Surface runoff and soil water infiltration in a no tillage system with vertical mulching

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESThe reduced infiltration of water into the soil in areas of intensive agriculture is one of the main problems in hydrology. It decreases the water content in the soil profile and causes an increase in surface runoff which is directly associated with soil erosion. The technique of vertical mulching (VM) can be applied in conjunction with a no tillage system to improve water infiltration. To date few studies looked at the efficacy of this technique. Hence, the aim of the study here is to evaluate the effect of VM in a no tillage system on the reduction of runoff, the increase in infiltration, and the distribution of water in the soil. Experiments were carried out on a sandy loam near the city of Santa Maria, RS, Brazil. The field experiments consisted of two treatments (no tillage with VM – Tcom, and no tillage without – VM, Tsem = control) with three replications. Artificial rainfall was applied, and soil water content and surface runoff were monitored. The data collected were used to calibrate and validate two hydrologic models. The first one is the model of Green and Ampt (1911) as modified by Mein and Larson (1973) which was used to simulate surface runoff for different spacings between the ditches. The second is the two-dimensional infiltration model Infil2D developed at the Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg in Halle, Germany. It was used to evaluate the water distribution in the soil around the ditches during infiltration. For a rainfall with an intensity of 41.76 mm h-1 lasting for 120 minutes there was no runoff for ditch spacings as large as 20 m. Spacings between the ditches of 5 and 10 m were shown to prevent runoff from a rainfall with an intensity of 65.83 mm h-1 lasting for 60 minutes, except the 10 m spacing when the initial soil moisture content was high (32%-vol.). Under these conditions runoff was still reduced by 94%. For a rainfall intensity of 124 mm h-1 and a duration of 20 minutes there was a considerable amount of surface runoff for ditch spacings of 10, 15, 20 and 25 m, even though the amount was diminished (with θi = 32%-vol.) by at least 40, 26, 20 and 16%, respectively. Even for a ditch spacing of 5 m there was still some runoff at higher moisture contents. However, it was reduced by ≥79%. This means that a ditch spacing of 5 m may still not completely prevent runoff created by rainfalls of short duration but high intensity. However, for longer rainfall durations with lower intensities ditch spacings of 5 to 10 m are highly effective in preventing surface runoff. Note that at this site the aforementioned intensities represent the 120, 60 and 20 minute rainfall, respectively, with a return period of 20 years. Concerning the distribution of water in the soil around the ditches, the data collected in the field show that an effect of VM cannot be observed a few hours after infiltration stops due to rapid drainage, and because infiltration from the soil surface shrouds the infiltration from the ditch. For clay, clay loam and sandy loam soils an analysis with the Infil2D model indicates the same. It further shows that water does not propagate more than 1.20 m horizontally from the ditches. This means that VM does not significantly increase the amount of water available to plants. However, by increasing the amount of water which infiltrates into and then passes through the soil this technique contributes to the supply of groundwater.A reduzida infiltração de água no solo em áreas de intensivo manejo agrícola é um dos principais problemas hidrológicos existentes. Isso reduz o conteúdo de água no perfil do solo e ocasiona o aumento do escoamento superficial que está diretamente associado com a erosão do solo. A técnica do vertical mulching (VM) associada ao sistema plantio direto é possível de ser aplicada visando reduzir os problemas de infiltração de água no solo, entretanto são encontrados poucos estudos relacionados a eficácia da técnica. O objetivo geral do estudo é avaliar o efeito do VM em sistema plantio direto na detenção do escoamento superficial, na infiltração e distribuição de água no solo. O experimento foi desenvolvido na cidade de Santa Maria, RS, em solo de textura franco arenosa. Para obtenção de dados a campo foi montado conjunto experimental de dois tratamentos com três repetições cada. Os tratamentos foram Tcom – sistema plantio direto com VM, e Tsem – sistema plantio direto sem VM (testemunha). Foram realizadas simulações de chuvas com o monitoramento do escoamento superficial e do conteúdo de água no solo. Os dados coletados foram utilizados para calibrar e validar dois modelos hidrológicos. O primeiro deles é o modelo de Green e Ampt (1911) modificado por Mein e Larson (1973) que foi utilizado para simular o escoamento superficial com diferentes espaçamentos entre sulcos do VM. O segundo é o modelo de infiltração bi-dimensional denominado Infil2D desenvolvido pela Faculdade de Ciências Naturais III da Martin-Luther Universität Halle- Wittenberg em Halle, Alemanha, cujo propósito foi avaliar a distribuição de água por meio do sulco do VM. Para a chuva de intensidade de 41,76 mm h-1 com duração de 120 minutos não houve escoamento superficial para espaçamento entre sulcos de até 20 m. Os espaçamentos entre sulcos de 5 e 10 metros apresentaram boa eficiência em deter o escoamento superficial para a chuva intensa de 65,83 mm h-1 com duração de 60 minutos, com exceção da condição no espaçamento de 10 metros quando o conteúdo de água inicial no solo foi elevado (32%-vol.). Nessas condições o escoamento ainda foi reduzido em 94%. Com intensidade de chuva de 124 mm h-1 e duração de 20 minutos houve considerável volume escoado superficialmente para os espaçamentos de 10, 15, 20 e 25, embora a quantidade tenha diminuído (na condição θi = 32%-vol.) em pelo menos 74, 54, 41 e 32% respectivamente, em comparação a área sem VM. Mesmo para o espaçamento de 5 m, ainda houve escoamento superficial em conteúdos de água no solo mais altos. No entanto, o escoamento foi reduzido em mais de 79%. Isso significa que o espaçamento entre sulcos de 5 m pode não impedir completamente as perdas de água em áreas agrícolas criadas por chuvas de curta duração e alta intensidade. No entanto, para durações mais longas com intensidades de menor valor os espaçamentos de 5 e 10 m são altamente eficazes na retenção do escoamento superficial. As intensidades acima mencionadas representam as precipitações de 120, 60 e 20 minutos, respectivamente, com um período de retorno de 20 anos. Quanto a distribuição de água no solo no entorno do VM os dados coletados a campo demonstram que o efeito do VM no conteúdo de água no solo não pode ser observado poucas horas após o final da infiltração, pois a drenagem ocorre rapidamente e a infiltração da superfície do solo encobre o efeito da infiltração proveniente do sulco. Para solos de textura argilosa, franco argilosa e franco arenosa a análise com o modelo Infil2D indica o mesmo. A distribuição de água no solo, a partir do sulco do VM, não se propaga mais que 1,20 m de distância do VM no sentido horizontal. Isso significa que o VM não aumenta de forma significativa o volume de água disponível para as plantas. No entanto aumentando a quantidade de água que infiltra a técnica contribui para o abastecimento de águas subterrâneas