conservation agriculture || conservation agriculture in australia and new zealand

21
335 Chapter 14 Conservation Agriculture in Australia and New Zealand P. R. Ward and Kadambot H. M. Siddique © Springer International Publishing Switzerland 2015 M. Farooq, K. H. M. Siddique (eds.), Conservation Agriculture, DOI 10.1007/978-3-319-11620-4_14 P. R. Ward () CSIRO Agriculture Flagship, Private Bag No 5, Wembley, WA 6913, Australia e-mail: [email protected] K. H. M. Siddique The UWA Institute of Agriculture, The University of Western Australia, 35 Stirling Hwy, Crawley, WA 6009, Australia Abstract The adoption and implementation of conservation farming principles have followed very different paths in Australia and New Zealand. In Australia, severe erosion events, and the obvious advantages of conservation farming prac- tices, led to rapid adoption, and currently around 90 % of farmers use some form of conservation agriculture. In New Zealand, advantages of conservation farming practices are not so obvious, and the perceived risks have resulted in adoption rates of less than 10%. In this chapter, we briefly review the adoption in both Australia and New Zealand, and then look in greater detail at how the principles of conser- vation agriculture are currently being applied in Australia. Because agriculture in Australia is largely non-irrigated and reliant on rainfall, we have a specific focus on impacts of conservation farming practices on soil water balance. We also look at the future of conservation farming in Australia and New Zealand, and discuss recent advances in weed control strategies. Keywords Conservation farming · Water balance · No-till · Zero-till · Reduced tillage · Residue retention · Stubble retention 14.1 Introduction Conservation farming as a term was defined in 1959 as ‘making the most efficient use of the land over a long period of time’ (Kohnke and Bertrand 1959). Subsequent definitions have focused on various aspects of profitability and environmental protection, but all definitions come back to the simple principles of profitable agricultural production while protecting the environmental resource base. Core com- ponents of conservation farming tend to revolve around three main areas: reducing soil disturbance, increasing vegetative ground cover, and increasing the diversity of crops. Within each of these areas, there is plenty of scope for local adaptation of

Upload: kadambot-h-m

Post on 11-Apr-2017

212 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

335

Chapter 14Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

P. R. Ward and Kadambot H. M. Siddique

© Springer International Publishing Switzerland 2015M. Farooq, K. H. M. Siddique (eds.), Conservation Agriculture, DOI 10.1007/978-3-319-11620-4_14

P. R. Ward ()CSIRO Agriculture Flagship, Private Bag No 5, Wembley, WA 6913, Australiae-mail: [email protected]

K. H. M. SiddiqueThe UWA Institute of Agriculture, The University of Western Australia,  35 Stirling Hwy, Crawley, WA 6009, Australia

Abstract  The  adoption  and  implementation  of  conservation  farming  principles have  followed  very  different  paths  in Australia  and New  Zealand.  In Australia, severe erosion events, and the obvious advantages of conservation farming prac-tices, led to rapid adoption, and currently around 90 % of farmers use some form of conservation agriculture. In New Zealand, advantages of conservation farming practices are not so obvious, and the perceived risks have resulted in adoption rates of less than 10 %. In this chapter, we briefly review the adoption in both Australia and New Zealand, and then look in greater detail at how the principles of conser-vation agriculture are currently being applied in Australia. Because agriculture in Australia is largely non-irrigated and reliant on rainfall, we have a specific focus on impacts of conservation farming practices on soil water balance. We also look at the future of conservation farming in Australia and New Zealand, and discuss recent advances in weed control strategies.

Keywords  Conservation  farming · Water  balance · No-till · Zero-till · Reduced tillage · Residue retention · Stubble retention

14.1 Introduction

Conservation farming as a term was defined in 1959 as ‘making the most efficient use of the land over a long period of time’ (Kohnke and Bertrand 1959). Subsequent definitions  have  focused  on  various  aspects  of  profitability  and  environmental protection,  but  all  definitions  come  back  to  the  simple  principles  of  profitable agricultural production while protecting the environmental resource base. Core com-ponents of conservation farming tend to revolve around three main areas: reducing soil disturbance,  increasing vegetative ground cover, and increasing the diversity of crops. Within each of these areas, there is plenty of scope for local adaptation of 

Page 2: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

336 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

suitable techniques. Therefore, conservation farming is not a well-defined sequence of processes or technologies, but is rather an attitude in which the long-term stability of production is as important as the short-term profitability.

Of course, ‘conservation farming’ as a philosophy was in evidence long before 1959, in Oceania and all around the world. Australian farmers proved themselves to be adaptable and innovative, and rapidly responded to challenges as they adapted European farming knowledge to the more fragile Australian conditions.

Farming in the conventional sense commenced in Australia and New Zealand in the late eighteenth century, with the arrival of European settlers. Initially, farming used techniques directly imported from the UK, but these techniques quickly proved unsuitable for Antipodean conditions (Cornish and Pratley 1987). Because of the ready availability of  land, a  form of  ‘shifting’  farming became normal,  in which land was cleared, and wheat was grown for a few years until yield declined. The decline in yield was caused by decline in soil fertility and encroachment of weeds. After a few years of crop production, the cycle was repeated on new land, and the previous land was abandoned. Often, the abandoned land was returned to cropping after a period of several years, during which organic matter, nutrients, and weed populations recovered to reasonable levels. In this way, a form of rudimentary crop rotation was established very early in the history of agriculture in Oceania.

Over the past 200 years, innovative Australian farmers have solved many of the problems associated with early agriculture.  Inventions  including  the  stump-jump plough in 1876, and the Ridley Stripper in 1843, made major contributions to the development of productive  and  sustainable  farming  systems. However,  the main factor pushing farmers in southern Australia towards a modern conservation farm-ing system was major erosion events in the 1930s. Erosion was associated with the practice of long fallowing, an idea borrowed from farming systems prevalent in the USA at the time. In this system, soils were kept bare from January in one year until seeding in June of the next year, a period of up to 18 months. Frequent cultivation ensured a weed-free soil surface, but also left a soil with poor structural stability. This proved to be particularly damaging on soils of sandy texture, as is common throughout  southern Australia. By 1940, Hore  (1940)  demonstrated  the  value  of surface cover in reducing the erosion risk, and other research (Callaghan and Mil-lington 1957) showed that a 16-month fallow was no more effective than fallows of 11–12 months. The lessons learned during this time have resulted in a farming system with retained residue, and minimum cultivation, in line with worldwide un-derstanding of conservation farming principles.

More recently, the decline in wool prices during the 1980s resulted in increased cropping intensity, with an associated increase in the need for timely farming op-erations (Llewellyn et al. 2012). At the same time, the price of glyphosate and tri-fluralin also declined, further increasing the appeal of reduced tillage in favour of herbicide options for weed control (D’Emden et al. 2008). The ability of farmers to plant crops over larger areas in a more timely manner resulted in increased average farm size (Kirkegaard et al. 2014). In Western Australia, the average farm size in the wheat belt  region (excluding farms with gross production values of  less  than Australian $ 150,000 per year, which account for less than 4 % of the total value of production) in 2011 was 3300 ha (Trestrail et al. 2013).

Page 3: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 337

Farmers in Australia and New Zealand are now looking towards international best practice, as they strive to improve their conservation farming systems even further. In 2005, Rolf Derpsch, a conservation farming specialist from Paraguay, was invited to Australia. During his visit, he observed that in Australia, ‘…no till has reached a plateau and it appears difficult to advance the system to a higher level…’ (Derpsch 2005). For Australian  farming, he  recommended  full  year-round  stubble  retention, diverse rotations including cover crops, and integrated weed management.

A major factor in the development and extension of conservation farming prac-tices in Australia and New Zealand was the establishment of farmer groups. Groups such  as  the Western Australian No-Till  Farmers Association  (WANTFA),  South Australian  No-Till  Farmers  Association  (SANTFA),  Victorian  No-Till  Farmers Association (VNTFA), Conservation Agriculture and No-till Farming Association (CANFA), Conservation Farmers Inc (CFI), and the New Zealand No-Tillage Asso-ciation (NZNTA) assisted farmers at local and regional level to adopt conservation farming practices. These groups have been instrumental in encouraging farmers to test and refine practices to suit local conditions.

14.2 Climatic Conditions and Conservation agriculture

There are three main climatic zones represented in the cropping regions of Australia and New Zealand (Fig. 14.1), and each has developed slightly different forms of conservation agriculture (CA).

Fig. 14.1 Major climatic zones in Australia and New Zealand

Page 4: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

338 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

14.2.1 Mediterranean

The Mediterranean region encompasses  the south-west and portions of  the south coast of mainland Australia,  and  the western coast of Tasmania. These areas are characterised by hot, dry summers, and because of the general lack of suitable ir-rigation sources, crop growth is only possible during winter and spring. Large parts of this region also have sandy-textured top soils, and these factors to a large degree have shaped the evolution of agriculture.

Conservation agriculture, encompassing minimum tillage and residue retention, has been widely adopted throughout the region (D’Emden et al. 2006), particularly in the west. Currently about 90 % of farmers in the western region use no-tillage (defined in Sect. 14.3; Llewellyn et al. 2012). The initial key driver for large-scale adoption was prevention of wind erosion, and the development of suitable herbicides, machinery, and a sharp decrease in the wool price lead to the high adoption rate.

14.2.2 Temperate

The temperate region includes New Zealand and the southeastern parts of Australia. In this region, rainfall is roughly equally distributed throughout the year. In warmer parts of the region, reliable crop production is restricted to the winter and spring months, as evaporation increases markedly during summer. In cooler parts, the best time for crop production is summer, as it is too cold during winter. The soils tend to be  fine  textured and more productive  than  those of  the Mediterranean  region, particularly in New Zealand.

Conservation farming practices have been readily adopted in the temperate re-gions  in Australia  (D’Emden et al. 2006; Llewellyn et al. 2012),  for similar  rea-sons as experienced in the Mediterranean region. For example, average adoption in southern New South Wales was recently estimated at 89 % (Llewellyn et al. 2012). However, adoption has been less extensive in New Zealand, with rates of less than 10 %. Low adoption in New Zealand was attributed largely to the better soils (Baker et al. 2003, 2007), because the benefits of conservation farming practices were not as evident as in Australia. With recent advances in machinery, particularly for seed-ing, and increases in the fuel price, adoption may be increasing (Safa et al. 2010).

14.2.3 Subtropical

The subtropical agricultural region extends along the east coast of Australia, and is characterised by summer dominant rainfall. In this region, either summer or winter crops can be grown reliably, due to the rainfall patterns and good soil-water-holding capacity, but growing two crops in a 12-month period is rare. Intense rainfall associ-ated with summer thunderstorms caused major erosion, and by the 1950s, farmers were encouraged to retain residue to reduce the erosion risk (McFarlane 1952).

Page 5: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 339

As a result of an effective extension programme, residue retention was adopted during the 1950s in this region (Cornish and Pratley 1987). No-tillage was adopted later, and by 2011, no-tillage was used by 72–82 % of farmers (Llewellyn et al. 2012).

14.3 Experiences of Conservation Farming

14.3.1 Reduced Tillage

No-till farming in Australia arose mostly in response to the threat posed by soil ero-sion, and there is no doubt that erosion was substantially controlled by the changes implemented. Additional advantages of a reduced-tillage system, such as allowing earlier seeding, also allowed for better crop production. For these reasons, no-till, or some form of reduced soil disturbance, was enthusiastically adopted by farmers right across southern Australia (D’Emden et al. 2006).

The continuing evolution of reduced tillage in farming systems has seen the in-troduction of the disc seeder (Fig. 14.2), resulting in even less soil disturbance, and this also allows seeding machinery to cope with larger residue quantities (Fig. 14.3). Disc seeding technology was seen by Derpsch (2005) to be a core component of ad-vanced conservation farming systems in the Australian context.

More recently, there has been considerable interest in ‘strategic’ tillage, in which a general no-till farming system is occasionally tilled for various benefits includ-ing weed control and lime or phosphorus  incorporation (Kirkegaard et al. 2014). Preliminary evidence under Australian conditions suggests that occasional strategic tillage does not cause damage to the soil, or impact negatively on crop yields.

Fig. 14.2 Disc seeders cause minimal soil disturbance and can cope with large residue loads

Page 6: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

340 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

14.3.2 Residue Management

In a conservation farming system, residue provides a number of important benefits. Principally,  residue protects  the  soil  surface during  rainfall  so  that  the  impact of droplets does not dislodge soil particles, resulting in potential for surface sealing, increased run-off, and the associated increased erosion risk (Hunt and Kirkegaard 2011). The presence of residue on the soil surface also slows down the rate of water movement across the soil, which helps to restrict soil erosion (Fig. 14.4).

In some situations, residue can also decrease evaporation from the soil surface. By shading the soil surface and lowering the average wind speed at the soil surface, residue can absorb or deflect some of the energy, which would otherwise be used to evaporate water (Ji and Unger 2001). However, research under Australian conditions 

Fig. 14.3 A wheat crop growing through canola stubble

Fig. 14.4 A good reason for residue retention

Page 7: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 341

shows that impacts of residue on evaporation are generally minor (Ward et al. 2009, 2012; Hunt and Kirkegaard 2011; Hunt et al. 2013). Where residue retention may have a  large positive  impact  is  in  slowing down evaporation at  the  time of crop seeding, which may extend the sowing window to allow more crop to be sown in a timely manner (Ward et al. 2012).

Residue retention can also have an impact on soil temperature, through shading the soil surface and protecting it  from direct sunlight (Swella et al. unpublished data). During  the hot  and dry  summer,  soil  temperatures  at  the  surface can  rise above 70°C, and lower soil temperatures are thought to be positive for maintaining diverse soil biology. However, in cooler parts of Australia and New Zealand, lower soil temperatures during periods of crop growth can slow growth and potentially restrict crop yield.

Residue retention also plays a direct role in increasing biological activity in the soil. While residue can harbour crop diseases (see the section on crop diversity), residue also encourages other soil organisms, many of which are beneficial to crop production. Earthworms are encouraged by residue retention, and generally have a positive impact on crop yield (Buckerfield et al. 1997), particularly in the temperate and cooler parts of the Mediterranean zones. Earthworms are less suited to hotter and drier parts of Australia, but in a recent study near Geraldton, the exclusion of ants and termites and other soil insects was associated with a 30 % decline in crop production (Evans et al. 2011). Residue provides a key food source for  termites, so residue retention is likely to increase termite numbers, with potential long-term benefits for crop production.

14.3.3 Cover Crops

Cover crops, crops grown specifically to generate ground cover, have been proposed as a means of increasing the quantity of residue. In the subtropical zone, and wetter parts of the temperate zone, there is a scope to plant a summer cover crop between two conventional winter/spring crops. In this way, cover can be maintained year-round without losing a year of production. However, in the Mediterranean zone and drier parts of the temperate zone, cover crops will normally be grown during winter and spring, replacing a conventional crop. Therefore, winter cover crops must pro-vide considerable benefits to subsequent crops, and the whole farming system, in order to be financially attractive.

Some of the benefits that cover crops may provide are in weed control, subsoil amelioration, and for leguminous cover crops, nitrogen fixation (Flower et al. 2012). Because cover crops are not grown for grain, they can be killed at maximum biomass, which gives good options for weed control. One of the options for killing the cover crop is knife-rolling (Fig. 14.5). The blades on the roller damage the stems, which kills the plants (and any weeds) and also prevents re-sprouting (Flower et al. 2012). In South America, knife-rolling alone has been effective, which reduces pressure on herbicides. However, under Australian conditions, herbicide application prior to rolling is usually required to ensure a good crop and weed kill.

Page 8: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

342 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

In  an  experiment  at Wellington, NSW,  summer  cover  crops  of  pigeon pea  or millet were effective in increasing residue quantity by around 1 t/ha. Water use by the crops resulted in lower soil water contents at the time of cover crop termination, but if the cover crops were terminated early (February or March), impacts on crop production were small (see the section on infiltration, below; M. McNee, unpub-lished data).

Winter  cover  crops,  sprayed  at  anthesis  in  trials  in  southwestern Australia at Mingenew  and  Cunderdin,  did  not  result  in  greater  levels  of  residue  when compared with residue after traditional grain crops (Fig. 14.6; Ward et al. 2012). However, there was a significant increase in ground cover following a cover crop (Fig. 14.7).

Fig. 14.5 Knife-rolling a Saia oat cover crop. (Photo: N. Cordingley)

Fig. 14.6 The inclusion of a winter cover crop on its own is not enough to increase residue quantity. (Ward et al. 2012)

Page 9: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 343

14.3.4 Diverse Rotations

The benefits of rotation in crop production have been known nearly since the dawn of agriculture. Ancient Egyptians and Romans quickly discovered that crops grown without rotation were subject to disease and yielded poorly. In modern agriculture with greater emphasis on residue retention, rotation and crop diversity become even more important. The residue from a crop can act as a refuge for pathogens, enabling them to react quickly if another susceptible crop is grown (Watt et al. 2006; Gupta et al. 2011).

Diversity  in  the  crop  rotation  also  allows  for  different weed  control  options, which reduces the risk and impacts of resistance to any specific form of weed con-trol. Herbicide resistance is becoming a real problem in reduced-till farming, and so the use of a diverse range of crops will help to overcome this.

A key benefit of cover crops is that they do not need to be traditional crops such as wheat, barley, canola, or lupins. This can add considerable diversity to the crop rotation and offer farmers additional weed control options. In Australia, many cover crops are killed chemically prior to seed set, enabling good control of weed seed numbers (Flower et al. 2012).

14.4 Water Balance

Because most of the agricultural areas in Australia and New Zealand are rain-fed, knowledge of the water balance, and the influence that conservation farming has on components of the water balance, can be critical.

The soil water balance (Fig. 14.8) is a simple equation that states that the inputs of water  into  the  soil  (in  southern Australia,  usually  just  rainfall, P) must  equal the outputs from the soil, plus any change in soil water storage (∆S). Outputs are either upwards (evaporation E or transpiration T), sideways (run-off or lateral flow through the soil L), or downwards (deep drainage D).

Fig. 14.7 Despite not increasing residue quantity in the rotation, cover crops increased ground cover for the summer immediately fol-lowing. (Ward et al. 2012)

Page 10: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

344 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

Because  it  is a  ‘balance’,  if one of  the components changes, others must also change. For example, if evaporation decreases, one or more of transpiration, lateral flow or drainage to groundwater must increase to maintain the balance.

14.4.1 Infiltration and Soil Water Storage

One of the biggest impacts that conservation farming practices has on water bal-ance is to increase infiltration. Soil is comprised of solid particles and the spaces, or pores, between them. For most soils, total porosity is about 40–50 % by vol-ume, and so in theory, the total amount of water that can be stored in the soil var-ies between 0  (dry) and 50 % v/v (saturated). In practice, the lower limit (LL) of soil water content is largely determined by the ability of plants to extract water from the soil, and the upper limit of soil water storage is determined by the ability of the soil to hold water against the force of gravity. Both the upper limit and LL are strongly influenced by soil texture (Fig. 14.9). The term drained upper limit (DUL), or field capacity, denotes the practical upper limit of soil water storage, and the LL is sometimes called the permanent wilting point. Water in the soil be-tween the DUL and LL is called plant available water (PAW), because this is the water that can be used by plants.

Numerous studies conducted in the 1980s and 1990s in Western Australia, South Australia, Victoria, New South Wales,  and Queensland, using  rainfall  simulators and models, demonstrated  that both stubble  retention and  reduced  tillage  lead  to faster  rainfall  infiltration,  and  consequently,  increased  levels  of  soil  water  stor-age, via a reduction in losses due to run-off. Differences such as the one shown in Fig. 14.10 are seasonally dependent, but can happen if summer rainfall conditions are favourable (Hamblin 1984).

A  recent  study  in Western Australia  (Evans  et  al. 2011)  also  found  that  the tunnels  created by ants and termites  encourage  infiltration of water  away  from the soil surface. Deep soil water  is  less prone  to evaporation from the soil sur-face, so ants and termites (encouraged by conservation farming practices) could 

Fig. 14.8 Components of the water balance

Page 11: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 345

also lead to higher levels of soil water storage, but this has not yet been widely demonstrated.

In other trials in the Mediterranean region of Western Australia, no consistent differences in soil water storage were observed between the different residue man-agement treatments (Ward et al. 2012) in terms of soil water storage during summer. As indicated earlier, the cover crop treatments did not consistently leave more resi-due than the ‘district practice’ treatments, but within any specific growing season, there was considerable variation in residue quantity depending on crop type. For ex-ample, after the 2009 growing season, residue loads ranged between 6.2 and 9.0 for barley crops at the Cunderdin site. In 2010 and 2011, differences between residue 

Fig. 14.10 Zero-till can increase soil water in some situations. (Hamblin 1984)

Fig. 14.9 Plant available soil water varies with soil type. DUL is the drained upper limit, and LL is the lower limit for plant water extraction

Page 12: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

346 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

levels were enhanced by stubble removal from the ‘district practice’ treatment, so that residue levels in the trial ranged between 1.7 and 7.7 t/ha after the 2010 season, and 3.5 and 9.0 t/ha after the 2011 season. Despite these differences, there were no clear differences between the treatments in average soil water over the summer pe-riod (Fig. 14.11) in both wet (e.g. 2011–2012) and dry (e.g. 2009–2010) summers.

However, as rainfall increases during late autumn and winter, the presence of residue can increase infiltration into the soil. For example, at two sites in the Medi-terranean region of southern Australia (near the towns of Maitland and Wirrabara), soil  below a depth of 20  cm wet up  considerably more  at  the  start  of  the 2009 season  in  the  plots where  residue was  retained  (Figs.  14.12; 14.13)  (G. Butler, unpublished data). Here,  the  residue protected  the soil  surface, allowing greater infiltration to deeper in the soil. At both sites, soil water storage below a soil depth of 20 cm increased by about 20 mm due to the presence of retained stubble on the soil surface.

Fig. 14.12 Residue retention increased soil water early in the growing season (late June and July) compared with residue removal at the Mai-tland (SA) trial. (G. Butler, unpublished data)

Fig. 14.11 Residue quantity has little impact on average summer soil water storage. (Ward et al. 2012)

Page 13: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 347

In  the  longer  term, changes  in soil organic carbon can  lead  to changes  in soil structure  and  infiltration.  In  the  Maitland  and Wirrabara  sites,  after  4  years  of residues being either  retained or  removed,  soil  organic  carbon differed by about 2 t/ha in the top 10 cm of soil. Organic carbon is pivotal in maintaining good soil structure, and a difference of this magnitude could have significant impacts on in-filtration rate.

In the temperate region of eastern Australia, plots with a short-season summer cover crop were drier during the 2009 autumn and early winter than traditional ‘fal-low’ plots (M. McNee, unpublished data). However, soil water storage in the plots with the cover crop responded more to rainfall at  the start of  the winter growing season, indicating that the cover crop was protecting the soil surface and allowing more rainfall to infiltrate (Fig. 14.14). By the time flowering commenced, there was little difference between the treatments in terms of soil water.

In other years of  the trial,  there was little difference between the early-season summer cover crop treatments and the ‘summer fallow’ treatments, thanks largely to good autumn rains and increased infiltration due to the summer cover crop resi-due. However, the ‘late season’ and ‘long season’ summer crops used soil water dur-ing autumn, and soil water contents were lower in these treatments at wheat sowing, which impacted crop yield.

Fig. 14.14 Although soil was drier after a summer cover crop in the temperate region of New South Wales, it responded more to winter rainfall (M. McNee, unpub-lished data)

Fig. 14.13 Residue retention also increased infiltration in June and July at the Wirrabara (southern Australia) trial. (G. Butler, unpublished data)

Page 14: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

348 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

14.4.2 Run-off

A major benefit of  stubble  retention  is  that  it protects  the  soil  surface. Raindrop impact can lead to a break down in surface soil structure, which leads to reduced rates  of  infiltration  and  increased  run-off.  Residue  intercepts  the  raindrops  and prevents damage  to  the  soil  structure  (Hillel 1971),  thereby ensuring good  infil-tration. Reduced  tillage  also has  a direct  effect on  soil  structure, with  soils gen-erally  having  a  much  more  stable  structure  when  physical  disturbance  is  mini-mised. Through  these  two  effects,  conservation  farming  practices  generally  lead to decreased run-off compared with systems, where tillage and residue removal are practised. For example, at a trial on a red-brown earth in the Mediterranean zone of  southern Australia,  soil  loss under  simulated  rainfall was  reduced  from 0.8  to 0.4 t/ha, when residue was increased from 0.5 to 5.0 t/ha (Malinda 1995). Earlier trials in the subtropical areas of southern Queensland undertaken by Freebairn and colleagues  showed  similar  results  (e.g. Freebairn  and Boughton  (1980).  In other trials in the subtropical zone, Lang (1979) found that run-off and erosion increased markedly when ground cover fell below 75 %. This promoted the idea of ‘threshold’ values for ground cover, and it is generally accepted now that a value of 2 t/ha of residue is adequate to minimise the erosion risk (Scott et al. 2010).

14.4.3 Evaporation

14.4.3.1 Evaporation Rate

Evaporation involves the transport of water to the soil surface, and its conversion into water vapour. This conversion requires energy, which in southern Australia and New Zealand mostly comes from sunlight, with a minor contribution from wind.

Evaporation from an initially saturated soil can be broken down into three stages (Fig. 14.15). In stage 1, there is plenty of water at the soil surface, and evaporation 

Fig. 14.15 The three stages of evaporation. For soil mois-ture deficit, 0 is a wet soil, and 1 is a dry soil

Page 15: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 349

is limited only by the amount of available energy. However, as the soil dries, the ability of  the soil  to  transmit water  to  the soil surface starts  to diminish, and  the evaporation rate rapidly falls (stage 2). In stage 2, the evaporation rate is related to the surface soil water content. When the surface soil is air dry, the only way that water from deeper soil layers can reach the soil surface is by diffusion of water va-pour (stage 3), which is a slow process. In stage 3, the rate of relative evaporation is roughly constant.

Many studies around the world have demonstrated that residue can slow the rate of evaporation from a wet soil, and it does this by restricting energy available for the evaporation process. Initially, residue shades the soil surface, which instantly reduces the amount of available energy for evaporation. Residue also reduces wind speed at the soil surface, which reduces the input of energy to the soil.

Therefore, while evaporation from the soil is limited by energy availability (that is stage 1 evaporation), residue is likely to reduce the rate of evaporation. However, as a general rule, stage 1 evaporation usually only happens for, at most, a few days. During stage 2 and stage 3 evaporation, residue has little impact on evaporation rate.

For  example, Ward  et  al.  (2012) measured  evaporation  rate  at midday  a  few hours after 18.6 mm of rainfall in January 2009 at a site in southwestern Australia. Evaporation rate from plots with a cover crop averaged 0.28 mm/h, but evaporation from wheat stubble was 0.35 mm/h. However, a few days after rainfall, the evapora-tion rate had fallen to 0.065 mm/h, and there was no difference between plots with high and low residue loads.

After extended dry periods, as is common during summer in zones with a Medi-terranean climate,  evaporation  rates were even  lower,  and once again,  there was  little difference between treatments with high and low residue loads. In three trials in southern Australia, the evaporation rate was measured at midday in March 2010, and at all three sites, evapotranspiration (ET) was slightly faster from the plots with the retained stubble (Table 14.1; G. Butler, unpublished data). This has also been observed at a trial in Western Australia (Ward et al. 2009). Although ET appeared to be  faster  from plots with  retained  stubble,  the difference was  small,  and only amounted to a few millimetres if summed over a period of 5 months.

For  the Wirrabara  (SA)  trial,  evaporation  rate was also measured at  the  same time on plots newly raked to remove the stubble, and evaporation from these plots was 0.075 mm/h (about  three  times faster  than from the undisturbed plots). This demonstrates the immediate impact that soil disturbance can have on evaporation rate simply by exposing different soil surfaces to direct sunlight. Although evapora-tion rate was not measured at this trial on the next day, we expect that the increase in ET caused by soil disturbance would have been temporary.

Table 14.1 Midday evaporation rate for three trials in southern Australia in March 2010. (G.Butler, unpublished data)Site Soil type Evaporation rate (mm/h)

Stubble retained Stubble removedBuckleboo Sand 0.041 0.031Ardrossan Clay 0.083 0.075Wirrabara Clay 0.033 0.018

Page 16: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

350 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

14.4.3.2 Total Evaporation over Summer

As discussed in Sect. 14.3.1, there can be differences in evaporation due to residue retention, depending on  the  time elapsed since  the  last  rainfall. However, over a longer time period, such as the period between harvest of one crop and sowing the next, differences tend to even out. If the ET rate is reduced for a few days after rain by residue retention,  then after a  few days,  the soil  is wetter  than  the soil where residue was not retained. The wetter soil under the residue then loses water faster than the drier soil without the residue, and the total soil water storage tends to even out regardless of residue quantity (Fig. 14.11).

For  example,  the  total  evaporation  over  a  whole  summer  in  response  to different  cereal  residue  management  was  studied  in  trials  at  Cunderdin  and Mingenew  in  the Mediterranean  zone  in Western Australia.  In both  trials,  there were substantial differences in residue generated by either retaining or windrow-ing  residue,  but  differences  in  summer  evaporation were  not  related  to  residue levels (Ward et al. 2012). Similar results were observed for the trials in Buckleboo, Wirrabara, and Ardrossan (SA), and also in trials in the temperate region of NSW (Hunt and Kirkegaard 2011).

The exception to this rule could be for rainfall received close to seeding time. Evaporation rates at this time of the year are generally much lower than during the height of summer, and so rainfall received at this time is likely to stay in the soil for longer. Therefore, a reduction in evaporation rate, induced by residue, could lead to higher soil water contents for up to a week. In combination with the impacts of residue on infiltration discussed above, this could have large impacts on extending the sowing opportunity for crops.

14.4.3.3 Evaporation During Crop Growth

The presence of  large quantities of  residue on  the soil surface may reduce evap-oration,  leaving  more  water  in  the  soil  available  for  transpiration  through  crop leaves (Yunusa et al. 1994). Evaporation rates at midday were measured in the tri-als in Western Australia at Mingenew and Cunderdin during the early crop growth stage in June or July. On a sandy soil at Mingenew, total ET rate at midday was 0.17 mm/h from both the ‘residue retained’ and ‘residue burned’ plots, suggesting that on this soil  type, residue did not influence evaporation rate. However, at  the loamy Cunderdin site, midday ET rate was 0.21 mm/h where residue was removed, and 0.15 mm/h where residue was retained. This suggests that residue retention on a loamy soil reduced evaporation from the soil surface, which could potentially allow more water to be transpired.

Page 17: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 351

14.4.4 Deep Drainage

The water balance component of deep drainage is of crucial  importance in south-ern Australia  through  its  link with groundwater  recharge, and associated dry  land salinity (Peck and Williamson 1987). Although deep drainage is generally a small component of the overall annual water balance (Ward 2006), an increase of just a few millimetres per year (caused by clearing native perennial vegetation, and replacing it with annual crops and pastures) has lead to a substantial increase in the area affected by dry land salinity (Ferdowsian et al. 1996). Any farming practice that increases soil water storage could also increase deep drainage, and so conservation farming prac-tices need careful scrutiny to ensure that the risk of dry land salinity is not increased.

14.4.4.1 Residue Retention

Very  few  studies  have  quantified  the  impact  that  conservation  farming practices have on deep drainage and groundwater recharge. In trials across southern Australia (Ward et al. 2012), impacts of increased residue retention on soil water storage were minimal at all times of the year. Calculations of deep drainage from measurements of the water balance concluded that there was no significant impact of residue re-tention on deep drainage. Although this was only a few trials, all indications at this stage are that increased residue retention will not change the risk of deep drainage and associated dry land salinity.

14.4.4.2 Early Termination of Cover Crops, Crops, or Pastures

At a trial on a sandy soil near Mingenew in Western Australia, there were several instances where crops or pastures were terminated early, around anthesis in August or September. Some of  these were planned as a part of  the cover crop inclusion, designed to increase residue levels quickly. On other occasions, crops and pastures were terminated early to assist with weed control or to simulate grazing. On all these occasions, extra water was conserved in the soil, and some of this water was car-ried over until sowing of the next crop. Averaged over three summers (2008–2009, 2009–2010, and 2010–2011), the extra water stored in the soil at sowing following early termination was around 20 mm.

This extra water at sowing did not lead to increased crop yield at the Mingenew trial, but increased the quantity of deep drainage by around 10 mm in the 2009 and 2011 seasons (Fig. 14.16). Seasonal conditions were particularly dry in 2010, and deep drainage was  zero  from all  treatments. However,  on  a  loamy  soil  in West-ern Australia where early crop termination was also practised, there was no clear link between early crop termination and deep drainage, suggesting that increased groundwater recharge is most likely on sandy soils.

Page 18: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

352 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

14.5 Weed Control

In Australia,  one  of  the  principal  technologies  enabling widespread  adoption  of conservation  agriculture was  the  introduction  of  herbicides  for weed  control.  In particular, glyphosate proved successful in killing weeds without cultivation, allow-ing earlier sowing and crop establishment (D’Emden et al. 2006; Llewellyn et al. 2012). However,  the  frequent  use  of  glyphosate,  and  lack of  equally  efficacious alternatives, resulted in the development of weed populations resistant to glypho-sate (Walsh and Powles 2007; Farooq et al. 2011). In Australia, resistant populations of annual ryegrass ( Lolium rigidum) and wild radish ( Raphanus raphanistrum) are widespread throughout the cereal-producing regions. Furthermore, some herbicides (e.g.  trifluralin)  need  to  be  incorporated  into  the  soil,  and  so  conservation  agri-culture practices with minimal  soil  disturbance  and  residue  retention  can  reduce their effectiveness. For these reasons, weed control in conservation agriculture in Australia is becoming a major issue, leading to farmers following a more pragmatic line of strategic tillage (Kirkegaard et al. 2014).

Obviously, an integrated approach to weed control is a core component of con-servation farming strategies (Derpsch 2005). With this in mind, an opportunity for weed seed control was highlighted by Walsh and Powles (2007), with the observa-tion that many weed seeds went through the harvester with regular grain harvest op-erations. Collection and destruction of the chaff fraction was effective in reducing ryegrass seed numbers, but less effective for wild radish control. Alternatively, con-centration of chaff in a windrow behind the harvester, followed by burning of the windrow, could control weed seed numbers. However, neither of these operations is consistent with conservation agriculture principles of maximising residue retention.

More recently, a Western Australian farmer, Ray Harrington, developed and test-ed an attachment for a harvester that physically damages weed seeds in the chaff fraction before  returning  the entire  residue  fraction  to  the  soil  surface. The Har-rington Seed Destructor (Walsh 2012) has proved as effective as windrow burning and chaff removal in reducing ryegrass emergence in the subsequent year.

Fig. 14.16 Early crop or pas-ture termination can increase the deep drainage risk in the subsequent year. (P. Ward, unpublished data)

Page 19: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14  Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 353

14.6 Future Outlook

In most of Australia, adoption of conservation farming has nearly reached its maxi-mum level. The biggest threat to a continued high level of adoption is suitable weed control methods. Clearly, an integrated approach to weed control, reducing the reli-ance on herbicides or any other single control strategy, will be necessary to maintain the current use of conservation farming practices.

In  New  Zealand,  current  adoption  of  conservation  farming  is  still  relatively low. Greater adoption will rely on demonstration of the advantages of conservation farming principles over current practices. One of these advantages is likely to come from the increased price of fuel, with the lower fuel requirements of reduced tillage likely to prove attractive. With recent developments in seeding machinery making crop and pasture establishment less risky, adoption of conservation farming prac-tices is likely to increase.

In terms of water balance, there is a scope for long-term changes in soil-water-holding capacity, associated with long-term residue retention and potential organic matter  accumulation.  Increases  in  soil-water-holding  capacity  could  prove  enor-mously  beneficial  to  crop  growers,  especially  in  the  southern  and western  parts of Australia where many soils currently have low water-holding capacity. Several research  trials  around  the world  have  demonstrated  improvements  in  soil-water-holding capacity and soil structure after 5–10 years of conservation tillage practices, and these benefits need to be quantified under Australian conditions.

The  current  research  has  also  highlighted  the  role  that  residue might  play  in reducing evaporation during early crop growth. This has the potential to increase transpiration, which should flow through to increased water use efficiency and crop yield. However, this has not yet been demonstrated under Australian conditions, and needs further research.

14.7 Conclusions

Farmers in cereal-producing regions of Australia have enthusiastically adopted no-till farming systems, with excellent outcomes from the reduced soil erosion. Local and  regional  farmer groups have been  instrumental  in encouraging adoption and developing systems suitable for local conditions. Adoption has been slower in New Zealand, due to the perceived risks of crop and pasture establishment, and lack of clear advantages with a conservation farming system.

In terms of water balance:

•  Residue retention, on its own, has little impact on soil water storage, when mea-sured over periods of several months. However, over periods of days or weeks, residue retention can increase infiltration and reduce evaporation, which can be particularly beneficial in extending the sowing window.

•  Winter cover crops do not have much impact on residue quantity, but do increase ground cover when residues are ‘rolled’.

Page 20: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

354 P. R. Ward and K. H. M. Siddique

•  In  regions or years with adequate early  summer  rainfall,  summer cover crops increase residue quantity and infiltration of autumn rains. Early termination of summer cover crops (e.g. February) is desirable to maximise storage of autumn rains for subsequent crop production.

•  Increased residue during early crop growth has the potential to reduce evapora-tive losses of water, with a complementary increase in transpiration. This should increase water-use efficiency, but has not yet been demonstrated.

•  Increased residue retention does not increase the risk of deep drainage and as-sociated dry land salinity. However, early termination of crops or pastures can lead to increased risk, particularly in soils of low water-holding capacity, and in wet years or regions.

An  integrated approach  to weed control  is  essential  to maintain  the current high level of conservation farming use in Australia, and to encourage adoption in New Zealand. The Harrington Seed Destructor, in combination with other weed control mechanisms, may be beneficial in this regard.

References

Baker CJ, Collins RM, Choudhary MA (2003) Factors affecting the uptake of no-tillage in Austra-lia, Asia and New Zealand. In: García-Torres L, Benites J, Martínez-Vilela A, Holgado-Cabrera A (eds) Conservation agriculture. Springer, Dordrecht, pp 13–20

Baker CJ, Saxton KE, Ritchie WR, Chamen WCT, Reicosky DC, Ribeiro MFS, Justice SE, Hobbs PR (2007) No-tillage seeding in conservation agriculture. In: Baker CJ, Saxton KE (eds) Food and Agriculture Organization of the United Nations and CAB International, Rome

Buckerfield JC, Lee KE, Davoren CW, Hannay JN (1997) Earthworms as indicators of sustainable production in dryland cropping in southern Australia. Soil Biol Biochem 29(3–4):547–554

Callaghan AR, Millington A (1957) The wheat industry in Australia. Angus and Robertson, SydneyCornish PS, Pratley JE (1987) Tillage: new directions in Australian agriculture. Inkata, MelbourneD’Emden FH, Llewellyn RS, Burton MP (2006) Adoption of conservation  tillage  in Australian 

cropping regions: an application of duration analysis. Technol Forecast Soc Change 73(6):630–647

D’Emden FH, Llewellyn RS, Burton MP (2008) Factors influencing adoption of conservation till-age in Australian cropping regions. Aust J Agric Resour Econ 52(2):169–182

Derpsch R (2005) Situational analysis of no-tillage systems in WA and recommendations for the way forward. WANTFA, Northam

Evans TA, Dawes TZ, Ward PR, Lo N (2011) Ants and termites increase crop yield in a dry cli-mate. Nat Commun 2:262

Farooq M, Flower KC, Jabran K, Wahid A, Siddique KHM (2011) Crop yield and weed manage-ment in rainfed conservation agriculture. Soil Till Res 117:172–183

Ferdowsian R, George R, Lewis F, McFarlane D, Short R, Speed R (eds) (1996) The extent of dryland salinity in Western Australia. Promaco, Albany

Flower KC, Cordingley N, Ward PR, Weeks C (2012) Nitrogen, weed management and econom-ics with cover crops in conservation agriculture in a Mediterranean climate. Field Crops Res 132:63–75

Freebairn DM, Boughton WC (1980) Surface runoff experiments on the eastern Darling Downs. Aust J Soil Res 19:133

Page 21: Conservation Agriculture || Conservation Agriculture in Australia and New Zealand

14 Conservation Agriculture in Australia and New Zealand 355

Gupta VVSR, Rovira A, Roget D (2011) Principles and management of soil biological factors for sustainable farming systems. In: Tow P, Cooper I, Partridge I, Birch C (eds) Rainfed farming systems. Springer, Dordrecht, pp 149–184

Hamblin AP (1984) The effect of tillage on soil surface properties and the water balance of a xer-alfic alfisol. Soil Till Res 4(6):543–559

Hillel D (1971) Soil and water: physical principles and processes. Academic, New YorkHore HL (1940) Sand drift and control measures. J Dep Agric Vic 38:219Hunt JR, Kirkegaard JA (2011) Re-evaluating the contribution of summer fallow rain  to wheat 

yield in southern Australia. Crop Pasture Sci 62(11):915–929Hunt JR, Browne C, McBeath TM, Verburg K, Craig S, Whitbread AM (2013) Summer fallow 

weed control and residue management impacts on winter crop yield though soil water and N accumulation in a winter-dominant, low rainfall region of southern Australia. Crop Pasture Sci 64(9):922–934

Ji SN, Unger PW (2001) Soil water accumulation under different precipitation, potential evapora-tion, and straw mulch conditions. Soil Sci Soc Amer J 65(2):442–448

Kirkegaard JA, Conyers MK, Hunt JR, Kirkby CA, Watt M, Rebetzke GJ (2014) Sense and non-sense in conservation agriculture: principles, pragmatism and productivity in Australian mixed farming systems. Agric Ecosys Environ 187:133–145

Kohnke H, Bertrand AR (1959) Soil conservation. McGraw-Hill, New YorkLang RD  (1979) The effect of ground cover on  surface  runoff  from experimental plots.  J Soil 

Conservation Serv NSW 35(2):108–114Llewellyn RS, D’Emden FH, Kuehne G (2012) Extensive use of no-tillage in grain growing re-

gions of Australia. Field Crops Res 132:204–212Malinda  D  (1995)  Factors  in  conservation  farming  that  reduce  erosion.  Aust  J  Exp  Agric 

35(7):969–978McFarlane GC (1952) Soil management practices on north-western wheat farms. Rev Market Agr 

Econ 20:161Peck AJ, Williamson DR (1987) Effects of forest clearing on groundwater. J Hydrol 94:47–65Safa M, Samarasinghe S, Mohssen M (2010) Determination of fuel consumption and indirect fac-

tors affecting it in wheat production in Canterbury, New Zealand. Energy 35(12):5400–5405Scott BJ, Eberbach PL, Evans J, Wade L (2010) Stubble retention in cropping systems in southern 

Australia: benefits and challenges. Orange, NSWTrestrail C, Martin P, New R, Corrie K, Frakes I (2013) Agriculture, fisheries and forestry in the 

wheat belt region of Western Australia. ABARES, Canberra (Contract No.: 13.42)Walsh MJ (2012) Harrington Seed Destructor—comparison with chaff carts and windrow burn-

ing systems. 2012 WA Agribusiness Crop Updates. Western Australian Agriculture Authority, Perth

Walsh MJ, Powles SB (2007) Management strategies for herbicide-resistant weed populations in Australian dryland crop production systems. Weed Technol 21(2):332–338

Ward PR (2006) Predicting the impact of perennial phases on average leakage from farming sys-tems in south-western Australia. Aust J Agric Res 57(3):269–280

Ward PR, Whisson K, Micin SF, Zeelenberg D, Milroy SP (2009) The impact of wheat stubble on evaporation from a sandy soil. Crop Pasture Sci 60(8):730–737

Ward PR, Flower KC, Cordingley N, Weeks C, Micin SF (2012) Soil water balance with cover crops and conservation agriculture in a Mediterranean climate. Field Crops Res 132:33–39

Watt M, Kirkegaard JA, Passioura JB (2006) Rhizosphere biology and crop productivity—a re-view. Aust Soil Res 44(4):299–317

Yunusa  IAM,  Sedgley  RH,  Siddique  KMH  (1994)  Influence  of  mulching  on  the  pattern  of growth and water-use by spring wheat and moisture storage on a fine textured soil. Plant Soil 160(1):119–130