Modeling Conservation Practices in APEX: From the Field to the 

Watershed

Wendy Francesconia*, Douglas R. Smitha, Dennis C. Flanagana, Chi‐Hua Huanga, Xiuying Wangb

aNational Soil Erosion Research Laboratory, 275 S Russell Street, West Lafayette, IN 47907, USAbTexas A&M University, Blackland Research and Extension Center, Temple, TX 76502, USA

Conservation Effects Assessment Project (CEAP)

• Conservation agricultural programs are designed by the United States Department of Agriculture – Natural Resources Conservation Service (USDA‐NRCS), and implemented through local Soil and Water Conservation Districts (SWCDs).

• To evaluate the environmental impact of such programs at the watershed scale, the Conservation Effects Assessment Project (CEAP) was established (Richardson et al., 2008).

o Monitoring and Modeling

The St. Joseph River and MaummeWatershed on Receiving Waters

The Need for Effective Conservation Practices

• After a short‐lived reduction in nutrient loading in the Maumme,DRP  loads and concentrations have been increasing despite constant or slightly lower fertilizer applications.

(Baker and Richards, Heidelberg University)

St. Joseph Watershed Monitoring

• Four Monitoring Field Sites• Conservation Practices Evaluated: 

1. No‐till2. Conservation crop rotation3. Grass waterways4. Blind inlets.

Methods: MonitoringSurface Flow Tile Flow

Dropbox weir and pipes that connect to auto sampler.

Pipes that connect tile flow to auto sampler.

Monitoring DataVariables• Surface Runoff• Sediments in runoff• Total Phosphorus (TP)• Dissolve Reactive Phosphorus (DRP)• Soluble Nitrogen (SN)• Tile Flow• Soluble Nitrogen in Tile Flow (SN‐Tile)

Watershed Modeling

• Whole farm or small watershed model that can simulate hydrological, sediment, nutrients and pesticide routing.

• Developed to evaluate land management strategies for environmental conservation and  crop productivity purposes.

Model Inputs

Calibration and Validation of the Model

Calibration

(2005‐2010)

Validation

(2011‐2012)

R2 NSE R2 NSERunoff 0.81 0.55 0.83 0.77Sediment  0.75 0.74 0.90 0.78TP 0.47 0.46 0.61 0.55DRP 0.63 0.52 0.56 0.38SN*  0.96 0.42 0.64 0.61Tile Flow** 0.43 0.42 0.44 0.42SN—Tile** 0.58 0.28 N/A N/A*Values for SN were calibrated for 2007 ‐ 2009 instead of 2010 and 2011.**Tile flow and SN‐Tile data collection began in 2008. Calibration and validation scores are for the periods 2010 and 2011 (respectively).

Practices and Extents

*Number of units installed

Stacking Conservation Practices

NRCS Code Conservation Practice DescriptionExtent of Conservation Practices incorporated in the St. 

Joseph Watershed from 2005‐2012 (ha)

Combined Practice First Level412 + 329 Grassed waterway + No‐till 336340 + 329 Cover Crop + No‐till 1366327 + 329 Conservation Cover + No‐till 42328 + 329 Conservation Crop Rotation + No‐till 7512590 + 329 Nutrient Management + No‐till 1960633 + 329 Waste Utilization + No‐till 78393 + 329 Filter Strip + No‐till 1205410 + 329 Grade stab. + No‐till 241

511‐12 + 329 Forage + No‐till 162328 + 345 Conservation Crop Rotation + Mulch Till 148

Total 14050

Combined Practice Second Level328 + 340 + 329 Conservation Crop Rotation +  Cover Crop + No‐till 1331

511‐12 + 633 + 329 Forage + Waste + No‐till 2393 + 345 + 340 Filter + Mulch‐till + Cover Crops 111393 + 328 + 329 Filter + Conservation Crop Rotation + No‐till 1135327 + 393 + 329 Conservation Cover + Filter Strip + No‐till 0.4590 + 633 + 329 Nutrient Management + Waste + No‐till 61

Total 2640

Results at the Field Scale Some generalizations of single practices• No‐till compared to tillage resulted in 56% , 9% and 5% reductions of 

sediment, TP and SN‐Tile (respectively), but in 11% and 20% increases in DRP and SN losses.

• Tree and shrub planting was the most successful practice reducing DRP and SN in surface runoff, however they resulted in the highest SN‐Tile. 

• Cover crops (oats and cereal rye) and forage planting (alfalfa) resulted in the highest sediment and nutrient reductions (80% for SN and 76% SN‐Tile, and 91% for sediment, 82% TP, and 55% DRP, respectively). 

• The implementation of a structural practice such as a grade stabilization showed little impact on improving water quality.

• As far as other structural conservation practices, greater reductions were predicted by the filter strip scenario (40% for TP, 45% for DRP, and 59% for SN) than in the grassed waterway (16% for TP, 6% for DRP, 11% for SN and 5% for SN‐Tile) when compared to the tillage scenario. 

Results at the Field Scale

Generalizations of combined practices • Overall, when two or three conservation practices commonly used at the St. 

Joseph River watershed were modeled together at the edge‐of‐field scale, the results showed greater sediment and nutrient reductions than the practices separately. 

• Forage + no‐till, was followed by conservation cover + no‐till, and by cover crops + no‐till, as the most efficient paired practice combinations reducing sediment and nutrient losses.

• Conservation crop rotation + cover crops + no‐till was the most successful trio of practices reducing nutrient losses compared to the baseline (89% for TP, 78% for DRP, 81% for SN, and 90% for SN‐Tile).

• The Food and Agriculture Organization (FAO) has proposed a new concept for sustainable food production systems called Conservation Agriculture, which consist of the combination described above (www.fao.org/ag/ca/1a.html).

Results at the Watershed Scale

DRP (Kg)DRP (Kg)

DRP (Kg)

(SN‐Tile data not showing)

Conclusions• While single conservation practices may be effective at targeting 

specific sediment and nutrient transport problems in agriculture, multiple practices resulted in the most successful water quality strategies.

• Among the single conservation practices, cover crops and forage were the most successful at reducing sediment and nutrient losses (by 56 ‐ 88% and 28 ‐ 91%, respectively).

• Compared to the single practices, the first and second level combined conservation practices extrapolated at the watershed scale had reductions that were 29% and 52% greater for sediments, 28% and 67% greater for TP, 4% and 43% greater for DRP, 14% and 85% greater for SN, and 35% and 61% greater for SN‐Tile.

• This information helps validate the positive aggregate effect of some of the conservation practices available through cost share programs on the environment. 

Thank you!