Hvordan påvirker topografi erosjon?

Atj 2018-3596

NIBIO-forsker Robert Jan Barneveld disputerer tirsdag 8. november ved Wageningen universitet i Nederland. Foto: Anette Tjomsland Spilling

Tap av jordpartikler og næringsstoffer fra jordbruksområder, såkalt erosjon, anses for å være én av verdens største miljøutfordringer, blant annet fordi det forringer vannkvalitet. I doktorgradsarbeidet sitt har Robert Jan Barneveld studert forholdet mellom topografien til et jordbrukslandskap og erosjonsprosessen. Tirsdag 8. november disputerer han ved Wageningen universitet i Nederland.

Erosjon omfatter alle geologiske prosesser der materiale på jordoverflaten løsner, oppløses og forflyttes fra ett sted til et annet ved rennende vann, havstrømmer, vind og isbreer. I utgangspunktet er erosjon et naturlig fenomen, men prosessen fremskyndes gjerne av menneskelige inngrep.

Innenfor jordbruket har erosjon, det vil si tap av jord for eksempel til bekker og elveer, lenge vært ansett som et stort problem. Dette skyldes blant annet at det er den næringsrike toppjorda som lettest forflytter seg med nedbør, snøsmelting og vind.

–  At toppjorda som inneholder næringsstoffer flytter på seg, for eksempel til jordbruksbekker og andre ferskvannsforekomster, kan ha store konsekvenser for vannkvaliteten, sier NIBIO-forsker Robert Barneveld.

–  Erosjon av toppjord kan også gå utover avlingsnivå, jordkvalitet og jordstruktur. I verste fall kan det for eksempel føre til dype søkk i jordoverflaten, såkalt drågerosjon, som gjør jordarbeiding vanskelig, om ikke umulig.

20181124_Våler i Solør_Foto Ingrid M Tenge.jpg
Jorderosjon kan gå utover vannkvalitet, avlingsnivå, jordkvalitet og jordstruktur. Foto: Ingrid M. Tenge

Har avdekket svakheter med anvendte metoder

Erosjon som fenomen drives av fire faktorer; jordsmonn, klima, agronomi og topografi. I doktorgradsarbeidet sitt har Barneveld utforsket forholdet mellom topografien, det vil si et landområdes terrengforhold, og erosjonsprosessen. Med bruk av digitale høydemodeller, laserscannere og droner har han undersøkt hvordan erosjon påvirker morfologien til jordoverflaten, det vil si terrengets ytre form, både før vinteren og etter snøsmelting på våren.

–  Målet har vært å skaffe til veie en kvantitativ forståelse av forholdet mellom topografi og erosjonsraten. Jeg har vært opptatt av hva erosjon gjør med terrenget, og også hva terrenget har å si for hvor mye og hvor hyppig erosjon skjer, forteller Barneveld.

Håpet er at resultatene av arbeidet kan være med på å forbedre de hittil mest anvendte metodene som blir brukt for å modellere erosjon på nasjonal skala. Barnevelds analyser viser nemlig at ingen av metodene for å representere terrengform i slike modeller fungerer godt nok i et komplekst, fysisk reelt terreng.

–  De fleste av metodene som blir brukt i dag for å måle topografiens effekt på erosjon stammer fra en ligning som ble utviklet på 1960-tallet, kalt den Universale jordtapsligningen (USLE). Sammenlignet med en prosessbasert modell fungerer ingen av dem særlig godt, blant annet fordi de fleste er begrenset til hellingslengder av maksimum 50 meter, forteller han.

Med bedre metoder, vil det ifølge forskeren være enklere å vurdere hvor det vil være effektivt å sette inn tiltak mot erosjon.

–  Dette er viktig, ikke minst med tanke på at det er forventet varmere og våtere vær fremover, og hyppigere episoder med ekstremvær. Alt dette fører med seg økt risiko for erosjon, sier Barneveld.

KONTAKTPERSON
Disputas

Robert Jan Barneveld disputerer over avhandlingen Form and Process; Norwegian studies in the interaction between overland flow and soil surface tirsdag 8. november kl. 11:00-12:30.

Veilederne til Barneveld har vært Sjoerd van der Zee fra Wageningen, Jannes Stolte fra NIBIO og Coen Ritsema fra Wageningen.

 

Publikasjoner:

Barneveld, Robert & Seeger, M. & Maalen-Johansen, Ivar. (2013). Assessment of terrestrial laser scanning technology for obtaining high-resolution DEMs of soils. Earth Surface Processes and Landforms. 38. 90-94. 10.1002/esp.3344.

Barneveld, Robert & van der Zee, Sjoerd & Stolte, Jannes. (2019). Quantifying the dynamics of microtopography during a snow melt event. Earth Surface Processes and Landforms. 44. 10.1002/esp.4678.

Barneveld, Robert Jan and Stolte, Jannes and Van der Zee, Sjoerd, Estimating Ephemeral Gully Erosion Rates in a Norwegian Agricultural Catchment Using Low-Altitude Uav Imagery. Available here or here.

Barneveld, Robert & van der Zee, Sjoerd & Greipsland, Inga & Kværnø, S.H. & Stolte, Jannes. (2019). Prioritising areas for soil conservation measures in small agricultural catchments in Norway, using a connectivity index. Geoderma. 340. 10.1016/j.geoderma.2019.01.017

Erosjon_TorstenStarkloff_cropped.jpg
Jorderosjon vil si at overflatejord løsner og forflytter seg med rennende vann. Dette byr på store utfordringer for landbruket – spesielt sent på høsten og tidlig vår. Foto: Torsten Starkloff

Tekst frå www.nibio.no kan brukast med tilvising til opphavskjelda. Bilete på www.nibio.no kan ikkje brukast utan samtykke frå kommunikasjonseininga. NIBIO har ikkje ansvar for innhald på eksterne nettstader som det er lenka til.

Publikasjoner

Til dokument

Sammendrag

Knowledge of soil microtopography and its changes in space and over time is important to the understanding of how tillage influences infiltration, runoff generation and erosion. In this study, the use of a terrestrial laser scanner (TLS) is assessed for its ability to quantify small changes in the soil surface at high spatial resolutions for a relatively large surface area (100 m2). Changes in soil surface morphology during snow cover and melt are driven by frost heave, slaking, pressure exertion by the snowpack and overland flow (erosion and deposition). An attempt is undertaken to link these processes to observed changes at the soil surface. A new algorithm for soil surface roughness is introduced to make optimal use of the raw point cloud. This algorithm is less scale dependent than several commonly used roughness calculations. The results of this study show that TLSs can be used for multitemporal scanning of large surfaces and that small changes in surface elevation and roughness can be detected. Statistical analysis of the observed changes against terrain indices did not yield significant evidence for process differentiation.

Til dokument

Sammendrag

Measures designed to control erosion serve two purposes: on site (reduce soil loss) and off site (reduce sediment delivery to streams and lakes). While these objectives often coincide or at least are complementary, they could result in different priority areas when spatial planning is concerned. Prioritising for soil loss reduction at the field level will single out areas with high erosion risk. When sediment flux at the catchment scale is concerned, sediment pathways need to be identified in ex ante analyses of soil conservation plans. In Norway, different subsidy schemes are in place to reduce the influx of solutes and sediments to the freshwater system. Financial support is given to agronomic measures, the most important of which is reduced autumn tillage where areas with higher erosion risk receive higher subsidies. The objectives of this study are (1) to assess the use of an index of connectivity to estimate specific sediment yields, and (2) to test whether conservation measures taken in critical source areas are more effective than those taken at where erosion risk levels are the highest. Different modelling approaches are combined to assess soil loss at catchment level from sheet and gully erosion and soil losses through the drainage system. A calibration on two parameters gave reasonable results for annual soil loss. This model calibration was then used to quantify the effectiveness of three strategies for spatial prioritisation: according to hydrological connectivity, sheet erosion risk level and estimated specific sediment yield. The latter two strategies resulted in a maximum reduction in total soil loss due to reduced autumn tillage of 10%. Both model performance and the effectiveness of the different prioritisation strategies varied between the study catchments.