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1 Soil Erosion h Chapter 17 p. 740795 1 THE PROBLEM Land Degradation and Loss Erosion Salinization Waterlogging Waterlogging Urbanization Deforestation to replace productivity lost Over 15 million acres/year 2 3 3 4 4 Onsite Effects: Soil Productivity Reduction in topsoil depth Exposes less desirable (less productive) subsoil Higher acidity & clay, lower fertility & SOM Reduced rooting zone; soil surface is closer to: Reduced rooting zone; soil surface is closer to: Bedrock Restrictive horizons (e.g., fragipans) Lower nutrient supply and available water holding capacity Loss of fines (silt & clay) 5 Offsite Effects: Sediments Yellow River China 1.6 billion tons of sediment per year China loses 18 tons/acre/year Ganges River India Ganges River India 1.5 billion tons/year Mississippi River USA 300,000,000 tons/year BEST SOILS IN THE US (and world) 6

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Soil Erosion

hChapter 17p. 740‐795

1

THE PROBLEM

Land Degradation and Loss

• Erosion

• Salinization

• Waterlogging• Waterlogging

• Urbanization

• Deforestation to replace productivity lost

• Over 15 million acres/year

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On‐site Effects: Soil Productivity

• Reduction in topsoil depth– Exposes less desirable (less productive) subsoil– Higher acidity & clay, lower fertility & SOM

• Reduced rooting zone; soil surface is closer to:Reduced rooting zone; soil surface is closer to:– Bedrock– Restrictive horizons (e.g., fragipans)

• Lower nutrient supply and available water holding capacity

• Loss of fines (silt & clay)

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Off‐site Effects: Sediments

• Yellow River ‐ China– 1.6 billion tons of sediment per year– China loses ≈ 18 tons/acre/year

• Ganges River ‐ IndiaGanges River  India– 1.5 billion tons/year

• Mississippi River ‐ USA– 300,000,000 tons/year– BEST SOILS IN THE US (and world)

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Effects of Sediments• Sediments are the #1 pollutant of surface waters

• Sediments carry– Nutrients ‐ N & P (eutrophication)

– Pesticides

– Other pollutants (organic chemicals & metals)

• Sediments Destroy Aquatic Habitats– Cloudy water = lower photosynthesis = less O2 → hypoxia

• Sediments degrade water supplies

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Effects of SedimentsBiological

• Smothering of eggs and nests of fish

• Transport of pollutants (toxins)

• Clogging fish gills

• Cover habitat of aquatic insects (fish food)

• Reduce biological diversity (favors burrowing animals)

• Accelerates growth of aquatic plants and algae

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Effects of SedimentsChemical

• Interferes with photosynthesis

• Decreases available oxygen due to organic matter decomposition

i l l h l• Increases nutrient levels that accelerate eutrophication

• Transports organic chemicals and metals into the water column

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Effects of SedimentsPhysical

• Reduces or prevents light penetration

• Changes temperature patterns

• Decreases the depth of ponds and lakesDecreases the depth of ponds and lakes

• Changes flow patterns

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Magnitude of the Problem – USA2003 Data

• 368 million acres of cropland (19 % of total area)

/ /• Average soil loss ≈ 2.63 tons/acre/year from all cropland

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Magnitude of the Problem – Tennessee 2003 Data

• 4.75 million acres cultivated and non‐cultivated cropland ≈ 17.6 % of total land area

• Average cropland soil loss ≈ 3.6 ton/acre/year

h 60 0 il i• There are 60,507 stream miles in Tennessee

• 24,808 stream miles are impaired (41 %)

• 5,212 stream miles are impaired by sediments (21 % of impaired; 8.6 % of total)

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Magnitude of the Problem – Tennessee 2003 Data

9.1

13

7.1

5.6

3.6

Other Erosion Problem Areas• Poor forest management• Poor pasture and range management– Too many animal units/acre– Animal access to streams– Tramped & poorly vegetated forage areas

• Urban construction– 100 to 200 ton/acre/year common

• Surface Mining– 200+ ton/acre/year common

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What do tons/acre mean?

• 1 acre, 6‐inches deep ≈ 2,000,000 lbs

• Thus, 6 inches ≈ 1,000 tons of soil

• 1 inch of soil over an acre = 167 tons

• 16.7 tons/acre/year = 0.1 inch soil loss

• At 2003 erosion rates, it would take 46 years to lose 1 inch of soil evenly from the 4.75 million acres of cropland in Tennessee 

[Tennessee was losing 1 inch of soil every 18 years in 1982]

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One inch of soil may take 200 to 10,000 years to form

Once eroded the loess derivedOnce eroded, the loess-derivedsoil in west Tennessee is lostforever

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1919

2020

2121

2222

The Erosion Process

• Erosion: the movement of soil from desirable to undesirable locations

• A combination of three sequential processesD t h t– Detachment

– Transport– Deposition

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Geologic vs. Accelerated Erosion

• Erosion is always occurring – geologic– Erosion ≈ soil formation

• Disturbance of soil causes accelerated erosionA i l– Agriculture

– Construction–Mining

– Recreation

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Types of Erosion

• Water Erosion– Removal of soil or rock by moving water

• Wind Erosion– Removal of soil or rock by windRemoval of soil or rock by wind

• Gravitational Erosion (often related to hydrology)– Landslides–Mass wasting

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Forms of Water Erosion 

• Splash Erosion on bare soil– Impact of raindrop DETACHES silt and sand particles preferentially

– Tremendous transfer of energy to soilTremendous transfer of energy to soil

– Destroys aggregates• Surface Runoff or Sheet Erosion– TRANSPORT of detached particles– Clays and silts travel furthest, sand very little

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Forms of Water Erosion

• Internal Erosion–Washing of soil particles into cracks and pores

– Reduces infiltration– Known as CRUSTING or SURFACE SEALINGo as C US G o SU C S G

• Channel Erosion– Rills– Gullies– Streambank erosion

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Gully

2828

Rills

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Factors Affecting Water Erosion

• Rainfall characteristics– Frequency, intensity, and duration of rainfall– As these increase, total energy available for erosion increases

• Soil Characteristics– Texture– Structure– Organic matter content

– Permeability

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Factors Affecting Water Erosion

• Slope characteristics– As length and % slope increase, amount and velocity of runoff increases, and erosion increases

• Vegetative coverg– Residues protect against SPLASH EROSION– Slows runoff velocity, so TRANSPORT decreases– Builds SOM and soil aggregation

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Principles of Erosion Control

1. Reduce raindrop impact on soil surface

2. Reduce runoff volume d l iand velocity

3. Increase soil’s resistance to erosion 

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How to stop Erosion

• Erosion prevention is easier than stopping it once it starts– Surface residues must be maintained

Conservation tillage– Conservation tillage– Increase organic matter content

– Produce enough biomass for erosion control

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Soil Loss Tolerance ‐ T Value

• T = maximum rate of annual soil loss that will permit crop productivity to occur economically and indefinitely.

• Ranges from 1 to 5 ton/acre/year• Ranges from 1 to 5 ton/acre/year

• 2 to 5 ton/acre/year for most soils

• Soil loss tolerance “T” is assigned according to properties of root limiting subsurface soil layers. 

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Soil Loss Tolerance ‐ T Value

• Criteria for assigning “T” are estimated from:– The severity of physical or chemical properties of subsurface layers. 

– The climatically influenced properties of soilThe climatically influenced properties of soil moisture and temperature. 

– The economic feasibility of utilizing management practices to overcome limiting layers or conditions. 

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Soil Loss Tolerance Factor ‐ T ValueDepth to limiting  layer (inches) Group 1 Group 2 Group 3

0 ‐ 10  1 1* 3

10 ‐ 20  1 2 3

20 ‐ 40  2 3 4

40 ‐ 60  3 4 4

>60  5 5 5

• Group 1 ‐‐ The limitations are significant or have permanent layers of root limitation.

• Group 2 ‐‐ The limitations are of moderate root restriction, or have a less than permanent loss to productivity in a given climate.

• Group 3 ‐‐ The limitations can be overcome in a given climate, through natural or managed processes to achieve the productivity level of the non‐eroded soil. 

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* Some soils are assigned with soil loss tolerance of 2

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Prediction of Soil Erosion by Water RUSLE

• Revised Universal Soil Loss Equation

• Equation to predict loss (t/ac/yr) as function of rainfall soil type landscape vegetationof rainfall, soil type, landscape, vegetation, and conservation practices

• A = R × K × LS × C × P

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Definition of FactorsRUSLE

• A = Soil loss in tons/acre/year

• R = Rainfall factor ‐ energy/acre/year term

• K = Soil erodibility factor ‐ tons/energy

• LS = Slope length and steepness factor

• C = Crop/vegetation management factor

• P = Conservation structures factor

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Rainfall Factor

• Average annual energy from rainfall events

• In TN, ranges from 150 to about 300– Knox County: R = 180Sh lb C 300– Shelby County: R = 300

• Where is the most erosion going to occur?

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Soil Erodibility (K) Factor

• Range from about 0.2 to 0.5

• Sandy loam, sandy surface texture– K ≈ 0.2 to 0.3  (Hartsells SL = 0.20)

• Loam to Clay loam– K ≈ 0.3 to 0.4  (Etowah SiCL = 0.32)

• Silt loam in loess (very high silt %)– K ≈ 0.5 (Memphis SiL = 0.49)

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Slope Length and Steepness Factor

• Values of LS are relative and represent how erodible the particular slope length and steepness is relative to the 72.6 ft long, 9 % steep unit plot (LS = 1)steep unit plot (LS = 1)

• Thus, some values of LS are less than 1 and some values are greater than 1

• The LS factor ranges from 0.05 to 52.70

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Cover and Management Factor

• Depends on the amount of tillage and the amount of surface residue

• Ranges from 0.001 (undisturbed forest)  to 1 (fallow with no residues)(fallow with no residues)

• We control this one

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Practices Factor

• The ratio of soil loss with contouring and/or stripcropping to that with straight row farming up‐and‐down slope (P = 1 is worst‐case)

• Terraces; P = 0.5;• Contour tillage (perpendicular to slope)– P varies from 0.5 to 0.9 depending on slope, cover management, and hydrology

• Stripcropping ‐ alternating strips of grasses and row crops across slope (P generally < 0.5)

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Example

• Memphis sil, 6% slope, 200 ft long, no vegetation, no conservation practices– R = 300 K = 0.49

LS = 0 95 C = 1 P = 1– LS = 0.95 C = 1 P = 1

– A = 300 × 0.49 × 0.95 × 1 × 1– A = 95.6 tons/acre/year

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Example 2

• Same soil under permanent forest: C = 0.001– A = 300 × 0.49 × 0.95 × 0.001 = 0.14 t/ac/yr

• No‐till corn, winter cover: C = 0.058A 300 0 49 0 9 0 0 8 8 / /– A = 300 × 0.49 × 0.95 × 0.058 = 8 t/a/yr 

• Conventional corn, no cover: C = 0.20– A = 28 t/ac/yr

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Goal for Land Use Planning

• Manage so that A < or = to T

• Conservation Farm Plans use RUSLE to evaluate different managment plans

i f h f h i d• Basis for much of the conservation advances in last 30 years

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