Soil characteristics and soil erosion by water in a semi-arid catchment (Wadi Drâa, South Morocco) under the pressure of global change

Abstract

Soil resources are crucial for the well-being of man and the environment. The results of the first Global Assessment of Human-induced Soil Degradation (GLASOD) indicate that 13% of the world’s soils are degraded; thereof 55% suffer from soil erosion by water. Drylands are especially vulnerable due to the sparse protecting vegetation cover, soils that feature a low organic matter content and rare but intense rainfall events. Soil erosion in drylands is likely to intensify as a result of climate change and human activities, such as forest clearing or overstocking. This study aims at understanding and describing the spatial distribution of soil characteristics as well as the current extent and distribution of soil erosion by water. Based on these findings, the impact of global change on soil erosion risk is assessed.<br /> Soil characteristics in the semi-arid upper and middle Drâa catchment (30 000 km², South Morocco) are examined by investigating soil profiles that are arranged along toposequences that cover the main geological units. Soil properties are regionalised based on their relationship to environmental factors by using multiple linear regression including dummy variables. The physically-based, distributed soil erosion model, PESERA (Pan European Soil Erosion Risk Assessment), is used to assess the current and future soil erosion risk for five periods between 1980 and 2050. Climate change scenarios that are simulated with the regional climate model REMO are applied together with the scenarios of socio-economic change, which have been defined in the IMPETUS project. <br /> Typical semi-arid soil properties are found: high skeleton content, high CaCO₃ content, high pH values, low organic matter content and partially strong salinity. The most common soil types are Calcisols, Regosols and Leptosols. Between 22 and 89% of the variance of the soil characteristics can be explained depending on the parameter. The resulting maps reflect the identified relationships to the environmental factors well and provide a reasonable view of the distribution of soil properties in the Drâa catchment.<br /> A mean erosion rate of 19.2 t/ha/a is simulated under the current conditions. Erosion hotspots are identified in the high mountain zones, more precisely in the western (Tizi-n-Tichka), central (Skoura Mole) and eastern (M'Goun chain) part of the Central High Atlas. Rainfall reduction and higher temperatures that are expected following the climate change scenarios lead to a decrease in vegetation cover. Together with more intense precipitation events, this will cause an increase in soil erosion by up to 31%. Due to further marginalisation, people are forced to satisfy their energy demand by enhanced extraction of firewood that further degrades vegetation cover. This results in an increase in the erosion rate of 27%. In contrast, rural development brings about a loss of the nomadic lifestyle and, consequently, a reduction in the animal numbers and grazing pressure. Thus, the soil loss is reduced by 54%. Combining the impact of climate and socio-economic changes shows that human activity can aggravate (+64%) or mitigate (-25%) soil erosion risk. The “Mansour Eddahbi” reservoir that is located at the outlet of the upper catchment is endangered by upstream soil loss. Its simulated capacity in 2050 varies between 0 and 46% of the initial storage volume, depending on the scenario. The efficiency of anti-erosive measures is analysed by simulating two intervention scenarios that consider afforestation (6300 ha) and grazing exclusion (75 000 ha). Efficiency depends on the spatial scale that is under consideration. At the local scale (i.e., the intervention zone), soil loss is reduced by 36-99% up to 2050; afforestation is more efficient. At the scale of the upper Drâa catchment, i.e., the relevant scale for reservoir siltation, erosion is reduced by 1 to 13%. Pasture exclusion is more efficient due to the larger intervention zone. This work presents a comprehensive study on the risk of soil erosion by water in the Drâa catchment and can serve as a scientific basis for local decision making processes.

<strong>Bodeneigenschaften und Bodenerosion durch Wasser in einem semi-ariden Einzugsgebiet (Wadi Draa, Süd-Marokko) unter dem Einfluss des globalen Wandels</strong><br /> Die Ressource Boden ist von immenser Bedeutung für Mensch und Umwelt. Die erste globale Abschätzung der durch den Menschen verursachten Bodendegradierung (Global Assessment of Human-induced Soil Degradation GLASOD) ergab dass 13% der weltweiten Böden degradiert sind, davon 55% durch Bodenerosion durch Wasser. Trockengebiete sind aufgrund der geringen Vegetationsbedeckung, des geringen Gehalts an organischer Substanz im Boden und den seltenen aber intensiven Niederschlagsereignissen besonders betroffen. Eine weitere Intensivierung der Bodenerosion in Trockengebieten aufgrund von Klimawandel und menschlicher Beeinflussung, z.B. durch Abholzung oder Überweidung, ist wahrscheinlich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der räumlichen Verteilung von Bodeneigenschaften sowie des aktuellen Ausmaßes und der Verbreitung von Bodenerosion. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird der Einfluss des globalen Wandels auf die Bodenerosion simuliert.<br /> Die Bodeneigenschaften im semi-ariden oberen und mittleren Drâa-Einzugsgebiet (30 000 km², Süd-Marokko) werden mit Hilfe von Bodenprofilen entlang von Toposequenzen in allen relevanten geologischen Einheiten untersucht. Die Regionalisierung der Eigenschaften erfolgt aufgrund ihrer Abhängigkeit von Umweltfaktoren durch multiple lineare Regression mit Dummy Variablen. Das physikalisch basierte, räumlich explizite Erosionsmodell PESERA (Pan European Soil Erosion Risk Assessment) wird verwendet, um das aktuelle und zukünftige Bodenerosionsrisiko zu simulieren. Dabei werden fünf Perioden zwischen 1980 und 2050 betrachtet. Die in dieser Studie verwendeten Klimaszenarien wurden mit dem regionalen Klimamodell REMO simuliert. In Kombination mit den Klimaszenarien werden sozio-ökonomische Szenarien, die im Rahmen des IMPETUS-Projektes entwickelt wurden, simuliert.<br /> Die identifizierten Bodeneigenschaften sind typisch für semi-aride Gebiete: hoher Skelett- und CaCO₃-gehalt, hoher pH-Wert, wenig organische Substanz und teilweise hohe Versalzung. Die häufigsten Bodentypen sind Calcisols, Regosols und Leptosols. Zwischen 22 und 89% der Varianz der Bodeneigenschaften wird erklärt. Die identifizierten Beziehungen zwischen Boden und Umweltfaktoren werden in den Karten gut wiedergegeben. Die Verteilung der Bodeneigenschaften im Drâa-Einzugsgebiet ist sinnvoll und nachvollziehbar.<br /> Die simulierte mittlere Erosionsrate unter aktuellen Klima- und Landnutzungsbedingungen beträgt 19,2 t/ha/Jahr. Erosionsschwerpunkte wurden vor allem in den Hochgebirgs-regionen identifiziert, genauer im westlichen (Tizi-n-Tichka), zentralen (Skoura Becken) und östlichen (M'Goun Kette) Teil des Zentralen Hohen Atlas. Die in den Klimaszenarien simulierten geringeren Niederschläge und höheren Temperaturen führen zur Reduktion der Vegetationsbedeckung. In Kombination mit intensiveren Niederschlagsereignissen hat dies einen Anstieg der Erosion um bis zu 31% zur Folge. Marginalisierung zwingt die lokale Bevölkerung ihren Energiebedarf durch Feuerholz zu decken, diese zusätzliche Vegetationsdegradierung bewirkt eine Steigerung der Erosionsrate um 27%. Im Gegensatz dazu geht die Entwicklung des ländlichen Raums mit einem Bedeutungsverlust der nomadischen Lebensweise einher, als Folge davon nehmen Tierzahlen und Beweidungsintensität ab. Der Bodenabtrag wird um 54% reduziert. Der kombinierte Einfluss von Klima- und sozio-ökonomischem Wandel kann sowohl eine Verschärfung (+64%) als auch eine Verringerung (-25%) der Bodenerosion bewirken. Der Stausee “Mansour Eddahbi” am Auslass des oberen Einzugsgebiets ist durch Bodenabtrag in seinem Einzugsgebiet bedroht. Seine simulierte Kapazität im Jahr 2050 schwankt zwischen 0 und 46% des anfänglichen Volumens in Abhängigkeit vom betrachteten Szenario. Die Effizienz anti-erosiver Maßnahmen wird in zwei Interventionsszenarien am Beispiel von Aufforstung (6300 ha) sowie Weideausschluss (75 000 ha) analysiert. Der Einfluss der Maßnahme hängt von der betrachteten räumlichen Skala ab. Auf der lokalen Skala, d.h. in dem von der Maßnahme betroffenen Gebiet, wird die Erosion um 36-99% reduziert, wobei Aufforstung die effizientere Maßnahme ist. Auf der Skala des oberen Einzugsgebiets, d.h. der für den Stausee relevanten Skala, wird der Bodenabtrag um 1-13% reduziert. Hier hat der Weideausschluss aufgrund der größeren betroffenen Fläche den stärkeren Einfluss. Diese Arbeit ist eine umfassende Studie zum Bodenerosionsrisiko durch Wasser im Drâa-Einzugsgebiet und kann als wissenschaftliche Grundlage für lokale Entscheidungsprozesse dienen.