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Modelling nitrate formation and movement in vineyard soils. A contribution to a more sustainable viticulture

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Ecologically sound production is a catchword used in nearly all viticul- tural production areas. Besides the pesticides inputs which are unavoidable specific attention is directed to nitrates which can pollute ground water reserves and can have some
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  Modelling nitrate formation and movement in vineyard soils. A contribution to a more  sustainable viticulture K. SCHALLER 1  , D. HOPPMANN  2  , H. JAGOUTZ  2  , O. LÖHNERTZ  1 (1) State Research Institute Geisenheim. Department of Plant Nutrition and Soil Science. P.O. Box 1154. D-65358 Geisenheim, Germany.(2) German Weather Service, Research Station Geisenheim, Kreuzweg 19, D-6222 Geisenheim, Germany. E-mail: K.Schaller@fa.fh-wiesbaden.deK  EYWORDS :Viticulture, vineyard, soil, nitrates, nitrogen fertilization.  A BSTRACT  Ecologically sound production is a catchword used in nearly all viticul-tural production areas. Besides the pesticides inputs which are unavoidable specific attention is directed to nitrates which can pollute ground water reserves and can have some adverse effects to humans after consumption.There are two main sources for nitrate in vineyard soils: mineralization of humic compounds from the soil and nitrogen fertilization. In the latter casethe inputs can be controlled via balance sheets, which are obligatory in Ger-many for instance. During a six years period the mineralization process of  slowly decomposable organic matter in vineyard soils was evaluated. As abasis we used Stanford equations to describe that process but could finally reduce it to a zero order equation. These findings were combined with dif-ferent sub-models from soil science: heat transfer and water movement. Theinput values are very simple to determine: global irradiation, soil texture(sand, silt, clay) and wet digested organic matter (Walkley-Black). The com- piled model is deterministic and not a regression one. Therefore it is trans-ferable to other, unknown sites. The nitrate dynamic in soils can be followed up with one starting value which under German conditions is determined after harvest or in early springtime: the calculation includes the soils water content, the nitrate concentrations, possibly nitrate losses, and the NO 3 -con-tent at the point of planned fertilization. Normally the mineral fertilizer input can be reduced without endangering yield and quality of grapevines. Themodel is now used as a tool for the extension service. On the other hand it is a powerful proof that viticulture, which is mostly carried out in vulnerableland sites, can save the environment for future generations. (Bulletin O.I.V.,2002, vol. 75, n° 861-862, pp. 782-800).  Modélisation de la formation de nitrates et du mouvement des sols du vignoble.Contribution à une viticulture plus durable K. SCHALLER  1 , D. HOPPMANN 2 , H. JAGOUTZ 2 , O. LÖHNERTZ 1 (1) State Research Institute Geisenheim. Department of Plant Nutrition and Soil Science. P.O. Box 1154. D-65358 Geisenheim. Allemagne.(2) German Weather Service, Research Station Geisenheim, Kreuzweg 19, D-6222 Geisenheim, Allemagne. E-mail: K.Schaller@fa.fh-wiesbaden.deM OTS C LÉS :Viticulture, vignoble, sol, nitrates, fertilisation azotée. R  ÉSUMÉ Une production écologique fondée est un mot repère utilisé dans presquetoutes les régions de production viticole. A part l’emploi de pesticides, inévi-table parfois, une attention spéciale est prêtée aux nitrates qui peuvent pol-luer les réserves d’eau souterraine et nuire à la santé de l’homme après laconsommation. Il existe deux sources principales de nitrates dans le sol d’unvignoble: la minéralisation de substances humiques existant dans ce sol etla fertilisation azotée. Dans le dernier cas, les quantités ajoutées sont contrô-lées par des bilans, obligatoires en Allemagne, par exemple. Le processus dela minéralisation de substances organiques à décomposition lente dans lessols d’un vignoble a été évalué pendant une période de six ans. Nous noussommes servis de l’équation de Standford pour décrire ce procédé et nousavons finalement pu réduire cette équation à l’ordre de zéro. Les résultats ontété combinés avec différents sous-modèles provenant de la pédologie tels quele transfert de la chaleur et le mouvement de l’eau. Les valeurs sont très simplesà déterminer: l’irradiation globale, la structure du sol (sable, limon, argile) etles matières organiques (Walkley-Black). Ce modèle est déterminant et pasrégressif. Il est ainsi valable pour tout autre site. La dynamique du nitratedans les sols pourrait être calculée après avoir fixé une valeur débutante,déterminée en Allemagne après la récolte ou au printemps: le calcul comprendla quantité d’eau dans le sol, les concentrations de nitrates, les pertes pos-sibles de nitrates, la teneur en NO 3 . Normalement, la fumure minérale peutêtre réduite sans présenter un danger pour le rendement et la qualité desvignes. Le modèle est employé maintenant comme instrument de contrôlepour le service d’extension. En outre, ce modèle représente la preuve que laviticulture, souvent pratiquée dans des sites vulnérables, peut protéger l’en-vironnement pour les générations futures. (Bulletin O.I.V., 2002, vol. 75, n° 861-862, pp. 783-800).  784 BULLETINDEL ’  O . I . V .(2002, 861-862 )  I  NTRODUCTION  Ecologically sound production is a catchword used in nearly all viticultural  production areas. The first idea about that topic may probably deal with theapplication of pesticides because their impact on biocenoses is obvious. Onthe other hand side nutrients, which are necessary for optimal yields and quality may affect surface and ground waters after erosion or leaching.One of the main pollutants is nitrate which is highly soluble, as an anionnot fixed on the soil exchange complex and harmful to humans after inges-tion.Two main sources for nitrates in soils are known:a) the mineralization of nitrogenous humic compoundsb) the application of nitrogen containing mineral fertilizersThe application of nitrogen fertilizers is a well known technique: theinputs are normally calculated from plant uptake and removal. Therefore possible risks from over-fertilization can be minimized, especially when thenutrients are applied in accordance with the plants uptake rhythm (Löhnertz and Schaller, 1992). A real gap exists concerning the contribution of soil organic matter tothe nitrate fluxes in soils. A lot of publications are available which deal withthe potential nitrogen output of different organic materials which can beapplied to soils as restoration material for organic matter losses. That figuresare more or less general and give only an information about the total amount but there is no idea about time dependent on fluxes.Whilst vineyards are located in specific landscapes (steep slopes and river benches), it is important to know the internal nitrate build up in the soilsand possible contributions of environmentally harmful nitrates to ground and surface water; on the other hand additional inputs with mineral fertilizerscan be reduced. M   ATERIALANDMETHODS  During a six years experiment different vineyard sites in the Rheingauregion were examined for their mineralization capabilities. The sites repre-sented the main soil groups which can be there found. Prevailing types areloess, sandy loess and clayey soils.In all soils a textural analysis was made, and soil C and N was determined following a modified procedure of Walkley and Black (Sims and Haby, 1971).In addition soil physical parameters were estimated in undisturbed sam- ples: water retention curve and hydraulic conductivity.The mineralization of organic matter was performed on undisturbed soil samples and disturbed ones (Cabrera and Kissel, 1988).  (2002, 861-862 ) MODELISATIONDELAFORMATIONDENITRATES 785 I NTRODUCTION Une production écologique fondée est un terme repère utilisé dans pra-tiquement toutes les régions de production viticole. Le premier point à consi-dérer à ce sujet est probablement l’utilisation de pesticides en raison de sarépercussion évidente sur la biocénose. De plus, les éléments nutritifs néces-saires à un rendement et à une qualité optimums peuvent affecter les nappesd’eau de surface et souterraines après érosion ou lessivage.Le nitrate est l’un des principaux polluants. Il est hautement soluble carc’est un anion non fixé sur le complexe d’échange des sols et il est nocif pourl’être humain après ingestion. Il existe deux sources principales de nitrate dans le sol:a) la minéralisation de composés humiques d’azoteb) l’application d’azote contenant des engrais minérauxL’application d’engrais azotés est une technique bien connue:les apportssont calculés en fonction des degrés d’absorption et de consommation de laplante. Ainsi, les risques éventuels de surfertilisation peuvent être diminuésnotamment lorsque les éléments nutritifs sont utilisés en fonction du rythme d’absorption de la plante (Löhnertz et Schaller, 1992).Il existe une véritable lacune en ce qui concerne la contribution de lamatière organique aux flux de nitrate dans le sol. Un grand nombre de publi-cations traitent de la teneur possible en azote de différents matériaux orga-niques pouvant être appliqués aux sols en tant que matériaux de restaura-tion pour les pertes de matière organique. Ces chiffres sont plus ou moinsapproximatifs et donnent des informations concernant le montant total maisn’évoquent absolument pas les flux liés au temps.Lorsque les vignobles se situent dans des paysages spécifiques (pentesabruptes ou rives de cours d’eau), il est important de connaître l’accumula-tion de nitrate dans le sol et son effet potentiellement nocif pour l’environ-nement sur les nappes d’eau de surface et souterraines, et d’un autre côtéles apports supplémentaires d’engrais minéral peuvent être réduits. M ATÉRIELETMÉTHODES Au cours d’une expérience de six ans, plusieurs sites de la région deRheingau ont été examinés en raison de leur capacité de minéralisation. Cessites représentaient les principaux groupes de sols que l’on peut trouver.Les principaux étant les sols loessiens, les sols loessiens-sableux et les solsargileux.La texture de tous les sols a été analysée et les sols C et N ont été déter-minés selon une procédure modifiée de Walkley et Black (Sims et Haby, 1971).De plus, les paramètres physiques du sol ont été évalués sur des échan-tillons non remaniés:courbe de rétention d’eau et conductivité hydraulique.La minéralisation de la matière organique du sol a été effectuée sur deséchantillons remaniés et non remaniés (Cabrera et Kissel, 1988).  786 BULLETINDEL ’  O . I . V .(2002, 861-862 ) In the first case 250 mL stainless steel cylinders were used to extract samples from 0-5, 15-20, 20-30 and 50-60 cm depth. In the latter case, soil from the corresponding depths was crushed in a wet mill, diluted 1:1 withquartz sand, filled back in stainless steel cylinders and recompacted in aProctor apparatus to the same density as the undisturbed samples. After that,samples were wetted with distilled water to pF 1.8 and incubated in an ovenwith controlled temperatures at 5, 15, and 35  o C. Every fortnight triplicatesamples were analysed for nitrate and ammonia. The total observation timewas 190 days. Calculation of the potential mineralizable nitrogen (N   pot   ) and themineralization constant (k) From the calculated gradients of the mineralizable N against the time afirst estimated value for N   pot  is found (Stanford, 1972). From N   pot  and k the potential mineralizable N can be calculated per time unit.N  t  = N   pot   x (1-e -kxt   )  Alternative Calculation 1.Estimation of N   pot  directly from the incubation experiments with a regres-sion equation2.With the N   pot  value for every single measurement k value is calculated and finally the arithmetic means is formed.  Agrometeorological measurements Radiation balance and albedo in 2 m height; soil surface temperature and soil temperature in 2, 5, 10, 20 and 50 cm depth. These data were contin-uously logged and transformed to hourly mean values. Rainfall and evapora-tion were used from the observation plots of the German weather service. Models The leaching of nitrates in a distinct soil profile is dependent on the processes which run in the zone of soil moisture as well as from the amount of N-uptake by the growing plants. These processes are in an active inter-action with the hydrological and thermal sub processes. Basically all macroscopic processes can be drawn back to transport and transformation processes. Transport is a vectorial unit and is driven by a gradient. The velocity is determined by the amount of the gradient and that of the transport parameter. However, transformation processes are to beobserved as scalar.
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