Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

From the moment of their origin, landscapes all across the world have undergone several changes and modifications as a consequence of tectonic activity, climate and more recently, anthropogenic land use changes. Soil erosion studies are very interesting in this story, because they can learn us how landscapes have developed through time and what kind of processes may have caused these changes. Spain is a country that is believed to be highly affected by soil erosion. Many Spanish soils are in a heavily degraded state, especially the ones that are located on steep hill slopes in southeastern Spain. However, the question is whether this is a consequence of A) high CURRENT erosion rates or B) the cumulative effect of millennia of soil erosion and slope profile truncation during THE PAST. In this paper, an erosion study was performed in a first order river catchment in southeastern Spain. In order to get more insight in the hill slope dynamics that have shaped/reshaped the study area, short-term (i.e. last 50-60 years) erosion rates were compared with long-term (i.e. Holocene) erosion rates. For the short time scale, the radionuclide 137Cs was used as a soil erosion tracer. For the longer time scales, erosion rates were established based on 14C-analysis of charcoal fragments that were encountered in the alluvial valley of the study area. Our study has shown that, during the last decades, no net soil movement took place from the steep hill slopes to the alluvial valley of the study area. However, soil erosion and deposition took place on the local hill slope scale. In order to calculate net erosion rates from the collected 137Cs data, two different conversion models were applied. A profile distribution model (PDM) was used to calculate erosion rates on uncultivated soils while a mass balance model (MBM) was used to calculate erosion rates on cultivated soils. Net soil erosion rates derived from the MBM range between 8,86 and 11,40 t*ha-1*yr-1, while net soil erosion rates calculated with the PDM range between 3,80 and 10,65 t*ha-1*yr-1. However, at two sample locations (P5 & P7), the PDM calculated net soil deposition of 2,18 and 4,67 t*ha-1*yr-1. No real trend in erosion rates could be obtained on the hill slope scale, indicating that local factors may control local soil distribution and/or deposition during rainfall events. The 14C results of the charcoal fragments on the other hand suggest that the study area has already known a long history of soil erosion and deposition. From the 6,05 m thick sediment layer that is deposited in the study area, 4,65 m was already deposited before the Iron age and not less than 5,55 m before 520 yr BP. These results suggest that the stored sediments in the valley of the study area are accumulated over thousands of years. Therefore, we believe that abrupt Holocene climate changes and early Neolithic farmers had a more important role in the landscape development of the study area compared to the intensification of human activities during Roman times. This study learns that current erosion rates in Southeastern Spain may be overestimated, because one does not take into account the longer time-spans over which soil erosion may act. The analysis of colluvial deposits and soil erosion rates thus requires the incorporation of longer time-scales, something that is often neglected in literature and may therefore lead to an overestimation of current soil erosion rates.

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Bodem is een zeer waardevolle natuurlijke grondstof en bodemerosie heeft dan ook ingrijpende lokale (on-site) en stroomafwaardse (off-site) consequenties zoals de afname van de productiecapaciteit van voedsel, vezels en brandstoffen, en de toename van overstromingen en sedimentatie van rivieren en stuwmeren. In het bijzonder in gebieden met een beperkte hoeveelheid neerslag, zoals bijvoorbeeld rond de Middellandse zee, kunnen de effecten van bodemerosie veel schade aanrichten. De studie van bodemerosie is lange tijd geconcentreerd geweest op de schaal van experimentele percelen en op hellingen. Er is echter in toenemende mate een behoefte van wetenschappers en beleidsmakers om bodemerosie, sediment transport en sedimentexport te begrijpen en te kunnen voorspellen op stroomgebiedschaal. Dit is van belang om de natuurlijke- en sociaaleconomische consequenties van bodemerosie te kunnen bepalen en om degelijke en duurzame beheersplannen te ontwikkelen. De doelstellingen van dit proefschrift zijn daarom als volgt: 1) bepalen van het meest geschikte model of model concept voor de voorspelling van erosie en sedimentexport op stroomgebiedschaal, 2) verbeteren van het begrip van de processen en factoren die verantwoordelijk zijn voor erosie en sediment transport op stroomgebiedschaal, 3) opstellen van aanbevelingen ten aanzien van het gebruik van modellen die bodemerosie en sedimentexport voorspellen voor beleidsbeslissingen die gericht zijn op het voorkomen of herstellen van de ongewenste effecten van erosie. Vaak wordt aangenomen dat oppervlakte specifieke sedimentexport (SSY; t/km2/jaar) afneemt met toenemende oppervlakte van een stroomgebied. Deze aanname wordt bovendien vaak gebruikt voor de voorspelling van sedimentexport op stroomgebiedschaal. Een uitgebreide statistische analyse van de relatie tussen stroomgebiedgrootte en SSY voor bijna 900 rivieren wereldwijd geeft interessante inzichten met betrekking tot de dominante erosie processen en het effect van ruimtelijke verschillen in landgebruik, lithologie, klimaat en topografie op sediment transport, sediment depositie en SSY. Desalnietemin blijkt stroomgebiedgrootte een slechte voorspeller te zijn van SSY. Dit betekent eveneens dat bodemerosie zoals gemeten op een specifieke ruimtelijke schaal niet representatief is voor sedimentexport op een ander schaalniveau. Het vergelijken van gemeten of gemodelleerde erosie data en de calibratie of validatie van modelen dient daarom dan ook zeer zorgvuldig te gebeuren. De meeste modellen voor de voorspelling van watererosie zijn reductionistisch en richten zich op een selectie van erosie- en sediment transport processen. Meestal richten deze modellen zich op het modelleren van laminaire- en geul erosie terwijl puntbronnen van sediment, zoals ravijnen en grondverschuivingen, niet worden gemodelleerd. Mede daarom is een samenvattend overzicht gemaakt van beschikbare bestaande modellen met een meer holistische benadering van erosie, sediment transport en sedimentexport. De meeste van deze modellen zijn semi-kwantitatieve modellen waarbij scores worden gegeven aan omgevingsfactoren. Deze omgevingsfactoren worden gebruikt om een stroomgebied te karakteriseren in termen van gevoeligheid voor erosie en sediment transport. In dit proefschrift worden verschillende bestaande en nieuw ontwikkelde semi-kwantitatieve modellen toegepast en vergeleken met andere bestaande of nieuw ontwikkelde modellen voor de voorspelling van erosie en/of sedimentexport in 61 Spaanse en 28 Italiaanse stroomgebieden. Voor deze stroomgebieden is de sedimentexport bepaald door gebruik te maken van gepubliceerde data over de sedimentatie van stuwmeren die de uitlaat vormen van deze stroomgebieden. Deze gemeten sedimentexport wordt gebruikt voor de calibratie en validatie van de verschillende erosie- en sedimentexport modellen. Alle gebruikte modellen worden geevalueerd door de modelnauwkeurigheid te vergelijken voor voorspelling in de 61 Spaanse stroomgebieden. Voor de 28 Italiaanse stroomgebieden worden alleen de semi-kwantitatieve modellen FSM (Factorial Scoring Model) en PSIAC (Pacific Southwest Interagency Committee) toegepast en vergeleken om de mogelijkheden voor model extrapolatie van deze twee modellen na te gaan. Het meest wijdverbreide modelconcept voor de voorspelling van sedimentexport is de ontwikkeling van meervoudige regressievergelijkingen. Een correlatie- en regressie analyse geven inzicht in belangrijke verklarende variabelen en in interacties tussen verschillende omgevingsfactoren. Validatie van de regressievergelijkingen laat echter duidelijk zien dat deze erg onstabiel zijn en niet geschikt voor extrapolatie. De regressievergelijkingen verklaren niet alle relevante erosie- en sediment transport processen en vormen niet de meest geschikte methode voor de voorspelling van sedimentexport op stroomgebiedschaal. De semi-kwantitatieve modellen FSM en PSIAC geven de meest nauwkeurige schattingen van sedimentexport op stroomgebiedschaal in de Spaanse stroomgebieden. Bovendien geven beide modellen een indicatie van de dominante erosie- en sediment transport processen in een stroomgebied. Extrapolatie van FSM en PSIAC naar de Italiaanse stroomgebieden laat zien dat hoewel beperkte aanpassingen nodig zijn, het modelconcept bruikbaar is en goede resultaten geeft voor model calibratie en validatie. De benodigde modelaanpassingen illustreren de belangrijkste verschillen in de dominante erosie- en sediment transport processen tussen de Spaanse en Italiaanse stroomgebieden. In de Italiaanse stroomgebieden leidt de toevoeging van een factor die het voorkomen van grondverschuivingen aangeeft tot een belangrijke toename in de modelnauwkeurigheid vergeleken met het model zoals oorspronkelijk werd ontwikkeld voor de Spaanse stroomgebieden. Eén van de belangrijkste problemen bij het gebruik van ruimtelijk verdeelde erosie- en sedimentexport modellen is dat deze veel zeer gedetailleerde data als invoer nodig hebben. Daarom is nagegaan wat de effecten zijn van het gebruik van verschillende invoergegevens op de model voorspellingen van het ruimtelijk verdeelde erosie- en sedimentexport model WATEM-SEDEM. Hierbij werden significante verschillen waargenomen in de kwaliteit en het detailniveau van diverse ruimtelijke datasets met regionale of wereldwijde beschikbaarheid van landgebruik en topografie. Hoewel deze verschillen tevens resulteren in duidelijke verschillen in de absolute waarden van de erosie en sedimentexport voorspellingen blijkt het effect op het ruimtelijk patroon van de modelvoorspellingen beperkt te zijn. Om het beste model te kunnen selecteren is daarom een ruimtelijk verdeelde validatie van de absolute waarden van de erosie en sedimentatie voorspellingen noodzakelijk. Van alle ruimtelijk verdeelde modellen die in dit proefschrift worden vergeleken geeft het nieuw ontwikkelde ruimtelijk verdeelde scorings model SPADS de meest nauwkeurige voorspelling van sedimentexport op stroomgebiedschaal. SPADS geeft tevens aan wat de belangrijkste brongebieden zijn van de sedimentexport. De exacte lokale erosiesnelheden worden echter niet gegeven door dit model. Het WATEM-SEDEM model geeft minder nauwkeurige schattingen van sedimentexport dan SPADS maar berekend wel lokale erosiesnelheden, hoewel deze mogelijk te hoog zijn. Bij zowel SPADS als WATEM-SEDEM is aparte model calibratie nodig voor de stroomgebieden met een hoge (>5%) en die met een lage (<5%) ratio tussen sedimentexport en de totale lokale erosie (i.e. SDR). Dit betekent dat beide modellen onvoldoende alle relevante erosie- en sediment transport processen vertegenwoordigen om de aanwezige verschillen tussen de 61 Spaanse stroomgebieden te verklaren. Bodemerosie voorspellingen gemaakt doormiddel van het fysisch gebaseerde model PESERA komen relatief goed overeen met bodemerosie snelheden zoals gemeten in experimentele percelen op hellingen. Het PESERA model voorspelt echter geen sedimentexport op stroomgebiedschaal en verklaart slechts een zeer beperkt deel (i.e. 0-50%) van de gemeten sedimentexport. PESERA is daarom vooral geschikt voor schattingen van lokale (on-site) bodemerosie snelheden. Alle ruimtelijk verdeelde erosie- en sedimentexport modellen toegepast in dit proefschrift geven minder nauwkeurige voorspellingen van sedimentexport op stroomgebiedschaal dan FSM en PSIAC. Een belangrijk voordeel van ruimtelijk verdeelde modellen is echter dat deze tevens aangeven waar potentieel belangrijke bron- en depositie gebieden van sediment te vinden zijn. Dit is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van beheersplannen die erop gericht zijn om erosiesnelheden en sedimentexport te beperken. Concluderend kan gesteld worden dat een combinatie van veldwaarnemingen, veld metingen en van verschillende modellen benodigd is om verschillende vragen te beantwoorden in relatie tot 1) de voorspelling van sedimentexport, 2) de identificatie van de bron- en depositie gebieden van sediment en 3) de benoeming van de dominante erosie- en sediment transport processen. Elk model heeft zijn eigen doelstelling en dient ter beantwoording van specifieke vragen. Modellen dienen niet misbruikt te worden voor doelstellingen die buiten hun bereik liggen. Een belangrijke uitdaging in de ontwikkeling van alle erosie en sedimentexport modellen is om niet lineaire processen, terugkoppellingsmechanismen en alle relevante erosie- en sediment transport processen te vertegenwoordigen.Er zijn verschillende andere belangrijke uitdagingen voor verder onderzoek. Ten eerste vedienen puntbronnen van sediment (i.e. ravijnen en grondverschuivingen) en hun belang voor sedimentexport op stroomgebiedschaal meer aandacht in modelontwikkeling en in veldonderzoek. Ten tweede is een ruimtelijk verdeelde calibratie en validatie van ruimtelijk verdeelde erosie- en sedimentexport modellen nodig. Ten derde dient het regionale effect van bodembeschermingsmaatregelen te worden geëvalueerd met behulp van erosie- en sedimentexport modellen. De grootste uitdaging is waarschijnlijk om erosie- en sedimentexport voorspellingen te koppelen aan alle sociaaleconomische kosten ten gevolge van de lokale en stroomafwaardse effecten van erosie. Soil is a precious natural resource and erosion of soil has important on-site and off-site impacts such as reduced food-, fiber- and fuel production, increased flooding and sedimentation of streams and reservoirs. Especially in dryland areas like the Mediterranean the negative effects of erosion can be devastating. The study of soil erosion has long been concentrated at the scale of experimental plots and hillslopes. However, increasingly there is a quest from scientists and policy makers to understand and predict soil erosion, sediment transport and sediment yield at the catchment scale in order to assess its environmental and socioeconomic impacts and to develop sound environmental management plans. Therefore, the objectives of this thesis are to 1) identify the most suitable model or model concept for prediction of erosion and sediment yield at the catchment scale, 2) to increase understanding of erosion and sediment transport processes and explanatory factors at the catchment scale, and 3) to provide recommendations for the use of soil erosion and sediment yield prediction models in policy decisions regarding the prevention or mitigation of negative impacts of erosion. Often it is assumed that area-specific sediment yield (SSY) decreases with increasing catchment area and this assumption is frequently used for prediction of sediment yield. Although a profound analysis of the relation between catchment area and SSY for almost 900 rivers world-wide provides interesting insights in the dominant erosion processes and in the implications of spatial differences in land use, lithology, climate and topography, it appears that catchment area alone is a poor predictor of SSY. This also implies that soil erosion measured at one spatial scale is not representative for sediment yield at another scale and therefore data comparisons and model calibration and validation should be done carefully. Most water erosion models are reductionistic and focus on a selection of erosion and sediment transport processes. Often they focus on sheet- and rill erosion while point sources of sediment like gullies and landslides are not modelled. Therefore, available models with a holistic approach towards erosion and sediment yield modelling are reviewed. Most of these models are semi-quantitative factorial scoring models in which environmental factors are used to characterise a drainage basin in terms of sensitivity to erosion and sediment transport. In this study, several existing-, adapted- and newly developed semi-quantitative models are applied and compared with other existing or newly developed models for the prediction of erosion and/or sediment yield in 61 Spanish- and 28 Italian catchments. For these catchments measured sediment yield data from published bathymetric reservoir survey data are used for model calibration and validation. All different models and model concepts are evaluated by comparing model accuracy for the Spanish catchments. For the Italian catchments only the semi-quantitative models FSM and PSIAC are applied and compared to reflect on the potential for extrapolation of these two models. The most widely applied model concept for prediction of sediment yield at the catchment scale is the development of regression equations. A correlation and regression analysis in this thesis provides insight in explanatory variables and in interactions between environmental factors. However, validation of the regression equations shows that they can not be extrapolated and that they are very unstable. In conclusion, the regression models do not explain all the relevant erosion and sediment transport processes and are not the most suited approach for predicting sediment yield at the catchment scale. The semi-quantitative models FSM and PSIAC provide the most accurate and efficient predictions of sediment yield at the catchment scale in the Spanish catchments. Besides, these models provide an indication of the dominant erosion and sediment transporting processes in a catchment. Extrapolation of these models to the Italian catchments shows that although small adaptations are necessary, the model concept can be extrapolated and provides good results for calibration and validation. The required model adaptations illustrate important differences in the dominant erosion processes between the Spanish and the Italian catchments. In the Italian catchments for example, the addition of a landslide factor strongly improves the model result compared to the model developed for the Spanish catchments. One of the complications when applying spatially distributed models is their high data requirement. Therefore, first an analysis is made of the implications of input data selection on model output. Although significant differences are observed in the quality and detail of different globally available data for land use and topography, the effect of these differences on the qualitative model predictions are limited. Quantitative predictions however are affected considerably and therefore a validation of the spatial pattern of predictions is required. Of all compared spatially distributed models, the newly developed spatially distributed scoring model (SPADS) provides most accurate predictions of sediment yield at the catchment scale. SPADS indicates the most likely source areas of sediment exported from a catchment, but does not indicate on-site soil erosion rates. WATEM-SEDEM performs slightly worse than SPADS for the prediction of sediment yield but does indicate soil erosion rates, although these estimates may be over-estimated. Both SPADS and WATEM-SEDEM require a stratified calibration according to the Sediment Delivery Ratio (SDR) in two groups (i.e. >5% and <5%). This means that both models do not sufficiently represent all erosion and sediment transport processes to explain the environmental differences that are present within the 61 Spanish catchments. The PESERA model provides relatively accurate estimates of soil erosion rates as measured in experimental soil erosion plots at hillslopes. However, PESERA does not predict catchment sediment yield and explains only a very limited part (i.e. 0-50%) of the sediment exported from a catchment. PESERA is therefore most suited for on-site soil erosion estimates. Although all spatially distributed models compared in this thesis performed worse than the FSM and PSIAC models for prediction of catchment sediment yield, they do have the advantage that they indicate the location of potential sources and sinks of sediment. This is crucial information for the development of management plans that aim to reduce erosion rates and sediment yield. In conclusion, a combination of field observations and field measurements and of different models is required to answer different questions related to the prediction of sediment yield, identification of sediment sources and sinks of sediment, and recognition of dominant erosion and sediment transport processes. Each model has its purpose and can provide answers to specific questions. Models should therefore not be misused beyond their scope. An important challenge in all models is to represent non linear processes, feedback mechanisms and all relevant erosion and sediment transport processes.There are several other important challenges for future research. First of all, the description of point sources of sediment (gullies, landslides) and their relevance for catchment sediment yield requires further attention. Secondly, spatially distributed models require a spatially distributed calibration and validation. Thirdly, the