Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1410
Main Title: Insecticide dynamics in the soil environment of a tropical lychee plantation – A case study from Northern Thailand –
Translated Title: Insektizid-Dynamik im Boden einer tropischen Litschi-Plantage – Eine Fallstudie aus Nord-Thailand –
Author(s): Ciglasch, Holger
Advisor(s): Kaupenjohann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die unerwünschten Nebenwirkungen eines Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln (PSM) werden nicht nur durch die akuten Toxizitäten der Wirkstoffe gesteuert, sondern auch von ihrer Persistenz und Mobilität. Beide Größen sind für tropische Klimate kaum erforscht. Das Ziel meiner Studie war, (i) Hintergrundkonzentrationen von PSM in einem intensiv landwirtschaftlich genutzten nordthailändischen Einzugsgebiet zu ermitteln und (ii) Dissiaptionspfade von PSM im Boden für eine repräsentative Litschi-Plantage unter realistischer Bewirtschaftung zu quantifizieren. Hierzu wurden Flusswasser-Proben (Basisabfluss) auf weithin genutzte PSM analysiert. Zusätzlich erfasste ich während zweier Regenzeiten auf der Profil-Skala die Flüsse von Wasser und PSM, und zwar mit einer tensionsgesteuerten, hoch auflösenden Anlage zur Bodenlösungsgewinnung sowie mit konventionellen Dochtlysimetern. Oberflächenabfluss sammelte ich in Metall-Rinnen; PSM-Rückstände im Boden wurden nach sequenzieller Extraktion bestimmt. Flusswasserkonzentrationen von PSM lagen bereits im Basisabfluss oberhalb europäischer Grenzwerte, sodass ich es für wichtig erachtete, die Transportpfade von PSM vom Feld ins Grund- und Oberflächenwasser detaillierter zu untersuchen. Eine einmalige manuelle Applikation verschiedener Organochlor– und Organophosphat–PSM im ersten Studienjahr offenbarte, dass bis zu 1% der applizierten Menge durch präferenziellen Fluss über Nacht in eine Bodentiefe von über 55 cm verlagert werden kann. Unter gesättigten Flussbedingungen waren die präferenziellen Fließwege im untersuchten Acrisol so zahlreich, dass Probenehmer mit 9 cm Durchmesser ein homogenes Fließfeld vortäuschten. Zwei voneinander unabhängige Diversitäts-Indices zeigten, dass unter ungesättigten Fließbedingungen der Fluss zunehmend heterogener wurde. Wahrscheinlich ist dies darauf zurück zu führen, dass die Fließwege nach und nach „abgeschaltet“ wurden und sich der verbleibende Wasserfluss auf einzelne Finger konzentrierte. Die Halbwertszeiten der PSM im untersuchten Acrisol gehören zu den kürzesten, die jemals berichtet wurden (1,4 – 7,2 Tage, Malathion und Chlorpyrifos), vor allem weil das humide tropische Klima sowohl abiotische (Leaching, Volatilisation) als auch biotische (mikrobieller Abbau) Dissipation fördert. Mikrobielle Anpassung schien keine wesentliche Ursache für die kurzen Halbwertszeiten zu sein. Neben dem Klima wurde die Dissipationsrate wahrscheinlich auch durch den Unterwuchs der Plantage erhöht, weil PSM von Pflanzenoberflächen schneller verdampfen als aus dem Boden und weil sie auf der Vegetation in größerem Maß Photoabbau unterliegen. Trotz der schnellen Dissipation reicherten sich alle Substanzen außer Mevinphos (komplett mit Wasser mischbar) nach fünfmaliger Applikation im zweiten Studienjahr im Boden an. Mit einem konventionellen und einem neu eingeführten Sorptionskoeffizienten (KOC und MAR, letzterer aus Methanol- und Aceton:Ethylacetat:Wasser-extrahierbaren Fraktionen berechnet) konnte ich zeigen, dass die Anreicherung mit Alterungsprozessen einherging, die für Endosulfan am ausgeprägtesten waren. Der Unterwuchs und die ausgesprochen hohe Infiltrationskapazität des Bodens reduzierten effektiv die Gesamtmenge des Oberflächenabflusses. Dennoch überstiegen die Pestizidkonzentrationen im Oberflächenabfluss deutlich tabellierte Toxizitätsdaten sowohl für aquatische Vertebraten als auch Invertebraten. Deswegen kann ich eine Beeinträchtigung der aquatischen Lebewesen im Untersuchungsgebiet nicht ausschließen, und der Einsatz von PSM im nordthailändischen Obstbau muss technisch optimiert werden, bevor diese Form der Landnutzung als nachhaltig betrachtet werden kann.
Adverse side-effects of pesticide use are not only controlled by the acute toxicity of the applied substances, but also by their persistence and mobility. Both are hardly investigated for humid tropical climates. The scope of my study was (i) to monitor background concentrations of pesticides in an intensively cultivated Northern Thailand watershed and (ii) to quantify soil-related pathways of pesticide dissipation in a representative lychee plantation under realistic agricultural practice. Therefore, baseflow samples of river-water were analysed for commonly used pesticides. In addition, water and pesticide fluxes were monitored on profile scale during two rainy seasons with a tension-controlled, high-resolution soil solution sampling device and conventional wick-lysimeters, while surface runoff was collected with metal troughs. Pesticide residues in soil were assessed after sequential extractions. Riverine pesticide concentrations were above European threshold values even in baseflow, so that I found it relevant to study the pathways of pesticide translocation from the plot into ground and surface water in greater detail. A single manual application of various organochlorine and organophosphorous insecticides in the first study year revealed that up to 1% of the applied amount can be leached into 55 cm soil depth over night by preferential flow. Under saturated flow conditions, the preferential flow pathways within the Acrisol were so numerous that sampling devices with a diameter of 9 cm pretended homogeneous flow. Two independent diversity indices showed that, under unsaturated conditions, the flux became increasingly heterogeneous, probably because one flow pathway after the other was "switched off" so that water flux concentrated on distinct fingers. The pesticide half-lives in the studied Acrisol were among the shortest ever reported (1.4 – 7.2 days, malathion and chlorpyrifos), because the humid tropical climate rather than microbial adaptations promoted both abiotic (leaching, volatilization) and biotic (microbial decay) dissipation processes. Besides climate, also the ground vegetation of the orchard probably enhanced the rate of dissipation, because pesticides on plant surfaces volatilize faster and are more exposed to photodecomposition than pesticides on soil surfaces. Despite this rapid dissipation, all substances except mevinphos (completely miscible with water) accumulated in soil after five repeated applications in the second study year. Using a conventional and a new sorption coefficient (KOC(app) and MAR, the latter calculated from methanol- and acetone:ethylacetate:water-extractable fractions of pesticides), I showed that the accumulation went along with aging processes, which were most evident for endosulfan. The ground cover and the exceptionally high infiltration capacity of the soil effectively reduced the total amount of surface runoff. Nevertheless pesticide concentrations in surface runoff clearly exceeded tabulated toxicity data for vertebrate and invertebrate aquatic test species. Therefore, I cannot rule out adverse effects on aquatic biota, and the use of pesticides in Northern Thailand fruit cropping requires technical optimization before this form of land-use system can be considered sustainable.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13178
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1707
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1410
Exam Date: 9-Jun-2006
Issue Date: 10-Aug-2006
Date Available: 10-Aug-2006
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Nachhaltige Landnutzung
Obstbau
Pestizide
Südostasien
Umweltverhalten
Environmental fate
Fruit cropping
Pesticides
Southeast Asia
Sustainable land-use
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