SPATIAL VARIATBILITY OF
SELECTED SOIL PROPERTIES IN AND
BETWEEN MAP UNITS
by
COENRAAD HENDRIK FRAENKEL
Submitted in accordance with the requirements for the degree of
M.Sc. in Soil Science
In the faculty of Natural and Agricultural Sciences,
Department of Soil, Crop and Climate Sciences,
University of the Free State,
Bloemfontein, South Africa
Study leader: Dr. P.A.L Le Roux
Co – Study leader: Prof. L.D. Van Rensburg
2
3
CONTENTS
………...iABSTRACT
……….iiOPSOMMING
………iiiACKNOWLEDGEMENTS
………...ivLIST OF TABLES
……….vLIST OF FIGURES
……….viLIST OF SYMBOLS AND ABREVIATIONS
………viiCHAPTER 1 ... 16 1 . 1 M o t i v a t i o n ... 16 1 . 1 . 1 S p a t i a l v a r i a t i o n o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s i n a n d b e t w e e n m a p u n i t s ... 16 1 . 1 . 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s e l e c t e d s o i l f o r m s a n d t h e r o o t d e n s i t y o f m a i z e ... 16 1 . 1 . 3 T h e h y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r o f s e l e c t e d s o i l f o r m s ... 17 1 . 2 H y p o t h e s i s a n d O b j e c t i v e s ... 19 1 . 2 . 1 H y p o t h e s i s ... 19 1 . 2 . 2 O b j e c t i v e s ... 20 2 . 3 . 1 E x p e r i m e n t a l S i t e ... 20 2 . 2 . 2 E x p e r i m e n t a l m a t e r i a l s ... 20 2 . 2 . 3 E x p e r i m e n t a l d e s i g n ... 23 2 . 2 . 4 A g r o n o m i c a l p r a c t i c e s ... 25 2 . 2 . 4 . 1 L a n d p r e p a r a t i o n ... 25 CHAPTER 2 ... 27 2 . 1 I n t r o d u c t i o n ... 27 2 . 2 L i t e r a t u r e R e v i e w ... 29 2 . 2 . 1 V a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s ... 29 2 . 2 . 1 . 1 S t a t i s t i c a l v a r i a t i o n o f s o i l p r o p e r t i e s ... 29 2 . 2 . 1 . 2 S p a t i a l v a r i a t i o n o f s o i l p r o p e r t i e s . ... 43 2 . 2 . 1 . 3 Y i e l d v a r i a t i o n i n r e l a t i o n t o s o i l p r o p e r t i e s ... 45 2 . 3 M e t h o d o l o g y ... 46 2 . 3 . 1 S o i l S u r v e y ... 46 2 . 2 . 6 S o i l a n a l y s i s ... 47 2 . 2 . 7 S t a t i s t i c a l a n d s p a t i a l a n a l y s i s ... 48 2 . 3 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n ... 49 2 . 3 . 1 F a c t o r s o f S o i l F o r m a t i o n ... 49 2 . 3 . 1 . 1 C l i m a t e ... 49 2 . 3 . 1 . 2 P a r e n t M a t e r i a l ... 52 2 . 3 . 1 . 3 T o p o g r a p h y ... 53 2 . 3 . 1 . 4 B i o l o g y a n d t i m e ... 53 2 . 3 . 2 S p a t i a l v a r i a t i o n o f s o i l s ... 55 2 . 3 . 2 . 1 S p a t i a l d i s t r i b u t i o n o f s o i l s ... 55 2 . 3 . 3 2 D e s c r i p t i o n o f t h e m o d a l p r o f i l e s ... 56 2 . 3 . 3 S p a t i a l v a r i a t i o n o f p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s ... 62 2 . 3 . 4 S p a t i a l V a r i a t i o n w i t h i n m a p u n i t s ... 66
4 3 . 3 . 2 . 2 R o o t s a m p l i n g ... 89 3 . 3 . 3 S o i l p h y s i c a l m e a s u r e m e n t s ... 90 3 . 3 . 4 S t a t i s t i c a l a n a l y s i s ... 91 3 . 4 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n ... 92 3 . 4 . 1 I n t e r a c t i o n o f s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s ... 92 3 . 4 . 1 . 1 A h o r i z o n ... 92 3 . 4 . 1 . 2 B h o r i z o n ... 94 3 . 4 . 1 . 3 C h o r i z o n ... 96 3 . 4 . 2 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n r o o t d e n s i t y a n d s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s . ... 100 3 . 4 . 3 M a s t e r h o r i z o n s ... 102 3 . 4 . 4 T h e P r o f i l e ... 103 3 . 5 C o n c l u s i o n ... 104 C H A P T E R 4 ... 106 4 . 1 I n t r o d u c t i o n ... 106 4 . 2 M e t h o d o l o g y ... 107 4 . 2 . 1 E x p e r i m e n t a l s i t e ... 107 4 . 2 . 2 E x p e r i m e n t a l d e s i g n ... 107 4 . 2 . 3 E x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s ... 108 4 . 2 . 4 C a l c u l a t i o n o f K ... 109 4 . 2 . 5 S t a t i s t i c a l P r o c e d u r e s . ... 109 4 . 3 R e s u l t s a n d d i s c u s s i o n ... 109 4 . 3 . 1 V o l u m e t r i c w e t n e s s - t i m e r e l a t i o n s h i p s ... 112 4 . 3 . 2 M a t r i c s u c t i o n – t i m e r e l a t i o n s h i p s ... 116 4 . 3 . 3 H y d r a u l i c h e a d – d e p t h r e l a t i o n s h i p s ... 116 4 . 3 . 4 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ... 119 4 . 4 C o n c l u s i o n ... 124 C H A P T E R 5 ... 125 REFERENCES ... 126 APPENDICES ... 132
5 S o i l s v a r y a t a l l l e v e l s o f o b s e r v a t i o n . W h e n d e s c r i b i n g s o i l p h y s i c a l o r c h e m i c a l p r o p e r t i e s w e i n i t i a l l y t h i n k i n t e r m s o f h o m o g e n e o u s m a t e r i a l . H o w e v e r , f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e l a n d u s e a b i l i t y i t i s n e c e s s a r y t o c o n s i d e r v a r i a b i l i t y w i t h i n a n d b e t w e e n s o i l m a p u n i t s a s s o i l s v a r y s i g n i f i c a n t l y o v e r a l a n d a n d w i t h i n a h o m o g e n e o u s s o i l . T h e c o m b i n a t i o n s o f k n o w l e d g e a b o u t s o i l i n t e r r e l a t i o n s h i p s a n d t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e s o i l v a r i a b i l i t y w i l l b e u s e f u l i n t h e p r o c e s s o f c h a r a c t e r i z i n g t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s f o r d i f f e r e n t l a n d u s e a b i l i t i e s , f o r e x a m p l e p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e . T h e o b j e c t i v e s o f t h i s s t u d y w e r e t h e r e f o r e t o ( i ) c h a r a c t e r i z e t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s i n a n d b e t w e e n m a p u n i t s ( i i ) d e s c r i b e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s e l e c t e d s o i l f o r m s a n d t h e r o o t d e n s i t y o f m a i z e ( i i i ) c h a r a c t e r i z e t h e h y d r o l o g y o f t h e T u k u l u , S e p a n e a n d B l o e m d a l s o i l f o r m s a t P a r a d y s . A f i e l d e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d o n a 5 5 h a c u l t i v a t e d f i e l d o n t h e e x p e r i m e n t a l f a r m o f t h e U n i v e r s i t y o f t h e F r e e S t a t e , P a r a d y s ( S - 3 2 ˚ 3 5 ’ 2 1 ’ ’ , E - 7 7 ˚ 4 3 ’ 6 ’ ’ ) . T h e e x p e r i m e n t a l s i t e w a s s u b d i v i d e d i n t o 7 5 e x p e r i m e n t a l p l o t s . F o r o b j e c t i v e 1 a l l 7 5 p l o t s w e r e a n a l y s e d f o r p H , C a , K , M g , N a a n d 7 t e x t u r e c l a s s e s . F o r o b j e c t i v e 2 , 1 3 p l o t s w e r e s e l e c t e d f r o m t h e 7 5 e x p e r i m e n t a l p l o t s t o c o v e r a r a n g e o f r e l a t i v e d r y b i o m a s s y i e l d p l o t s . R o o t s a m p l e s a n d s o i l s a m p l e s w e r e t a k e n p e r m a s t e r h o r i z o n . T h e y w e r e a n a l y s e d f o r s i l t + c l a y c o n t e n t , w a t e r s t a b l e a g g r e g a t e s , m o d u l u s o f r u p t u r e , b u l k d e n s i t y a n d o r g a n i c c a r b o n c o n t e n t . F o r o b j e c t i v e 3 , t h r e e m o d a l p r o f i l e s w e r e s e l e c t e d a n d t h e i n s t a n t a n e o u s p r o f i l e m e t h o d w a s u s e d t o d e s c r i b e t h e v o l u m e t r i c w e t n e s s – t i m e r e l a t i o n s h i p , t h e h y d r a u l i c h e a d – d e p t h r e l a t i o n s h i p s a n d t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y . I t w a s c l e a r t h a t m o s t o f t h e s o i l p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s h a d a s t r o n g r e l a t i o n s h i p w i t h c l a y . I t w a s f o u n d t h a t t h e r e w a s a
ABSTRACT
6 h o r i z o n f o r T u k u l u v a r i e d b e t w e e n 3 1 % a n d 3 4 % , t h e S e p a n e b e t w e e n 4 9 % a n d 5 5 % , a n d t h e B l o e m d a l b e t w e e n 2 8 % a n d 3 4 % . T h e B l o e m d a l h a d t h e h i g h e s t r o o t l e n g t h i n d e x ( R L I ) f o l l o w e d b y t h e S e p a n e a n d T u k u l u . I t w a s c l e a r t h a t i n t h e c a s e o f t h e B l o e m d a l a n d T u k u l u , t h e C h o r i z o n c o n t r o l s t h e h y d r o l o g y , w h i l e i n t h e c a s e o f t h e S e p a n e i t i s t h e B h o r i z o n . I t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e v a r i a t i o n i n s o i l p r o p e r t i e s i s h i g h e r b e t w e e n t h a n w i t h i n m a p u n i t s . S o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s h a v e a c l o s e i n t e r r e l a t i o n s h i p a n d v a r y i n g e f f e c t s o n t h e R L I . T h e h y d r o l o g y o f t h e B l o e m d a l a n d T u k u l u i s i n f l u e n c e d b y t h e C h o r i z o n , w h i l e t h e S e p a n e i s i n f l u e n c e d b y t h e B h o r i z o n .
7 G r o n d v a r i e ë r m e r k w a a r d i g . G r o n d i s g e n e i g d o m b e s k r y f t e w o r d i n t e r m e v a n ‘ n h o m o g e n e l i g g a a m . A l h o e w e l , a s d a a r g e k y k w o r d n a ‘ n g r o n d s e v e r m o ë v i r ‘ n s e k e r e g r o n d g e b r u i k , m o e t d i t b e s k r y f w o r d i n t e r m e v a n d i e v a r i a s i e i n - e n t u s s e n k a a r t e e n h e d e . D i e r e d e h i e r v o o r i s d a t g r o n d b e t e k e n i s v o l v e r s k i l o o r ‘ n l a n d s k a p e n i n ‘ n p r o f i e l . ‘ n K o m b i n a s i e o o r d i e i n t e r v e r w a n t s k a p t u s s e n g r o n d - e i e n s k a p p e e n d i e v e r m o ë o m d i t t e n t o o n t e s t e l , i s h a n d i g i n d i e p r o s e s o m g r o n d v a r i a s i e v i r s e k e r e l a n d e l i k e g e b r u i k e t e k a r a k t e r i s e e r . D i e d o e l s t e l l i n g s v i r d i e s t u d i e w a s d u s a s v o l g : o m ( i ) d i e v a r i a s i e v a n g r o n d e i e n s k a p p e i n e n t u s s e n k a a r t e e n h e d e t e k a r a k t e r i s e e r ( i i ) d i e i n t e r v e r w a n t s k a p t u s s e n g r o n d f i s i e s e e i e n s k a p p e e n d i e w o r t e l d i g t h e i d v a n m i e l i e s t e b e s k r y f , e n l a a s t e n s ( i i i ) o m d i e h i d r o l o g i e s e e i e n s k a p p e v a n d i e B l o e m d a l , T u k u l u e n S e p a n e o p P a r a d y s t e b e s k r y f . ‘ n 5 5 h a G e p l o e g d e l a n d i s g e b r u i k i n ‘ n v e l d e k s p e r i m e n t o p d i e p r o e f p l a a s v a n d i e U n i v e r s i t e i t v a n d i e V r y s t a a t ( 3 2 ˚ 3 5 ’ 2 1 ’ ’ S , -7 -7 ˚ 4 3 ’ 6 ’ ’ O ) . D i e p r o e f t e r r e i n w a s o n d e r v e r d e e l i n -7 5 p r o e f p e r s e l e . V i r d o e l s t e l l i n g 1 w a s d i e t o t a l 7 5 p e r s e l e g e a n a l i s e e r o m p H , C a , K , M g , N a e n 7 t e k s t u u r k l a s s e t e b e p a a l . V i r d o e l s t e l l i n g 2 w a s 1 3 p e r s e l e g e s e l e k t e e r w a t g e v a r i e e r h e t v o l g e n s r e l a t i e w e b i o m a s s a . O p d i e p e r s e l e i s w o r t e l - e n g r o n d m o n s t e r s g e n e e m . D i e g r o n d m o n s t e r s i s g e a n a l i s e e r v i r s l i k + k l e i , w a t e r s t a b i e l e a g g r e g a t e , b r e e k s t e r k t e , b r u t o d i g t h e i d e n o r g a n i e s e k o o l s t o f i n h o u d . V i r d o e l s t e l l i n g 3 w a s d i e v e l d d r e i n e r i n g s m e t o d e g e b r u i k o m d i e v o l u m e t r i e s e w a t e r i n h o u d – t y d v e r h o u d i n g , d i e h i d r o l i e s e d r u k – d i e p t e v e r h o u d i n g e n d i e h i d r o l i e s e g e l e i d i n g v e r m o ë – d i e p t e v e r h o u d i n g t e k a r a k t e r i s e e r .
OPSOMMING
8 D i e s l i k + k l e i i n h o u d v a n d i e B h o r i s o n h e t t u s s e n 3 1 % e n 3 4 % g e v a r i e ë r , d i e S e p a n e t u s s e n 4 9 % e n 5 5 % e n d i e B l o e m d a l t u s s e n 2 8 % e n 3 4 % . D i e B l o e m d a l h e t d i e h o o g s t e o o r e e n s t e m m e n d e W L I g e h a d , g e v o l g d e u r d i e S e p a n e e n T u k u l u g r o n d t i p e s . D i t w a s d u i d e l i k d a t i n d i e g e v a l v a n d i e B l o e m d a l e n T u k u l u , d i e C h o r i s o n d i e h o o f f a k t o r i s w a t d i e v l o e i v a n w a t e r b e ï n v l o e d d e u r d i e p r o f i e l , t e r w y l d i e B h o r i s o n i n d i e g e v a l v a n d i e S e p a n e d i e h o o f f a k t o r w a s . D i e v a r i a s i e w a s g r o t e r t u s s e n k a a r t e e n h e d e a s i n k a a r t e e n h e d e . D i e g r o n d f i s i e s e e i e n s k a p p e h e t ‘ n s t e r k i n t e r v e r w a n t s k a p e n v a r i ë r e n d e i n v l o e d e o p W L I g e t o o n . D i e v l o e i v a n w a t e r i n d i e B l o e m d a l e n T u k u l u w o r d h o o f s a a k l i k b e ï n v l o e d d e u r d i e o n d e r l i g g e n d e C h o r i s o n , t e r w y l d i e B h o r i s o n i n d i e g e v a l v a n d i e S e p a n e v l o e i b e ï n v l o e d h e t .
9 I w o u l d l i k e t o t h a n k t h e f o l l o w i n g p e r s o n s a n d i n s t i t u t i o n s : ¾ D r . P . A . L . L e R o u x m y s t u d y l e a d e r f o r h i s v a l u a b l e a d v i c e , h i s r e a d i n e s s f o r c o n s u l t a t i o n a n d h i s m u c h - n e e d e d s u p p o r t t h r o u g h o u t t h e p r o j e c t ¾ P r o f . L . D . V a n R e n s b u r g m y c o s t u d y l e a d e r , w h o r e a l l y d o n e m o r e t h a n w o u l d b e e x p e c t e d f r o m a c o s u p e r v i s o r . H i s v a l u a b l e a d v i c e , r e a d i n e s s f o r c o n s u l t a t i o n a n d m e n t o r s h i p w i l l a l w a y s b e r e m e m b e r e d . ¾ T h e N a t u r a l R e s e a r c h F o u n d a t i o n f o r f u n d i n g t h e r e s e a r c h p r o j e c t . ¾ M r . C . B . B o t h m a f o r h i s w o n d e r f u l c o m p a n i o n s h i p , a n d s h a r i n g o f k n o w l e d g e a n d m e m o r a b l e s t u d e n t l i f e d u r i n g t h e p r o j e c t . ¾ T h e D e p a r t m e n t o f S o i l , C r o p a n d C l i m a t e S c i e n c e s o f t h e U n i v e r s i t y o f t h e F r e e S t a t e , f o r o f f e r i n g m e t h e r e s e a r c h a s s i s t a n t s h i p . ¾ T h e s t a f f m e m b e r s i n t h e D e p a r t m e n t o f S o i l , C r o p a n d C l i m a t e S c i e n c e s , e s p e c i a l l y M r s . R v a n H e e r d e n , f o r t h e a d m i n i s t r a t i v e a n d e m o t i o n a l a s s i s t a n c e a n d M r s . Y . M . D e s s e l s f o r l a b o r a t o r y a s s i s t a n c e . ¾ M y b e l o v e d p a r e n t s t h a t g a v e m e t h e o p p o r t u n i t y t o f u r t h e r m y s t u d i e s , I w i l l b e f o r e v e r g r a t e f u l . ¾ M y b r o t h e r a n d s i s t e r f o r t h e i r g r e a t l o v e a n d k i n d n e s s i n a y e a r w h e n t i m e s w e r e r e a l l y t o u g h . ¾ M y w i f e M a d r é f o r h e r m u c h n e e d e d l o v e a n d s u p p o r t t h r o u g h g o o d a n d d i f f i c u l t t i m e s . F i n a l l y , I t h a n k t h e A l m i g h t y G o d w h o I b e l i e v e i s t h e u l t i m a t e g u i d e o f t h i s w o r k a n d m y l i f e i n g e n e r a l . I a l w a y s r e t u r n e d t o H i m w h e n I g o t s t u c k a n d w h e n t i m e s w h e r e d i f f i c u l t . “ I n e v e r y m a n t h e r e i s s o m e t h i n g w h e r e i n I m a y l e a r n o f h i m , a n d i n t h a t I a m h i s p u p i l . ” - R a l p h W a l d o E m e r s o n
ACKNOWLEDGEMENTS
10 T a b l e 2 . 3 D e s c r i p t i v e s t a t i s t i c s a n d s e m i - v a r i o g r a m p a r a m e t e r s o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s ( M i a o e t a l . , 2 0 0 6 ) T a b l e 2 . 4 C o m p a r i s o n o f t h e t w o r e p r e s e n t a t i v e s o i l p r o f i l e s ( S t u t t e r e t a l . , 2 0 0 2 ) T a b l e 2 . 5 D e s c r i p t i v e s t a t i s t i c s o f p a r a m e t e r s m e a s u r e d i n 2 0 0 2 ( S h a h a n d e h e t a l . , 2 0 0 5 ) T a b l e 2 . 6 D e s c r i p t i v e s t a t i s t i c s o f p a r a m e t e r s m e a s u r e d i n 2 0 0 3 ( S h a h a n d e h e t a l . , 2 0 0 5 ) T a b l e 2 . 7 T h e c l i m a t e o f t h e a r e a ( W R C r e p o r t n o . 1 1 7 6 / 1 / 0 3 , 2 0 0 3 ) T a b l e 2 . 8 C o r r e l a t i o n m a t r i x o f t h e s o i l p r o p e r t i e s f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n s T a b l e 2 . 9 S t a t i s t i c a l v a r i a t i o n o f t h e s o i l p r o p e r t i e s C h a p t e r 3 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s e l e c t e d s o i l f o r m s a n d t h e r o o t d e n s i t y o f m a i z e T a b l e 3 . 1 P r i m a r y i n f l u e n c e s o f s o i l p r o p e r t i e s o n s o i l r e q u i r e m e n t s f o r o p t i m a l r o o t e l o n g a t i o n ( L o g s d o n e t a l . , 1 9 8 7 ) .
11 w i t h d i f f e r e n t p h y s i c a l p r o p e r t i e s ( D a t a m o d i f i e d f r o m V a n A n t w e r p e n , 1 9 8 8 a n d B e n n i e , 1 9 9 6 ) T a b l e 3 . 3 R o o t c h a r a c t e r i s t i c s o f w h e a t d u r i n g t i l l e r i n g i n t h r e e s o i l s o f v a r i o u s t e x t u r e s s e l e c t e d f r o m C a l l o t e t a l . ( 1 9 8 2 ) T a b l e 3 . 4 M e a n r o o t l e n g t h d e n s i t y a n d t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n i n e a c h s o i l l a y e r ( A m a t o a n d R i t c h i e , 2 0 0 2 ) T a b l e 3 . 5 V a r i a t i o n i n s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s f o r t h e A h o r i z o n o f t h e T u k u l u , S e p a n e a n d B l o e m d a l s o i l f o r m s T a b l e 3 . 6 C o r r e l a t i o n m a t r i x f o r t h e A h o r i z o n o f t h e T u k u l u , S e p a n e a n d B l o e m d a l s o i l f o r m s T a b l e 3 . 7 V a r i a t i o n i n r o o t d e n s i t y f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n o f t h e B l o e m d a l , T u k u l u a n d S e p a n e s o i l s T a b l e 3 . 8 C o r r e l a t i o n m a t r i x o f t h e s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s v s . r o o t d e n s i t y f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n i r r e s p e c t i v e o f s o i l f o r m s . C h a p t e r 4 C h a r a c t e r i s i n g t h e h y d r o l o g y o f t h e B l o e m d a l , T u k u l u a n d S e p a n e s o i l s a t P a r a d y s . T a b l e 4 . 1 S u m m a r y o f t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e s e l e c t e d T u k u l u , B l o e m d a l a n d S e p a n e s o i l s T a b l e 4 . 2 S u m m a r y o f t h e p e d o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e s e l e c t e d T u k u l u , B l o e m d a l a n d S e p a n e s o i l f o r m s T a b l e 4 . 3 M o d e l v a r i a b l e s f i t t e d t o t h e s o i l w a t e r c o n t e n t - t i m e d a t a o f t h e B l o e m d a l , T u k u l u a n d S e p a n e s o i l s T a b l e 4 . 4 S u m m a r y o f t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a n d r e l a t e d m e a n v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t f o r t h e s o i l s
12 B l o e m f o n t e i n . F i g u r e 1 . 4 T h e c o n t o u r p l o u g h p r e p a r i n g t h e d e a d - l e v e l c o n t o u r s a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m . F i g u r e 1 . 5 T h e b a s i n p l o u g h c r e a t i n g 1 0 c m d e e p x 1 m w i d e b a s i n s a l o n g t h e c o n t o u r r i d g e s . F i g u r e 1 . 6 R u n o f f w a t e r c o l l e c t e d i n t h e b a s i n s a f t e r a 3 0 m m r a i n e v e n t a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m . F i g u r e 1 . 7 : S c h e m a t i c l a y o u t o f t h e c o n v e n t i o n a l a n d I R W H t r e a t m e n t s o n t h e 5 5 h a f i e l d a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m . F i g u r e 1. 8 S c h e m a t i c l a y o u t o f t h e I R W H s t r u c t u r e a n d i n s t r u m e n t a t i o n u s e d i n e a c h o f t h e 7 5 e x p e r i m e n t a l p l o t s C h a p t e r 2 S p a t i a l v a r i a t i o n o f s e l e c t e d s o i l p r o p e r t i e s i n a n d b e t w e e n m a p u n i t s F i g u r e 2 . 1 T o p s o i l p H ( H 2 O ) a s a f u n c t i o n o f e l e v a t i o n ( Z e h e t n e r & M i l l e r , 2 0 0 6 ) . F i g u r e 2 . 2 K r i g e d c o n t o u r m a p s ( a - d ) o f s o i l N O3- N w i t h d e p t h i n 2 0 0 2 ( S h a h a n d e h e t a l . , 2 0 0 5 ) . F i g u r e 2 . 3 K r i g e d c o n t o u r m a p s o f ( a - b ) t o t a l N i n 2 0 0 2 a n d 2 0 0 3 , a n d ( c ) m i n e r a l i z e d N i n 2 0 0 3 ( S h a h a n d e h e t a l . , 2 0 0 5 ) .
13 t h e s a n d c o n t e n t i n t h e t o p s o i l ( V e n t e r , 2 0 0 3 ) . F i g u r e 2 . 5 K r i g e d s u r f a c e o f t h e d i s t r i b u t i o n o f p H( H 2 O ) i n t h e t o p s o i l ( V e n t e r , 2 0 0 3 ) . F i g u r e 2 . 6 K r i g e d s u r f a c e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e O C ( % ) i n t h e t o p s o i l ( V e n t e r , 2 0 0 3 ) . F i g u r e 2 . 7 K r i g e d s u r f a c e o f t h e m e a s u r e d y i e l d ( V e n t e r , 2 0 0 3 ) . F i g u r e 2 . 8 S o i l c o r e s d r a w n u s i n g t h e h y d r a u l i c c o r e s a m p l e r . F i g u r e 2 . 9 T h e l o w e r 3 p o s i t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l s i t e i n t h e l a n d s c a p e . F i g u r e 2 . 1 0 C o n t o u r m a p o f t h e 5 5 h a e x p e r i m e n t a l s i t e . F i g u r e 2 . 1 1 S o i l m a p o f t h e e x p e r i m e n t a l s i t e a t P a r a d y s . F i g u r e 2 . 1 2 T u k u l u s o i l f o r m F i g u r e 2 . 1 3 S e p a n e s o i l f o r m F i g u r e 2 . 1 4 B l o e m d a l s o i l f o r m F i g u r e 2 . 1 5 D i s t r i b u t i o n o f t h e c l a y c o n t e n t f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n . F i g u r e 2 . 1 6 D i s t r i b u t i o n o f c l a y o v e r t h e s o i l f o r m s ( n = 7 5 ) . F i g u r e 2 . 1 7 M a p i n d i c a t i n g t h e a r e a s w h i c h w a s s e l e c t e d t o b e w i t h i n t h e m a p u n i t s o f t h e T u k u l u , S e p a n e a n d B l o e m d a l s o i l f o r m s . F i g u r e 2 . 1 8 C o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n w i t h i n m a p u n i t s a n d b e t w e e n m a p u n i t s . F i g u r e 2 . 1 9 A c c u r a c y o f I D W p r e d i c t i o n s w i t h i n m a p u n i t s a n d b e t w e e n m a p u n i t s . F i g u r e 2 . 2 0 M a p i n d i c a t i n g t h e a r e a s t h a t h a s b e e n s e l e c t e d t o c h a r a c t e r i z e t h e v a r i a t i o n b e t w e e n m a p u n i t s . C h a p t e r 3 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s e l e c t e d s o i l f o r m s a n d t h e r o o t d e n s i t y o f m a i z e F i g u r e 3 . 1 D i a g r a m s h o w i n g t h e t h r e e b a s i c r o o t s y s t e m s ( K l e p p e r , 1 9 9 6 ) .
14 a t v a r i o u s w a t e r c o n t e n t s ( H i l l e l , 2 0 0 4 ) . F i g u r e 3 . 6 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r e l a t i v e r o o t l e n g t h o f 7 0 - d a y - o l d m a i z e , c o t t o n , w h e a t , a n d g r o u n d n u t p l a n t s a n d p e n e t r o m e t e r r e s i s t a n c e ( B e n n i e , 1 9 9 5 ) . F i g u r e 3 . 7 R e l a t i o n b e t w e e n c o t t o n r o o t p e n e t r a t i o n a n d p e n e t r o m e t e r r e s i s t a n c e ( T a y l o r e t a l . , 1 9 9 6 ) . F i g u r e 3 . 8 C h a n g e i n p e n e t r o m e t e r p r e s s u r e w i t h w a t e r c o n t e n t a t d i f f e r e n t b u l k d e n s i t i e s ( B e n n i e , 1 9 9 5 ) . F i g u r e 3 . 9 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t o t a l r o o t l e n g t h a n d v a r i o u s w a t e r a p p l i c a t i o n s a t o p t i m u m n i t r o g e n l e v e l s ( D a t a p r o c e s s e d f r o m V a n R e n s b u r g , 1 9 9 6 ) . F i g u r e 3 . 1 0 I l l u s t r a t i n g t h e s a m p l i n g o f t h e s o i l f o r b u l k d e n s i t y d e t e r m i n a t i o n ( a ) T h e c o r e i s i n s e r t e d i n t o t h e s o i l w i t h a s l i d i n g h a m m e r a n d ( b ) r e c o v e r e d w i t h o u t d i s t u r b i n g t h e s o i l i n s i d e t h e c y l i n d e r . F i g u r e 3 . 1 1 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t o t a l r o o t l e n g t h o r r o o t l e n g t h i n d e x ( R L I ) a n d t h e s o i l p h y s i c a l q u a l i t y i n d e x ( S P Q I ) f o r t h e A - h o r i z o n ( a ) , B - h o r i z o n ( b ) a n d C - h o r i z o n ( c ) o v e r t h e 1 3 p l o t s i n v e s t i g a t e d , i r r e s p e c t i v e o f s o i l f o r m . F i g u r e 3 . 1 2 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t o t a l r o o t l e n g t h o r r o o t l e n g t h i n d e x ( R L I ) a n d t h e s o i l p h y s i c a l q u a l i t y i n d e x ( S P Q I ) f o r t h e p r o f i l e s , i r r e s p e c t i v e s o i l f o r m s .
15 C h a p t e r 4 C h a r a c t e r i s i n g t h e h y d r o l o g y o f t h e B l o e m d a l , T u k u l u a n d S e p a n e s o i l s a t P a r a d y s . F i g u r e 4 . 1 E x p e r i m e n t a l d e s i g n f o r t h e i n s t a n t a n e o u s p r o f i l e m e t h o d . F i g u r e 4 . 2 V o l u m e t r i c w e t n e s s - t i m e r e l a t i o n s h i p f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n o f t h e B l o e m d a l s o i l f o r m . F i g u r e 4 . 3 V o l u m e t r i c w e t n e s s - t i m e r e l a t i o n s h i p f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n o f t h e T u k u l u s o i l f o r m . F i g u r e 4 . 4 V o l u m e t r i c w e t n e s s - t i m e r e l a t i o n s h i p f o r t h e A , B a n d C h o r i z o n o f t h e S e p a n e s o i l f o r m . F i g u r e 4 . 5 H y d r a u l i c h e a d p r o f i l e a t 3 0 c m , 6 0 c m a n d 9 0 m d e p t h s o f t h e B l o e m d a l s o i l f o r m o v e r t h e m e a s u r i n g p e r i o d i n d a y s a f t e r s a t u r a t i o n ( D A S ) . F i g u r e 4 . 6 H y d r a u l i c h e a d p r o f i l e a t 3 0 c m , 6 0 c m a n d 9 0 m d e p t h s o f t h e T u k u l u s o i l f o r m o v e r t h e m e a s u r i n g p e r i o d i n d a y s a f t e r s a t u r a t i o n ( D A S ) . F i g u r e 4 . 7 H y d r a u l i c h e a d p r o f i l e a t 3 0 c m , 6 0 c m a n d 9 0 m d e p t h s o f t h e S e p a n e s o i l f o r m o v e r t h e m e a s u r i n g p e r i o d i n d a y s a f t e r s a t u r a t i o n ( D A S ) . F i g u r e 4 . 8 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y c u r v e s f o r t h e B l o e m d a l s o i l . F i g u r e 4 . 9 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y c u r v e s f o r t h e T u k u l u s o i l . F i g u r e 4 . 1 0 H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y c u r v e s f o r t h e S e p a n e s o i l .
16 S o i l s v a r y a t a l l l e v e l s o f o b s e r v a t i o n . T y p i c a l l y , w h e n d e s c r i b i n g s o i l p h y s i c a l , c h e m i c a l , o r b i o l o g i c a l p r o p e r t i e s w e i n i t i a l l y t h i n k i n t e r m s o f h o m o g e n e o u s m a t e r i a l . T h i s i s a g o o d s t a r t i n g p o i n t , b e c a u s e i t s i m p l i f i e s c o n c e p t s a n d l e a d s t o r e s u l t s w i t h t h e l e a s t n u m b e r o f c o m p l i c a t i o n s . H o w e v e r , f o r c h a r a c t e r i z i n g s o i l m a p u n i t s i t i s n e c e s s a r y t o c o n s i d e r v a r i a b i l i t y w i t h i n a n d b e t w e e n s o i l m a p u n i t s . T h e k n o w l e d g e a b o u t s o i l i n t e r - r e l a t i o n s h i p s a n d t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e s o i l v a r i a b i l i t y w i l l b e u s e f u l f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e v a r i a b i l i t y o f l a n d s u i t a b i l i t y f o r e x a m p l e i n p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e . I n a g r i c u l t u r e t h e m a n i p u l a t i o n o f v a r i a b l e p r o p e r t i e s i n c r e a s e y i e l d , b u t i t i s u n c e r t a i n w h i c h s o i l p r o p e r t y l i m i t s p r o d u c t i o n a t a c e r t a i n s p o t i n a c e r t a i n y e a r . T h e m o d e l l i n g o f s p a t i a l v a r i a t i o n a s w e l l a s t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e v i s u a l i m a g e , c a n e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e u n d e r s t a n d i n g o f v a r i a t i o n i n c r o p p r o d u c t i o n . 1 . 1 . 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l f o r m a n d t h e r o o t d e n s i t y o f m a i z e R o o t s a r e a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t i n a n y c r o p p r o d u c t i o n s y s t e m ( K l e p p e r , 1 9 9 0 ; B e n n i e , 1 9 9 5 a n d V a n A n t w e r p e n , 1 9 8 8 ) . V a r i o u s s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s , i n d i v i d u a l l y o r c o m b i n e d w i t h o t h e r s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s , h a v e a n i n f l u e n c e o n r o o t d e v e l o p m e n t . T h e s e s o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s c o n s i s t o f s o i l t e x t u r e , s o i l s t r u c t u r e , w a t e r
17 r o o t d e v e l o p m e n t u n d e r S o u t h A f r i c a n c o n d i t i o n s f o c u s s e d h e a v i l y o n t h e e f f e c t o f i r r i g a t i o n p r a c t i c e s ( B e n n i e & B u r g e r , 1 9 7 9 ; V a n A n t w e r p e n , 1 9 8 8 a n d B e n n i e e t a l . , 1 9 8 8 ) a n d t i l l a g e p r a c t i c e s ( B e n n i e e t a l . , 1 9 8 8 ; S n y m a n , 1 9 8 7 a n d V a n d e r M e r w e , 1 9 9 3 ) . T h e s e t i l l a g e p r a c t i c e s i n c l u d e m i n i m u m t i l l a g e , s t u b b l e m u l c h a n d n o - t i l l , w h i c h w e r e m a i n l y a p p l i e d o n s a n d y t o s a n d y l o a m s o i l s , w i t h a m a s s i v e a p e d a l s t r u c t u r e . R e c e n t a d v a n c e s i n t i l l a g e s u g g e s t e d t h a t t h e I n f i e l d R a i n w a t e r H a r v e s t i n g ( I R W H ) t e c h n i q u e i s s u i t a b l e f o r c l a y a n d d u p l e x s o i l s i n s e m i a r i d z o n e s o f S o u t h A f r i c a ( H e n s l e y e t a l . , 2 0 0 0 ; B o t h a e t a l . , 2 0 0 4 ) . T o d a t e n o n e o f t h e b i o p h y s i c a l s t u d i e s i n I R W H h a s f o c u s s e d o n r o o t d e v e l o p m e n t . T h i s i s s e e n a s a s e r i o u s c o n c e r n a s t h e s y s t e m c l a i m s t h a t i t i m p r o v e s t h e r a i n w a t e r p r o d u c t i v i t y ( B o t h a , 2 0 0 6 ) . 1 . 1 . 3 T h e h y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r o f s e l e c t e d s o i l f o r m s S o i l h y d r o l o g y i s o f c r u c i a l i m p o r t a n c e i n c o u n t r i e s s u c h a s S o u t h A f r i c a , w h e r e t h e l a c k o f w a t e r l i m i t s r a i n f e d c r o p p r o d u c t i o n ( H u t s o n , 1 9 8 3 ) . T h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s a c h a l l e n g i n g s o i l p r o p e r t y t o d e s c r i b e b e c a u s e i t c a n c h a n g e m a n y o r d e r s o f m a g n i t u d e o v e r s h o r t d i s t a n c e s . H e t e r o g e n e i t y o f s o i l p r o p e r t i e s w i t h i n a n d b e t w e e n s o i l h o r i z o n s c a u s e s s o m e r e g i o n s t o b e m o r e o r l e s s f a v o u r a b l e t o f l o w . T h i s f l o w i s h i g h l y v a r i a b l e w i t h e x t r e m e s r e p r e s e n t e d b y t o r t u o u s f l o w b e t w e e n i n d i v i d u a l p a r t i c l e s a n d r a p i d f l o w t h r o u g h l a r g e , c o n t i n u o u s m a c r o p o r e s . T h e s p a t i a l v a r i a t i o n i n h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s i n f l u e n c e d b y a l o t m o r e t h a n t o p o g r a p h y a n d s o i l f o r m s . T h e a m o u n t o f w a t e r r e t a i n e d a t r e l a t i v e l y l o w v a l u e s o f m a t r i c s u c t i o n ( b e t w e e n 0 a n d 1 0 0 k P a ) d e p e n d s p r i m a r i l y u p o n t h e c a p i l l a r y e f f e c t a n d p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n , a n d h e n c e i s s t r o n g l y a f f e c t e d b y t h e s o i l s t r u c t u r e . T o e x p l a i n t h i s p h e n o m e n o n , V a n a p a l l i e t a l . ( 1 9 9 9 ) s u g g e s t e d t h a t w h e n i n v e s t i g a t i n g t h e s t r u c t u r e o f p a r t i a l l y s a t u r a t e d s o i l s , t h e r e
18 w a t e r r e t e n t i o n a t a n y p a r t i c u l a r s u c t i o n , a n d m o r e g r a d u a l t h e s l o p e o f t h e c u r v e ( D e x t e r , 1 9 7 8 ) . B u l k d e n s i t y a l s o h a s a n e f f e c t o n t h e s o i l w a t e r c h a r a c t e r i s t i c s a s a n i n c r e a s e i n b u l k d e n s i t y m e a n s a d e c r e a s e i n t o t a l p o r e s p a c e i n t h e s o i l a n d a d e c r e a s e i n w a t e r m o v e m e n t t h r o u g h t h e s o i l ( H i l l e l , 2 0 0 4 ) . T h e o r g a n i c c a r b o n c o n t e n t a l s o i n c r e a s e s t h e w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y a n d c o n d u c t i v i t y l a r g e l y a s a r e s u l t o f i t s i n f l u e n c e o n s o i l a g g r e g a t i o n a n d a s s o c i a t e d p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n . T h e o r g a n i c c a r b o n c o n t e n t i n c r e a s e s t h e a m o u n t o f w a t e r r e t a i n e d , e s p e c i a l l y a t l o w s u c t i o n s , b u t a t h i g h e r s u c t i o n s s o i l r i c h i n o r g a n i c c a r b o n r e l e a s e w a t e r r a p i d l y b e c a u s e o f l a r g e p o r e s p a c e s ( S a x t o n & R a w l s , 2 0 0 6 ) . A n o t h e r p r o b l e m i s t h a t o f f i e l d h e t e r o g e n e i t y t h a t r e l a t e s t o t h e s c a l e t h e h y d r a u l i c m e a s u r e m e n t s a r e m a d e o n . S o i l p r o p e r t i e s s u c h a s c o n d u c t i v i t y , p o r o s i t y a n d p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n a r e s c a l e d e p e n d a n t a n d s h o u l d b e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n w h e n s e l e c t i n g t h e s a m p l e s i z e . T h u s a f i e l d e s t i m a t i o n o f h y d r a u l i c c h a r a c t e r w h e r e a l a r g e r s a m p l e i s t a k e n m i g h t b e m o r e d e s i r a b l e ( H i l l e l , 2 0 0 4 ) . F u r t h e r s t u d i e s h a v e t o b e d o n e t o i d e n t i f y a l l t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y o f d i f f e r e n t s o i l f o r m s , b e f o r e a m o d e l t o c h a r a c t e r i z e t h e v a r i a t i o n m a y b e e s t a b l i s h e d .
19
1. 2 H ypothesis a nd Ob je ctive s
1 . 2 . 1 H y p o t h e s i s T h e r e e x i s t m a n y i n t e r r e l a t i o n s b e t w e e n s o i l p r o p e r t i e s t h a t w e h a v e t o u n d e r s t a n d b e f o r e d e s c r i b i n g t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s . A n y p r e d i c t i o n u s i n g s u b s t a n t i a l s e c o n d a r y i n f o r m a t i o n b a s e d o n t h e k n o w l e d g e o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l p r o p e r t i e s p r o v i d e s b e t t e r r e s u l t s t h a n p r e d i c t i o n m e t h o d s n o t t a k i n g c o r r e l a t i o n i n t o c o n s i d e r a t i o n . A f t e r t h e i n t e r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l p r o p e r t i e s a r e u n d e r s t o o d , a s u i t a b l e i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e m a y b e u s e d f o r s u r f a c e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n o f c e r t a i n s o i l p r o p e r t i e s . T h e c o m b i n a t i o n s o f k n o w l e d g e a b o u t s o i l i n t e r r e l a t i o n s h i p s a n d t h e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e s o i l v a r i a b i l i t y w i l l b e u s e f u l i n t h e p r o c e s s o f c h a r a c t e r i z i n g t h e v a r i a b i l i t y o f s o i l s u i a b i l i t y f o r d i f f e r e n t l a n d u s e s f o r e x a m p l e p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e a n d e n v i r o n m e n t a l s c i e n c e s . I n t h e m a i z e p r o d u c t i o n a r e a o f S o u t h - A f r i c a , c o m m e r c i a l f a r m e r s a r e c o n s t a n t l y d e b a t i n g t h e q u e s t i o n o n h o w t o r e d u c e p r o d u c t i o n r i s k , b o t h f i n a n c i a l a n d a g r o n o m i c a l . I n d i v i d u a l f a r m e r s c a n n o t d o m u c h t o c h a n g e t h e i n t e r n a t i o n a l l y b a s e d i n c o m e a n d c o s t s t r u c t u r e s . H e n c e t h e y a r e c o n s t a n t l y s e a r c h i n g f o r i d e a s , c o n c e p t s a n d t e c h n o l o g i e s a i m e d t o r e d u c e i n p u t c o s t s p e r u n i t a r e a w i t h o u t s c a r i f y i n g t h e m a x i m u m y i e l d e x p e c t a t i o n s b a s e d o n t h e l o n g t e r m p o t e n t i a l o f t h e l a n d . I t i s o f u t m o s t i m p o r t a n c e t h a t r e s e a r c h m u s t p r o v i d e a g r o n o m i c a l g u i d a n c e a n d s u p p o r t t o f a r m e r s , h e l p i n g t h e m t o s t a y c o m p e t i t i v e o n t h e g l o b a l l a n d s c a p e f r o m a s o i l a n d w a t e r m a n a g e m e n t p o i n t o f v i e w .20 1 . 3 M e t h o d o l o g y 1 . 3 . 1 E x p e r i m e n t a l S i t e A f i e l d e x p e r i m e n t w e r e c o n d u c t e d o n a 5 5 h a c u l t i v a t e d f i e l d o n t h e e x p e r i m e n t a l f a r m o f t h e U n i v e r s i t y o f t h e F r e e S t a t e , P a r a d y s ( - 3 2 ˚ 3 5 ’ 2 1 ’ ’ S , - 7 7 ˚ 4 3 ’ 6 ’ ’ E ) . T h e e x p e r i m e n t a l f a r m i s l o c a t e d + / - 1 0 k m s o u t h o f B l o e m f o n t e i n b e t w e e n t h e N 1 r o a d t o C o l e s b e r g a n d t h e N 6 r o a d t o R e d d e r s b u r g a s i n d i c a t e d i n F i g u r e 1 . 1 . F i g u r e 1 . 1 : L o c a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l f i e l d s i t e a t t h e P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m S o u t h o f B l o e m f o n t e i n 1 . 3 . 2 E x p e r i m e n t a l m a t e r i a l s T h e b a s i c c o n c e p t s o f t h e I R W H w a s i n i t i a t e d b y H e n s l e y e t a l . ( 2 0 0 0 ) a n d c o n s i s t o f a n o t i l l r u n o f f s t r i p s l o p i n g t o w a r d s a 1 m w i d e b a s i n a r e a ( F i g u r e 1 . 2 ) . T h e n o - t i l l s t r i p i s u s e d N6 N1 Paradys Experimental Farm N
21 o f t h e l a n d a s w e l l a s t h e c r u s t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l . R u n o f f w a t e r i s c o l l e c t e d i n t h e b a s i n s , a p r o c e s s d e f i n e d a s i n - f i e l d r u n o f f ( B o t h a , 2 0 0 7 ) . U n d e r c o n d i t i o n s w h e r e t h e d i s c h a r g e v o l u m e f r o m t h e r u n o f f a r e a i s l o w e r t h a n t h e s u r f a c e s t o r a g e c a p a c i t y o f t h e b a s i n s , r u n o f f f r o m t h e l a n d ( E x - f i e l d r u n o f f ) i s a s s u m e d t o b e z e r o . F i g u r e 1 . 3 d e p i c t s t h e s u r f a c e s t r u c t u r e o f t h e I R W H m a d e m a n u a l l y w i t h s p a d e s a n d r a k e s . T h e c h a l l e n g e w a s t o o b t a i n a s i m i l a r s u r f a c e s t r u c t u r e o n l a r g e s c a l e u s i n g t r a c t o r d r a w n i m p l e m e n t s . T h i s w a s o b t a i n e d t h r o u g h t h e d e v e l o p m e n t o f a c o n t o u r p l o u g h w h i c h c r e a t e s a 2 0 c m h i g h c o n t o u r r i d g e w i t h a s l o p e s t r i v i n g t o b e z e r o a c r o s s t h e t o p o g r a p h y ( F i g u r e 1 . 4 ) . T h e s e c o n d i m p l e m e n t , t h e b a s i n p l o u g h , i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 1 . 5 . T h e b a s i n p l o u g h c r e a t e s a 1 0 c m d e e p a n d 1 m w i d e b a s i n e v e r y 1 . 5 m a l o n g t h e p l o u g h e d c o n t o u r ( F i g u r e 1 . 5 ) . F i g u r e 1 . 6 d e m o n s t r a t e s t h e c o l l e c t i o n o f i n - f i e l d r u n o f f i n t h e b a s i n s b e f o r e p l a n t i n g .
22 F i g u r e 1 . 3 T h e I R W H s y s t e m p r e p a r e d m a n u a l l y w i t h s p a d e s a n d r a k e s a t G l e n a g r i c u l t u r a l i n s t i t u t e , n e a r B l o e m f o n t e i n .
F i g u r e 1 . 4 T h e c o n t o u r p l o u g h p r e p a r i n g t h e d e a d - l e v e l c o n t o u r s a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m .
23 F i g u r e 1 . 5 T h e b a s i n p l o u g h c r e a t i n g 1 0 c m d e e p x 1 m w i d e b a s i n s a l o n g t h e c o n t o u r r i d g e s . F i g u r e 1 . 6 R u n o f f w a t e r c o l l e c t e d i n t h e b a s i n s a f t e r a 3 0 m m r a i n e v e n t a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m . 1 . 3 . 3 E x p e r i m e n t a l d e s i g n T h e e x p e r i m e n t a l s i t e w a s s u b d i v i d e d i n t o 7 5 e x p e r i m e n t a l p l o t s ( F i g u r e 1 . 7 ) . R o w 3 , 8 a n d 1 4 w a s t r e a t e d a s c o n v e n t i o n a l p l o t s w h i l e t h e r e s t o f t h e r o w s w e r e t r e a t e d a s I R W H p l o t s . E a c h p l o t w a s 7 2 m x 7 2 m w i t h r o w s c o n s i s t i n g o f a 2 m r u n o f f a r e a a n d a 1 m b a s i n a r e a . A n e u t r o n a c c e s s t u b e w a s i n s e r t e d i n t h e b a s i n a r e a a n d o n t h e r u n o f f a r e a . A r a i n g a u g e w a s i n s e r t e d i n t h e m i d d l e o f t h e p l o t t o c a p t u r e r a i n f a l l . O n t h e t h i r t e e n p l o t s w h e r e r o o t s a m p l e s w e r e t a k e n a p r o f i l e p i t w a s m a d e i n t h e n o r t h w e s t e r n c o r n e r o f t h e p l o t . T h e p r o f i l e w a s m o r p h o l o g i c a l l y d e s c r i b e d i n d e t a i l . E a c h o f t h e p l o t s w a s s e p a r a t e l y a n a l y z e d a n d t r e a t e d ( F i g u r e 1 . 8 ) .
24 F i g u r e 1 . 7 : S c h e m a t i c l a y o u t o f t h e c o n v e n t i o n a l a n d I R W H t r e a t m e n t s o n t h e 5 5 h a f i e l d a t P a r a d y s E x p e r i m e n t a l F a r m . Conventional Conventional Conventional IRWH IRWH IRWH IRWH
25 F i g u r e 1 . 8 S c h e m a t i c l a y o u t o f t h e I R W H s t r u c t u r e a n d i n s t r u m e n t a t i o n u s e d i n e a c h o f t h e 7 5 e x p e r i m e n t a l p l o t s . 1 . 3 . 4 A g r o n o m i c a l p r a c t i c e s 1 . 3 . 4 . 1 L a n d p r e p a r a t i o n H i s t o r i c a l l y t h e 5 5 h a l a n d w a s c u l t i v a t e d i n a c o n v e n t i o n a l m a n n e r w h i c h c o m p r i s e d o f p l o u g h i n g t h e l a n d 2 5 0 m m – 3 0 0 m m d e e p a s a p r i m a r y c u l t i v a t i o n a c t i v i t y . I t w a s t h e n d i s k e d F a r r o w e d i n m o s t o f t h e y e a r s t o b r e a k d o w n t h e c l o d s a s a s e c o n d a r y c u l t i v a t i o n a c t i v i t y f o r p r e p a r i n g t h e s e e d b e d . C o n v e n t i o n a l : F o r t h e f i e l d t r i a l s t h e l a n d w a s p l o u g h e d ( 2 5 0 m m t o 3 0 0 m m d e e p ) a s a p r i m a r y c u l t i v a t i o n a c t i v i t y . A s a s e c o n d a r y c u l t i v a t i o n a c t i v i t y t h e l a n d w a s d i s k h a r r o w e d t o b r e a k d o w n c l o d s . D u r i n g o t h e r s t u d i e s t h a t w e r e c o n d u c t e d o n t h e f i e l d p r o f i l e p i t s w e r e m a d e . T h e s e p r o f i l e p i t s i n d i c a t e d t h a t c o m p a c t i o n o c c u r r e d b e n e a t h t h e p l o u g h l a y e r a r o u n d 3 0 0 m m d e e p . J u s t b e f o r e p l a n t i n g t h e t o t a l 5 5 h a l a n d w a s r i p p e d 4 5 0 m m d e e p o n t h e p l a n t r o w t o
26 r i d g e s . A g r a d e r w a s u s e d t o g i v e t h e r u n o f f a r e a a s l i g h t s l o p e ( < 1 % ) t o w a r d s t h e b a s i n a r e a s o t h a t i n - f i e l d r u n o f f w o u l d b e i n c r e a s e d . T h e t o t a l a r e a o f t h e e x p e r i m e n t a l s i t e w a s f e r t i l i z e d w i t h 3 : 1 : 0 a t 1 5 0 k g . h a- 1 b e f o r e p l a n t i n g . T h e m a i z e c u l t i v a r P a n 6 1 4 6 w a s p l a n t e d a t a p l a n t p o p u l a t i o n o f 1 6 0 0 0 p l a n t s . h a- 1. T h e m a i z e w a s p l a n t e d o n 1 0 J a n u a r y 2 0 0 6 . T h e t o t a l a r e a o f 5 5 h a w a s t r e a t e d w i t h R o u n d u p a n d 2 . 4 D E s t e r b e f o r e g e r m i n a t i o n .
27
CHAPTER 2
Spatial variation of selected soil properties in and
between map units
2 . 1 I n t r o d u c t i o n R e s e a r c h i n v e s t i g a t i o n s h a v e s h o w n t h a t t h e v a r i a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s h a v e m a j o r e f f e c t s o n t h e f e r t i l i z e r r e q u i r e m e n t a n d o n t h e n u t r i e n t t r a n s p o r t o v e r a n d w i t h i n a s o i l p r o f i l e . S p a t i a l v a r i a b i l i t y c a u s e s u n e v e n p a t t e r n s i n s o i l f e r t i l i t y l e v e l s a n d c r o p g r o w t h , a n d d e c r e a s e s t h e e f f i c i e n c y o f f e r t i l i z e r s a p p l i e d i n t h e f i e l d s . T h e s i t e s p e c i f i c m a n a g e m e n t o f n u t r i e n t s u s e d i n p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e ( P A ) c a n o n l y b e m a d e b y q u a n t i t i v e a s s e s s m e n t o f t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y ( G u p t a e t a l . , 1 9 9 7 ) . P r e c i s i o n a g r i c u l t u r e i s a n i n t e g r a t e d i n f o r m a t i o n a n d t e c h n o l o g y b a s e d a g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n t s y s t e m . T h e i n t e n t i s t o m a n a g e s p a t i a l a n d t e m p o r a l v a r i a b i l i t y a s s o c i a t e d w i t h a l l a s p e c t s o f a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n f o r o p t i m u m p r o f i t a b i l i t y , s u s t a i n a b i l i t y a n d p r o t e c t i o n o f t h e e n v i r o n m e n t . S t u d i e s h a v e i n v e s t i g a t e d w i t h i n -f i e l d v a r i a b i l i t y o -f s o i l p r o p e r t i e s a n d e v a l u a t e d t h e i m p a c t o -f s i t e s p e c i f i c m a n a g e m e n t o n c r o p p r o d u c t i o n a n d o t h e r l a n d u s e p u r p o s e s ( M i a o e t a l , 2 0 0 6 ) . H o w e v e r f o r m a n y a p p l i c a t i o n s o f w h a t i t i s n e c e s s a r y t o c o n s i d e r t h e v a r i a b i l i t y o f t h e s o i l . I n a g r i c u l t u r e t h e m a n i p u l a t i o n o f t h e s e v a r i a b l e p r o p e r t i e s o f w h a t w i l l i n c r e a s e y i e l d , b u t i t i s u n c e r t a i n w h i c h s o i l p r o p e r t y l i m i t s p r o d u c t i o n a t a c e r t a i n s p o t i n a c e r t a i n y e a r . T h r o u g h a d v a n c e d i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e s t h e v a r i a t i o n i n s o i l p r o p e r t i e s m a y b e v i s u a l l y c h a r a c t e r i z e d , s o t h a t t h e e f f e c t o f t h e v a r i a t i o n o n y i e l d m a y b e c o r r e l a t e d . D i f f e r e n t s a m p l i n g m e t h o d s a n d i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e s a s w e l l a s t h e u n d e r s t a n d i n g o f s u r f a c e s f o r
28 p r o d u c t i o n . T h e p r e c i s e a m o u n t o f f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n f o r e x a m p l e m a y b e d e t e r m i n e d f o r e a c h p a r t o f t h e l a n d , r a t h e r t h a n t r e a t i n g t h e w h o l e l a n d u n i f o r m l y i n t h e f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n p r o c e s s . T h u s , t h e c o r r e c t m o d e l a n d i n t e r p o l a t i o n t e c h n i q u e m a y a s s i s t t h e f a r m e r i n i t s d e c i s i o n m a k i n g . T h e o b j e c t i v e s o f t h i s c h a p t e r t h e r e f o r e a r e t o ( i ) d o a t h o r o u g h l i t e r a t u r e s t u d y o n s t a t i s t i c a l a n d s p a t i a l v a r i a t i o n o f s o i l p r o p e r t i e s , ( i i ) d e s c r i b e t h e m o r p h o l o g y o f t h e s o i l f o r m s f o u n d a t t h e e x p e r i m e n t a l s i t e , ( i i i ) d e s c r i b e t h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l f o r m s f o u n d a t t h e e x p e r i m e n t a l s i t e a n d ( i v ) j u s t i f y t h a t a s o i l m a p i s i n f a c t a u s e f u l s p a t i a l r e p r e s e n t a t i o n b y i n d i c a t i n g t h a t t h e r e i s a h i g h e r s p a t i a l v a r i a t i o n b e t w e e n m a p u n i t s t h a n w i t h i n m a p u n i t s a n d t h a t b y u s i n g t h e c o r r e c t i n t e r p o l a t i o n p r o c e s s e s o n e w i l l b e a b l e t o c h a r a c t e r i z e t h i s s p a t i a l a n d v a r i a t i o n e f f e c t i v e l y .
29 2 . 2 . 1 V a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s 2 . 2 . 1 . 1 S t a t i s t i c a l v a r i a t i o n o f s o i l p r o p e r t i e s P h y s i c a l p r o p e r t i e s T e x t u r e : I n a n e x p e r i m e n t d o n e o n t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y i n s o i l p r o p e r t i e s o n s l o w - f o r m i n g t e r r a c e s i n t h e A n d e s r e g i o n o f E c u a d o r , D e r c o n e t a l . ( 2 0 0 3 ) s a m p l e d t h e s o i l i n b a n d s f o l l o w i n g t h e c o n t o u r . T h e y w e r e l o c a t e d e v e r y 1 m b e g i n n i n g a t t h e h i g h e s t p o i n t o f e l e v a t i o n a n d i n c l u d i n g t h e l o w e s t p o i n t o n t h e t e r r a c e . T h e s o i l d e p t h f o r a l l s a m p l e s w a s 0 – 1 5 c m . T e x t u r e f r a c t i o n s o f s a n d , s i l t a n d c l a y w e r e a n a l y z e d . T h e S h a p i r o - W i l k W - t e s t w a s u s e d t o t e s t f o r n o r m a l i t y a n d t h e P e a r s o n c o r r e l a t i o n w a s c a l c u l a t e d t o e x a m i n e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p a i r s o f v a r i a b l e s . ( C o d y & S m i t h , 1 9 9 7 ) . . S t a t i s t i c a l s i g n i f i c a n c e w a s t e s t e d a t 0 . 0 1 a n d 0 . 0 5 l e v e l . S t e p w i s e m u l t i p l e r e g r e s s i o n a n a l y s i s w a s u s e d t o t e s t t h e h y p o t h e s i s o n e a c h e x p e r i m e n t a l s i t e a t a s i g n i f i c a n c e l e v e l o f 0 . 0 1 . T h r o u g h t h e s t u d y i t w a s f o u n d ( T a b l e 2 . 1 ) , t h a t c l a y c o n t e n t w a s s i g n i f i c a n t l y ( P < 0 . 0 1 ) p o s i t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s p h o s p h a t e ( P ) ( R2 = 0 . 8 4 ) , p H ( R2 = 0 . 8 8 ) a n d a l u m i n i u m ( A l ) ( R2 = 0 . 5 4 ) , b u t n e g a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h o r g a n i c c a r b o n ( O C ) ( R2 = - 0 . 7 3 ) . S o i l f e r t i l i t y i s n o r m a l l y p o s i t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h c l a y c o n t e n t ( S c h o l e s e t a l . , 1 9 9 4 ) . H o w e v e r , i n t h e h i g h e r a n d h u m i d r e g i o n s o f t h e A n d e s r e g i o n i n c r e a s i n g c l a y c o n t e n t i s o f t e n a s s o c i a t e d w i t h t h e p r e s e n c e o f o l d v o l c a n i c t u f f h a v i n g h i g h A l t o x i c i t y a n d h i g h P f i x a t i o n . S i l t a n d c l a y w e r e s i g n i f i c a n t l y r e l a t e d t o r e l a t i v e d i s t a n c e i n f i v e t o s i x t e r r a c e s .
Alex -0.30 -0.60 -0.50 -0.11 -0.28 -0.09 -0.59 0.41 - Pret -0.26 -0.51 -0.54 0.20 0.17 0.35 0.05 0.81 0.43 - Kex 0.26 0.64 0.60 -0.10 -0.04 -0.18 0.42 -0.72 -0.61 -0.59 - Caex 0.19 0.63 0.69 -0.26 -0.20 -0.37 0.03 -0.90 -0.44 -0.75 0.86 - Mgex 0.28 0.55 0.63 -0.26 -0.31 -0.44 0.04 -0.92 -0.46 -0.78 0.84 0.97 - BS 0.21 0.55 0.63 -0.28 -0.29 0.43 0.01 -0.92 -0.44 -0.77 0.82 0.96 0.99 CEC -0.01 0.08 -0.08 0.21 0.41 0.32 0.29 0.35 0.04 0.28 -0.09 -0.25 -0.38 -0.14 - Silt 0.10 0.66 0.64 -0.10 0.26 0.05 0.29 -0.64 -0.71 -0.69 0.55 0.59 0.61 0.29 0.63 - Clay -0.19 -0.73 -0.71 0.17 0.02 0.27 0.04 0.88 0.54 0.84 -0.75 -0.91 -0.89 -0.18 -0.88 0.20 - Sand 0.20 0.63 0.62 -0.18 -0.17 -0.40 -0.11 -0.84 -0.34 -0.76 0.72 0.92 0.88 0.08 0.85 -0.16 0.50 - Distance -0.27 0.29 0.36 -0.18 0.45 0.46 0.37 -0.19 -0.35 0.05 0.34 0.17 0.13 -0.15 0.16 0.01 0.39 -0.16
I n a n o t h e r s t u d y c o n d u c t e d o n t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f s o i l p r o p e r t i e s a n d t h e i r r e l a t i o n s h i p w i t h s o y b e a n y i e l d , C o x e t a l . ( 2 0 0 3 ) f o u n d t h a t t h e v a r i a b i l i t y o f s a n d , c l a y a n d s i l t f r a c t i o n s w e r e d e p e n d a n t o n t h e t o p o g r a p h y . T h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y e x p r e s s e d a s t h e c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n ( C V ) o f t h e p r o p e r t i e s w a s a s f o l l o w s : s a n d 2 5 % , c l a y c o n t e n t 2 8 % , w h i c h i s a n i n d i c a t i o n o f t h e r e l a t i v e l y s t a b i l i t y o f t h e s e t w o p r o p e r t i e s . T h e s i l t f r a c t i o n h a d a l o w s p a t i a l C V o f 1 1 % . I t i s t h u s c l e a r t h a t t e x t u r a l f r a c t i o n s t e n d t o h a v e a l o w s p a t i a l v a r i a t i o n o v e r t o p o g r a p h i c l a n d s c a p e s t h a t t e n d t o b e m o r e l e v e l , w h i l e i t w i l l t e n d t o v a r y m o r e s p a t i a l l y w i t h a t o p o g r a p h i c l a n d s c a p e t h a t v a r i e s i n e l e v a t i o n , a s p e c t a n d s l o p e . L o w c o r r e l a t i o n b e t w e e n r e l a t i v e d i s t a n c e a n d o t h e r s o i l p r o p e r t i e s m a y b e e x p l a i n e d i n s e v e r a l w a y s : ( i ) t h a t s o i l p r o p e r t i e s d i d n o t s h o w a l o g i c a l p a t t e r n o f s p a t i a l v a r i a b i l i t y o r a g r a d i e n t i n t h e d i r e c t i o n o f t h e t e r r a c e s , ( i i ) t h e g r a d i e n t w a s h i g h l y s i t e d e p e n d e n t a n d ( i i i ) t h e g r a d i e n t w a s n o t l i n e a r . C o r r e l a t i o n w e r e s i g n i f i c a n t w h e n c o n s i d e r i n g e a c h s l o w - f o r m i n g t e r r a c e s e p a r a t e l y , i n d i c a t i n g t h a t s p a t i a l v a r i a b i l i t y i s s i t e d e p e n d e n t . H y d r a u l i c p r o p e r t i e s : S a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ( K s ) : T h i s i s a c h a l l e n g i n g s o i l h y d r a u l i c p r o p e r t y t o d e s c r i b e b e c a u s e i t c a n c h a n g e m a n y o r d e r s o f m a g n i t u d e o v e r s h o r t d i s t a n c e s . H e t e r o g e n e i t y o f s o i l p r o p e r t i e s w i t h i n a n d b e t w e e n s o i l h o r i z o n s c a u s e s s o m e r e g i o n s t o b e m o r e o r l e s s f a v o r a b l e t o f l o w . T h e f l o w o f w a t e r i s h i g h l y v a r i a b l e w i t h e x t r e m e s r e p r e s e n t e d b y t o r t u o u s f l o w b e t w e e n i n d i v i d u a l p a r t i c l e s a n d r a p i d f l o w t h r o u g h l a r g e , c o n t i n u o u s m a c r o p o r e s .
t r a n s e c t 6 t h a t w a s s t u d i e d . W h y d i d t h i s h y d r a u l i c b o u n d a r y o c c u r f o r o n e t o p o g r a p h i c / t e x t u r e s t e p a n d n o t t h e o t h e r ? A c o r r e l a t i o n w a s f o u n d o n l y i n t h e l o c a t i o n s w h e r e t h e c o n c e n t r a t i o n o f s a n d > 8 0 % a n d c l a y < 2 0 % , s u g g e s t i n g t h a t v e r y c o a r s e t e x t u r e s ( l o a m y s a n d a n d s a n d ) a r e i n f l u e n t i a l i n c o n t r o l l i n g K s ( T a b l e 2 . 7 ) . T a b l e 2 . 7 P e r c e n t a g e o f s o i l s a m p l e s i n e a c h t e x t u r a l c l a s s ( S o b i e r a j e t a l . , 2 0 0 3 ) Transect Depth (cm) Sandy clay (%)
Sandy clay loam (%) Clay loam (%) Sandy loam (%) Loamy sand (%) Sand (%) 2 0 - 12.5 4.3 53.2 0 22.6 15.5 4.3 40 -50 31.7 56.1 2.4 7.3 2.4 0 4 0 - 12.5 0 100 0 0 0 0 40 - 50 14.3 85.7 0 0 0 0 90 - 100 64.6 35.4 0 0 0 0 6 0 - 12.5 0 0 0 41.2 43.1 15.7 40 - 50 0 58.8 0 17.6 23.6 0 90 - 100 33.3 56.9 0 9.8 0 0 T h u s t h r o u g h t e r m i n o l o g y o f R i n g r o s e & V o a s e ( 1 9 9 1 ) t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f K s i s s i m i l a r t o t h a t o f s o i l t e x t u r e o n l y w h e n t h e s a n d c o m p o n e n t i s g r e a t e r t h a n 8 0 % , s u g g e s t i n g t h a t t h e t e x t u r a l m a c r o p o r o s i t y i s m o r e s i g n i f i c a n t t h a n b i o p o r o s i t y f o r e x t r e m e l y c o a r s e t e x t u r e s . I n a n o t h e r s t u d y o n t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y o f s o i l h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a l o n g a t r o p i c a l r a i n f o r e s t c a t e n a ( S o b i e r a j e t a l . , 2 0 0 3 ) , Ks a t w a s m e a s u r e d a l o n g a n t r a n s e c t a t d e p t h s o f 2 0 , 3 0 , 5 0
a n d 9 0 c m w i t h a c o m p a c t , c o n s t a n t - h e a d p e r m e a m e t e r . Ks a t w a s f o u n d t o n o t b e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t b e t w e e n t h e s e s o i l f o r m s a t a n y d e p t h e x c e p t f o r 9 0 c m . C a l c u l a t i o n s o f t h e m e a n i n d i c a t e a r e l a t i v e l y c o n s t a n t v a l u e f o r Ks a t a t d e p t h s o f 2 0 , 3 0 a n d 5 0 c m . H a d t h e r e b e e n a s o i l f o r m c o n t r o l l e d s p a t i a l s t r u c t u r e o f Ks a t t h e y w o u l d h a v e e x p e c t e d a s t r o n g e r c o r r e l a t i o n b e t w e e n m e a s u r e m e n t s o n t h e s a m e s o i l f o r m t h a n b e t w e e n m e a s u r e m e n t s o n t w o d i f f e r e n t s o i l f o r m s . T h e y c o n c l u d e d t h a t t h e s t r o n g t o p o g r a p h y d e p e n d e n c e o f s o i l f o r m s a l o n g a t r a n s e c t i s n o t r e f l e c t e d i n a s i m i l a r d e p e n d e n c e o f Ks a t a n d t e n t a t i v e l y a t t r i b u t e d t h i s l a c k o f d e p e n d e n c e t o t h e o v e r r i d i n g i n f l u e n c e o f b i o t u r b a t i o n - c o n t r o l l e d m a c r o p o r o s i t y . T h u s t h r o u g h b o t h s t u d i e s i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y i s i n f l u e n c e d b y a l o t m o r e t h a n t o p o g r a p h y a n d s o i l f o r m s . B i o t u r b a t i o n c o n t r o l l e d m a c r o p o r o s i t y a n d s o i l t e x t u r e w i t h a s a n d f r a c t i o n o f m o r e t h a n 8 0 % f o r e x a m p l e h a v e a d e f i n i t e a f f e c t o n t h e s p a t i a l v a r i a t i o n i n K s a t a s w e l l . F u r t h e r s t u d i e s h a v e t o b e d o n e t o i d e n t i f y a l l t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s p a t i a l v a r i a t i o n o f t h e s a t u r a t e d h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y , b e f o r e a m o d e l t o c h a r a c t e r i z e t h e v a r i a t i o n m a y b e e s t a b l i s h e d C h e m i c a l p r o p e r t i e s C a l c i u m a n d M a g n e s i u m : B u r t & P a r k ( 1 9 9 9 ) p r e v i o u s l y d e s c r i b e d v a r i a b i l i t y i n e x c h a n g e a b l e C a a n d M g a c r o s s a g r a n i t i c h i l l s l o p e i n S o u t h w e s t E n g l a n d . T h e y a t t r i b u t e d m i n i m a l v a r i a t i o n o f C a a n d M g i n s u r f a c e s o i l s t o s i m i l a r i t i e s i n b e h a v i o r a s n u t r i e n t c a t i o n s , w i t h t i g h t c y c l i n g i n v e g e t a t i o n a n d u n i f o r m a t m o s p h e r i c a n d l i t t e r f a l l i n p u t s . D a t a f r o m a s t u d y o n t h e s p a t i a l v a r i a b i l i t y i n s o i l i o n e x c h a n g e c h e m i s t r y i n a g r a n i t i c u p l a n d c a t c h m e n t s u g g e s t e d t h e c o n t r a s t i n g b e h a v i o r o f C a a n d M g , a n d a v a r i a t i o n o f C a b e t w e e n p l o t s t h a t a r i s e d u e t o t h e
c h e m i c a l p a r a m e t e r s f o r s i t e - s p e c i f i c f a r m i n g u s i n g s t o c h a s t i c m e t h o d s . T h e y f o u n d t h a t C a v a r i e d f r o m 5 7 6 t o 8 1 6 m g L- 1 a n d t h e C V v a l u e w a s 1 1 % i n t h e x d i r e c t i o n a n d 9 % i n t h e y -d i r e c t i o n . M g v a r i e -d b e t w e e n 1 0 7 a n -d 1 2 4 m g L- 1 a n d t h e C V v a l u e w a s 1 3 % i n t h e x - d i r e c t i o n a n d 1 1 % i n t h e y – d i r e c t i o n , w h i c h a r e b o t h s t a b l e c o e f f i c i e n t s o f v a r i a t i o n . T h e n o n -s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e -s i n t h e x - a n d y - d i r e c t i o n i n d i c a t e d t h e p r e s e n c e o f s i m i l a r s o i l f o r m , c r o p r e s i d u e , s o i l m o i s t u r e a n d f i e l d t o p o g r a p h y i n b o t h d i r e c t i o n s a t t h e s t u d y s i t e . D e r c o n e t a l . ( 2 0 0 3 ) i n d i c a t e d i n T a b l e 2 . 1 t h a t C a a n d M g i s 9 7 % c o r r e l a t e d , w h i c h s h o w s t h a t t h e d e g r e e o f v a r i a t i o n f o r b o t h t h e s e p a r a m e t e r s t e n d t o b e i d e n t i c a l . I n t h e s a m e e x p e r i m e n t c o m p a r i s o n s w h e r e m a d e b e t w e e n p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d d a t a a n d i t w a s f o u n d t h a t t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e t w o w a s l e s s t h a n 1 0 % f o r C a & M g , w h i c h i s a c l e a r i n d i c a t i o n t h a t i f c e r t a i n p a r a m e t e r s s u c h a s l i t t e r d e c o m p o s i t i o n a n d v e g e t a t i o n t y p e s a r e k n o w n t h a t a g o o d p r e d i c t i o n o f t h e v a r i a t i o n i n C a & M g m a y b e m a d e . P o t a s s i u m : G u p t a e t a l . ( 1 9 9 7 ) f o u n d i n t h e i r e x p e r i m e n t t h a t p o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n v a l u e s e x h i b i t e d a g r e a t e r d e g r e e o f v a r i a t i o n c o m p a r e d t o C a a n d M g p a r a m e t e r s ( T a b l e 2 . 1 ) . T h e C V v a l u e f o r K w a s 1 9 % i n t h e x d i r e c t i o n a n d 1 5 % i n t h e y -d i r e c t i o n i n r e l a t i o n t o t h e C a a n -d M g c o n c e n t r a t i o n v a l u e s t h a t v a r i e d b e t w e e n 9 % a n d 1 3 % r e s p e c t i v e l y . I n t h e s a m e
