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Wind-driven rain: A new challenge for soil erosion research

  • Erosion durch Regen und Wind schädigt fruchtbare Bodensubstanz irreversibel, verursacht weltweit riesige ökologische und sozio-ökonomische Schäden und ist eines der Hauptanliegen bezüglich Ökosystemdienstleistungen und Nahrungsmittelsicherheit. Die Quantifizierung von Abtragsraten ist immer noch höchst spekulativ, und fehlende empirische Daten führen zu großen Unsicherheiten von Risikoanalysemodellen. Als ein wesentlicher Grund für diese Unsicherheiten wird in dieser Arbeit die Prozesse der Beeinflussung von Wassererosion durch Wind und, im Speziellen, die Erosionsleistung von windbeeinflussten Regentropfen im Gegensatz zu windlosen Tropfen inklusive unterschiedlicher Oberflächenparameter beleuchtet. Der Forschungsansatz war experimentell-empirisch und beinhaltete die Entwicklung und Formulierung der Forschungshypothesen, die Konzeption und Durchführung von Experimenten mit einem mobilen Wind-Regenkanal, die Probenverarbeitung und Analyse sowie Interpretation der Daten. Die Arbeit gliedert sich in die Teile 1. "Bodenerosionsexperimente zu windbeeinflusstem Regen auf autochthonen und naturähnlichen Böden", 2. "Experimente zu Substratpartikeltransport durch windbeeinflussten Tropfenschlag" und 3. "Zusammenführung der Freiland- und Labortests". 1. Tests auf autochthonen degradierten Böden im semiariden Südspanien sowie auf kohäsionslosem sandigen Substrat wurden durchgeführt, um die relativen Auswirkungen von windbeeinflusstem Regen auf Oberflächenabflussbildung und Erosion zu untersuchen und zu quantifizieren. In der überwiegenden Anzahl der Versuche wurde klar eine Erhöhung der Erosionsraten festgestellt, was die Forschungshypothese, windbeeinflusster Regen sei erosiver als windloser Regen, deutlich bestätigte. Neben den stark erhöhten wurden auch niedrigere Abtragswerte gemessen, was zum einen die ausnehmende Relevanz der Oberflächenstrukturen und damit von in-situ- Experimenten belegte, zum anderen auf eine Erhöhung der Variabilität der Erosionsprozesse deutete. Diese Variabilität scheint zuzunehmen mit der Erhöhung der beteiligten Faktoren. 2. Ein sehr spezialisiertes Versuchsdesign wurde entwickelt und eingesetzt, um explizite Messungen der Tropfenschlagprozesse mit und ohne Windeinfluss durchzuführen. Getestet wurden die Erosionsagenzien Regen, Wind und windbeeinflusster Regen sowie drei Neigungen, drei Rauheiten und zwei Substrate. Alle Messergebnisse zeigten eine klare windinduzierte Erhöhung der Erosion um bis zu zwei Größenordnungen gegenüber windlosem Tropfenschlag und Wind. Windbeeinflusster Regen wird durch die gesteigerte Transportmenge und Weite als wesentlicher Erosionsfaktor bestätigt und ist damit ein Schlüsselparameter bei der Quantifizierung von globaler Bodenerosion, Erstellung von Sedimentbudgets und bei der Erforschung von Connectivity. Die Daten sind von hervorragender Qualität und sowohl für anspruchsvollere Analysemethoden (multivariate Statistik) als auch für Modellierungsansätze geeignet. 3. Eine Synthese aus Feld- und Laborversuchen (darunter auch ein bis dato unveröffentlichtes Versuchsset) inklusive einer statistischen Analyse bestätigt WDR als den herausragenden Faktor, der alle anderen Faktoren überlagert. Die Zusammenführung der beiden komplementären Experimentgruppen bringt die Forschungsreihe zu windbeeinflusstem Regen auf eine weiterführende Ebene, indem die Messergebnisse in einen ökologischen Zusammenhang gesetzt werden. Eine vorsichtige Projektion auf Landschaftsebene ermöglicht einen Einblick in die Risikobewertung von Bodenerosion durch windbeeinflussten Regen. Es wird deutlich, dass er sich gerade auch im Zusammenhang mit den durch den Klimawandel verstärkt auftretenden Regensturmereignissen katastrophal auf Bodenerosionsraten auszuwirken kann und dringend in die Bodenerosionsmodellierung integriert werden muss.
  • Soil erosion irreversibly destroys fertile top soil, causes huge ecological and socio-economical damage and is a main issue concerning ecosystem services and food security. Quantification of global soil erosion by wind and water is still speculative and a big gap of empirical data causes very high uncertainties in model output for erosion and risk assessment. With this work, wind-driven rain is identified as one important reason for this uncertainty. Effects and processes related to the impact of wind on water erosion are investigated by means of an experimental-empirical approach. It includes development and formulation of research hypotheses, conception and conduction of experiments with the portable mobile wind and rainfall simulator, sample processing, analysis and interpretation. Five articles comprise the main outcome of the work that is structured 1. "soil erosion experiments on autochthonous and semi-natural soil surfaces", 2. "Experiments investigating particle transport due to (wind-driven) rain splash" and 3. "Synthesis from field and laboratory experiments". 1. Tests were conducted on autochthonous, highly degraded substrates in semi-arid Spain and on cohesionless sandy substrate. The articles focus on method and method development and investigation and quantification of the relative impact of wind-driven rain on soil erosion and runoff generation with an emphasis on process description. Most cases show an increased erosion output from wind-driven rain tests compared with windless rain, thus confirming the research hypothesis. Ambivalent results, particularly on strongly crusted, stony and patchily vegetated surfaces, underline the paramount importance of soil surface characteristics and in-situ experimental studies. They also indicate that a higher variability of involved factors (erosive agent, surface parameters) leads to a higher uncertainty of results. 2. A highly abstracted and specialized experimental design was developed and applied for explicit measurement of the impact of different erosion agents and soil surface characteristics on particle transport by rainsplash erosion. The measurements involved the erosion agents rain, wind-driven rain and wind, three inclinations, three levels of roughness and two substrates. The results very clearly show a wind-driven rain induced increase in particle transport of up to two scales for all tested factor combinations and concerning both, amount and distance of plashed particles. Rainsplash erosion, which is generally of minimal erosive potential, becomes a powerful factor if under wind influence. Wind-driven rain is a key factor concerning quantification of regional and global soil erosion, generation of sediment budgets and assessment of connectivity. The produced data are of a high quality (e.g. low standard deviation, 3-5 repetitions per set) and suitable for elaborate statistics and modeling. 3. A synthesis of field and laboratory work was pursued to appreciate the empirical data within a wider context. For that purpose, the data from both complementary approaches were compared and tested for coherency. All research information achieved investigating the wind-driven rain factor is valued by integration of the measurement data into an ecological context of a high scientific and societal interest. A careful projection on landscape scale allows for an insight into the relevance of wind-driven rain for soil erosion and hydrological risk assessment, particularly in connection with climate change induced increased frequency of rain storm events. Due to the potentially hazardous impact on soil erosion rates and runoff generation, the adequate integration of the wind-driven rain effect into hydrological and soil erosion modeling is strongly recommended.

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Metadaten
Author:Miriam Britt Marzen
URN:urn:nbn:de:hbz:385-10729
Title Additional (German):Wind-beeinflusster Regen: Eine neue Herausforderung für die Bodenerosionsforschung
Advisor:Johannes B. Ries
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2017/07/20
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2017/05/22
Release Date:2017/07/20
Tag:Partikeltransport; Windbeeinflusster Regen
Soil erosion; Wind-driven rain; natural hazard management; particle transport; rain plash
GND Keyword:Bodenerosion; Experiment; Feldversuch; Tropfenschlag
Source:Science of the Total Environment, Catena, Journal of Arid Environments, Zeitschrift für Geomorphologie
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik

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