Wind

Wind
Memories don't last forever. They disappear when one dies, reason why people are doomed to repeat the mistakes of their grandparents (3 generations = about 90 years). How many people today would remember the days of the dust bowl? This famous photograph in all its sadness, reminds us of an event in the history of agriculture in America, that is remembered for its unavoidability and its sadness. A farmer and his two sons are seeking shelter from the arriving dust storm. A derelict shed speaks of extreme hardship. Nothing on their land is like it was only a few years before.
It happened when a period with prosperity and adequate rainfall, was followed by an unexpected one of continuous droughts. The farming practices which were once appropriate, suddenly became disastrous. With their lands bared, farmers were caught out by the drought, unable to do anything meaningful. The winds did the rest. Sadness followed. 

Just like moving water being able to move soil, moving air can do so too. In fact in the same way as the curves of the erosion/sedimentation diagram above (soil51.gif). Fine particles are moved easily (but not when wet) and when they are as small as clay and silt, they become airborne, reluctant to settle out again, even though air is 800 times lighter than water. Sand particles between 0.1 and 1 mm move by saltating (jumping) over the ground, like a sheet. Heavier particles move by rolling.
Unlike water, wind can move soil over very large distances of thousands of kilometres and over sea to other countries. It can move soil up-hill. Of course, the finest clay particles are transported furthest. The amount of soil moved, must not be underestimated, and once in motion, and the air heavy with dust, its erosive power increases. At least rain runs in gullies, but the wind blows everywhere. In many countries, usually those with arid climates, erosion from wind is considered by far the worst.

Damage is caused in various ways:

• loss of fine soil: fine soil is transported furthest away. The fine clay particles bind nutrients and are crucial to fertility.
• loss of crops: crops are lost because they are being dug out, sand-blasted and covered in soil.
• damage to soil: the composition of the soil changes; the land is furrowed in rills and gullies, leaving infertile rock behind.
• damage to buildings and infrastructure: roads are dug out and sand deposited over houses, fences and so on. The farm becomes unrecognisable.

To avoid wind-blown erosion, arid soils should not be worked, but in order to survive, people do. The remains of the previous crop (stubble, stalks, straw) should not be removed until just prior to planting. Strip cropping shelters the land and so do shelterbelts. Reduced tillage or no-tillage is preferable. Once the soil has been swept into land dunes (as opposed to sea dunes), these should be planted and stabilised. Fertiliser is an important weapon in doing so.
(The photo shows the linear dunes of the Sahara Desert encroaching on Nouakchott, the capital of Mauritania. Note how massive and unstoppable sand blowing can be. Photo by Georg Gerster, courtesy U.S. Geological  Survey)

Soil protection for cropland

 

Remedies for saving cropland are, from left to right:

• shelter belts: reduce wind and evaporation, increase soil temperature.
• reduced tillage: tilling only the areas that matter while minimally disturbing the soil. Tilling between furrows.
• no-tillage: the ultimate in reduced tillage. Weeds are controlled by cutting or with herbicides. The natural soil organisms are allowed to rebuild the soil, increasing its porosity and resistance to compaction, while better retaining nutrients. Only where seeds are planted is the soil 'drilled'.
• stubble-mulching: leaving stubble on the field as long as possible to reduce evaporation, to catch snow in winter, to keep the soil covered. Rather than ploughing the stubble under, which would disturb the soil while inviting soil organisms to decompose the organic matter far too rapidly, the stubble is mulched to leave soil organisms the task of digging it under. This reduces weed growth and keeps the soil covered, while feeding the soil biota slowly.
• contour ploughing: works a bit like terracing, preventing moisture from running down-hill and reducing erosion considerably.
• strip cropping: reduces the downslope length of the field considerably, reducing the chance of rilling. Increases biodiverity. Leached nutrients are used by neighbouring strips. Shelters bare strips from wind and wind erosion. Makes better use of the land but is more labour intensive.
• terracing: the ultimate in soil conservation on steeper hills. It is extensively practised in padiculture where water is harvested at the same time. Terracing is common in viticulture (wine). Terracing can reduce erosion twenty-fold.
• reduced compaction: using machinery and technology that spreads its weight over a larger area. Reduced tilling causes soils that resist compaction better.
• optimal fertilising: although fertiliser is an important ingredient for increasing profit and yield, it can also degrade the land in many ways. Regular soil tests are one way of overcoming this. Erring on the safe side, another.
• water harvesting: by keeping forests planted above the field, one prevents runoff from reaching the cropland. Trees also harvest water in their very porous soils. Water is slowly released into the water table, reaching the cropland down-slope. Ponds can be made by damming the upper catchment area of a creek. Water will flow through the water table to water cropland down-slope. Water can be used for irrigation and stock drinking water.

Conservation tillage has shown its superiority beyond doubt, giving the advantages of increased profit, fuel savings, fewer trips more erosion control, conservation of moisture, reduction of compaction, reduced pest control and ease of management.
Those resisting the method, mention the following reasons: increased effort in weed control, lack of finance to make the switch, inadequate equipment, loss of profit, increased insect and disease control and more clumsy fertiliser management.

Gravity and compaction

Gravity and compaction
Gravity is the force that pushes both land and water down-hill. Ironically, gravity also keeps soil in its place. The steeper the soil, the more it is pushed down-hill and the faster the water runs. The following graph shows how quickly erosion accelerates.

Because of the enormous variability in field data, soil losses are difficult to quantify. The graph on the right shows how crop land erosion increases with slope. Flat land is very stable (losing 2-5 times natural replenishment!) but soil losses increase rapidly with land sloping 2-5%. Land with a 10% slope has 8 times higher erosion, which makes it impossible to farm by ploughing, but perennial crops may be sustainable. At 15% slope, soil erosion has doubled again. But slopes over 20% appear to be less affected, and the reasons for this could be that they are higher uphill, less prone to receive the water from a field higher up, and the run from hillcrest to valley floor is shorter. Their fields are shorter too.

As can be expected, the loss in productivity follows the erosion curve, reducing flat land by 18% in a millennium (!?) and climbing to 100% for slopes of 10%. Fortunately, the amount of steep cropland is much less than flat cropland (blue line), but in sufficient quantity to worry about. Although the graphs are rather puzzling, the main message they bring is that soil slope has a considerable, and unintuitively large effect on erosion.

As far as sustainability is concerned, any land steeper than 5% should not be ploughed, but returned to perennial crops like viticulture, horticulture or grassland. Slopes above 10% for trees. If it is accepted that only land sloping less than 5 degrees can be cropped sustainably, then over 70% of arable cropland appears unsustainable.

Rain

Rain
Rain is undoubtedly the largest cause of erosion. Water is about 800 times heavier than air, half to one third the weight of rock and about equal in weight to loose topsoil. When it flows, it can move loose substances with ease. Surprisingly, rain's most damaging moment is when a water drop hits the ground.

This diagram shows the effect of raindrop impact. Only recently its unexpected destructive power has been discovered. Previously it was thought that sheetwash, the flow of water over the soil, was the most destructive. The kinetic energy of a moving object is equal to half its mass multiplied by its speed squared: e=mv²/2. As water droplets grow in size, both their speed and mass increase. The mass of a 5 mm raindrop is 5x5x5=125 times that of a 1 mm drop and its 'terminal' speed doubles, resulting in a destructive energy 500 times larger! Thus the destructive power of rain increases dramatically as the rainstorm produces larger drops, which is relatively rare. But when it occurs, its effect is profoundly destructive. In the past ten years, starting around 1987, rains have become heavier everywhere in the world, and with it, erosion from raindrop impact.

To fight this kind of erosion, it is only necessary to keep the soil covered, either by dense foliage or by a ground mulch. Hence the importance of growing a cover crop under horticulture (fruits, wine), keeping the soil covered after harvesting (stubble on the field), and not overgrazing pastures. On building sites, a mulch should be spread or a plastic cover, or a temporary grass cover. Road sides should at all times be vegetated and not mowed to show the dirt. Fertilisation helps to make foliage denser and to produce more leaf litter. Everyone could play a role here.
 

As rain drops hit the soil, they loosen its structure, freeing up fine clay particles, which do not settle down easily, and which are transported down-hill in the sheetwash. The diagram on right shows how this happens [1]. It is a very important diagram, since it shows how particles are transported, and it applies to wind, dunes, beaches, coasts, rivers and estuaries. It has to do with the friction a particle experiences when moving through a medium (water, air). The scientist Stokes formulated this mathematically, and it is shown in the three red curves. The left one gives the speed at which particles settle out; the rightmost one the speed to erode cohesive material; the middle one to erode loose material.
Horizontally: the water speed from 0.01cm/s to 1000cm/s (36 km/hr or 20 knots). Vertically the grain size from 1 micron (clay) to 10mm (pebbles). The coloured bands show where clay becomes silt, then sand, then granules, and pebbles.

Look at pebbles first (top grey band) and assume they form a loose river bed. Nothing happens till the speed exceeds 20cm/s. Even then the pebbles won't move. It needs a water speed of close to 100cm/s (2 knot) to start moving the bed. Once pebbles are on the move,  they won't settle out until the speed has decreased below 20cm/s. This transportation gap between erosion and sedimentation, widens as the particles become smaller. Thus silt and clay particles reluctantly settle out. It takes clay weeks in fresh water.

The right-hand curve shows how cohesive material erodes. Sand and gravel do not pack very well and even cohesive sand or pebbles, are easily eroded. But the situation changes for silt and clay. Once packed, they need as much water velocity as a packed bed of pebbles! It explains how easily clay can suffocate water organisms and how a packed cake of clay stays put for years. (For instance, the 7 cm clay bed deposited in 15m deep water by cyclone Bola, took 7 years to disappear.) It also explains how rain drops (see previous subchapter) have practically no effect, until their energy becomes sufficient to erode the packed silt and clay. It is a very sudden transition, explaining why soil erosion happens only rarely, but when it happens, it does so in grand style. Another steep effect is that water, laden with soil, becomes up to twice as heavy, exerting more pressure and scouring more readily. It is as if all three red curves are moved to the left by a factor of two. Being heavier, water also flows more rapidly down-hill, causing even more destruction. Its erosive energy mv² can increase up to 8 times! In addition, both its pressure and friction increase, making it even more effective at scouring river banks.

Using this knowledge, one can understand that particles settle out in different places, as a river slows down in its lower reaches. Follow the leftmost curve: first the pebbles; further down clean sand and perhaps near the sea the silt. But the clay travels all the way to the sea. Here something else happens.

A simple but very important experiment has shown that in salt water fine particles and organic matter settle out considerably faster than in fresh water (4-200 times, depending on particle size). It is thought that the salt water encourages particles to join together, thus making them larger and sinking faster, but this goes against Bernouilli's law and the sedimentation/transport diagram above. [2]

Reader please note, that no scientific work has been done to explain this phenomenon. Water is an excellent solvent for charged particles due to its polarity and charged ions OH- and H+. Salt consisting of Na+ and Cl- may neutralise much of water's capacity to dissolve substances.

Its effect is that fine silt and clay settle out, as soon as they reach salt water, which happens in coastal estuaries. Organic matter does the same, enriching mud flats and mangroves.
This effect may also explain why mud from rivers is so detrimental to the coastal marine environment. Clay settles out very quickly, forming crusts on top of everything, suffocating organisms, while being difficult to remove.

Water causes the following types of erosion:

• raindrop: rain drops hit bare soil and detach it. Fine particles stay suspended and wash down-hill. The clay portion of the soil, which binds nutrients, is lost and with it the nutrients as well. Modest rains cause dirty rivers, affecting water creatures. Remedy: keep the soil covered by foliage, stubble and mulch on cropland, mulch on bare building sites, trees over grassland.
• sheetwash: water moves over the ground, detaching fine particles. Remedy as above.
• rilling: a problem which is typical of worked and ploughed soil. Water forms small gutters (rills) that transport much soil. Once water starts to form rills, erosion is very high and soil particles are moved off the field entirely. As water moves down hill, it meets up with more water, running ever stronger and gouging ever deeper and transporting ever more soil. The remedies are found in conservation tilling and contouring. As cropland ages, it becomes more sensitive to compaction and waterlogging, resulting in more runoff, which causes this problem.
• gullying: water moves through creeks, widening and deepening these into gullies, baring the rock and transporting ever more soil to the sea. When attempting to protect water courses, one must keep in mind that obstructed water causes flooding. So gullies in steep terrain require the water to be slowed down. Where rivers flow slowly, no obstacles must be placed in their way, like trees on river banks. Gullies can be filled with logs and planted with vegetation like lilies, and check dams can be erected across gullies.

This diagram shows the various remedies to combat erosion on grassland and hilly terrain. From left to right:

• riparian fencing: by fencing waterways, cattle won't trample river banks and natural vegetation can regrow. Also tree planting on river sides helps. Make sure the flat land is not part of the river's flood zone.
• shelter belts: shelter belts provide roots at the boundaries of the field, sheltering the soil, supplying organic matter.
• grassed waterways: a very effective protection of shallow water ways is to grass them over. Grass leaves bend over in the current, protecting the soil. Note that grass needs sunlight, so shelter belts must be placed on the correct side. Make grassed waterways wide and shallow to slow the water down and to prevent it from rilling and then gullying the waterway. Avoid spraying and mow regularly. Avoid length-wise tyre tracks.
• spaced tree planting: trees provide deep roots that hold the soil; cycle deep nutrients and lost nutrients, provide organic matter and more. Trees must compete with highly metabolising grassland, thus should be fast growing and deciduous.
• debris dams: debris dams check the water in steep gullies. They should not be used in slow-flowing waterways. Any kind of debris would do but natural products such as tree stumps, branches, plantings are better.
• retirement fencing: problem areas should be fenced for retirement so that seedlings are no longer grazed. Fencing is an absolute must to encourage natural growth and to protect tree plantings.
• close tree planting: on retired land, trees can be planted closely. Once retired, any kind of tree can be planted, as necessary for forestry or for slow growing native bush.
• topdressing: fertilising is the best remedy against erosion, both immediately and in the long term.

Basic erosion

Basic erosion
The diagram gives an idea how erosion derives from gravity. In the top diagram, a man is pulling an object over the flat ground. Had there been no pressure of the object pushing on the ground, there would have been no resistance or friction. Friction not only depends on this pressure but also on the properties of the two materials: object and ground. In the case of soil and its particles, this is not relevant, but a stone on a gravel bed would slide less easily than a stone on a wet mud slide. When placed on a slope, the weight of the object develops both a pressure and a slip component (second figure). Since soil erosion is proportional to the downward pull s, but inversely proportional to the friction, thus pressure p, it follows the tangent of the slope, as plotted in the graph with a blue dotted line. 
Erosion rapidly takes off as the slope of the land increases. For small angles it is proportional to the slope, but for steeper land it increases rapidly to infinity. Note however, that this formula does not take into account the erosion caused by the flow of water, or that of raindrop impact.
Source: Floor Anthoni, 2001.

مکانیک فرسایشSoil Conservation

فرسایش اساسا یک پدیده تسطیح یا هموارکننده سطح زمین است به این ترتیب که خاک و قلوه سنگ از راه حمل شدن، غلطیدن و یا شسته شدن تحت تاثیر نیروی ثقل از نقاط مرتفع به محلهای پست حرکت میکنند مهمترین عوامل سست کننده و یا خردکننده این مواد که لازمه حرکت آنهاست آب و باد میباشد
باد: باد بخودی خود نمیتواند صخره ها را بفرساید ولی وقتی همراه خود ذرات معلق شن یا خاک را حمل میکند موجب ساییده شدن حتی سخت ترین صخره ها نیز میگردد. این عمل شبیه حرکت لا دور آهسته سنباده کشی است که به منظور تمیز کردن سطح فلزات قبل از رنگ کردن آنها مورد استفاده فرار میگیرد.
آب: آب به تنهایی مهمترین عامل فرسایش به حساب می آید. باران، جویبارها و رودخانه ها؛ همگی خاک را خراشیده و با خود حمل میکنند. و امواج سواحل دریاها و دریاچه ها را می فرسایند. در حقیقت میتوان گفت هر زمان و بهر شکلی که آب در حال حرکت باشد موجب فرسایش سرحدات خود میگردد.
تغییرات درجه حرارت: وقتی که فرسایش زمین شناسی مورد نظر باشد گذشت زمان غیر قابل تشخیص است و تغییرات بسیار جزیی یا بسیار آهسته در مدت طولانی تدریجا اهمیت پیدا میکنند. به عنوان مثال میتوان از ورقه ورقه شدن و شکاف برداشتن سنگها و صخره ها در اثر تغییر درجه حرارت نام برد. تغییرات سریع درجه حرارت روز و شب فقط روی سطح صخره ها اثر میگذارد در حالیکه تغییرات آرام بین زمستان و تابستان تا اعماق بیشتری نفوذ میکند. وقتی که تغییرات درجه حرارت با یخبندان نیز همراه باشد در اثر انبساط حجم آب در بین شکافها و درزها اثر خردکنندگی آن بشدت افزایش میبابد. بطوری که در شکل اول نشان داده شده است انقباض و انبساط توده یخ در روی سطح شیبدار موجب حرکت تدریجی آن به طرف پایین تپه میگردد.
موجودات زنده: بعضی از انواع حیات مانند جلبکها و گلسنگها عملا موجب شکسته شدن سنگها میشوند ولی اثر عمده موجودات زنده، ایجاد اختلالاتی است که اثر عوامل دیگر را سرعت میبخشد. حیوانات با پا گذاشتن بر روی سنگ و خاک موجب شکستن آنها شده و نتیجتا حمل آنها را بوسیه آب یا باد تسهیل میکنند. در انتهای دیگر شاخص موجودات زنده؛ کرم خاکی و موریانه موجب به هم خوردن و افزایش هوادیدگی و اکسیداسیون خاک شده و با این ترتیب پدیده تبدیل صخره های مقاوم به خاک قابل فرسوده شدن را سرعت میبخشند.
فرسایش تشدیدی
فعالیتهای غیر کشاورزی بشر که موجب تشدید پدیده های فرسایش میشوند در مقیاس جهانی از اهمیت کمی برخورداند. ما کوهها را برای استخراج سنگ و سنگ آهن حفاری میکنیم، ما در یک جا زمین را گود کرده و در جای دیگر گودی را پر میکنیم ولی این دخالتها در قسمت بسیار کوچکی از سطح کره زمین انجام میگیرد. از طرف دیگرکشاورزی در چنان سطح وسیعی انجام میگیرد که فعالیتهایی از این قبیل بطور بسیار بارزی سرعت فرایندهای فرسایشی را تغییر میدهند و تقریبا تمام عملیات کشاورزی در جهت افزایش فرسایش عمل میکنند. هر زمان که پوشش گیاهی از روی زمین برداشته شده و زمین لخت شود؛ درخت کمتری وجود خواهد داشت که سرعت باد را کاهش میدهد و در نتیجه فرسایش بادی افزایش می یابد. گیاه کمتری وجود دارد که انرژی قطرات باران را جذب کند و نتیجتا فرسایش بارانی زیادتر خواهد شد، روان آب سطحی زیادتری جریان می یابد و نهرها و رودخانه ها قویتر میشوند و بالاخره حیوانات اهلی صخره و خاک را بیشتر خرد میکنند. انسان با شخم زدن زمین میلیونها بار سریعتر از حیوانات حفار موجب به هم خوردن و هوادیدگی خاک میگردد. با این اعمال در حقیقت تمام پدیده های فیزیکی طبیعت که فرسایش یکی از آنهاست تشدید میشوند. فقط حالتهای خیلی استثنایی و نادری وجود دارند که دخالت بشر احتمالا موجب کاهش فرسایش طبیعی میگردد مانند وقتی که صحراها احیا میشوند، نواحی خشک بوسیله آبیاری معتدل مگردند و یا جنگلها ایجاد میشوند که سطح کل آنها در مقایسه با سطحی که در آن فعالیتهای بشر موجب افزایش فرسایش میگردد بسیار ناچیز است.

حدود قابل قبول فرسایش
بنابر آنچه گفته شد آیا میتوان بین فرسایش طبیعی که یک پدیده طبیعی و قابل پذیرش است و فرسایش تشدیدی که یک پدیده مخرب و ساخته دست بشر است حد فاصلی تعیین کرد؟ و اگر کشیدن چنین خطی مشکل و یا غیرممکن باشد که هست آیا راه دیگری برای مشخص کردن حدود فرسایش قابل قبول وجود ندارد؟ بهتر است برای یافتن چنین راهی سوال بالا را به ترتیب دیگری مطرح شود؛" حد فرسایشی که ما در آن حد احساس میکنیم دیگر نبایستی فرسایش را تحمل کرد بلکه بایستی در مورد آن کاری انجام داد کجاست؟"
معمولا به این سوال این طور جواب داده میشود که هدف متخصصین حفاظت خاک اطمینان از این امر است که از زمین به ترتیبی استفاده شود که این استفاده بتواند به طور نامحدود ادامه یابد. یعنی هیچ گونه تخریب تدریجی خاک صورت نپذیرد. این هدف زمانی تحقق می یابد که سرعت از دست رفتن خاک بیشتر از سرعت تشکیل آن نباشد. سرعت تشکیل خاک را نمیتوان به دقت اندازه گیری کرد ولی بهترین تخمین خاکشناسان این است که در شرایط طبیعی، چیزی در حدود 300 سال طول میکشد تا 25 میلی متر خاک سطحی تشکیل شود(بنت 1939 فصل دوم). این مدت برای وقتی که به هم خوردگی، هوادیدگی و شستشوی خاک با عملیات تهیه زمین سرعت میگیرند به حدود 30 سال تقلیل می یابد. سرعت تشکیل 25 میلی متر خاک در 30 سال تقریبا برابر است با 5/12 تن در هکتار در سال و این رقمی است که اغلب به عنوان حدی که فرسایش نبایستی از آن بیشتر شود پذیرفته شده است. البته واضح است که میزان قابل قبول خاک از دست رفته ثابت نبوده و به شرایط خاک بستگی دارد. اگر پروفیلی از یک خاک عمیق با حاصلخیزی یکسان در تمام سطوح تشکیل شده باشد از دست دادن 25 میلی متر خاک در 30 سال آنقدر خطر جدی در بر ندارد که از دست رفتن همین مقدار خاک از پروفیلی متشکل از چند سانتی متر خاک بر روی صخره های سخت.
بدین ترتیب ارقامی که به عنوان حد قابل قبول فرسایش مورد استفاده قرار میگیرند به ندرت از 5/12 تن در هکتار در سال بالاترند. در آمریکا ارقام بین 5/2 تا 5/12 تن در هکتار در سال متداولند و در فدراسیون افریقای مرکزی رقم 10 برای خاکهای شنی و 5/12 تن در هکتار در سال برای خاکهای رسی به کار می رود. این اعداد در فرمول جهانی فرسایش خاک(Universal Soil Loss Equation به اختصار USLE) به توصیه های عملیات کشاورزی ربط داده شده است.

انواع فرسایش
 الف - فرسایش آبی
اولین تقسیم بندی فرسایش آبی که بوسیله متخصصین پیشتاز حفاظت خاک انجام گرفت این پدیده را به مراحلی منطبق بر تجمع تدریجی رواناب سطحی تقسیم میکند که با فرسایش سطحیSheet Erosion (شسته شدن سطح خاک زراعی) شروع میشود، سپس با تجمع آب در جویبارهای کوچک وارد مرحله فرسایش شیاری Rill Erosion میگردد. بعد وقتی که آبراهه های فرسایش یافته بزرگتر شوند فرسایش خندقی Gully Erosion نامیده میشود و بالاخره فرسایش نوع آخر فرسایش کناره ای است که با بریده شدن سواحل رودخانه ها و یا جویها توسط آب جاری در آنها بوجود می آید. با آگاهی فعلی ما از فرسایش این تقسیم بندی دیگر مناسب نبوده و شاید هم گمراه کننده باشد چون کلا اثرات برخورد قطرات باران و عمل فرسایش پاشمانی Splash Erosion را حذف میکند. در صورتی که میدانیم عمل قطره باران در هنگام برخورد با زمین اولین و مهمترین مرحله پدیده فرسایش است. همچنین فرسایش سطحی که برداشته شدن یکنواخت خاک بوسیله یک لایه نازک آب در حال جریان را مجسم میکند از هر نظر غلط است. چون از یک طرف جریان لایه ای آب فقط در سرعتهایی بسیار بالاتر از سرعت معمولی آب در مزرعه قادر به خراشیدن سطح و ایجاد آب شکستگی است و از طرف دیگر رواناب بندرت میتواند به فرم ورقه پهن و یکنواخت در حرکت باشد.
اگر توضیح مربوط به فرسایش سطحی را کنار گذاشته و به جای آن "فرسایش بارانی" را قرار دهیم دیگر مخالفتی با ادامه مراحل بعدی تقسیم بندی فوق یعنی فرسایشهای شیاری، خندقی و کناره ای نخواهد بود. فرسایش شیاری را میتوان شسته شدن و حمل مواد از داخل آبراهه هایی با دیواره های مشخص و بدان حد کوچک که با شخم زدن معمولی از بین میروند تعریف کرد. این آبراهه ها وقتی خندق نامیده میشوند که به آن اندازه بزرگ و دایمی شده باشند که عبور وسایل شخم در جهت عمود بر آنها میسر نباشد. هیچ مرز مشخصی که این دو نوع فرسایش را از یکدیگر جدا سازد وجود ندارد. در نقاط مختلف دنیا خندقها به نامهای متفاوتی مشهورند و از آن جمله است: "وادی" در شمال آفریقا، "نولا" در هندوستان، "دونگا" در آفریقای جنوبی و " آریو" در آمریکای جنوبی.

اشکال خاص فرسایش آبی

۱- فرسایش پاسنگیPedestal Erosion
وقتی که قسمتی از یک خاک مستعد فرسایش بوسیله سنگ یا ریشه گیاه از فرسایش بارانی محافظت میشود؛ پاسنگهایی منفرد و مرتفع نسبت به زمینهای اطراف به وجود می آیند که در بالای آنها اجسام مقاوم قرار دارند. فرسایش زمینهای اطراف این پاسنگها بیشتر بوسیله باران انجام میگیرد تا جریانهای سطحی آب چون که در پایه پاسنگها هیچ گونه اثری از بریدگی بوسیله آب مشاهده نمیشود. این نوع فرسایش به آهستگی و طی سالها در قسمتهایی از مراتع که از گیاه پاک شده باشد به وجود می آید. در زمینهای زراعی که به وسیله رگبارشهای Rainstorm استثنایی شدیدا فرسایش یافته باشند نیز ممکن است پاسنگها به وجود آیند. اهمیت این پاسنگها در این است که با مطالعه ارتفاع آنها میتوان بطور تقریبی عمق خاک از دست رفته را محاسبه کرد.
تفکیک پاسنگها از سکوهای علفی حایز اهمیت است. زیرا این سکوها نیز معمولا داری سطح خاکی بالاتر از زمینهای اطراف خود هستند.این بلندی ممکن است نشان دهنده فرسودگی خاک بین دسته های علف بوده و سطح خاک در داخل آنها نمایانگر سطح اولیه خاک باشد. ولی این احتمال نیز وجود دارد که سطح خاک داخل دسته های علفی در نگهداری خاک پرتاب شده از زمینهای لخت اطراف آنها توسط برخورد قطرات باران بالا آمده باشد. در چند قطعه آزمایشی مشاهده گردید که سطح خاک در داخل دسته هایی از گیاه Eragrostits Curvula 20 میلی متر از زمینهای اطراف بالاتر است. امکان داشت به آسانی فرض شود که این اختلاف ارتفاع نشانه ای از فرسایش شدید باشد. ولی در حقیقت اندازه گیریها نشان دادند که مقدار خاک از دست رفته کم و قابل اغماض بوده و اختلاف ارتفاع حاصله منحصرا نتیجه جابجایی جانبی خاک بوسیله برخورد قطرات باران بوده است.

۲-فرسایش مخروطی
فرسایشی است با شکل مشخص که مخروطهای بلندی در کناره های خندق به جا میگذارد. قسمت زیرین این مخروطها از خاکهای بشدت فرسایش پذیر تشکیل یافته است. این فرسایش همیشه با شیارهای عمیق در جهت عمود بر کناره های خندقها همراه است. این شیارها به سرعت دیواره خود را بریده و عریض میشوند تا به همدیگر برسند و مخروطهای مجزایی را بر جای بگذارند. معمولا در این نوع فرسایش نیز مانند فرسایش پاسنگی، لایه ای از خاک مقاوم به فرسایش و یا سنگ و سنگ ریزه قسمت بالای مخروطها را تشکیل میدهد.
کناره هایی که به این ترتیب فرسایش می یابند معمولا به وسیله آب جاری و یا راکد به شدت از زیر بریده میشوند و فرسایش از نوع لوله ای نیز در چنین محلهایی فراوان دیده میشود. شرایط شیمیایی و فیزیکی خاک که موجب پیدایش چنین فرسایش شدیدی میگردد به وضوح مشخص نشده است. ولی معمولا این فرسایش در خاکهایی به وقوع میپیوندد که عدم تعادل شدید مانند زیادی سدیم و یا پراکندگی ذرات در آنها دیده میشود. تشخیص خاکهای مستعد این نوع فرسایش به این ترتیب است که در حالت خشک جذب آب در آنها بسیار بطئی است ولی در حالت اشباع هیچ گونه چسپندگی نداشته و مانند گل جاری است.
کنترل خندقها و یا هر نوع دیگر احیای خاک وقتی که فرسایش مخروطی به چشم میخورد مشکل است. شرایط ناجور رطوبت و مواد غذایی خاک، ایجاد پوشش گیاهی را در این خاکها مشکل میکند. این خاکها برای ساختمانهای خاکی بسیار نامناسب بوده و ساختمانهای سیمانی و بتونی نیز سریعا از زیر خالی شده و یا کج میشوند.

۳-آبراهه های زیرزمینی
سوراخها یا آبراهه های زیرزمینی بیشتر در خاکهایی که مستعد فرسایش مخروطی هستند تشکیل میگردند. ولی کاملا محدود به این خاکها نمیگردند. وقوع آن زمانی است که آب سطحی به درون خاک نفوذ کرده و آنقدر پایین می رود تا به یک لایه دارای قابلیت نفوذ کمتر برخورد کند. اگر در چنین شرایطی که راه نفوذ عمودی آب بسته است آب به طور افقی از روی لایه با قابلیت نفوذ کم حرکت کند ممکن است در مسیر خود ذرات ریز خاک لایه متخلخل را شسته و از آن خارج نماید. این عمل خود باعث زیادتر شدن سرعت حرکت افقی آب گشته و باز فرسایش جانبی را اضافه میکند تا بالاخره تونلی ایجاد شود. بدین ترتیب تمام آب سطحی در یک سوراخ عمودی ناپدید شده و در زیرزمین جریان می یابد تا اینکه در جای دیگر و احتمالا از دیواره های جانبی یک خندق سر به در آورد. خوشبختانه این نوع فرسایش محدود است به زمینهای بدخیم یا زمینهایی که از نظر کشاورزی دارای اهمیت نیستند و گرنه هیچ گونه روش کنترل موثری برای آن نمیتوان به کار برد.

۴-فرونشینی Slumping
فرونشینی معمولا پدیده ای از فرسایش طبیعی است که بروز آن بدون دخالت بشر امکانپذیر است. ولی امکان تشدید آن بوسیله بشر مثلا در کناره های خندقها وجود دارد. این پدیده مشخصا در مناطقی که دارای بارندگی زیاد و خاک عمیق هستند به چشم میخورد و در چنین شرایطی به مهمترین عامل بوجود آمدن خندقها تبدیل میشود. این عمل در جاهایی که دهانه خندق تا مرتفعترین نقطه و حتی بعد از آن عقب نشینی کرده و هیچ گونه جریان آبی به داخل خندق در محل دهانه نمیتواند صورت گیرد بروز میکند. این خندقها اغلب با یک جریان سیلابی در داخل آبراهه ها شروع میشوند ولی به مجرد اینکه خندقها ایجاد شدند فرسایش میتواند به وسیله فرونشینی تنها ادامه یابد. از راههای دیگر پیدایش این پدیده نشست دیواره های رودخانه ها و فرسایش ساحلی را میتوان نام برد.

۵-کاهش کیفیت خاک
اگر فرسایش خاک را به معنای اعم آن تعریف کنیم شامل هر گونه تنزل یا کاهش قدرت محصول دهی خاک نیز میشود. یک چنین تنزلی میتواند به چندین طریق صورت پذیرد بدون اینکه خاکی از دست رفته باشد.

۶-فرسایش حاصلخیزی
این فرسایش که همان از دست رفتن مواد غذایی گیاهی به وسیله فرسایش است از نظر کیفیت میتواند با میزان برداشت این مواد به وسیله گیاهان زراعی برابری کند. نحوه از دست رفتن مواد غذایی برای عناصر مختلف متفاوت است. فسفر معمولا همراه با ذرات کلوئیدی که بر روی آنها جذب شده است، از دست می رود ولی ازت به فرمهای نیتریت و نیترات که در آب محلول هستند میتواند در رواناب حل شده و از زمین خارج گردد بدون اینکه هیچ گونه حرکتی فیزیکی خاک صورت گرفته باشد.

۷-فرسایش پادلPuddle Erosion
این فرسایش نیز یک تخریب فیزیکی است که در آن خاکی از دست داده نمیشود. این فرسایش متلاشی شدن ساختمان خاک به وسیله برخورد قطرات باران و شسته شدن ذرات ریز به داخل فرورفتیگیهاست که منجر به ایجاد یک خاک بدون ساختمان با سطح فشرده و قدرت محصول دهی کاهش یافته میشود. شکل زیر نمونه ای از فرسایش پادل را نشان میدهد.

۸-فرسایش عمودی
نوع دیگر جابجایی فیزیکی، شسته شدن ذرات ریز رس از داخل شن و سنگ ریزه متخلخل به طرف پایین و تجمع آن در لایه های زیرین نیم رخ خاک که دارای تخلخل کمتری است میباشد. این عمل دو اثر میتواند داشته باشد که یکی از دست رفتن مواد ریز در یک نقطه و دیگری افزایش این مواد در نقطه دیگر است. در خاکهای شنی کاهش قابل ملاحظه در میزان مواد کلوئیدی و رسی که در اثر فرسایش عمودی ممکن صورت پذیرد موجب کاهش حاصلخیزی این خاکها میگردد. اثر دوم یعنی تجمع مواد ریز کلوئیدی نیز میتواند نامطلوب باشد و آن زمانی است که تجمع این مواد لایه ای با نفوذ پذیری کم برای ریشه گیاه و آب ایجاد میکند.

ب - فرسایش بادی
پنج نوع مختلف فرسایش بادی را میتوان مشخص کرد که بین برخی از آنها فصول مشترکی وجود دارد و در غالب موارد تعدادی از آنها همزمان با هم به وقوع می پیوندند.
نوع اول: دیتروژن Detrusion نامیده میشود همان ساییده شدن صخره ها و تپه های خاکی به وسیله ذرات معلق در باد است. تراشیده شدن صخره های بزرگ به اشکال عجیب و غریب که اغلب در صحراها مشاهده میشوند به وسیله همین پدیده صورت گرفته است. مشابه همین عمل در نزدیکی های سطح زمین به وسیله ذرات درشت جهنده نیز صورت میگیرد که به آن سایش Abrasion اطلاق میشود.
نوع دوم: فرسایش بادی مربوط هستند به طرق مختلفی که مواد حمل میشوند. حمل مواد بسیار ریز به صورت معلق در هوا صورت میگیرد و تعلیق Afflation نامیده میشود. ذرات درشت با غلتیدن Extrusion و ذرات با اندازه متوسط در جهت باد به طریق جهشی Saltation حرکت میکنند.

اهمیت نسبی انواع فرسایش
سوالی که اغلب مطرح میشود این است که کدامیک از انواع فرسایش خطرناکترین آنهاست. جواب به این سوال موقعی حایز اهمیت است که یک برنامه حفاظت خاک از منابع محدود و ناکافی جهت مواجه با کل مسئله فرسایش برخوردار باشد و در نتیجه این منابع محدود بایستی برای قسمتهای انتخاب شده ای مورد استفاده قرار گیرند. بهرحال برای این سوال یک جواب معین وجود ندارد و جواب بسته به اینکه چرا و به چه دلیل به مهار فرسایش نیاز هست تغییر میکند.
چنانچه تولید گیاهان زراعی به وسیله فرسایش به خطر افتاده است در این صورت فرسایش بارانی و شیاری روی زمینهای زراعی مهمترین فرسایش است. در صورتی که رسوبات حمل شده بوسیله جویبارها و رودخانه ها، دریاچه های پشت سدها را که برای شبکه های آبیاری ضروری هستند با خطر پر شدن روبرو ساخته است مهمترین منبع چنین رسوباتی احتمالا فرسایش از نوع خندقی یا کناره ای است. این بدان جهت است که خاک فرسایش یافته به وسیله این دو نوع فرسایش تماما و بلافاصله وارد جریانهای جویباره ای میگردد. جریانهای دیگر نظیر رواناب سطحی نیز ممکن است مقادیر هنگفتی خاک از زمین زراعی خارج کند. اما به احتمال زیاد این خاک قبل از رسیدن به جریانهای جویباره ای به وسیله پوشش گیاهی متوقف شده و یا در گودالها وحفره ها رسوب می نماید.
اهمیت نسبی انواع مختلف فرسایش و تعیین تقدم کنترل هر یک احتیاج به بررسی و تحلیل مسئله و همچنین اهداف برنامه حفاظتی دارد.

مراحل مختلف پدیده فرسایش
زمانی که بخواهیم مقاومت نسبی انواع مختلف خاک را نسبت به فرسایش مورد بررسی قرار دهیم؛ وضعیتی شبیه آنچه در بالا گفته شد پیش می آید. در اینجا جوابهای صحیح بر حسب اینکه نسبت به چه نوع فرسایشی این مقاومت سنجیده میشود متفاوت است. یک خاک ممکن است فرسایش کناره ای و برش از زیر آسیب پذیر باشد. این موضوع را میتوان به بهترین وجهی با در نظر گرفتن تقسیم بندی پدیده فرسایش که 30 سال قبل توسط الیسون انجام گرفت توضیح داد. در این تقسیم بندی سه مرحله اساسی "جدا شدن ذرات از همدیگر"(Detachment)، "نقل مکان" (Transportation) و "رسوبگذاری" (Deposition) برای فرسایش مشخص شده است. الیسون با بررسیهای آزمایشگاهی نشان داد که خاکهای مختلف عکس العملهای متفاوتی در هر یک از مراحل فوق از خود نشان میدهند. برای مثال ذرات خاکی با بافت شنی بسیار آسانتر از ذرات یک خاک رسی از هم جدا میشوند. ولی ذرات رس پس از جداشدن خیلی آسانتر از ذرات شن حمل میگردند. بنابراین برای دانستن درجه سهولت جابجایی یا میزان فرسایش پذیری هر خاک، حتما لازم است ماهیت فرسایش تعریف و مشخص گردد.

محاسبه میزان فرسایش

۱-تخمینهای عددی
از ضروریات اساسی هر علم یکی توانایی آن علم در توصیف و اندازه گیری علل و اثرات فرایندهای طبیعی مربوط به موضوع علم است و دیگری توانایی پیشبینی اینکه در یک شرایط معین در آینده چه اتفاقی خواهد افتاد. از ضروریات فوق در مورد علم حفاظت خاک فقط اندازه گیری اثرات فرسایش آسان است که آن هم از زمان "وولنی"(1880) تاکنون به کمک اندازه گیری وزن خاک فرسایش یافته انجام می گرفته است. کوشش جهت برای پیشبینی فرسایش خیلی دیرتر و با کارهای اداره حفاظت خاک آمریکا در دهه 1940 آغاز گردید ویکی از اولین بررسیها در این زمینه، کار ماسگریو در سال 1947 به نام " بررسی کمی عوامل موثر در فرسایش آبی ـ اولین تقریب" است. عدم وجود عامل سوم یعنی "تشخیص و اندازه گیری علل" از پیشرفتهای علم حفاظت خاک جلوگیری می کرد. بعد از موفقیت غیر منتظره الیسون در مورد فرسایش بارانی، مطالعات روی روابط علت و معلولی فرسایش موجب پیشرفت تدریجی در شبیه سازی ریاضی گردید که امکان پیشبینی فرسایش از روی داده های معین را فراهم می آورد. آخرین و موثرترین این مدلها به نام " رابطه جهانی از دست رفتن خاک" است. این رابطه تمام عوامل متغیری که روی فرسایش بارانی اثر میگذارند را با عبارات ریاضی در یک جا جمع میکند. در اینجا با یک بیان ساده کیفی، مسایل فرسایش و کنترل آنها را مطرح میکنیم.

۲-بیان کیفی اصول
علت اساسی فرسایش آبی را میتوان اعمالی دانست که باران بر روی خاک انجام میدهد و مطالعه فرسایش را میتوان به دو قسمت کرد. یکی اینکه چطور فرسایش تحت تاثیر انواع مختلف باران قرار میگیرد و دیگر اینکه شرایط متفاوت خاک آنرا چگونه تغییر میدهد. میزان فرسایش به این ترتیب به ترکیبی از قدرت باران در ایجاد فرسایش و توانایی خاک در تحمل باران بستگی دارد. به عبارت ریاضی، فرسایش تابعی است از فرسایندگی Erosivity(باران) و فرسایش پذیریErodability (خاک)

یا (فرسایش پذیری) (فرسایندگی) F = فرسایش
فرسایندگی را میتوان توانایی بالقوه باران در ایجاد فرسایش تعریف کرد که در یک شرایط معین خاک برای رگبارشهای مختلف قابل مقایسه کمی است وبرای آن میتوان مقدار عددی به وجود آورد. فرسایش پذیری را میتوان آسیب پذیری خاک نسبت به فرسایش تعریف کرد که برای شرایط معین باران این خاصیت خاک را میتوان با خاک دیگر مقایسه کرد و باز امکان پیداکردن مقدار عددی برای فرسایش پذیری وجود دارد. فرسایش پذیری خاک را میتوان به دو قسمت کرد. اول آن فرسایش پذیری که مربوط به خصوصیات اصلی و ذاتی خاک مثل ترکیبات شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی آن بوده که قابل اندازه گیری در آزمایشگاه میباشد. دوم آن فرسایش پذیری است که به طرز رفتار با خاک یا مدیریت مربوط میشود. این مدیریت به نوبه خود به دو قسمت مدیریت اراضی و مدیریت زراعی تقسیم میگردد. موضوعات وسیعی که میتوان آنها را تحت نام مدیریت اراضی جمع آوری کرده و در یک گروه قرار داد عبارتند از انواع مختلف استفاده از زمین، جنگلداری، مرتعداری، استفاده کشاورزی و غیره. جزء دیگر مدیریت خیلی مفصلتر بوده و برای زمینهای زراعی شامل نوع گیاه، کود مصرف شده، برداشت و غیره نیز میگردد. اینها جمعا مدیریت کش و زرع را تشکیل میدهند. بعضی از عملیات حفاظتی مدیریت مانند شخم روی خطوط تراز یا تراس بندی موضوعاتی هستند که در مرز بین مدیریت اراضی و مدیریت کشت و زرع قرار دارند. در شکل زیر، روش تقسیم بندی فوق به صورت نمودار نشان داده شده است که با فرسایندگی باران و فرسایش پذیری خاک آغاز شده و به ارتباط دادن تمام عوامل موثر در فرسایش که در فرمول جهانی فرسایش خاک به کار رفته اند منتهی میگردد.

فرسایش تابعی است از:
فرسایندگی و فرسایش پذیری
باران خصوصیات فیزیکی مدیریت
انرژی مدیریت اراضی مدیریت زراعی