Evaluation of RUSLE and spatial assessment of agricultural soil erosion in Finland

Agricultural soil erosion has negative effects on surface water quality and aquatic ecosystems. A major impediment to agricultural erosion management in Finland has been the lack of high-resolution country-scale data on the spatial distribution of erosion. As a result, erosion mitigation measures have been targeted with limited information. Therefore, we evaluated the performance of the widely used RUSLE model against measurements from experimental fields, used the model to produce a two-metre resolution crop and management independent erosion estimate for all agricultural lands of Finland, and analysed erosion over different spatial scales. RUSLE showed skill (R2 = 0.76, NSE = 0.72) in estimating the observed erosion at experimental fields (55–2100 kg ha−1 yr−1) but with large errors (mean: −134 kg ha−1 yr−1, 90% range: −711 and 218 kg ha−1 yr−1). The evaluation, however, suggests that RUSLE performs similarly in Finland as elsewhere. The analysis of the developed country-scale data, in turn, revealed high erosion regions, and it showed how erosion varies between sub-catchment and between and within field parcels. For example, high-erosion areas concentrated in the proximity of water bodies were identified at the sub-catchment and within-field parcel scales. Altogether, the results demonstrate the predictive skill of RUSLE in high-latitude conditions, fill the earlier data gap in country-scale erosion, provide information for targeting erosion mitigation measures, and considerably improve the understanding of the spatial distribution of erosion in Finland

Maankäytön vesistökuormitus ja sen vaikutukset vesiekosysteemeihin – katsaus käynnissä olevaan tutkimukseen ja tietotarpeisiin : Innovative Land-Water Interfaces

Kartoitimme Luonnonvarakeskuksen (Luke) ja muiden organisaatioiden maankäytön vesistökuormituksen ja sen vaikutusten osaamista, käynnissä olevaa aihepiirin tutkimusta, vesistötoimenpiteiden vaikuttavuutta sekä tietotarpeita. Kokonaiskuvan muodostamisen tavoitteena on luoda edellytyksiä uusiin avauksiin maankäytön ja vesistökuormituksen keskeisten haasteiden ja ratkaisujen tunnistamisessa sekä kehittää aiempaa tehokkaammin uusia innovatiivisia lähestymistapoja ja menetelmiä mm. vesistöjensuojelutoimenpiteiden kohdentamiseen yhteistyössä alan toimijoiden kanssa (Innovative land-water interfaces, Innowater). Tiedonkeruu toteutettiin asiantuntijakyselyillä Luken tutkijoille, muiden tutkimusorganisaatioiden tutkijoille ja alan toimijoille. Sitä täydennettiin kirjallisuushauilla ja järjestämällä monitieteinen työpaja. Tämä katsaus tiivistää kartoituksen tulokset. Kartoituksen perusteella tutkijayhteisöllä ja sidosryhmillä on syvällistä ja laaja-alaista osaamista vesistökuormituksesta ja sen vaikutuksista valuma-alueilta vesistöihin. Eri osa-alueita ja vaikutuksia tutkitaan runsaasti, mutta maankäytön sektorit ja skaalat yhdistävää tutkimusta on selvästi vähemmän. Tunnistimme neljä laajaa tutkimusteemaa, joissa tutkijayhteistyön lisääminen vahvistaisi maa- ja metsätalouden ympäristövaikutusten systeemistä ja tieteiden välistä tarkastelua: 1) Valuma-aluenäkökulma: kokonaiskuva kustannustehokkaista ja kohdistetuista vesiensuojelukeinoista maiseman pelto-metsämosaiikissa, 2) maankäytön vesistökuormituksen vaikutukset vesieliöihin ja -ekosysteemeihin, 3) maankäytön vesistövälitteiset kasvihuonekaasupäästöt ja ilmastovaikutukset, 4) maa- ja metsätalouden tuotteiden elinkaariarviointi. Vastaajista suurin osa oli kuormittavien tekijöiden ja kuormituksen vähentämisen asiantuntijoita. Kuormittaviin tekijöihin ja kuormituksen vähentämiseen liittyviä tietotarpeita ovat kuormituslähteiden suhteelliset kuormat ja niiden nykyistä kattavampi seuranta (ravinteet, kiintoaine, hiili, muut haitalliset aineet), prosessit, kuten hiilen muodot ja kulkeutuminen, sekä vesiensuojelu- ja maankäyttötoimenpiteiden vaikutukset kuormiin. Nämä ovat myös keskeisiä tietotarpeita vesiekosysteemien prosessien lisäksi, kun selvitetään maankäytön ilmastovaikutusten kokonaiskuvaa ottamalla huomioon maankäytön muutosten ja kuormituksen vaikutukset valuma-alueen vesistöjen kasvihuonekaasupäästöihin. Vesieliö- ja ekosysteemivaikutuksia tutkittaessa olisi oleellista liittää maa- ja metsätalouden kuormituksen vaikutukset muuttuneen hydrologian ja biologis-fysikaalisten tekijöiden vaikutuksiin sekä selvittää eri vesiensuojelumenetelmien tehokkuutta monimuotoisuuden näkökulmasta. Maa- ja metsätalouden tuotteiden vesijalanjälki- ja elinkaarianalyysin tietotarpeita ovat metsätalouden tuotteiden elinkaarianalyysiin sopiva kuormitusmalli ja maatalouden päivitetty kuormitusmalli. Ylipäätään tarvitaan lisää tutkimusta eri tarkastelutasoilla: prosesseista ja mekanismeista valuma-alueen ja alueelliselle tasolle. Kokonaisuuksien tarkastelun mahdollistavat mallit ja aineistojen yhdistäminen mutta myös entistä kattavampi seurantatieto. Pistekuormituksen vähentyminen nähtiin onnistumisena ja hajakuormituksen hallitseminen nykyisenä haasteena. Kyselyyn vastanneiden alan toimijoiden mukaan kolme tärkeitä vesistöjen tilan uhkaa ovat ilmastonmuutos, maankäytön muutokset sekä ohjauskeinojen ja rahoituksen riittämättömyys tai kohdistuminen ja kolme tärkeintä mahdollisuutta ovat asenteiden ja yhteisen tahtotilan muuttuminen myönteisiksi vesien tilan parantamiselle, rahoituksen saatavuuden parantuminen sekä suunnittelua ohjaavan tiedon lisääntyminen

Connectivity elements and mitigation measures in policy-relevant soil erosion models: A survey across Europe

The current use of soil erosion models in Europe was investigated through an exploratory survey of 46 model applications covering 18 European countries. This revealed novel information on erosion model applications, their parameterisation, incorporation of landscape elements and mitigation measures with implications for connectivity and their use in decision-making in Europe. The model application predictions were applied at national, regional, catchment or field scale. The majority of model applications used the USLE or versions thereof, but a range of semi-empirical, decision-tree and process-based models were also used. The majority of model applications were used for policy relevant purposes such as erosion risk assessment or mitigation measure implementation at a range of spatial scales. The analysis identified an evident prevalence towards the use of national or regional data sets and a highly varying parameterisation of model applications. Landscape elements and mitigation measures with effects on connectivity were implemented in most model applications, but not with a focus on modelling connectivity within the landscape. Altogether, the results demonstrate a need for improving connectivity modelling in diverse agricultural landscapes across multiple scales. Models should be chosen dependent on their ability to reflect erosion risk at different spatial scales. Albeit, harmonisation of data sets, parameterisation procedures and validation approaches is needed for certain modelling scenarios to ensure comparability of soil erosion risk assessment and suitable mitigation practices. Furthermore, we recommend that policy-relevant erosion risk maps should be verified by empirical data and thresholds derived from erosion risk maps should be adapted to regional conditions when used for policy guidelines. Hence, comparability, comprehensibility and regional adaptation are essential qualities of policy-relevant erosion maps

Exploring structural sediment connectivity via surface runoff in agricultural lands of Finland

Spatial information on the distribution of erosion areas and sediment transport pathways within agricultural landscapes is limited. Thus, we assess structural sediment connectivity via surface runoff by using a digital elevation model (2 × 2 m2) and RUSLE-based erosion estimates to compute index of connectivity (IC) and sediment delivery estimates. The variables were analyzed within and between two topographically contrasting subcatchments. We found greater spatial variability of IC within a subcatchment than between the subcatchments. The majority of field parcel areas (65%–97%) were structurally connected to adjacent open ditches and streams. Areas with high erosion estimates also tended to be structurally well-connected, both at the pixel (Pearson r = 0.58–0.63) and parcel scale (r = 0.49–0.67). The IC model was not highly sensitive to parameter variations. In contrast, the magnitude of sediment delivery estimates was highly sensitive to parameter variations. However, based on the high rank correlation (Spearman rs > 0.95) between computed sediment delivery estimates, the tool provided consistent information on potentially high sediment delivery areas. More empirical data and dynamic model applications could be applied to improve the accuracy of the estimates. The method provides a feasible tool to generate open data on connectivity

Sustainable soil management: Soil knowledge use and gaps in Europe

International audienc