Risk assessment of human-induced accelerated soil erosion processes in the intermountain watersheds of Central Italy: A Case Study of the Upper Turano Watershed (Latium-Abruzzi).

Abstract

This study investigates the spatio-temporal pattern and dynamic changes of the risk of soil erosion in a semi-forested mountainous area. The selected physiographic unit is the watershed of the Upper Turano River, a middle-scale watershed located in the Central Apennine chain, approximately 58 km northeastern of Rome. The watershed cover around 466.7 km² where the intramountain basin Conca di Oricola, which constitutes its central sector, is spatially limited by the reliefs belonging to the Carseolani (N-E), Simbruini (S) and Sabini (N-W) mountain chains. The landscape within the study area is typical for the intermountain Apennine watersheds, showing an evident heterogeneity of the geological, geomorphological as well as climatic and vegetation patterns. Although not densely populated, the area is still affected by human activities which give rise to relevant environmental impacts. Large sectors of the study area are exploited for farming, grazing and wood supply. In carrying out this study particular attention has been paid to the human-induced accelerated soil erosion processes in harvested forested areas. Two spatially distributed soil erosion models (RUSLE, USPED) were applied to predict the potential spatial distribution of soil erosion processes for the whole Turano watershed. The models were both qualitatively and quantitatively validated. With the aim to gain a better understanding of and to quantify the hillslope soil erosion in the selected forested Turano sub-watersheds that had recently been harvested, field observations and measurements were performed. In doing so, the relationships between indirectly estimated erosion rates at the watershed scale and field measurements data at the hillslope scale were analyzed. The main conclusions of this research project are as follows: 1) Soil erosion processes are very active in the Turano watershed. 38% of the total study area (466.7 km²) has been estimated as belonging to the high erosion class (soil loss > 5 t haˉ¹ yrˉ¹). 2) The measured annual sediment yield is 1.33 M tˉ¹ yrˉ¹, which is equal to an area- specific sediment yield of 32.35 t haˉ¹ yrˉ¹. Hence, the Turano watershed is among the Italian watersheds with the highest sediment discharge. 3) According to the application of soil erosion prediction models, the forest sectors involved in tree harvesting activities experience severe erosion rates. Compared to the undisturbed forest area (270 km²) for which a mobilized amount of sediments equal to 79,218 t yrˉ¹ was estimated, the 19 km² of disturbed forest area could potentially produce an amount of mobilized sediment equal to 36,516 t yrˉ¹ which is almost 46% of the sediments mobilized in the undisturbed forest. 4) Field observations and measurements of the soil erosion dynamics in harvested and undisturbed forested areas confirmed the different severities of erosion predicted by the models. From the soil surface changes measured by the erosion stakes, erosion rates equal to 2.3 t haˉ¹ yrˉ¹ for the undisturbed forested hillslopes and 49 t haˉ¹ yrˉ¹ for the harvested hillslopes were estimated. 5) Evidence of a past phase of human-induced accelerated soil erosion processes starting between the 1st and 2nd century BC was acquired through sedimentological analyses of alluvial sediments.

Die vorliegende Arbeit erforscht raum-zeitliche Muster und Veränderungen des Bodenerosionsrisikos eines in weiten Teilen forstwirtschaftlich genutzten Untersuchungsgebietes. Forschungsobjekt dieser Arbeit ist das 466,7 km² große italienische Einzugsgebiet des Oberen Turano, 58 km nord-östlich von Rom. Dieses zentral in den Apeninnen gelegene Einzugsgebiet erstreckt sich hauptsächlich über das intermontane Conca di Oricola Becken und wird räumlich durch die Höhenzüge der Carseolani Berge (N-E), Simbruini Berge (S) und Sabiner Berge (N-W) begrenzt. Die heterogenen geologischen, geomorphologischen und klimatischen Strukturen sowie die Vegetationsmuster des Einzugsgebiets sind charakteristisch für intermontane Landschaft wie die des Apennins. Obwohl das Gebiet dünn besiedelte ist, zeigen sich dennoch erhebliche Anzeichen land- und forstwirtschaftlicher Nutzung. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der anthropogen-induzierten Beschleunigung von Bodenerosionsprozesse in den bewaldeten Gebieten. Zur Berechnung der räumlich differenzierten Bodenerosion des Einzugsgebiets werden zwei Bodenerosionsmodelle (RUSLE, USPED) verwendet. Beide Modelle werden quantitativ sowie qualitativ validiert. Für ein besseres Verständnis der ablaufenden Bodenerosionsprozesse werden Geländebeobachtungen und Messdaten verwendet. Zur Quantifizierung der Bodenerosion auf der Mikroskale werden Hänge in einem kürzlich aufgeforsteten Teileinzugsgebiet eingemessen. Damit lassen sich die Zusammenhänge zwischen der indirekten Schätzung der Erosionsraten auf der Einzugsgebietsebene und den vor Ort erhobenen Messdaten auf der Hangebene analysieren. Zusammenfassend lassen sich folgende Forschungsergebnisse nennen: 1) Im Turano Einzugsgebiet sind die Bodenerosionsprozesse sehr aktiv. 38% der betrachteten Gesamtfläche (466,7 km²) des Einzugsgebiet werden nach Modellschätzungen als hochgradig erosionsgefährdet klassifiziert (Bodenverlust > 5 t haˉ¹ aˉ¹). 2) Mit einer gemessenen jährlichen Sedimentfracht von 1,33 M tˉ¹ aˉ¹, was einer gebietsspezifischen Sedimentgesamtfracht von 32,35 t haˉ¹ aˉ¹ entspricht, gehört das Turano Einzugsgebiet zu den italienischen Einzugsgebiet mit der höchsten Sedimentfracht. 3) Für die von Rodungsaktivitäten betroffenen Gebiete, berechnen die verwendeten Bodenerosionsmodelle hohe Erosionsraten. Verglichen mit den ungestörten Waldgebiet des Einzugsgebiet (270 km²), für die eine Sedimentfracht von 79.218 t aˉ¹ geschätzt wurde, resultiert aus der Modellschätzung für die gerodeten Forstflächen (19 km²) eine geschätzte Sedimentfracht von 36.516 t aˉ¹, was etwa 46% der transportierten Sedimente der ungestörten Waldflächen entspricht. 4) Geländebeobachtungen und -messungen bestätigen den unterschiedlichen Grad des Bodenerosionsrisikos zwischen den gerodeten und ungestörten Waldflächen, der durch die Bodenerosionsmodelle berechnet wird. Veränderungen in der Höhe der Bodenoberfläche wurden durch Metallstäbe gemessen. Aus diesen Messungen ergeben sich Erosionsraten von 2,3 t haˉ¹ aˉ¹ für die nicht abgeforsteten Hänge und 49 t haˉ¹ aˉ¹ für die gerodeten Hangflächen. 5) Sedimentologische Analysen der alluvialen Sedimente geben Hinweise auf eine anthropogen-induzierte, Beschleunigung der Bodenerosionsprozesse, deren Beginn in den Zeitraum zwischen dem ersten und zweiten Jahrhundert vor Christus datieren werden kann.