The effect of land use on infiltration in Taita Hills, Kenya

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112251801
Title: The effect of land use on infiltration in Taita Hills, Kenya
Author: Cardwell, Amanda
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2017
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112251801
http://hdl.handle.net/10138/229162
Thesis level: master's thesis
Abstract: Population growth and the conversion of forests to agricultural lands is a typical phenomenon in the highlands of East Africa. Land use changes set pressure on ecosystem services and natural resources, such as fresh water, which is essential for human well-being. Soil forms the largest free fresh water storage on planet. To maximize the potential of groundwater reservoirs in a continually changing environment it is extremely important to understand the factors controlling the infiltration process. The effect of land use on infiltration has been studied broadly but due to the increasing water scarcity and difficult geographical accessibility, the amount of infiltration studies conducted in the highlands of East Africa is low. The aim of this study was to examine whether land use affects infiltration in Taita Hills (3°25' S, 38°20' E), a tropical highland environment in southeastern Kenya, and whether the changes can be explained by the changes in soil properties. Another aim of this study was to examine whether the collected field infiltration data can be modelled with fixed infiltration models, which could potentially decrease the need for time and water consuming field infiltration measurements in future. This study focused on three land use classes: forests, cultivations and grazing lands. The collected field data consisted of field infiltration measurements (n=50) and corresponding soil organic carbon, soil organic nitrogen, soil bulk density, soil moisture and soil texture samples. The effect of land use on infiltration was examined with the one-way ANOVA and pairwise t-test. The relationship of soil properties and steady state infiltration rates was investigated with simple linear regression models. According to the results of this study infiltration rates vary by land use. The mean infiltration rates were 3900, 1700 and 450 mm/h in forests, cultivations and grazing lands, respectively, which correspond a decrease of 59 % and 88 % in infiltration rates when forests are converted to cultivations and grazing lands, respectively. According to the produced simple regression models soil bulk density explains 61.5 % and soil organic carbon and soil organic nitrogen 24.0 and 34.1 % of the variation of infiltration rates, respectively. Initial soil moisture explained 15.6 % of the variation but is believed to reflect the climatic and structural conditions of the soil instead of representing a direct impact on the infiltration process. The results suggest that soil texture does not explain the variation of infiltration, which is most likely due to the homogenous soil across the study area. Horton's infiltration model was found most suitable to model the infiltration process within the study area, although the overall performance of the models of Philip and Green and Ampt were also sufficient. The Modifield Kostiakov model was not found suitable to model the infiltration process of the study area.Väestönkasvu ja metsien raivaaminen maatalousmaiden tieltä on yleinen ilmiö Itä-Afrikan ylängöillä. Maankäytön muutokset asettavat paineita ekosysteemipalveluille ja luonnonvaroille, kuten elintärkeälle vedelle. Maaperä muodostaa maailman suurimman puhtaan makean veden varaston. Infiltraation ja sitä selittävien tekijöiden ymmärtäminen on hyvin tärkeää pohjavesivarastojen potentiaalin maksimoimiseksi jatkuvasti muuttuvassa ympäristössä. Maankäytön vaikutusta infiltraatioon on tutkittu laajasti, mutta vesipula ja vaikea maantieteellinen saavutettavuus on rajoittanut infiltraation tutkimista Itä-Afrikan ylängöillä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää vaikuttaako maankäyttö infiltraatioon Kenian Taitavuorilla (3°25' S, 38°20' E), ja voiko havaittuja muutoksia infiltraatiossa selittää muutoksilla maaperän ominaisuuksissa. Tutkimuksen toinen tavoite oli selvittää, voiko infiltraation kenttämittauksia mallintaa infiltraatiomalleilla, mikä voisi vähentää tarvetta paljon vettä ja aikaa kuluttaville infiltraatiomittauksille. Tutkimuksen maankäyttöluokiksi valittiin metsät, maanviljelmät ja laidunmaat. Kerätty aineisto muodostui infiltraatiomittauksista (n=50) sekä niitä vastaavista maaperänäytteistä, joista analysoitiin maaperän hiili, typpi, tilavuuspaino, kosteus ja raekokojakauma. Maankäytön vaikutusta infiltraatioon tutkittiin yksisuuntaisen varianssianalyysin ja parittaisen t-testin avulla. Infiltraation ja maaperän suhdetta tutkittiin lineaaristen regressioanalyysien avulla. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella maankäyttö vaikuttaa infiltraatioon. Maankäyttöluokkien infiltraatioiden keskiarvot olivat 3900, 1700 ja 450 mm/h metsissä, maanviljelmillä ja laidunmailla, tässä järjestyksessä, mikä vastaa 59 % muutosta metsistä maanviljelmille, ja 88 % muutosta metsistä ja laidunmaille siirryttäessä. Regressiomallien perusteella maaperän tilavuuspaino selittää 61.5 % infiltraationopeuksien vaihtelusta, ja maaperän hiili ja typpi 24.0 ja 34.1 % infiltraationopeuksien vaihtelusta, tässä järjestyksessä. Maaperän kosteus selitti 15.6 % infiltraation vaihtelusta, mutta sen uskotaan pikemmin heijastavan ilmastollisia ja maaperän rakenteellisia ominaisuuksia kuin infiltraation vaihtelua. Maaperän tekstuuri ei regressiomallien perusteella selitä infiltraationopeuksien vaihtelua, mikä puolestaan johtuu todennäköisesti siitä, että maaperän tekstuuri on tutkimusalueella hyvin homogeeninen. Tämän tutkimuksen perusteella Hortonin infiltraatiomalli soveltuu tutkimusalueen infiltraatioprosessin mallintamiseen parhaiten, vaikka Philipin ja Green and Amptin mallien soveltuvuus oli myös hyvä. Tämän tutkumuksen perusteella Modified Kostiakovin mallin ei sovellu tutkimusalueen infiltraatioprosessin mallintamiseen.
Discipline: Geography
Maantiede
Geografi


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
THE-EFFECT-OF-L ... TION-IN-TAITA-HILLS_AC.pdf 4.752Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record