Application of PESTFADE to Simulate Nitrate Leaching in a Fertigated Corn Field in Thailand

Abstract

In this paper, we describe the modification and application of a pesticide transport model to simulate nitrate leaching in irrigated soils. The model PESTFADE consists of Runoff/Erosion, Water Flow, Heat Flow and Convection–Adsorption–Diffusion–Degradation submodels. The Soil Conservation Service (SCS) equation for estimating runoff and the Universal Soil Loss Equation (USLE) for calculating soil erosion were modified so the model can evaluate chemical partitioning in runoff and sediments, as well as to take into account multiple chemical applications. The model was validated using measured data from a fertigated corn field at the AIT Experimental Farm, Thailand. Specifically, in 1999 and 2000 observed values of moisture content and nitrate concentrations in the unsaturated zone were used as a basis for verifying the validity of the simulated values. Also some error statistics were used to assess the accuracy and performance of the model in comparison with measured data. Validation results indicate that the model simulated moisture content quite well as reflected by the close fit between measured and predicted values in the upper 60 cm of the soil profile. Specifically, the measured moisture content at this depth ranged from 28–36% during the growing period in 1999 while model results gave values ranging from 29–40%. In 2000, measured values ranged from 30–34.5% and the corresponding simulated values ranged from 33–37%. Despite the slight overprediction by the model, the average relative error (RE) of 0.05 indicates that model results are within acceptable range. Simulated nitrate concentrations also provided good correspondence, with observed data for the 100 kg N ha−1 treatments in 1999 ranging from 0.7–1.1 mg L−1 and model results ranging from 0.5–0.98 mg L−1. The model generally underpredicted nitrate concentrations for both years and for other application rates, which perhaps attributed to the higher simulated values of moisture content allowing more leaching, and thus less nitrate remaining in the crop root zone. Nevertheless, model results are within acceptable range as reflected in the small values of RE and other statistical variables (RE ranged from 0.07–0.4 and SE from 0.12–0.7). Thus it can be inferred that the model can be adopted for simulating soil moisture distribution and nitrate leaching in a fertigated corn field under Thailand soil and climatic conditions.

Ce papier décrit la modification et l’application d’un modèle de transport de pesticide utilisé pour simuler le lessivage des nitrates des sols irrigués. Le modèle est appelé PESTFADE et est constitué des sous modèles Ruissellement/Erosion, Flux d’Eau, Flux de Chaleur et Convection–Adsorption–Diffusion–Dégradation. L’équation du Soil Conservation Service (SCS) d’estimation de ruissellement et l’équation Universal Soil Loss Equation (USLE) pour calculer l’érosion des sols ont été modifiées permettant au modèle d’évaluer la part chimique contenue dans les sédiments et les eaux de ruisellement, et permettant de prendre en compte les multiples applications chimiques. Le modèle a été validé grâce à des données mesurées sur un champs de maïs combinant fertilisants et eau d’irrigation de la ferme expérimentale de l’Asian Insitute of Technology (AIT), Thaïlande. Plus précisèment, les valeurs observées d’humidité et de concentrations en nitrates de la zone non-saturée en 1999 et en 2000 ont été utilisées comme base de données pour vérifier la validité des valeurs simulées. De plus, des statistiques d’erreur ont été utilisées pour évaluer l’acuité et la performance du modèle en comparaison des données mesurées. Les résultats de la validation indiquent que le modèle a tout à fait simulé l’humidité comme le montre le faible écart entre les valeurs mesurées et estimées dans les 60 cm supérieurs du profile du sol. En particulier, l’humidité mesurée à cette profondeur variait de 28 à 36% durant la période de croissance en 1999 alors que les résultats du modèle donnaient des valeurs variant de 29 à 40%. En 2000, les valeurs mesurées variaient de 30 à 34.5% et les valeurs simulées correspondantes variaient de 33 à 37%. Malgré une légère sur-estimation par le modèle, l’erreur relative moyenne (RE) de 0.05 indique que les résultats du modèle sont acceptables. De plus, les concentrations en nitrates simulées ont produit aussi une bonne correspondance avec les données observées, en particulier pour les traitements de 100 kg N ha−1 en 1999 où les valeurs mesurées variaient de 0.7 mg L−1 à 1.1 mg L−1 et les résultats du modèle variaient de 0.5 à 0.98 mg L−1. Le modèle a généralement sous-estimé les concentrations en nitrates pour les deux années et pour d’autres niveaux d’application et cela pourrait être attribué à de plus fortes valeurs simulées d’humidité qui ont autorisé plus de lessivage, et ainsi moins de nitrates ont été retenus dans la zone des racines. Néanmoins, les résultats du modèle restent dans des limites acceptables comme le montrent les faibles valeurs de RE et d’autres variables statistiques. Plus précisèment, RE variait de 0.07 à 0.4 et l’erreur standard (SE) de 0.12 à 0.7 ce qui pourrait être considéré comme étant dans des limites raisonnables pour l’acceptation du modèle. Aussi, cela a établi la relative bonne performance du modèle. Il peut être ainsi mentionné que le modèle peut être adopté pour simuler la distribution de l’humidité du sol et le lessivage des nitrates dans un champs de maïs combinant fertilisants et eau d’irrigation sous des conditions climatiques et de sol de Thaïlande.