principles of soil conservation and management978-1-4020-8709-7/1.pdfprinciples of soil conservation...

Principles of Soil Conservation and Management

Principles of SoilConservationand Management

by

Humberto BlancoThe Ohio State University, Columbus, OH, USAKansas State University, Hays, KS, USA

and

Rattan LalThe Ohio State University, Columbus, OH, USA

123

Humberto Blanco-CanquiOhio State University2021 Coffey Rd.Columbus OH 43210422B Kottman HallUSA

Rattan LalOhio State University2021 Coffey Rd.Columbus OH 43210422B Kottman HallUSA

ISBN 978-90-481-8529-0 (softcover)DOI 10.1007/978-1-4020-8709-7Springer Dordrecht Heidelberg London New York

No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or byany means, electronic, mechanical, photocopying, microfilming, recording or otherwise, without writtenpermission from the Publisher, with the exception of any material supplied specifically for the purposeof being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work.

Printed on acid-free paper

Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Library of Congress Control Number: 2008932254

ISBN 978-1-4020-8708-0 (hardcover) e-ISBN 978-1-4020-8709-7

© Springer Science+Business Media B.V. 2008, First softcover printing 2010

Preface

Management and conservation of soil and water resources are critical to humanwell-being. Their prudent use and management are more important now than everbefore to meet the high demands for food production and satisfy the needs of anincreasing world population. Despite the extensive research and abundant literatureon soil and water conservation strategies, concerns of worldwide soil degradationand environmental pollution remain high. Several of the existing textbooks dealwith principles of soil erosion, measurement, and modeling of soil erosion, andclimatic (rainfall and wind) factors affecting the rate and magnitude of erosion.Yet, a state-of-the-science textbook for graduate and undergraduate students withemphasis on soil management to address the serious problems of soil erosion andthe attendant environmental pollution is needed. Managing soils under intensiveuse and restoring eroded/degraded soils are top priorities to a sustained agronomicand forestry production while conserving soil and water resources. Managementmust come before conservation for the restoration and improvement of vast areas ofworld’s eroded and degraded soils and ecosystems.

Thus, this textbook presents a comprehensive review and discussion of the: (1)severity and implications of soil erosion, (2) principles of management and conser-vation of soil and water resources, (3) impacts of water, wind and tillage erosion onsoil resilience, carbon (C) sequestration and dynamics, CO2 emissions, and food se-curity, and (4) risks of soil erosion and the attendant relationships with the projectedclimate change and vice versa. It differs from other textbooks in that it incorporatesdetailed discussions about biological/agronomic management practices (e.g., no-tillsystems, organic farming, agroforestry, buffer strips, and crop residues), tillage ero-sion, C dynamics and sequestration, non-point source pollution (e.g. hypoxia), soilquality and resilience, and the projected global climate change.

This textbook specifically links the soil and water conservation issues withthe restorative practices, soil resilience, C sequestration under different land useand soil management systems, projected global climate change, and global foodsecurity. This textbook also synthesizes current information on a new paradigmof soil management which is soil quality. Being a textbook of global relevance,it links and applies the leading research done in developed countries such asin the USA to contrasting scenarios of soil erosion problems in the developingcountries.

v

vi Preface

Soil erosion history and the basic principles of water and wind erosion (e.g., fac-tors, processes) have been widely discussed in several textbooks. Thus, the presentvolume presents only a condensed treatise on these topics. Major attention is givento management rather than to generic factors and processes of erosion. Chapter 1reviews the implications of soil erosion in the USA and the global hotspots andpresents the state-of-knowledge of soil and water conservation research and prac-tices. Chapter 2 synthesizes the processes and factors of water erosion, whereasChapter 3 reviews the factors and processes of wind erosion with emphasis on themanagement and control. Chapter 4 discusses the water and wind erosion modelsand presents examples of calculations of runoff and soil erosion rates. Chapter 5introduces a relatively new topic in soil and water conservation research, which istillage erosion. Discussions on tillage erosion have been practically ignored in soilconservation textbooks. Yet, it is an essential topic provided that erosion by tillagecan be equal to or even higher than that by water or wind, especially in rollingagricultural landscapes.

A larger portion of this textbook from Chapters 6 to 11 is devoted to the man-agement and control of soil erosion. These six Chapters provide comprehensiveand thorough assessment of integrated management techniques and approaches tomanage and conserve soil and water resources for diverse land uses. Benefits ofcrop residues, conservation buffers, agroforestry systems, crop rotations, and con-servation tillage (e.g., no-till) systems are discussed. Chapter 11 reviews the differ-ent types of mechanical structures used for erosion control. Erosion in forestlands,rangelands, and pasturelands is discussed in Chapters 12 and 13. Chapter 14 cov-ers the current topics addressing the implications of soil erosion and water runoffto nutrient/chemical transport causing eutrophication and hypoxia or ‘dead zones”in coastal ecosystems around the world. Water pollution caused by the excessiveand indiscriminate use of agricultural chemicals on agricultural, forestry, and urbanlands is discussed.

Chapter 15 describes management strategies for restoring eroded, compacted,saline and sodic, acidic, and mined soils, whereas inherent potential of the inten-sively managed, degraded, and misused soils to recover from the degradation forcesis discussed in Chapter 16. Chapter 17 introduces a new topic in soil managementand conservation concerning sequestration of C in terrestrial ecosystems and netemissions of CO2 to the atmosphere. This chapter also discusses the transfers ofsoil C with sediment and runoff water and its fate. Towards the end of the textbook,relations of soil management with soil quality, food security, and global climatechange are described (Chapters 18, 19, and 20). These chapters uniquely addressthe impacts of projected global warming on soil erosion risks and the attendantdecline in food production. Finally, Chapter 21 addresses trends in soil conserva-tion and management research as well as research needs for an effective soil andwater conservation and management. It identifies possible shortcomings of past andcurrent research work in soil and water conservation and suggests measures forimprovement.

This textbook is suitable for undergraduate and graduate students in soil sci-ence, agronomy, agricultural engineering, hydrology, and management of natural

Preface vii

resources and agricultural ecosystems. It is also of interest to soil conservationistsand policymakers to facilitate understanding of principles of soil erosion and imple-menting strategic measures of soil conservation and management. The contents ofthis textbook are easily comprehended by students with a basic knowledge of intro-ductory soils, hydrology, and climatology. Students will gain a better understandingof the basic concepts by following solved problems and doing additional problemsgiven at the end of each chapter. The select problems are designed to further en-hance the understanding of the material discussed in each chapter. Application ofbasic concepts is depicted by pictures from diverse management systems, soils, andecoregions.

Hays, KSColumbus, OHJune 2008

H. BlancoR. Lal

Contents

1 Soil and Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Why Conserve Soil? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Agents that Degrade Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3.1 Water Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3.2 Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 History of Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5 Consequences of Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5.1 On-site Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5.2 Off-site Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6 Drivers of Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.6.1 Deforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6.2 Overgrazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6.3 Mismanagement of Cultivated Lands . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.7 Erosion in the USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.8 Global Distribution of Soil Erosion Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.8.1 Soil Erosion in Africa and Haiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.8.2 Drylands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.8.3 Magnitude of Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.9 Current Trends in Soil and Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . 16Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 Water Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1 Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1 Splash Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1.2 Interrill Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.3 Rill Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.4 Gully Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.1.5 Tunnel Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.6 Streambank Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

ix

x Contents

2.3 Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4 Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5 Rainfall Erosivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.6 Runoff Erosivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.6.1 Estimation of Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.6.2 Time of Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.6.3 Runoff Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.6.4 Characteristics of the Hydrologic Groups . . . . . . . . . . . . 372.6.5 Peak Runoff Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.7 Soil Properties Affecting Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.7.1 Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.7.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.7.3 Surface Sealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.7.4 Aggregate Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.7.5 Antecedent Soil Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.7.6 Soil Organic Matter Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.7.7 Water Transmission Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.8 Measuring Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2 Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.3 Wind Erosivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.4 Soil Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4.1 Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.2 Crusts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.4.3 Dry Aggregate Size Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.4.4 Aggregate Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.4.5 Soil Surface Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.4.6 Soil Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4.7 Wind Affected Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4.8 Surface Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4.9 Management-Induced Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.5 Measuring Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.5.1 Efficiency of Sediment Samplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.5.2 Types of Sediment Samplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.6 Management of Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.7 Windbreaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.7.1 Reduction in Wind Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703.7.2 Density and Porosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.7.3 Side-Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.7.4 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Contents xi

3.8 Crop Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.8.1 Flat and Standing Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.8.2 Availability of Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.9 Perennial Grasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.10 Conservation Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4 Modeling Water and Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.1 Modeling Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2 Empirical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.3 Universal Soil Loss Equation (USLE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3.1 Rainfall and Runoff Erosivity Index (EI) . . . . . . . . . . . . . 834.3.2 Soil Erodibility Factor (K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.3 Topographic Factor (LS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.4 Cover-Management Factor (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.3.5 Support Practice Factor (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.4 Modified USLE (MUSLE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.5 Revised USLE (RUSLE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.6 Process-Based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.7 Water Erosion Prediction Project (WEPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.8 Ephemeral Gully Erosion Model (EGEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.9 Other Water Erosion Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.10 Modeling Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.11 Wind Erosion Equation (WEQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.11.1 Erodiblity Index (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.11.2 Climatic Factor (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.11.3 Soil Ridge Roughness Factor (K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.11.4 Vegetative Cover Factor (V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.12 Revised WEQ (RWEQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.12.1 Weather Factor (WF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.12.2 Soil Roughness Factor (K) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.12.3 Erodible Fraction (EF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.12.4 Surface Crust Factor (SCF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.12.5 Combined Crop Factors (COG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.13 Process-Based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.14 Wind Erosion Prediction System (WEPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.15 Other Wind Erosion Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.15.1 Wind Erosion Stochastic Simulator (WESS) . . . . . . . . . 1034.15.2 Texas Tech Erosion Analysis Model (TEAM) . . . . . . . . 1034.15.3 Wind Erosion Assessment Model (WEAM) . . . . . . . . . . 1034.15.4 Wind Erosion and European Light Soils (WEELS) . . . . 1034.15.5 Dust Production Model (DPM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.16 Limitations of Water and Wind Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

xii Contents

Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5 Tillage Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.1 Definition and Magnitude of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.2 Tillage Erosion Research: Past and Present . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.3 Tillage Erosion versus Water and Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . 1125.4 Factors Affecting Tillage Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1135.5 Landform Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.6 Soil Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.7 Tillage Erosivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.7.1 Tillage Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.7.2 Tillage Implement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.7.3 Tillage Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.7.4 Tillage Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.7.5 Frequency of Tillage Passes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.8 Tillage Erosion and Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.8.1 Soil Profile Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.8.2 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.9 Indicators of Tillage Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1185.9.1 Changes in Surface Elevation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.9.2 Activity of Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.10 Measurement of Soil Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.11 Tillage Erosion and Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.12 Management of Tillage Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215.13 Tillage Erosion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.13.1 Predictive Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1225.14 Computer Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.14.1 Tillage Erosion Prediction (TEP) Model . . . . . . . . . . . . . 1275.14.2 Water and Tillage Erosion Model (WaTEM). . . . . . . . . . 1275.14.3 Soil Redistribution by Tillage (SORET) . . . . . . . . . . . . . 1285.14.4 Soil Erosion by Tillage (SETi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.14.5 Water- and Tillage-Induced Soil Redistribution

(SPEROS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.15 Soil Erosion and Harvesting of Root Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

6 Biological Measures of Erosion Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.1 Functions of Canopy Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.1.1 Measurement of Canopy Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1386.1.2 Canopy Cover vs. Soil Erosion Relationships . . . . . . . . . 138

6.2 Soil Amendments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Contents xiii

6.2.1 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396.2.2 Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.2.3 Soil Conditioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.3 Cover Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1406.3.1 Water Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3.2 Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426.3.3 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.3.4 Management of Cover Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.4 Crop Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.4.1 Quantity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.4.2 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.4.3 Runoff and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466.4.4 Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.5 Residue Harvesting for Biofuel Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.5.1 Threshold Level of Residue Removal . . . . . . . . . . . . . . . 1496.5.2 Rapid Impacts of Residue Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.6 Bioenergy Plantations as an Alternative to Crop Residue Removal 1506.7 Manuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.7.1 Manuring and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1526.7.2 Manuring and Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

6.8 Soil Conditioners: Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1536.9 Polyacrylamides (PAMs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.9.1 Mechanisms of Soil Erosion Reduction byPolyacrylamides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.9.2 Factors Affecting Performance of Polyacrylamides . . . . 1576.9.3 Soil Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1576.9.4 Polyacrylamide Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1576.9.5 Rainfall/Irrigation Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1586.9.6 Soil Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1596.9.7 Polyacrylamide vs. Soil Water Dynamics . . . . . . . . . . . . 1596.9.8 Use of Polyacrylamide in Agricultural Soils . . . . . . . . . . 1606.9.9 Use of Polyacrylamide in Non-Agricultural Soils . . . . . 1616.9.10 Cost-effectiveness of PAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161


7 Cropping Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1677.1 Fallow Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1687.2 Summer Fallows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1687.3 Monoculture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1697.4 Crop Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

7.4.1 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1727.4.2 Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1737.4.3 Nutrient Cycling and Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

xiv Contents

7.4.4 Pesticide Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1747.4.5 Crop Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1757.4.6 Selection of Crops for Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

7.5 Cover Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1767.6 Cropping Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1767.7 Row Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1777.8 Multiple Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1787.9 Double Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1797.10 Relay Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1797.11 Intercropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1807.12 Contour Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1807.13 Strip Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1817.14 Contour Strip Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1827.15 Land Equivalent Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1837.16 Organic Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

7.16.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1847.16.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1857.16.3 Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1867.16.4 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1867.16.5 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1877.16.6 Soil Biological Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1887.16.7 Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1897.16.8 Crop Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189


8 No-Till Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1958.1 Seedbed and Soil Tilth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1958.2 Factors Affecting Soil Tilth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1958.3 Tilth Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1968.4 Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1978.5 Tillage Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1988.6 Types of Tillage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1988.7 Conventional Tillage: Moldboard Plowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

8.7.1 Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1998.7.2 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2008.7.3 Soil Compaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

8.8 Conservation Tillage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2018.9 No-Till Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

8.9.1 Americas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2028.9.2 Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2048.9.3 Africa and Asia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2058.9.4 Australia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

8.10 Benefits of No-Till Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Contents xv

8.10.1 Soil Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2068.10.2 Soil Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2078.10.3 Soil Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2088.10.4 Micro-Scale Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2098.10.5 Soil Biota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2118.10.6 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

8.11 Challenges in No-Till Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2128.11.1 Soil Compaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2138.11.2 Crop Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2148.11.3 Chemical Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

8.12 No-Till and Subsoiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2148.13 Reduced Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2158.14 Mulch Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2158.15 Strip Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2168.16 Ridge Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

9 Buffer Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2239.1 Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2249.2 Mechanisms of Pollutant Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2259.3 Factors Influencing the Performance of Buffer Strips . . . . . . . . . . . 2269.4 Types and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2279.5 Riparian Buffer Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

9.5.1 Design of Riparian Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2299.5.2 Ancillary Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

9.6 Filters Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2309.6.1 Effectiveness of Filter Strips in Concentrated Flow

Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2319.6.2 Grass Species for Filter Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

9.7 Grass Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2349.7.1 Natural Terrace Formation by Grass Barriers . . . . . . . . . 2349.7.2 Runoff Ponding Above Grass Barriers . . . . . . . . . . . . . . . 2359.7.3 Use of Grass Barriers for Diverse Agroecosystems . . . . 2359.7.4 Use of Grass Barriers in the USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2359.7.5 Grass Species for Barriers: Vetiver grass . . . . . . . . . . . . . 2369.7.6 Grass Barriers and Pollutant Transport . . . . . . . . . . . . . . 2389.7.7 Design of Grass Barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.7.8 Grass Barriers and Concentrated Flow. . . . . . . . . . . . . . . 2409.7.9 Combination of Grass Barriers with Other Buffer Strips 240

9.8 Grass Waterways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2419.8.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2419.8.2 Management of Waterways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

9.9 Field Borders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

xvi Contents

9.10 Modeling of Sediment Transport through Buffer Strips . . . . . . . . . 2469.10.1 Process-Based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2479.10.2 Simplified Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248


10 Agroforestry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25910.1 Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26010.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26010.3 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26010.4 Current Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26110.5 Functions of Agroforestry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

10.5.1 Magnitude of Soil Erosion Reduction . . . . . . . . . . . . . . . 26310.5.2 Agroforestry and Non-Point Source Pollution . . . . . . . . 263

10.6 Agroforestry and Factors of Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26410.6.1 Rainfall and Runoff Erosivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26410.6.2 Soil Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26510.6.3 Terracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26610.6.4 Surface Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

10.7 Agroforestry and Land Reclamation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26710.8 Agroforestry Plant Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26810.9 Alley Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

10.9.1 Benefits of Alley Cropping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27010.9.2 Design and Management of Alley Cropping Systems . . 271

10.10 Forest Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27310.11 Silvopastoral System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

10.11.1 Silvopastoral System and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . 27610.11.2 Establishment and Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

10.12 Use of Computer Tools in Agroforestry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27710.12.1 Geographic Information Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27710.12.2 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

10.13 Challenges in Agroforestry Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

11 Mechanical Structures and Engineering Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 28511.1 Types of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

11.1.1 Contour Bunds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28611.1.2 Silt Fences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28611.1.3 Surface Mats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28811.1.4 Lining Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

11.2 Farm Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29011.2.1 Groundwater-fed Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

Contents xvii

11.2.2 Stream or Spring-fed Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29011.2.3 Off-stream Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29111.2.4 Rainfed Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29111.2.5 Design and Installation of Ponds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

11.3 Terraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29511.4 Functions of Terraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29611.5 Types of Terraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29611.6 Design of Terraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30011.7 Management and Maintenance of Terraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30411.8 Gully Erosion Control Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

11.8.1 Types of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30911.8.2 Grassed Waterways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31111.8.3 Gabions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31111.8.4 Chute Spillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31311.8.5 Pipe Spillways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31311.8.6 Drop Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31411.8.7 Culverts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31611.8.8 Maintenance of Gully Erosion Control Practices . . . . . . 316


12 Soil Erosion Under Forests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32112.1 Importance of Forestlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32112.2 Classification of Forests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32212.3 Natural Forests and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

12.3.1 Canopy Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32312.3.2 Forest Litter and Roots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

12.4 Deforestation and Soil Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32312.4.1 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32412.4.2 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

12.5 Causes of Deforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32712.5.1 Cultivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32712.5.2 Grazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32712.5.3 Logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32812.5.4 Urbanization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32912.5.5 Wildfires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

12.6 Global Implications of Deforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33112.7 Methods of Land Clearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33312.8 Water Repellency of Forest Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33312.9 Management of Burned Forestlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33412.10 Reforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33712.11 Afforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33812.12 Management of Cleared Forestlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33812.13 Modeling of Erosion Under Forests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

xviii Contents

12.13.1 Empirical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34012.13.2 Process-Based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341


13 Erosion on Grazing Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34513.1 Rangeland Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34613.2 Pastureland Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34613.3 Degradation of Grazing Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

13.3.1 Rangelands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34813.3.2 Pasturelands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

13.4 Grazing Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35013.4.1 Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35013.4.2 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35213.4.3 Plant Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

13.5 Grasses and Erosion Reduction: Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . 35513.5.1 Protection of the Soil Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35513.5.2 Stabilization of Soil Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

13.6 Root System and Soil Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35613.7 Water Pollution in Grazing Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35913.8 Grazing and Conservation Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36013.9 Grasslands and Biofuel Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36113.10 Methods of Grazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36213.11 Management of Grazing Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

13.11.1 Benefits of Grazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36413.11.2 Fire as a Management Tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36413.11.3 Resilience and Recovery of Grazed Lands . . . . . . . . . . . 36513.11.4 Conversion of Pastureland to Croplands . . . . . . . . . . . . . 36613.11.5 Conversion of Croplands to Permanent Vegetation . . . . 36713.11.6 Rotational Stocking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36713.11.7 Restoration of Degraded Grazed Lands . . . . . . . . . . . . . . 368

13.12 Modeling of Grazing Land Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

14 Nutrient Erosion and Hypoxia of Aquatic Ecosystems . . . . . . . . . . . . . . 37514.1 Water Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37514.2 Eutrophication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37614.3 Non-point Source Pollution and Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37714.4 Factors Affecting Transport of Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37714.5 Pollutant Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37814.6 Common Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

14.6.1 Sediment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

Contents xix

14.6.2 Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38114.6.3 Phosphorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38214.6.4 Animal Manure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38314.6.5 Pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

14.7 Pathways of Pollutant Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38514.7.1 Water Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38614.7.2 Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38614.7.3 Volatilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

14.8 Hypoxia of Coastal Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38714.9 Wetlands and Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

14.9.1 Degradation of Wetlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39014.9.2 Restoration of Wetland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

14.10 Mitigating Non-point Source Pollution and Hypoxia . . . . . . . . . . . 39114.10.1 Management of Chemical Inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39214.10.2 Conservation Practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

14.11 Models of Non-Point Source Pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

15 Restoration of Eroded and Degraded Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39915.1 Methods of Restoration of Agriculturally Marginal Soils . . . . . . . . 40015.2 Compacted Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40215.3 Acid Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40315.4 Restoration of Acid Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40415.5 Saline and Sodic Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

15.5.1 Causes of Salinization and Sodification . . . . . . . . . . . . . . 40815.5.2 Salinization and Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

15.6 Restoration of Saline and Sodic Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40915.6.1 Leaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41015.6.2 Increasing Soil Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41115.6.3 Use of Salt-Tolerant Crop Varieties . . . . . . . . . . . . . . . . . 41115.6.4 Use of Salt-Tolerant Trees and Grasses . . . . . . . . . . . . . . 41215.6.5 Establishment of Drainage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 41215.6.6 Tillage Practices: Subsoiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41215.6.7 Application of Amendments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41315.6.8 Application of Gypsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41315.6.9 Other Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

15.7 Mined Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41515.8 Restoration of Mined Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

15.8.1 Soil Restoration Practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41815.8.2 Indicators of Soil Restoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41815.8.3 Soil Profile Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41915.8.4 Runoff and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41915.8.5 Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

xx Contents


16 Soil Resilience and Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42516.1 Concepts of Soil Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42516.2 Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42616.3 Classification of Soil Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42716.4 Soil Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42816.5 What Attributes Make a Soil Resilient?: Factors . . . . . . . . . . . . . . . 429

16.5.1 Parent Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43016.5.2 Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43016.5.3 Biota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43116.5.4 Topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43216.5.5 Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

16.6 Soil Processes and Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43316.7 Soil Erosion and Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43516.8 Soil Resilience and Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

16.8.1 Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43516.8.2 Soil Chemical and Biological Properties . . . . . . . . . . . . . 437

16.9 Soil Resilience and Chemical Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . 43716.10 Indicators of Soil Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43816.11 Measurements of Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43916.12 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

16.12.1 Single Property Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43916.12.2 Multiple Property Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

16.13 Management Strategies to Promote Soil Resilience . . . . . . . . . . . . . 442Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446

17 Soil Conservation and Carbon Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44917.1 Importance of Soil Organic Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44917.2 Soil Organic Carbon Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45017.3 Soil Erosion and Organic Carbon Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

17.3.1 Aggregate Disintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45117.3.2 Preferential Removal of Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45217.3.3 Redistribution of Carbon Transported by Erosion . . . . . 45217.3.4 Mineralization of Soil Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . 45217.3.5 Deposition and Burial of Carbon by Transported by

Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45317.4 Fate of the Carbon Transported by Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45317.5 Carbon Transported by Erosion: Source or Sink for Atmospheric

CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45417.6 Tillage Erosion and Soil Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

.

Contents xxi

17.7 Conservation Practices and Soil Organic Carbon Dynamics . . . . . 45617.8 No-Till and Soil Carbon Sequestration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

17.8.1 Mechanisms of Soil Organic Carbon Sequestration . . . . 45617.8.2 Excessive Plowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45717.8.3 Site Specificity of Carbon Sequestration . . . . . . . . . . . . . 45717.8.4 Stratification of Soil Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45717.8.5 Soil-Profile Carbon Sequestration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

17.9 Crop Rotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45917.10 Cover Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46017.11 Crop Residues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46017.12 Manure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46117.13 Agroforestry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46217.14 Organic Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

17.14.1 Excessive Tillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46317.14.2 Source of Soil Organic Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46417.14.3 Cropping Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

17.15 Bioenergy Crops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46417.16 Reclaimed Lands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46517.17 Measurement of Soil Carbon Pool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

17.17.1 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) . . . . . . 46617.17.2 Inelastic Neutron Scattering (INS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46717.17.3 Infrared Reflectance Spectroscopy (IRS) . . . . . . . . . . . . . 46717.17.4 Remote Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

17.18 Soil Management and Carbon Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46817.19 Biochar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46917.20 Modeling Soil Carbon Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47017.21 Soil Conservation and Carbon Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

18 Erosion Control and Soil Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47718.1 Definitions of Soil Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47718.2 Divergences in Conceptual Definitions

and Assessment Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47818.3 New Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47918.4 Soil Quality Paradigm and its Importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48018.5 Indicators of Soil Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

18.5.1 Soil Physical Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48218.5.2 Soil Chemical and Biological Quality . . . . . . . . . . . . . . . 48218.5.3 Macro- and Micro-Scale Soil Attributes . . . . . . . . . . . . . 48218.5.4 Interaction Among Soil Quality Indicators . . . . . . . . . . . 483

18.6 Soil Quality Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48418.7 Assessment Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484

18.7.1 Farmer-Based Soil Quality Assessment Approach . . . . . 485

xxii Contents

18.7.2 Soil Test Kits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48618.7.3 The Soil Management Assessment Framework . . . . . . . 486

18.8 Soil Quality and Erosion Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48718.8.1 Soil Erosion and Profile Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48718.8.2 Soil Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48818.8.3 Soil Chemical and Biological Properties . . . . . . . . . . . . . 489

18.9 Management of Soil Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

19 Soil Erosion and Food Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49319.1 Soil Erosion and Yield Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49419.2 Variability of Erosion Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

19.2.1 Soil Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49619.2.2 Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

19.3 Soil Factors Affecting Crop Yields on Eroded Landscapes . . . . . . 49719.3.1 Physical Hindrance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49819.3.2 Topsoil Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49819.3.3 Soil Compaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49919.3.4 Plant Available Water Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49919.3.5 Soil Organic Matter and Nutrient Reserves . . . . . . . . . . . 500

19.4 Wind Erosion and Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50119.5 Response Functions of Crop Yield to Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . 50219.6 Techniques of Evaluation of Crop Response to Erosion . . . . . . . . . 502

19.6.1 Removal of Topsoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50319.6.2 Addition of Topsoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50419.6.3 Natural Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504

19.7 Modeling Erosion-Yield Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50419.8 Productivity Index (PI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50519.9 Process-Based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

19.9.1 EPIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50619.9.2 Cropsyst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50819.9.3 GIS-Based Modeling Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508


20 Climate Change and Soil Erosion Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51320.1 Greenhouse Effect on Climatic Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

20.1.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51420.1.2 Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51520.1.3 Droughts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51520.1.4 Other Indicators of Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

20.2 Climate Change and Soil Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

Contents xxiii

20.2.1 Water Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51620.2.2 Nutrient Losses in Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51820.2.3 Wind Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519

20.3 Complexity of Climate Change Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51920.4 Erosion and Crop Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51920.5 Impacts of Climate Change on Soil Erosion Factors . . . . . . . . . . . . 520

20.5.1 Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52020.5.2 Soil Erodibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52120.5.3 Vegetative Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52220.5.4 Cropping Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522

20.6 Soil Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52220.7 Soil Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52420.8 Soil Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524

20.8.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52420.8.2 Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52520.8.3 Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52520.8.4 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52520.8.5 Soil Biota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52620.8.6 Soil Organic Carbon Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527

20.9 Crop Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52820.9.1 Positive Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52820.9.2 Adverse Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52920.9.3 Complex Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

20.10 Soil Warming Simulation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53020.10.1 Buried Electric Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53020.10.2 Overhead Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

20.11 Modeling Impacts of Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53120.12 Adapting to Global Warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534

21 The Way Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53721.1 Strategies of Soil and Water Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53821.2 Soil Conservation is a Multidisciplinary Issue . . . . . . . . . . . . . . . . . 54021.3 Policy Imperatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54021.4 Specific Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54121.5 Food Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54121.6 Crop Residues and Biofuel Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54221.7 Biological Practices and Soil Conditioners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54321.8 Buffer Strips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54321.9 Agroforestry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54421.10 Tillage Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54521.11 Organic Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54621.12 Soil Quality and Resilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547

xxiv Contents

21.13 No-Till Farming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54921.14 Soil Organic Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54921.15 Deforestation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55121.16 Abrupt Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55221.17 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55321.18 Soil Management Techniques for Small Land Holders

in Resource-Poor Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556Study Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Appendix A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

Appendix B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

Color Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601Index . . . . . .

principles of soil conservation and management978-1-4020-8709-7/1.pdfprinciples of soil conservation...

Documents