 and 59.5 t N yr-1 in 2009 and 2010, respectively. Fertilized upland fields were the strongest source of nitrate leaching, which accounted for 99% of simulated total nitrate leaching from the Haean catchment through 2009 - 2010. Mainly due to the decrease in total N fertilization rate in response to the reduction of cultivation area, N2O emission and nitrate leaching were about 14% lower in 2010 as compared to 2009. Adopted mitigation options were based on the maximum reduction of nitrate leaching and N2O emission without penalizing the current crop yield. Generally simulations show that N export to the environment could be reduced by overall lowering of fertilization rates by approximately 34% without impacting on current crop yields. Splitting N fertilizer application into 3 times rather than 2 times showed slightly higher potential for minimizing N loss from upland fields of the Haean catchment. By splitting N fertilizer application into 3 times the total nitrate leaching could be significantly reduced by 68% (32.7 t N yr-1) in 2009. Even a higher reduction rate of 78% was achieved for the year 2010. Reduced nitrate leaching would significantly decrease mean nitrate concentrations in the Mandae stream at the Haean catchment outflow from 3.5 to about 2 mg l-1, which is much closer to the quality standard of inland water of 1.5 mg l-1. Estimated mitigation of N2O emissions from upland fields was 0.93 and 0.78 t N yr-1, which was about 49 and 52% reduction in N2O emissions as compared to farmers` practices in 2009 and 2010, respectively. Taking into account a 47 ton reduction in N fertilization by the adopted mitigation option, fertilizer-induced N loss (sum of nitrate leaching rate and N2O emission) from upland fields of the Haean catchment was projected to decrease significantly by 73% as compared to the N loss from the farmers` practices through 2009 - 2010. To the best of our knowledge this was the first study of upscaling N2O emission and nitrate leaching including assessment of mitigation options in order to reduce N loss from a catchment in South Korea with a process based biogeochemical model. The most remarkable finding of this thesis was to show the significant potential for decreasing N loss without affecting the current crop yield by the application of adopted mitigation option. However, further studies are still required to evaluate additional mitigation options such as cover crops (e.g. rapeseed and winter wheat which have been already started by a cultivation experiment in Gangwon Province) and reduced tillage both potentially contributing also to increase of soil carbon stocks and soil fertility. Furthermore, adaptation of fertilizer management with fertilization only into the plant holes of rows and adjustment of timing of fertilization depending on accurate weather predictions, which can be particularly important under monsoon climate conditions. The finding of this study could be suggested as guidelines for improving farmers` practices while minimizing the N loss from the entire crop field of the Haean catchment.

Abstract in weiterer Sprache

Übermäßige Stickstoffdüngung ist in weiten Teilen Südost-Asien gängige landwirtschaftliche Praxis, um optimale Ernten zu gewährleisten. Düngung über den Pflanzenbedarf hinaus führt jedoch dazu, dass insbesondere in der Monsoon-Zeit, überschüssiger Stickstoff aus den Böden in Form von Nitrat (NO3) ausgewaschen oder als N2O in die Atmosphäre emittiert werden kann. Der intensiven Landwirtschaft im Haean-Becken in Südkorea kommt große Aufmerksamkeit zu, da dieses Einzugsgebiet über den Mandae-Fluss den Soyang River Dam speist, welcher zur Trinkwassergewinnung für die umliegende städtische Bevölkerung (inklusive Seoul) dient. Die Kombination von Monsunklima, intensiver Stickstoffdüngung, Topdressing mit Sand und Mulchen der Felder mit Plastikfolie im Haean Einzugsgebiet, lässt einen signifikanten Austrag von Stickstoffin die Umwelt und Bodenerosion vermuten, die sich negativ auf die Wasserqualität des Soyang River Dams auswirken. Mulchen mit Plastikfolie, sowie starke Stickstoffdüngung sind typische landwirtschaftliche Praktiken für den Feldfruchtanbau im Haean-Becken. Um die Effekte des Plastikmulchens auf die Dynamik der Bodentemperatur und des Bodenwassergehalts zu berücksichtigen, wurden basierend auf Bodenmessdaten meteorologische Inputdaten wie Lufttemperatur und Niederschlag so angepasst, dass das biogeochemische LandscapeDNDC Model die Bedingungen in den mit Plastikfolie bedeckten Pflanzenreihen besser simulieren konnte. Die tatsächlichen Wetterdaten wurden verwendet um die Bedingungen zwischen den Pflanzreihen zu simulieren. Weiterhin wurde das LandscapeDNDC Model erweitert, um das Pflanzenwachstum für diese Studie wichtige Feldfrüchte wie Kartoffeln, Rettich, Sojabohnen und Kohl, sowie die im Hean Einzugsgebiet dominierende Baumart Quercus mongolica simulieren zu können. Hierzu wurden insbesondere die Hauptparameter für das Pflanzenwaschstum, wie MaxTDD, Tlimit, OptYield und WUECMAX angepasst. Das für die spezfischen landwirtschaftlichen Praktiken wie Mulchen angepasst LandscapeDNDC Modelwurde im nächsten Schritt mit detailierten Feldmessungen von N2O-Emissionen, NO3--Konzentrationen, Bodentemperatur und Bodenwassergehalt (in 5, 15 und 30 cm Bodentiefe) und Biomasseproduktion von Kartoffel-, Rettich-, Sojabohnen- und Kohlfeldern validiert. Außerdem wurde das Model auch mit Messungen von N2O-Emissionen, Bodentemperatur und Bodenwassergahlt (in 10 cm Bodentiefe) temperater Laubwälder in drei verschiedenen Höhenlagen und somit unterschiedliche Raten der Stickstoffdeposion (24 - 51 kg N ha-1), getestet. Die Verwendung des angepassten meteorologischen Inputdatensates führte zu einer besseren Vorhersagbarkeit von Bodentemperatur und -Wassergehalt in mit Plastikfolie bedeckten Beeten als die Anwendung der für diese Verhältnisse unrealistischeren tatsächlichen Wetterdaten (angepasste Daten: r2 = 0.49; tatsächliche Daten: r2 = 0.18). Die Biomassen der verschiednenen Entwicklungsstadien der wichtigen Feldfrüchte wurde erfolgreich vom Model erfasst und seperat modellierte oberirdische und unterirdische Biomasse waren ebenso in gutem Einvernehmen mit der im Feld gemessenen Biomasse (r2 = 0.81 - 0.98). Die N2O-Emissionspitzen nach der Stickstoffdüngung von Kartoffel-, Rettich und Kohlfeldern wurden generell unterschätzt. In Anbetracht relativ hoher Unsicherheiten und der niedrigen Messfrequenz der Messwerte, wurde jedoch die zeitliche Dynamik und Menge der N2O-Emissionen (r2 bis zu 0.45; ME bis zu 0.21) generell gut vom Model erfasst. Die Simulationen der zeitlichen Veränderung der Nitratkonzentrationen in verschiedenen Bodentiefen stimmten ebenso gut (r2 bis zu 0.89; ME bis zu 0.43) mit Messwerten überein. Basierend auf der erfolgreichen Validierung auf Plot-Skale, wurde das LandscapeDNDC Model an eine GIS-Datenbank gekoppelt, welche räumlich explizite Informationen über Klima, Boden, Vegetation und Managementpraktiken vorhält, und verwendet um N2O-Emissionen, NO3--Auswaschung und Ernteerträge von intensiv bewirtschafteten Feldfrüchten und Laubwäldern des Haean-Beckens abzuschätzen (61.5 km2). Die Hauptzielstellungen dieser Arbeit waren das Abschätzen von N2O-Emissionen, NO3--Auswaschung und Ernteerträgen im Haean-Becken unter Berücksichtigung verschiedener Landnutzung- und Umweltparameter und die Evaluierung von Optionen um Stickstoffverluste bei gleichbleibend hohen Ernteerträgen zu mindern. Die LandscapeDNDC-Simulation der mittleren jährlichen N2O-Emissionen der Felder und Laubwälder waren 2.03, beziehungsweise 0.50 kg N ha-1 für den Zeitraum 2009 - 2010. Simulierte mittlere NO3--Auswaschungsraten ergaben viel höhere Werte von 112.2, beziehungsweise 125.4 kg N ha-1 für den Zeitraum 2009 - 2010. Im Kontrast dazu waren die simulierten mittleren NO3--Auswaschungsraten der Laubwälder für den gleichen Zeitraumvernachlässigbar klein (≤ 0.01 kg N ha-1 yr-1). Die direkten N2O-Emissionsfaktoren des Feldfruchtanbaus im Haean-Beckens waren 0.80 und 0.94% für 2009 und 2010, was geringfügig unter der IPCC-Vorgabe von 1% liegt. Allerdings waren die indirekten N2O-Emission in Folge von NO3--Auswaschung substanziell höher und vergleichbar der Größenordnung der direkten N2O-Emissionen. Die simulierte Feldfruchtbiomasse lag zwischen 5.5 und 17.8 t DW ha-1 mit jährlichen Mittelwerten von 10.4 und 9.3 t DW ha-1 für 2009 und 2010. Eine Abschätzung von auf die Fläche bezogenen N2O-Emissionen (Summe aus direkter und indirekter N2O-Emission) des Haean-Beckens ergab 3.31, beziehungsweise 2.93 t N yr-1 für 2009 und 2010. Dabei stammen 52% der gesamten N2O-Emissionen von den gedüngten Feldern, welche flächenmäßig nur 27% des Haean-Beckens ausmachen. Die Model-Simulationen zeigen, dass die NO3--Auswaschung der dominante Weg für Stickstoffverluste im Haean-Becken darstellt, mit jährlichen Werten von 72.0, beziehungsweise 59.5 t N yr-1 für 2009 und 2010. Gedüngte Felder waren die größte Quelle für ausgewaschenes NO3- und bedingten 99% der gesamten simulierten NO3--Auswaschung des Haean-Beckens im Zeitraum von 2009 - 2010. Verursacht durch eine Abnahme der gesamten Stickstoffdüngungsrate als Folge einer Verringerung der gesamten kultivierten Fläche, waren N2O-Emissionen und NO3--Auswaschung im Jahr 2010 um 14% geringer als 2009. In dieser Studie angewandte Mitigations-optionen basierten auf der maximalen Reduzierung von NO3--Auswaschung und N2O-Emissionen ohne nachteilige Auswirkung auf die derzeitigen Erntebeträge. Die Simulationen zeigen, dass generell niedrigere N-Düngegaben zu einer deutlichen Reduzierung des N-Austrags in die Umwelt führen, ohne Auswirkungen auf die derzeitige Höhe der Ernteerträge. Verglichen mit zwei Applikationszeitpunkten würde die Ausbringung des Stickstoffdüngers zu drei Zeitpunkten zu einer höheren Reduzierung der Stickstoffverluste von den Feldern des Haean-Beckens führen. Bei drei Düngungszeitpunkten war die modellierte Gesamt-NO3--Auswaschung für 2009 um 68% geringer (32.7 t N yr-1). Für 2010 ergab sich sogar eine Reduzierung um 78%. Diese reduzierte NO3--Auswaschung würde die NO3--Konzentrationen im Abfluss des Mandae-Flusses von 3.5 auf 2 mg l-1 verringern, was deutlich näher am für Binnengewässern festgelegten Qualitätsstandard-Wert von 1.5 mg l-1 liegt. Die abgeschätzte Minderung der N2O-Emissionen aus landwirtschaftlichem Anbau betrug 0.93 und 0.78 t N yr-1, was eine Reduzierung um 49% für 2009 und 52% für 2010 ergeben würde. Unter der Annahme einer reduzierten Stickstoffdüngung von 47 Tonnen bei der vorgeschlagenen Milderungsoption, wäre der durch Düngung induzierte Stickstoffverlust (Summe aus NO3--Auswaschung und N2O-Emissionen) um 73% geringer gewesen als im Vergleich zum Stickstoffverlust, der durch die Feldmanagementpraktiken 2009 und 2010 tatsächlich aufgetreten ist. Unseres Wissens nach, ist dies die erste Studie, in der N2O-Emissionen und NO3--Auswaschung, sowie Vorschläge für Milderungsstrategien um Stickstoffverluste zu reduzieren, regional für ein Wassereinzugsgebiet in Südkorea mit einem prozessbasierten biogeochemischen Modell abgeschätzt wurden. Das bedeutendste Resultat dieser Studie ist das Aufzeigen des hohen Potenzials von Minderungsstrategien, Stickstoffverluste zu reduzieren ohne Ernteerträge zu beeinträchtigen. Jedoch sind weitere Studien notwendig, um weitere Optionen wie Gründüngung (Raps und Winterweizen, welche in einem Bepflanzungsexperiment in der Kangwon-Provinz bereits getestet werden) und reduziertes Pflügen, zu evaluieren. Beide Praktiken tragen weiterhin dazu bei die Boden-Kohlenstoffgehalte und damit die Bodenfruchtbarkeit zu erhöhen. Außerdem würde eine veränderte Düngungspraxis mit Düngergaben direkt in die Pflanzlöcher unter Berücksichtigung von aktuellen Wetterprognosen, vor allem während der Monsunwetterlage, weitere Milderungen des N-Austrags ermöglichen. Die Ergebnisse dieser Studie könnten als Basis zur Modifizierung der derzeitigen landwirtschaftlichen Praxis von Landwirten im Haean Einzugsgebiet dienen, um Stickstoffverluste in die Umwelt stark zu verringern.