Landscape Influence on Soil Carbonand Nutrient Levels

S.D. Logsdon, USDA‐ARS‐NLAE

Background• Nonuniform soil carbon and nutrient loads• Runoff ‐ runon, erosion ‐ deposition within fields• Mean soil loss or gain ~ ± 5 cm in 40 yrs (Schumacher et al., 2005)• Oxidation of soil carbon at well‐drained sites (Dlugoβ et al., 2010)• Better plant growth downslope build up soil C (Landi et al., 2004)• Interaction between organic and inorganic carbon (Lebrón et al., 1996)• Increased denitrification at poorly‐drained sites (Cambardella et al., 1999)• Nitrate leach from low areas (Whetter et al., 2006)• P deposition in depressions (Kaspar et al., 2004)

The purpose of this study was to examine landscape position effect onsoil carbon and nutrient levels.

Methods• One field in Walnut Creek (Hatfield et al. , 1999)• Two fields in South Fork (Tomer et al., 2008)• 30 sites per field, 3 wells per field• LiDAR 1‐m data cleaned up and 10‐m neighborhood used(Logsdon and James, 2014)•Profile description, nutrients and carbon 0‐0.15 and 0.15 ‐0.3 m• Soil texture by feel, sieved sand for coarse‐textured samples• Relation of landscape to soil properties: Mann‐Whitney rank sum test• Sampled fall 2012 (drought)

Two sites were sampled within South Fork and one site within Walnut Creek north.

Site in WalnutCreek north showing twotransects (~115 m long each, 30 locationstotal) and three wells (orange)

First site in South Fork showing twotransects (105 or 120 m long,30 locations total) and  three wells (blue).

Second site in SouthFork showing twotransects (~110 m longeach, 30 locationstotal) and three wells (blue).

Methods• One field in Walnut Creek (Hatfield et al. , 1999)• Two fields in South Fork (Tomer et al., 2008)• 30 sites per field, 3 wells per field• LiDAR 1‐m data cleaned up and 10‐m neighborhood used(Logsdon and James, 2014)• Profile description, nutrients and carbon 0‐0.15 and 0.15 ‐0.3 m• Soil texture by feel, sieved sand for coarse‐textured samples• Relation of landscape to soil properties: Mann‐Whitney rank sum test• Sampled fall 2012 (drought)

Lidar 1‐m data:• curvature not based onlocal 1‐m neighborhood• data not averaged over larger grid size • instead each point analyzedusing larger range• maximum range 10 m• sliding range for highervariability

-10 -5 0 5 10

-10

-5

0

5

10

Methods• One field in Walnut Creek (Hatfield et al. , 1999)• Two fields in South Fork (Tomer et al., 2008)• 30 sites per field, 3 wells per field• LiDAR 1‐m data cleaned up and 10‐m neighborhood used(Logsdon and James, 2014)• Profile description, nutrients and carbon 0‐0.15 and 0.15 ‐0.3 m• Soil texture by feel, sieved sand for coarse‐textured samples• Relation of landscape to soil properties: Mann‐Whitney rank sum test• Sampled fall 2012 (drought)

Property Relativeelevation < 1.8 m

Relativeelevation ≥ 1.8 m

Mollic depth (m) 0.60a 0.41b

Depth to carbonates (m) 1.04a 0.94a

Organic carbon 0‐0.15 m g/100g

2.79a 1.63b

Organic carbon 0.15‐0.3 m g/100g

2.42a 1.31b

Total nitrogen 0‐0.15 m g/100g

0.23a 0.15b

Total nitrogen 0.15‐0.3 m g/100g

0.18a 0.13b

Carbonate depth does not include sites with carbonate at the soil surface.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Results. Table 1. Influence of relative elevation on soil properties.

Property Slope < 2.8 % Slope ≥ 2.8 %

Mollic depth (m) 0.74a 0.41b

Depth to carbonates (m) 1.18a 0.95b

Organic carbon 0‐0.15 m g/100g

3.28a 1.95b

Organic carbon 0.15‐0.3 m g/100g

1.95a 1.41b

Total nitrogen 0‐0.15 m g/100g

0.27a 0.20b

Total nitrogen 0.15‐0.3 m g/100g

0.21a 0.16b

Carbonate depth does not include sites with carbonate at the soil surface.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Table 2. Influence of slope on soil properties.

Property Convex≤‐0.08/m

Linear Concave≥0.08/m

Mollic depth (m) 0.15b 0.51a 0.62a

Depth to carbonates (m) 0.90b 0.92b 1.18a

Organic carbon 0‐0.15 m g/100g

1.79b 2.35a 2.34a

Organic carbon 0.15‐0.3 m g/100g

1.08b 1.77a 1.99a

Total nitrogen0‐0.15 m g/100g

0.14b 0.21a 0.20a

Total nitrogen 0.15‐0.3 m g/100g

0.11b 0.16a 0.16a

Table 3. Influence of profile curvature on soil properties.

Carbonate depth does not include sites with carbonate at the soil surface.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Property Divergent≤‐0.08/m

Linear Convergent≥0.08/m

Mollic depth (m) 0.33b 0.60a 0.88a

Depth to carbonates (m) 0.91b 0.99ab 1.22a

Organic carbon 0‐0.15 m g/100g

1.74b 2.45a 3.10a

Organic carbon 0.15‐0.3 m g/100g

1.31b 1.95a 2.79a

Total nitrogen0‐0.15 m g/100g

0.15b 0.20a 0.26a

Total nitrogen 0.15‐0.3 m g/100g

0.13b 0.16a 0.21a

Table 4. Influence of plan curvature on soil properties.

Carbonate depth does not include sites with carbonate at the soil surface.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Property Relativeelevation < 1.8 m

Relativeelevation ≥ 1.8 m

NO3‐ 0‐0.15 m mg/kg 1.36a 5.2b

NO3‐ 0.15‐0.3 m mg/kg 7.3a 3.1b

NH4+ 0‐0.15 m mg/kg 4.1a 1.5b

NH4+ 0.15‐0.3 m mg/kg 2.5a 1.5b

PO4‐3 0‐0.15 m mg/L 12a 3b

PO4‐3 0.15‐0.3 m mg/L 2a 1b

Only two fields included because of manure application at the other field.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Table 5. Influence of relative elevation on soil nutrient levels.

Property Slope < 2.8% Slope ≥ 2.8 %NO3

‐ 0‐0.15 m mg/kg 15.2a 6.3bNO3

‐ 0.15‐0.3 m mg/kg 7.3a 3.4bNH4

+ 0‐0.15 m mg/kg 4.1a 3.2aNH4

+ 0.15‐0.3 m mg/kg 2.5a 1.9aPO4

‐3 0‐0.15 m mg/L 12a 5bPO4

‐3 0.15‐0.3 m mg/L 3a 1b

Table 6. Influence of  slope on soil nutrient levels.

Only two fields included because of manure application at the other field.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Property Convex≤‐0.08/m

Linear Concave≥0.08/m

NO3‐ 0‐0.15 m mg/kg 4.9b 10.8a 13.6a

NO3‐ 0.15‐0.3 m mg/kg 3.2b 6.6a 6.5a

NH4+ 0‐0.15 m mg/kg 3.2a 4.5a 4.1a

NH4+ 0.15‐0.3 m mg/kg 1.5a 2.6a 2.3a

PO4‐3 0‐0.15 m mg/L 2b 10a 15.5a

PO4‐3 0.15‐0.3 m mg/L 1b 3a 3a

Table 7. Influence of profile curvature on soil nutrient levels.

Only two fields included because of manure application at the other field.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Property Divergent≤‐0.08/m

Linear Convergent≥0.08/m

NO3‐ 0‐0.15 m mg/kg 4.9b 10.8a 16.0a

NO3‐ 0.15‐0.3 m mg/kg 3.1c 6.1b 12.4a

NH4+ 0‐0.15 m mg/kg 3.1a 3.8a 3.9a

NH4+ 0.15‐0.3 m mg/kg 1.6b 2.8a 2.1ab

PO4‐3 0‐0.15 m mg/L 2b 12a 21a

PO4‐3 0.15‐0.3 m mg/L 1b 3a 4a

Table 8. Influence of plan curvature on soil nutrient levels.

Only two fields included because of manure application at the other field.Means within a row followed by the same letter are not significantly different at  p = 0.05.

Figure 1.Nutrient levels for onetransect in the first field ofSouth Fork where  swinemanure  had been applied.

Day 2013

160 180 200 220 240 260 280

Nitr

ate

(mg/

kg)

0

10

20

30

40

50

WC1WC2WC32SF12SF22SF31SF11SF21SF3

Figure 2. Nitrate levels in wells from three fields.

Day 2013

120 140 160 180 200 220 240 260

Wat

er ta

ble

elev

atio

n (m

)

345

346

347

348

2SF12SF22SF3

Day 2014

20 40 60 80 100 120 140 160 180

345

346

347

348

Figure 3.Here water table elevationsare shown for the second field in South Fork wherenitrate concentrations remained high when the water table was deep.

Summary• Low slope, concave, linear, converging: higher

organic carbontotal nitrogenNitrate‐Northo phosphate

• Uneven swine manure application: local zones of high nutrient• Nitrate in ground water remained high at some converging sites:

Perhaps subsurface lateral additions or too dry for denitrification