Implications of stubble management on snow hydrology and meltwater partitioning

Abstract

Spring snowmelt is the most important hydrological event in agricultural cold regions, recharging soil moisture and generating the majority of annual runoff. Melting agricultural snowcovers are patchy, which leads to melt rate enhancement by energy advection from warm moist snow-free surfaces to cool dry snowcovers. Agricultural snowmelt is also impacted by crop residue. Adoption of zero-tillage agricultural practices means vast areas of the Canadian Prairies are now characterized by standing crop stubble. Stubble influences snow accumulation through blowing snow processes and snowmelt through the impact of emerging stubble upon the surface energy balance. Unfortunately, stubble emergence and advection to patchy snowcovers are unaccounted for in snow hydrology models and a complete process description has been unavailable. Here, both advection and stubble influences on snowmelt hydrology are modelled by coupling new stubble-snow-atmosphere surface energy balance and advection models to existing blowing snow and frozen soil infiltration models. Long-term meteorological datasets from sub-humid and semi-arid locations in Saskatchewan, Canada are used to quantify the influence of stubble characteristics on accumulation, melt, and meltwater partitioning processes with respect to interannual variability, antecedent soil moisture, and climatic differences on the Canadian Prairies. The hydrological response to increasing stubble height is increased meltwater, melt rate, infiltration, and runoff, and negligible changes in melt duration. The response of these processes to changes in stubble height was more pronounced at a semi-arid site versus a sub-humid site as stubble more effectively suppresses blowing snow sublimation in the windier, drier semi-arid environment of southwestern Saskatchewan. Recommendations for stubble management to meet specific runoff or infiltration objectives are summarised; stubble management can be an effective tool to influence infiltration where soils are dry and runoff where soils are wet. This framework allows the diagnosis of the influence of stubble management on meltwater partitioning in cold agricultural regions.

RÉsumÉ

La fonte des neiges printanière est l’évènement hydrologique le plus important dans les régions agricoles froides et semi-arides car elle permet la recharge en eau des sols et contribue à la majorité du débit annuel des rivières. La fonte de la couche neigeuse dans les champs agricoles est inégale, résultant à une augmentation du taux de fonte due à la présence d’un flux advectif provenant des sols sans neige qui sont chauds et humides en direction des surfaces neigeuses qui elles sont froides et sèches. La fonte des neiges en agriculture est aussi impactée par les résidus de chaume. Les Prairies Canadiennes sont constamment recouvertes des chaumes due au manque de labourage des terres. Le chaume influence l’accumulation de la neige car il altère le déplacement de la neige par le vent mais aussi la fonte en influençant le bilan énergétique à la surface de la neige. Malheureusement, le chaume et les flux advectifs sont ignorés dans les modèles de fonte de neige et une description complète de ces procèdes n’existe pas. Dans cette étude, les influences du chaume et des flux advectifs sur la fonte de la neige sont simulées en couplant le bilan énergétique entre l’atmosphère, la neige et le chaume avec un modèle d’advection thermique, un modèle de transport de la neige par le vent et d’infiltration dans les sols gelés. Des données météorologiques provenant de régions subhumides et semi-arides de la province de Saskatchewan, au Canada, sont utilisées pour quantifier l’influence des propriétés du chaume sur l’accumulation, la fonte, et l’écoulements de l’eau de fonte en tenant en compte des variabilités météorologiques interannuelles, de la teneur en eau des sols et des conditions climatiques dans les Prairies Canadiennes. L’eau de fonte, le taux de fonte, l’infiltration et le ruissellement augmentent avec un accroissement de la taille du chaume, mais la duration de la fonte change peu. Le changement de ces procèdes avec la hauteur du chaume est plus prononcé dans les régions semi-arides que dans les régions subhumides. Ceci est dû au fait que le chaume est plus efficace à retreindre le transport de la neige par le vent dans les régions semi-arides du sud-ouest de la province de Saskatchewan, qui sont plus venteuses, sèches que les régions subhumides. Une gestion du chaume est proposée pour atteindre des objectifs spécifiques pour le ruissellement ou l’infiltration. Une bonne gestion du chaume peut être utile pour influencer l’infiltration dans les sols secs ou le ruissellement pour les sols humides. Cette étude permet de diagnostiquer comment la gestion du chaume influence les procédés de fonte de neige pour révéler les potentielles implications sur le partitionnement de l’eau de fonte dans les régions agricoles froides.

Keywords:

• Snowmelt
• Blowing Snow
• Frozen Soil Infiltration
• Stubble Management
• Canadian Prairies

Acknowledgements

This work would not have been possible without funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada in the form of a Postgraduate Scholarship and funds through Discovery Grants, Research Tools and Instruments funding, the Changing Cold Regions Network, the Global Water Futures programme and the Canada Research Chairs programme. French translation of the abstract by Nicolas Leroux is gratefully acknowledged.