Soil degradation by water erosion in a sub-humid West-African catchment

Abstract

Soil degradation threatens agricultural production and food security in Sub-Saharan Africa. In the coming decades, soil degradation, in particular soil erosion, will become worse through the expansion of agriculture into savannah and forest and changes in climate. This study aims to improve the understanding of how land use and climate change affect the hydrological cycle and soil erosion rates at the catchment scale. <br /> We used the semi-distributed, time-continuous erosion model SWAT (Soil Water Assessment Tool) to quantify runoff processes and sheet and rill erosion in the Upper Ouémé River catchment (14500 km2, Central Benin) for the period 1998-2005. We could then evaluate a range of land use and climate change scenarios with the SWAT model for the period 2001-2050 using spatial data from the land use model CLUE-S and the regional climate model REMO. Field investigations were performed to parameterise a soil map, to measure suspended sediment concentrations for model calibration and validation and to characterise erosion forms, degraded agricultural fields and soil conservation practices.<br /> Modelling results reveal current “hotspots” of soil erosion in the north-western, eastern and north-eastern parts of the Upper Ouémé catchment. As a consequence of rapid expansion of agricultural areas triggered by high population growth (partially caused by migration) and resulting increases in surface runoff and topsoil erosion, the mean sediment yield in the Upper Ouémé River outlet is expected to increase by 42 to 95% by 2025, depending on the land use scenario. In contrast, changes in climate variables led to decreases in sediment yield of 5 to 14% in 2001-2025 and 17 to 24% in 2026-2050. Combined scenarios showed the dominance of land use change leading to changes in mean sediment yield of -2 to +31% in 2001-2025. Scenario results vary considerably within the catchment. Current “hotspots” of soil erosion will aggravate, and a new “hotspot” will appear in the southern part of the catchment. Although only small parts of the Upper Ouémé catchment belong to the most degraded zones in the country, sustainable soil and plant management practices should be promoted in the entire catchment. The results of this study can support planning of soil conservation activities in Benin.

<p><strong>Bodendegradation durch Wassererosion in einem semi-humiden west-afrikanischen Flusseinzugsgebiet - ein Modellierungsansatz unter Berücksichtigung von Klima- und Landnutzungsänderungen in Benin</strong><br /> Bodendegradation gefährdet die Agrarproduktion und Ernährungssicherheit in Afrika südlich der Sahara. In den nächsten Jahrzehnten wird die Bodendegradation, insbesondere die Bodenerosion, durch die Ausdehnung landwirtschaftlicher Flächen in die Savannen und Wälder und durch Klimaveränderungen zunehmen. Die vorliegende Studie versucht, das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Klima- und Landnutzungswandel und dem Wasserkreislauf und Bodenerosionsraten auf der regionalen Skala zu verbessern. Das semi-distributive, zeit-kontinuierliche Erosionsmodell SWAT (Soil Water Assessment Tool) wurde verwendet, um die Abflussprozesse sowie Flächen- und Rillenerosion im Oberen Ouémé - Flusseinzugsgebiet (14500 km2, Zentral-Benin) für den Zeitraum 1998-2005 zu quantifizieren. Anschließend konnten mit dem SWAT-Modell verschiedene Landnutzungs- und Klimaszenarien für den Zeitraum 2001-2050 berechnet werden. Dafür wurden räumliche Daten des Landnutzungsmodells CLUE-S und des regionalen Klima-Modells REMO verwendet. Felduntersuchungen wurden durchgeführt, um die Bodenkarte zu parametrisieren, Schwebstoffkonzen-trationen zur Modellkalibrierung und -validierung zu messen sowie Erosionsformen, degradierte Äcker und Bodenschutzmassnahmen zu charakterisieren. <br /> Im Rahmen der Modellierung wurden aktuell besonders erosionsgefährdete Gebiete im Nordwesten, Osten und Nordosten des Oberen Ouémé Einzugsgebietes identifiziert. Infolge der schnellen Expansion von Ackerflächen aufgrund des hohen Bevölkerungswachstums (z.T. bedingt durch Migration) nehmen Oberflächenabfluss und Bodenabtragsmengen zu. Die mittlere Sedimentaustragsrate am Gebietsauslass des Oberen Ouémé - Flusses könnte sich dadurch bis 2025 je nach Landnutzungsszenario um 42 bis 95% erhöhen. Im Gegensatz dazu führten simulierte Veränderungen der Klimavariablen zu einer Abnahme der mittleren Sedimentaustragsrate um 5 bis 14% in 2001-2025 beziehungsweise 17 bis 24% in 2026-2050. Kombinierte Szenarien ergaben eine Dominanz der Landnutzungsänderungen und daraus resultierende Veränderungen der Sediment-austragsrate von -2 bis +31% in 2001-2025. Die Ergebnisse der Szenarienanalyse variieren erheblich innerhalb des Einzugsgebietes. Aktuell besonders erosionsgefährdete Gebiete werden in Zukunft noch stärker betroffen sein; hinzu kommt ein zusätzlich erosionsgefährdetes Gebiet im südlichen Teil des Einzugsgebietes. Obwohl nur ein kleiner Teil des Oberen Ouémé - Einzugsgebietes zu den am stärksten degradierten Teilen des Landes gehört, sollten nachhaltige Boden- und Pflanzenmanagement- praktiken im gesamten Gebiet gefördert werden. Die Ergebnisse dieser Studie können die Planung von Bodenschutzmassnahmen in Benin unterstützen.</p>