The objective of this research was to further understand the behavior of the soil under the action of a tillage tool, with the purpose of finding a relation between the tool geometry and the resultant soil seed bed. Thus the problem consisted of understanding the mechanics of producing soil break up and to find a logical method of analyzing it. / The problem was solved using fundamental principles of soil mechanics and force equilibrium analyzis. As a result, a mathematical model was developed which describes three failure zones within the cut soil volume. The model can be programmed into a computer to generate maps of normal and shear stresses to visualize the three failure zones. / The failure zones are the shear failure zone, the tensile fracturing zone and the no failure zone. The tensile fracturing zone is delimited by the tensile stress reaching the tensile strength of the soil at the given soil moisture content and soil density. The tensile strength of the soil was measured using an apparatus and method designed in this research. / The mathematical model gives an explanation of the mechanics of crumbling and the shape of the failed volume, but it does not give information concerning soil aggregate quality and arrangement within the soil furrow. Then, a method of analyzing the formed aggregates was developed which considers some soil physical properties of aggregates. / The study concluded that the smaller tool width and the smaller tool rake angle, among the ones used in this research, produced the most efficient geometry in producing the largest amount of soil break up, the most uniform aggregate formation and the most stable aggregate arrangement. The same tool geometry requires less energy per unit volume of soil disturbed. The best performance is produced at the lowest soil water content among those tested.

Nitrate leaching was studied on a 2.4-ha subsurface-drained corn (Zea mays L.) field in southwestern Quebec. The soil was a sandy loam to loamy sand (mean depth 46 cm) overlying clay. Treatments, begun in fall 1991, consisted of no-till, reduced tillage, and conventional tillage with crop residues either removed or retained at harvest. Drain flow volume and NO$ sb3 sp-$-N concentrations in flow were monitored year-round, and soil NO$ sb3 sp-$-N levels measured in spring and fall. A total of 34 kg NO$ sb3 sp-$-N ha$ sp{-1}$ was recorded in drain flow in 1992 from the site as a whole, equivalent to 20% of applied fertilizer N. In the first 14 months of monitoring, over 70% of water samples had NO$ sb3 sp-$-N levels exceeding Canadian drinking water guidelines (10 mg NO$ sb3 sp-$-N L$ sp{-1}),$ and about 25% had over 40 mg NO$ sb3 sp-$-N L$ sp{-1}.$ Flow-weighted mean concentration for the site as a whole in 1992 was 19 mg NO$ sb3 sp-$-N L$ sp{-1}.$ Unanticipated variations in drain depth significantly affected flow volume and total NO$ sb3 sp-$-N losses, hampering assessment of treatment effects on drain water parameters. In 1992, post-harvest soil NO$ sb3 sp-$-N levels at 0-25 cm were significantly lower in plots with crop residues retained, regardless of tillage system, than in plots with residues removed. In May 1993 (pre-tillage), soil NO$ sb3 sp-$-N levels were similar for all treatments, having dropped in no-residue plots and risen slightly in plots with residues, suggesting immobilization of NO$ sb3 sp-$-N by crop residues in summer-fall and mineralization in spring. The NO$ sb3 sp-$-N measured in drain flow represents a substantial loss of N from the farm system, and has negative implications for water quality. Within the time-frame of the study, crop residues appeared to have a greater effect on soil NO$ sb3 sp-$-N levels, and thus leaching potential, than did tillage system.

Reducing tillage in Canadian organic cropping systems is a priority to preserve soil quality and increase long term sustainability. Novel methods for management of cover crops offer farmers the opportunity to reduce both tillage and herbicide use during this phase of the crop rotation but require further investigation across a range of cropping systems. The objective of this study was to compare the blade roller, flail mower and wide blade cultivator (noble blade) with standard tillage for management of an annual pea-barley (Pisum sativum L. – Hordeum vulgare L.) green manure in the Canadian prairies. The experiment was conducted twice at Carman, Manitoba (long-term organic management) and Lethbridge, Alberta (previous herbicide and fertilizer use) from 2010-2012. The green manure was planted in spring of year 1 and grown until pea full bloom when five management treatments were applied; 1) standard tillage with a field disc 2) blade roller, 3) blade rolled once plus tillage in late fall and spring, 4) wide blade cultivator and 5) flail mower. Spring wheat (Triticum aestivum L.) was planted in spring of year 2. The effect of management treatment on surface residue, soil nitrogen, soil microclimate, weed population dynamics and subsequent spring wheat yield was evaluated. At Carman, managing green manure without tillage (blade roller or flail mower) significantly increased winter annual and perennial weed pressure and reduced soil nitrate availability; these factors contributed to wheat yield reductions in both years compared to standard tillage. Wide blade cultivation and blade rolling plus tillage maintained crop yield at one and both years, respectively, compared to tillage. Without sufficient mulch for weed suppression, soil disturbance was required to control weeds and ensure adequate nitrogen uptake in the crop. Replacing one tillage operation with blade rolling reduces energy costs and erosion risk without sacrificing yield. At Lethbridge, previous herbicide and fertilizer use masked the effect of green manure management. Markedly different results from Carman and Lethbridge emphasize that the adaptability of reduced tillage green manure management is site-specific due to differences in climate and cropping history. This research highlights important differences in the efficacy, erosion risk, weed control, nitrogen availability, main crop yield and energy savings associated with each management method.

The physical state of the seedbed is of importance to the plant environment as it influences some important processes in the soil such as seedling emergence, water and solute transport, and ease of root penetration. This is affected to a large extent by tillage process, the tillage implement type and the geometry of the implement used. / A field experiment was carried out on a clay soil to determine the effect of the geometry of bladed tillage implements on some soil physical properties after tillage. The soil properties evaluated were bulk density, mean clod size distribution and total pore space after tillage and the extent of loosening achieved. / Implement parameters considered were blade width, rake angle and depth of operation of the implement. Two blade widths of 75 and 150 mm were evaluated in combination with three rake angles of 30, 60 and 90 degrees. Each tillage implement was drawn through the soil at four operating depths of 100, 150, 200 and 250 mm. / Larger rake angles were observed to result in larger mean aggregate sizes and greater bulk density reductions when compared to smaller rake angles. Greater reduction in bulk density was observed with the wider of the two blade widths evaluated. Mean clod size after tillage was also observed to be large for the wider of the two widths evaluated. Irrespective of width and rake angle, greater operating depths resulted in larger mean clod sizes and greater reductions in bulk density as compared to shallower operating depths. Fractal analysis showed the extent of fragmentation to be greater at shallower operating depths, hence the small mean clod sizes obtained.

A two year study was conducted on the Macdonald Campus Farm on a 2.4 ha site of shallow St. Amble loamy sand cropped to corn (Zea mays L.). Three types of tillage practice (conventional tillage, reduced tillage, and no-till) were combined with 2 residue levels (with and without) in a randomized complete block design. The effect of these practices on NO 3--N distribution at 0--50 cm in the soil profile, and on plant N uptake were studied. Organic matter, pH, bulk density, and soil moisture contents were also monitored. Residues were found to have a greater influence on soil NO3--N transformations (mineralization and immobilization), than tillage. In July 1996 residues suppressed NO3--N levels in reduced tillage (RT), but increased NO3--N levels in conventional tillage (CT). Residues initially increased N03--N levels in no-till (NT), but a few weeks later caused a sharp decline in NO 3--N levels in NT. In August 1996, RT and NT treatments without residue were found to have much greater concentrations of NO 3--N than those with residue. The effect of N suppression caused by residues was observed in Spring 1996, July 1996, August 1996, and August 1997. Reduced tillage demonstrated less NO 3--N fluctuation than the other tillage treatments. Wheel tracked rows had up to 20 times more NO3--N at 0--15 cm than the non wheel tracked rows, caused by the uneven distribution of N fertilizer. However, high NO3--N levels in the wheel tracked rows decreased to levels comparable with those in non fertilized (non wheel track) rows at 50 cm. Corn yields were not affected by tillage or residue treatments, neither were they influenced by the percentage of tissue N content. (Abstract shortened by UMI.)

Limitations on water infiltration and soil aeration through compaction processes have the potential to limit production in irrigated agricultural fields. This project was conducted to determine the impact of sub-soiling with a paraplow (Howard Rotavator) on soil physical properties and processes that are important in affecting soil-water relations and productivity. The paraplow was the subsoiler selected for use in this study because of its ability to loosen the soil at the depth of plowing while producing minimal surface disturbance. The research plots were located on Chernozem and Vertisol soils in the Brown soil zone in the Lake Diefenbaker irrigation district near Birsay, SK. Irrigated and dryland sites were used for comparison. Sub-soiling was able to consistently reduce bulk density of the soil and effects persisted for one to two years under normal precipitation conditions. Excessively wet conditions (2010 and 2011) reduced the effectiveness of the sub-soiling. Tillage induced porosity in the soil was associated with a greater infiltration capacity measured in the field. Yield benefits in crops grown (canola, flax, wheat) from sub-soiling were variable under the wet conditions of 2010 and 2011. A greater benefit was observed under the normal precipitation conditions of 2012 on sites that were paraplowed in 2011. Subsoiling at a depth of 45cm and a row spacing of 45cm (manufacturer’s recommended configuration) was more effective than shallower depth and wider row spacing treatments. A significant yield benefit was only observed at the dryland site established in 2011, and limited yield benefit was observed in the irrigated sites. Over the three years of the study, annual yields from sub-soiling were on average about 5% higher than the un-tilled control. However, yield benefits were variable depending on crop and year. Given an estimated cost of subsoiling of ~$30 per acre, a benefit of sub-soiling that lasts one year would produce close to break-even conditions, and sub-soiling benefits that are consistent and last longer than one year are needed to be cost effective.

<p> Eine Hauptquelle des vom Menschen verursachten klimaschädlichen Distick-stoffoxids (N₂O), das auch Lachgas genannt wird, sind landwirtschaftliche Böden. Im Hinblick auf die ansteigende Weltbevölkerung ist mit einer Erhöhung der landwirtschaftlichen Produktion zu rechnen - mit weitreichenden Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf. Allerdings sind noch immer nicht alle Stickstoffflüsse und Umbauprozesse in Böden bis ins Detail verstanden, im Speziellen die Denitrifikation als einer der Schlüsselprozesse. Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO₃^-) über Nitrit (NO2-) und Stickstoffmonoxid (NO) zu N₂O und schließlich zu Di-Stickstoff (N₂) umgesetzt, wobei N₂O parallel entstehen und verbraucht werden kann. Die Politik befasst sich angesichts des Klimawandels und dessen Folgen mit Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgase gerade im Agrarbereich. Um die Emissionen von Klimagasen vorhersagen zu können, werden prozessbasierte Modelle verwendet, die mit Hilfe von Feldstudien eingeschätzt und verbessert werden sollen. Weiterhin können beispielsweise Isotopomermessungen dazu beitragen, die N₂O- Prozesse im Boden besser zu verstehen. </p> <p> Diese Arbeit beinhaltet verschiedene Untersuchungsergebnisse zum Thema „N₂O- Emissionen landwirtschaftlicher Böden“ und liefert hilfreiche Informationen, die dazu beitragen, die Wissenslücke bezüglich der N₂O- Prozesse und deren Einflussfaktoren zu füllen. </p> <p> In einer ersten Teilstudie wird der Langzeiteffekt unterschiedlicher Bodenbearbeitung (pflugbasiert vs. pfluglos) einerseits auf die Vorräte und die Verteilung organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs und andererseits auf die Jahresemission von N₂O und die jährliche Methanaufnahme beschrieben und diskutiert. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, wie sich die Bearbeitung auch auf die Variation der Gasflüsse und auf die Faktoren, die die zeitliche und räumliche Variabilität bedingen, auswirkt. </p> <p> Zusätzlich wurden mit dem „Denitrification- Decomposition“-Modell (DNDC) die bei den Feldversuchen erfassten N₂O-Emissionen und Ernteerträge der zwei Bearbeitungsvarianten modelliert. Damit sollte die Eignung des Modells im Hinblick auf die Beschreibung und Vorhersagbarkeit der Emissionen und Erträge der unterschiedlich bewirtschafteten Böden getestet werden. </p> <p> Des Weiteren werden zwei Laborexperimente zur Identifizierung von Produktions- und Reduktionsprozessen des N₂O während der Denitrifikation in Ackerböden mit Hilfe stabiler Isotope präsentiert. Der erste Versuch zielte durch die zeitgleiche Erfassung der N₂O- Produktion und -Reduktion darauf ab herauszufinden, ob die Isotopensignaturen des emittierten N₂O unter der nicht-homogenen NO₃^-- und Denitrifikationsverteilung im Boden geeignet sind, die involvierten Prozesse besser zu beschreiben. </p> <p> Der zweite Versuch sollte neben dem Einfluss der initialen Bodenfeuchte auf die N₂- und N₂O- Flüsse auch dazu dienen festzustellen, inwieweit die Isotopensignaturen des emittierten N₂O und des NO₃^- im Boden die N₂-Flüsse und das Verhältnis von N₂O/N₂ widerspiegeln und ob die Isotopensignaturen des N₂O als Werkzeug zur Untersuchung der Denitrifikation im Boden geeignet sind. </p> <p> Für die Untersuchung des Einflusses der Bodenbearbeitung wurden die Versuchsstandorte Garte Süd und Hohes Feld bei Göttingen ausgewählt. Die lössbasierten Parabraunerden unterliegen seit über 40 Jahren der konventionellen (pflugbasierten) und der reduzierten (pfluglosen) Bodenbearbeitung, mit den jeweiligen Bearbeitungstiefen von 25 bis 28 und 5 bis 8 Zentimetern. Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurden die N₂O- und Methan- Flussraten mittels Haubenmethode sowie einige Bodenparameter (Wassergehalt und mineralischer Stickstoffgehalt) wöchentlich gemessen und Wetterdaten (Temperatur und Niederschlag) täglich erfasst. Zusätzlich wurde zu Beginn der Untersuchung eine Bodeninventur durchgeführt. Ernteerträge wurden getrennt für die Flächen, Jahre und Bodenbearbeitungsvarianten bestimmt. </p> <p> Für die Modellierung wurde ein Testmodel, basierend auf der Parametrisierung einer Variante der ersten Teilstudie (Garte Süd, pflugbasiert) generiert, welches die erfassten Daten (N₂O-Emissionen, Erträge, Bodenwasserdynamik) am besten beschrieben hat. Diese Parametrisierung wurde dann an den anderen Varianten als zurückblickende Simulation angewendet. </p> <p> Die beiden Laborversuche fanden in England am Institute of Grassland and Environmental Research, North Wyke, statt. Mit Hilfe eines speziellen Denitrifikations-Inkubationssystems unter Ausschluss des N₂ wurden zwölf mit Ackerboden gefüllte Zylinder eingebaut und nach Über- und Durchströmen mit einem Helium/Sauerstoff Gemisch wurde Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) bei einem wassergefüllten Porenvolumen von 85% über ein mittig angebrachtes zweites Gefäß von oben zugegeben. Nach 7,5 Tagen wurde statt des Helium/Sauerstoff Gemisches reines Helium verwendet, um eine vollständige Denitrifikation zu gewährleisten. Die Gasflüsse (N₂O, N₂ und Kohlenstoffdioxid) und Isotopensignaturen (&delta;¹⁸O-N₂O, &delta;¹⁵N^bulk-N₂O, &delta;¹⁵N^&alpha;, &delta;¹⁵N^&beta; und die ¹⁵N Positionspräferenz) des emittierten N₂O wurden über einen Zeitraum von 13 Tagen erfasst. </p> <p> Bei dem zweiten Laborversuch wurde ein Teil der Bodenproben bei trockenen (20% wassergefülltes Porenvolumen), der andere Teil bei deutlich feuchteren Bedingungen (75% wassergefüllter Porenvolumen) über einen Zeitraum von vier Wochen vorinkubiert. Anschließend wurden alle Proben auf denselben hohen Wassergehalt (85% wassergefülltes Porenvolumen) eingestellt, in die Versuchsanlage eingebaut, unter Helium/Sauerstoff Atmosphäre gesetzt. Nach Zugabe von Glukose (400 kg C ha-1) und Kaliumnitrat (75 kg N ha-1) (90% wassergefülltes Porenvolumen) wurden die Gasflüsse und Isotopensignaturen analog zum ersten Versuch zehn Tage lang untersucht. In diesem Versuch wurde nach sechs Tagen die Sauerstoffzufuhr gestoppt. </p> <p> Die Ergebnisse der ersten Studie ergeben, dass die jährlichen N₂O-Flüsse und Methan-Aufnahmen der untersuchten Ackerböden mehr von den Bodeneigen-schaften, dem Klima und der Bewirtschaftung abhingen als vom Bearbeitungs- system. Winteremissionen machten bis zu 50 Prozent der jährlichen N₂O-Emissionen aus und die Jahresemissionen spiegeln die Unterschiede der Jahresniederschläge wieder. Außerdem hat sich das jahrzehntelange Pflügen auf die Verteilung des organischen Kohlenstoffs im Bodenprofil ausgewirkt, jedoch nicht auf den Gesamtkohlenstoffvorrat der gepflügten und minimal bearbeiteten Flächen. Unterschiede der Gesamtkohlenstoffvorräte zwischen den Flächen lassen sich auf den unterschiedlichen Tongehalt zurückführen. </p> <p> Die standortspezifische Kalibration hat sich als essenzielle Voraussetzung für die Modellierung der N₂O-Flüsse und Ernteerträge herausgestellt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Kalibration mit experimentellen Daten und verfügbaren Literaturangaben zu annähernder Übereinstimmung zwischen modellierten und gemessenen Erträgen und den jährlichen N₂O- Emissionen geführt hat. Es wurden jedoch große Abweichungen bezüglich der modellierten und gemessenen N₂O-Emissionen im Jahresverlauf festgestellt. Die Pedotransferfunktionen das Denitrifikationsteilmodell des verwendeten DNDC Modells bedürfen daher weiterer Verbesserungen. </p> <p> Die dritte Studie legt dar, dass die N₂O- Isotopologen den zeitlichen Verlauf der beobachteten N₂O- und N₂-Flüsse widerspiegelten und hilfreiche Prozess-informationen lieferten. Die eindeutige Identifizierung der Quellprozesse wurde durch das Auftreten mehrerer Faktoren behindert und konnte abschließend nicht aufgeklärt werden. Dennoch wies der zeitgleiche Anstieg der 15N-Positions-präferenz und der &delta;¹⁸O-N₂O-Signaturen auf die N₂O-Reduktion zum N₂ hin. </p> <p> Der bedeutende Einfluss der Wiederbefeuchtung eines Bodens auf die N₂O-Emissionen belegt die vierte Studie. Der Versuchsansatz zeigt, dass das zeitgleiche Erfassen von N₂- und N₂O-Flüssen und der Isotopensignaturen von NO₃^- und N₂O zusammen mit der Modellierung der Isotopenfraktionierung Einblicke in die räumliche Verteilung von N Spezies und der mikrobiellen Aktivität im Boden erlaubt. </p> <p> Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich kein genereller Einfluss der betrachteten Bodenbearbeitungssysteme auf den Nettoaustausch des N₂O gezeigt hat und dass die Modellierung der N₂O-Gesamtemissionen der zwei Bodenbearbeitungs-systeme mit den gemessenen Werten übereinstimmte. Die Nutzung stabiler Isotope hat das Verständnis der N₂O-Produktions- und -Verbrauchsprozesse verbessert und die initialen Feuchtebedingungen haben die Emissionen und die Isotopensignaturen während der Denitrifikation in einem Ackerboden beeinflusst. </p>

Reducing tillage in Canadian organic cropping systems is a priority to preserve soil quality and increase long term sustainability. Novel methods for management of cover crops offer farmers the opportunity to reduce both tillage and herbicide use during this phase of the crop rotation but require further investigation across a range of cropping systems. The objective of this study was to compare the blade roller, flail mower and wide blade cultivator (noble blade) with standard tillage for management of an annual pea-barley (Pisum sativum L. – Hordeum vulgare L.) green manure in the Canadian prairies. The experiment was conducted twice at Carman, Manitoba (long-term organic management) and Lethbridge, Alberta (previous herbicide and fertilizer use) from 2010-2012. The green manure was planted in spring of year 1 and grown until pea full bloom when five management treatments were applied; 1) standard tillage with a field disc 2) blade roller, 3) blade rolled once plus tillage in late fall and spring, 4) wide blade cultivator and 5) flail mower. Spring wheat (Triticum aestivum L.) was planted in spring of year 2. The effect of management treatment on surface residue, soil nitrogen, soil microclimate, weed population dynamics and subsequent spring wheat yield was evaluated. At Carman, managing green manure without tillage (blade roller or flail mower) significantly increased winter annual and perennial weed pressure and reduced soil nitrate availability; these factors contributed to wheat yield reductions in both years compared to standard tillage. Wide blade cultivation and blade rolling plus tillage maintained crop yield at one and both years, respectively, compared to tillage. Without sufficient mulch for weed suppression, soil disturbance was required to control weeds and ensure adequate nitrogen uptake in the crop. Replacing one tillage operation with blade rolling reduces energy costs and erosion risk without sacrificing yield. At Lethbridge, previous herbicide and fertilizer use masked the effect of green manure management. Markedly different results from Carman and Lethbridge emphasize that the adaptability of reduced tillage green manure management is site-specific due to differences in climate and cropping history. This research highlights important differences in the efficacy, erosion risk, weed control, nitrogen availability, main crop yield and energy savings associated with each management method.

Bibliography: p. 182-197. / xxii, 197 p. : ill. ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / The objectives of this study are: selection and construction of four narrow sowing points, evaluation of these points in terms of draught requirements and wear rates, comparison of the points in direct drilling systems and their effects on soil physical properties. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Agronomy & Farming Systems (Agricultural Technology), 1997

Thesis(M.S.)--Auburn University, 2005. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references.