Topographic and seasonal variations of unsaturated hydraulic conductivity as measured by tension disc infiltrometers at the field scale

• Published in: European journal of soil science Vol. 50; no. 2; pp. 275 - 283
• Main Authors: Heddadj, D, Gascuel-Odoux, C
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford, UK Blackwell Science Ltd 01.07.1999; Blackwell Science; Wiley
• Subjects: Agricultural sciences; Agronomy. Soil science and plant productions; Biological and medical sciences; bulk density; Earth sciences; Earth, ocean, space; Exact sciences and technology; Fundamental and applied biological sciences. Psychology; infiltration; infiltrometers; Life Sciences; Physical properties; Physics, chemistry, biochemistry and biology of agricultural and forest soils; seasonal variation; Soil erosion, conservation, land management and development; Soil science; Soil study; Soils; spatial variation; Surficial geology; temporal variation; topography; unsaturated hydraulic conductivity; Water and solute dynamics; France; Bretagne; Europe; Slopes; Monocotyledones; Cultivated field; tension infiltrometer; Cultivated soil; Soil deterioration; Hydraulic conductivity; Spatial variation; Temperate zone; Cereal crop; Ecological damage; Water erosion(soil); Gramineae; Seasonal variation; Topography; Angiospermae; Surface conditions; Hydraulic properties; Water infiltration; Zea mays; Plot; Cropping system; Runoff; Spermatophyta; Unsaturated soil; Field study
• ISSN: 1351-0754; 1365-2389
• DOI: 10.1046/j.1365-2389.1999.00232.x

Summary Infiltration and sheet flow depend mainly on hydraulic conductivity under nearly saturated conditions which can vary in space and time. We have studied the variation in relation to the topography at different stages of a cultivation year to understand the origin of sheet flow over the land where maize is grown. The sampling was done to a complete factorial design with two landscape positions, upslope and downslope, two sites in relation to wheeling, no and under wheeling, and three dates in relation to soil surface changes and agricultural operations, June and October 1995 and April 1996. Four measurements were randomly distributed on each of the four sites and each of the three dates. The hydraulic conductivity was measured with a tension disc infiltrometer controlling tension at the soil surface. Steady‐state infiltration rates were measured at four soil water tensions: 0.1, 0.3, 0.6 and 1.5 kPa. We also measured bulk density and soil moisture content. Hydraulic conductivity decreased during the year at all tensions by a factor of 2–3 where there was no wheeling, and a factor of 4–6 under wheeling. This decrease was greater downslope than upslope, particularly under traffic. The topographic effect was less than that of time but significant. Whereas the hydraulic conductivity was similar over the field at the beginning of the crop cycle (June), it differed according to the landscape position at the end (April), especially under traffic. These topographic variations of the hydraulic conductivity may be due to slight variations of soil components and hydric conditions in the particular case studied. They are important in relation to the characteristics of rainfall and runoff and help explain the spatial and temporal distributions of sheet flow and erosional processes that themselves may contribute to a redistribution of soil particles and induce feedback effects on sheet flow and infiltration. Variations topographiques et saisonnières de la conductivité hydraulique en condition non saturée mesurée à l’échelle parcellaire par infiltrométrie Résumé La répartition des pluies entre infiltration et ruissellement dépend principalement de la conductivité hydraulique proche de la saturation qui varie à la fois dans l’espace et le temps. Les variations de la conductivité hydraulique selon la topographie sont analysées dans l’objectif de mieux comprendre la distribution spatiale du ruissellement dans le versant. Ces variations spatiales ont été quantifiées durant une année culturale sur une parcelle de maïs, en relation avec la topographie de la parcelle et la succession des opérations culturales. Le plan d’échantillonnage est un plan factoriel complet prenant en compte la position topographique, amont et aval, la localisation relative aux traces de roue, avec et sans trace de roue, et trois dates relatives à la dynamique des états de surface et aux opérations culturales, juin et octobre 1995 et avril 1996. Quatre mesures de la conductivité hydraulique ont été réalisées sur chaque site avec un infiltromètre à succion appliquéà la surface du sol. Les flux infiltrés ont été mesurés à l’équilibre et à quatre potentiels: –0.1, –0.3, –0.6 et –1.5 kPa. Ces mesures ont été complétées par un suivi des teneurs en eau et des densités apparentes sur l’ensemble du versant et de la période d’étude. La conductivité hydraulique décroît au cours de l’année quel que soit le potentiel. Elle est divisée par un facteur deux à trois durant toute la période d’étude sans trace de roue, par un facteur quatre à six avec trace de roue. Cette diminution de la conductivité hydraulique dépend de la position topographique: elle est plus forte en aval qu’en amont, en particulier sur passage de roue. Tandis que la conductivité hydraulique apparaît relativement homogène sur le champ en début de cycle cultural, elle varie fortement de l’amont à l’aval en fin de cycle cultural, en particulier sur trace de roue. Ces variations spatiales de la conductivité hydraulique semblent liées à de faibles variations des constituants du sol qui interagissent avec des conditions hydriques très différentes. Ces variations de la conductivité hydraulique sont importantes au regard des caractéristiques des pluies et du ruissellement sur ce site. Elles expliquent pour partie la distribution spatiale et temporelle du ruissellement et des processus d’érosion qui eux‐même peuvent contribuer à la redistribution des constituants dans le versant et induire des effets retour sur les processus de ruissellement et d’infiltration.