土壌侵食

土壌が飽和状態にある場合、または降雨量が土壌への水の浸透速度よりも大きい場合、表面流出が発生します。流出に十分な流れのエネルギーがあれば、緩んだ土壌粒子（堆積物）を斜面を下って運びます。 ^{[ 24 ]}降雨、および降雨によって発生する可能性のある表面流出は、飛沫侵食、面状侵食、細流侵食、溝状侵食の 4 つの主要なタイプの土壌侵食を引き起こします。飛沫侵食は一般的に土壌侵食プロセスの最初で最も深刻度の低い段階と見なされ、その後に面状侵食、次に細流侵食、最後に溝状侵食（4 つの中で最も深刻）が続きます。^{[ 25 ] [ 26 ]}

飛沫侵食では、落下する雨滴の衝撃によって土壌に小さなクレーターができ、^{[ 27 ]}土壌粒子が飛び散ります。^{[ 28 ]}飛び散った土壌粒子が移動する距離は、平坦な地面で風がない場合、垂直方向に最大0.6m  （2フィート）、 水平方向に最大1.5m（5フィート）にもなります。^{[ 29 ]}

面状侵食とは、緩んだ土壌粒子が地表流によって運ばれる現象である。 ^{[ 24 ]}

細流侵食とは、丘陵斜面の侵食において、堆積物の供給源および堆積物の運搬システムとして機能する、小さく一時的な集中流路の発達を指します。一般的に、攪乱された高地における水の侵食速度が最も大きい場所では、細流が活発です。細流の流深は通常数センチメートル（約1インチ）以下であり、流路に沿った傾斜はかなり急になる場合があります。これは、細流の水理学的特性が、より深く幅の広い河川や小川を流れる水とは全く異なることを。 ^{[ 30 ]}

溝状侵食は、豪雨や融雪の最中または直後に、流出水が狭い水路に溜まり、急速に流れ、土壌をかなりの深さまで洗い流すときに発生します^{。 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}溝状侵食のもう 1 つの原因は放牧です。 ^{[ 34 ]}これはしばしば地盤の圧縮を引き起こします。 ^{[ 35 ]}土壌が露出すると、余分な水を吸収する能力が失われ、侵食しやすい地域で侵食が発生する可能性があります。 ^{[ 36 ]}

谷や川の侵食は、線状地形に沿って水が流れ続けることで起こります。侵食は下向きにも上向きにも起こり、谷を深くし、谷を丘の斜面に広げ、ヘッドカットや急な土手を作り出します。川の侵食の初期段階では、侵食活動は主に垂直方向であり、谷は典型的なV字型の断面を持ち、川の勾配は比較的急です。^{[ 37 ]}ある基準レベルに達すると、侵食活動は横方向の侵食に切り替わり、谷底が広がり、狭い氾濫原が形成されます。川の勾配はほぼ平坦になり、川が谷底を蛇行するにつれて、堆積物の横方向の堆積が重要になります。川の侵食のすべての段階において、侵食の大部分は洪水時に発生します。洪水時には、より多くの、より速い流れの水が利用可能になり、より多くの堆積物を運搬できるからです。^{[ 38 ]}このようなプロセスでは、侵食するのは水だけではなく、浮遊する研磨粒子、小石、岩塊も、表面を移動する際に侵食作用を起こすことがあり、これは牽引と呼ばれるプロセスである。^{[ 39 ]}

河岸侵食とは、小川や川の岸が削り取られる現象です。これは、水路の底の変化（洗掘と呼ばれる）とは区別されます。侵食や河岸の形状の変化は、金属棒を岸に挿入し、異なる時点で棒に沿って岸面の位置をマークすることによって測定できます。^{[ 40 ]}

熱侵食は、流れる水によって永久凍土が融解して弱体化することによって起こります。 ^{[ 41 ]}これは河川沿いと海岸の両方で発生する可能性があります。シベリアのレナ川で観測された急速な河道移動は、これらの堤防部分が永久凍土で固められた非粘着性物質で構成されているため、熱侵食によるものです。 ^{[ 42 ]}この侵食の多くは、弱体化した堤防が大規模な崩落を起こすことによって発生します。^{[ 43 ]}熱侵食は北極海岸にも影響を与え、波の作用と沿岸付近の温度が組み合わさって海岸線沿いの永久凍土の崖を削り、崩壊を引き起こします。ボーフォート海の海岸線の100キロメートル（62マイル）区間の年間侵食速度は、1955年から2002年まで平均で年間5.6メートル（18フィート）でした。 ^{[ 44 ]}

極めて高い流量では、大量の水が急速に流れ込むことでコルク、すなわち渦が形成されます。コルクは局所的に激しい浸食を引き起こし、岩盤を削り取って、岩削り盆地と呼ばれるポットホール型の地形を作り出します。例としては、氷河湖ミズーラ湖の洪水によって形成された地域が挙げられ、ワシントン州東部のコロンビア盆地地域にチャネルド・スカブランドが形成されました。^{[ 45 ]}

風食は、特に乾燥地域や半乾燥地域では主要な地形形成力である。また、森林伐採、都市化、農業などの人間の活動によって自然速度をはるかに超えて増加した後は、土地の劣化、蒸発、砂漠化、有害な大気中の粉塵、作物被害の主要な原因にもなる。^{[ 46 ] [ 47 ]}

風食には主に 2 つの種類があります。風が緩い粒子を拾い上げて運び去るデフレーションと、風によって運ばれる空中の粒子が衝突して表面が摩耗する摩耗です。デフレーションは 3 つのカテゴリに分けられます。(1)表面クリープ、より大きく重い粒子が地面に沿って滑ったり転がったりする。(2)跳躍、粒子が少しだけ空中に持ち上げられ、土壌の表面を跳ねたり跳躍したりする。(3)浮遊、非常に小さく軽い粒子が風によって空中に持ち上げられ、しばしば長距離にわたって運ばれる (例:サハラ砂漠の砂塵)。風食の大部分 (50～70%) は跳躍によるもので、次いで浮遊 (30～40%)、そして表面クリープ (5～25%) となっています。^{[ 48 ] [ 49 ]}シルト質の土壌 (例:黄土) は風食の影響を最も受けやすい傾向があります。シルト粒子は比較的容易に剥離して流される。^{[ 50 ]}

風食は乾燥地帯や干ばつの時期にはるかに深刻になります。例えば、グレートプレーンズでは、風食による土壌の損失は、湿潤な年に比べて干ばつの年には最大で6100倍にもなると推定されています。^{[ 51 ]}

地滑りとは、主に重力によって、傾斜面上の岩石や堆積物が下方および外側へ移動する現象である。 ^{[ 52 ] [ 53 ]}

土砂移動は侵食過程の重要な部分であり、山岳地帯では風化物質の分解と運搬の最初の段階となることが多い。 ^{[ 54 ]}土砂移動は、高所から低所へ物質を移動させ、そこで河川や氷河などの他の侵食作用によって物質が拾い上げられ、さらに低所へと運ばれる。土砂移動の過程は、あらゆる斜面で常に継続的に発生している。土砂移動の中には非常にゆっくりと進行するものもあれば、非常に突然発生し、しばしば壊滅的な結果をもたらすものもある。岩石や堆積物の目に見える下方への移動は、一般的に地すべりと呼ばれることが多い。しかし、地すべりは、移動の原因となるメカニズムと移動速度を反映した、より詳細な方法で分類することができる。このような活動の非常にゆっくりとした形態の目に見える地形的特徴の1つが、崖錐斜面である。^{[ 55 ]}

地すべりは急斜面で発生し、粘土などの物質内部の明確な断裂帯に​​沿って起こることが多く、いったん解放されると、非常に速く斜面を下ることがあります。地すべりは、物質が斜面を下って滑り始めたスプーン状の地盤沈下を示すことがよくあります。場合によっては、斜面の下の水が斜面を弱めることで地すべりが引き起こされます。多くの場合、それは単に高速道路沿いの劣悪な工学設計の結果であり、そこでは地すべりは頻繁に発生します。 ^{[ 56 ]}

表面クリープとは、重力によって土や岩の破片がゆっくりと移動する現象で、長時間観察しない限り通常は知覚できません。^{[ 57 ]}ただし、この用語は、風によって直径0.5～1.0mm （0.02～0.04インチ）の剥離した土粒子が土壌表面に沿って転がる現象も指します。 ^{[ 58 ]}  

耕作侵食は、耕作による土壌の移動によって耕作地で発生します。^{[ 59 ]}耕作侵食は農地における主要な土壌侵食プロセスであり、世界中の多くの畑、特に傾斜地や丘陵地では水や風による侵食を上回っているという証拠が増えています。^{[ 59 ]}侵食された丘の頂上は実際には耕作侵食によって引き起こされます。水による侵食は主に斜面の中腹や下斜面で土壌損失を引き起こし、丘の頂上では引き起こさないからです。^{[ 60 ]}耕作侵食は土壌劣化を引き起こし、作物の収量が大幅に減少し、農場に経済的損失をもたらす可能性があります。 ^{[ 61 ]}

降水量と降雨強度は、水による土壌侵食を左右する主要な気候要因です。この関係は、土壌表面が植生によって十分に保護されていない時期や場所で大雨が発生する場合に特に顕著になります。これは、農業活動によって土壌がむき出しになっている時期^{[ 62 ]}や、植生が自然にまばらな半乾燥地域^{[ 63 ]}などが該当します。風による侵食には強い風が必要であり、特に植生がまばらで土壌が乾燥している（そのため侵食されやすい）干ばつの時期には強い風が吹く必要があります^{[ 64 ]} 。平均気温や気温差などの他の気候要因も、植生や土壌特性への影響を通じて侵食に影響を与える可能性があります^{[ 65 ]} 。一般的に、同様の植生や生態系の場合、降水量が多い地域（特に高強度の降雨）、風が強い地域、または嵐が多い地域では、侵食が多くなると予想されます^{[ 66 ] 。}

世界のいくつかの地域（例えば、米国中西部やアマゾン熱帯雨林）では、降雨強度が侵食性の主な決定要因であり、一般的に降雨強度が高いほど水による土壌侵食が大きくなります。^{[ 67 ] [ 68 ]}雨滴の大きさや速度も重要な要素です。大きくて速度の速い雨滴は運動エネルギーが大きいため、小さくて動きの遅い雨滴よりも、その衝撃で土壌粒子をより大きな距離移動させます。^{[ 69 ]}

世界の他の地域（例えば西ヨーロッパ）では、比較的弱い強度の層状降雨がすでに飽和した土壌に降ることで、流出と侵食が発生します。このような状況では、降雨の強度よりも降雨量が、水による土壌侵食の深刻さを決定する主な要因となります。^{[ 70 ]}

土壌の質感、水分、圧縮度は、降雨の侵食性を決定する主要な要因です。粘土鉱物を多く含む堆積物は、粘土が土壌粒子を結合するのに役立つため、砂やシルトを含む堆積物よりも侵食に強い傾向があります。[ 71 ]有機物^{のレベルが}高い土壌は、有機物が土壌コロイドを凝集させ、より強く安定した土壌構造を作り出すため、侵食に強い場合が多いです。^{[ 69 ]}降雨前に土壌中に存在する水の量も重要な役割を果たします。これは、土壌が吸収できる水の量に制限を設け（したがって、侵食性流出として地表に流れるのを防ぐ）ためです。湿った飽和土壌は、それほど多くの雨水を吸収できないため、地表流出のレベルが高くなり、一定の降雨量に対して侵食性が高くなります。^{[ 69 ] [ 72 ]}土壌の圧縮は土壌の水の透過性にも影響し、その結果、流出水の量にも影響します。圧縮度の高い土壌は、圧縮度の低い土壌よりも表面流出水の量が多くなります。^{[ 69 ]}

植生は、大気と土壌の間の界面として機能します。植生は土壌の雨水に対する浸透性を高め、流出を減少させます。^{[ 73 ]}また、土壌を風から守り、風食を減少させ、^{[ 74 ]}微気候に好ましい変化をもたらします。^{[ 75 ]}植物の根は土壌を結合し、他の根と絡み合い、水^{[ 76 ]}と風食^{[ 77} ]の両方に対してより強固な塊を形成します。植生の除去は、^表面侵食の速度を増加させます。^{[ 78 ]}

土地の地形は、地表流出水が流れる速度を決定し、それが流出水の侵食力を決定します。長く急な斜面（特に植生被覆が不十分な斜面）は、短く緩やかな斜面よりも、大雨の際に非常に高い侵食率を受けやすくなります。^{[ 79 ]}また、急な地形は、土砂崩れ、地滑り、その他の重力侵食プロセスも起こりやすくなります。 ^{[ 80 ] [ 69 ] [ 81 ]}

持続不可能な農業慣行は、侵食速度を自然速度の1 ～ 2桁上増加させ、土壌生産による補充をはるかに上回ります。 ^{[ 82 ] [ 83 ]}土壌をより細かい粒子に砕く農地の耕作は、主な要因の 1 つです。この問題は、深耕を可能にする機械化された農業機器によって現代では悪化しており、水による侵食で運搬される土壌の量が大幅に増加しています。その他の要因には、単作​​、急斜面での農業、農薬や化学肥料の使用 (土壌を結合する微生物を殺す)、列作、表面灌漑の使用などがあります。^{[ 84 ] [ 85 ]}土壌侵食現象のサイズ選択性により、土壌からの栄養素損失を定義することに関して、全体的に複雑な状況が生じる可能性があります。^{[ 86 ]}例えば、より細かい侵食された部分における全リンの損失は、土壌全体に比べて大きい。 ^{[ 87 ]}この証拠を外挿して、受け入れ側の水系におけるその後の挙動を予測すると、その理由は、より容易に運搬されるこの物質は、より粗いサイズの画分に比べて、より低い溶液リン濃度を支える可能性があるからである。^{[ 88 ]}耕起は、土壌を脱水し、風によって拾い上げられる小さな粒子に砕くことによって、風食速度も増加させる。^{[ 89 ]}農地からほとんどの樹木が一般的に除去されているため、風がより高速で通過できる長い開けた場所が確保されるという事実が、これを悪化させている。^{[ 90 ]}過放牧は植生被覆を減少させ、深刻な土壌圧縮を引き起こし、どちらも侵食速度を増加させる。^{[ 91 ]}

手つかずの森林では、鉱物土壌は森林の地面を覆う落ち葉と腐植土の層によって保護されています。この 2 つの層は土壌の上に保護マットを形成し、雨滴の衝撃を吸収します。これらは多孔質で降雨に対する透過性が高く、雨水が表面を流れて流出するのではなく、下の土壌にゆっくりと浸透することを可能にします。^{[ 92 ]}樹木や森林植物の根、森林菌類の菌糸も土壌粒子を結合させ、洗い流されるのを防ぐ上で重要な役割を果たしています。^{[ 93 ] [ 94 ]}植生被覆は、地面に到達する前に葉や茎に当たる雨滴の速度を低下させ、運動エネルギーを減少させる働きをします。しかし、表面侵食を防ぐのは、樹冠よりも森林の地面です。雨滴の終端速度は約8 メートル (26 フィート)で達します。森林の樹冠は通常これよりも高いため、雨滴は樹冠に当たった後でも終端速度を回復することがよくあります。しかし、落葉や有機物（腐植形態を参照）の層がある健全な森林の地面は、依然として降雨の衝撃を吸収することができます。^{[ 95 ] [ 96 ]}

森林伐採は、土壌表面から腐植層や落葉層を取り除き、土壌を結合する植生被覆を取り除き、伐採機械による土壌の激しい圧縮を引き起こすことで、鉱物土壌を露出させ、侵食率を増加させます。火災や伐採によって樹木が除去されると、森林床がそのまま残っている限り、浸透率は高くなり、侵食は低くなります。激しい火災の後に大雨が降ると、さらに大きな侵食につながる可能性があります。^{[ 97 ]}

世界的に見て、土壌侵食による損失の最大の原因の一つは、熱帯林の焼畑農業である。^{[ 98 ]}例えば、マダガスカルの中央高原（同国の国土面積の約10%を占める）では、景観全体が植生のない不毛地帯となっており、侵食溝は通常、深さ50メートル（160フィート）以上、幅1キロメートル（0.6マイル）にも及ぶ。^{[ 99 ]}移動耕作（焼畑農業とも呼ばれる）は、世界のいくつかの地域で焼畑農業を取り入れている伝統的な農業システムである。これは土壌を劣化させ、土壌の肥沃度をますます低下させる。^{[ 100 ]}しかし、熱帯地方で最悪の慣行は何かという議論がある。数年間の軟弱な自給農業の後、二次林が急速に回復する焼畑農業^{[ 101 ] [ 102 ]}か、それとも、従来の伐採後の恒久的な牧草地や換金作物で、それぞれラテライト化や土壌圧縮などの土壌劣化により森林や土壌の再生が望めないのか？^{[ 103 ] [ 104 ]}ブラジルでは、焼畑耕作の完全なサイクル（森林の再生を含む）に沿って、流出と土壌損失が、二次林の初期段階への移行の焼却段階から指数関数的に減少し、再生後わずか4〜5年で森林地帯と同様のパターンを示すことが示されている。^{[ 105 ]}ブラジルの別の研究では、焼畑農業の作付けサイクル後の15年間の休耕期間によって、元の土壌の状態を回復できることが示された。^{[ 106 ]} 

人間の影響は侵食プロセスに大きな影響を与え、まず建設中に土地から植生を剥ぎ取り、排水パターンを変え、土壌を圧縮し、次に地表流出量と地表風速を増加させる不透水性のアスファルトやコンクリートの層で土地を覆います。 ^{[ 107 ]}都市部（特に道路）からの流出水に含まれる堆積物の多くは、燃料、油、その他の化学物質で高度に汚染されています。^{[ 108 ]}この流出量の増加は、流れる土地を侵食および劣化させるだけでなく、流域を通過する水の量と速度を変化させ、化学的に汚染された堆積物で流域を埋め尽くすことで、周辺の流域に大きな混乱を引き起こします。地域の水路を通過する水の流れの増加は、河岸侵食の速度の大幅な増加も引き起こします。^{[ 109 ]}

過去数十年に観測された温暖な大気温度は、より激しい降雨現象を含む、より活発な水循環につながると予想されている。^{[ 110 ]}気候変動の結果として発生した海面上昇は、海岸侵食率も大幅に増加させている。^{[ 111 ] [ 112 ]}

土壌侵食に関する研究では、降雨量と降雨強度の増加が土壌侵食率の上昇につながると示唆されています。したがって、予想どおり世界の多くの地域で降雨量と降雨強度が増加すれば、改善策が講じられない限り、侵食も増加するでしょう。土壌侵食率は、さまざまな理由で気候変動に応じて変化すると予想されます。最も直接的な理由は、降雨の侵食力の変化です。その他の理由としては、a)水分レジームに関連する植物バイオマス生産の変化による植物キャノピーの変化、b)温度と水分に依存する土壌微生物活動によって引き起こされる植物残渣分解速度と植物バイオマス生産速度の両方の変化による地表の落葉層の変化、c) 降雨レジームと蒸発散速度の変化による土壌水分の変化（浸透率と流出率の変化）などが挙げられます。 d) 土壌中の有機物濃度の低下により土壌構造が変化し、土壌表面の被覆や硬化が進むことで侵食されやすくなり、流出が増加する。e) 冬の気温上昇により、冬の降水が非侵食性の雪から侵食性の雨に変化する。 f)永久凍土の融解により、以前は侵食されにくかった土壌が侵食されやすくなる。 g) 新しい気候体制に対応するために必要となる土地利用の変化。^{[ 113 ]}

PruskiとNearingの研究によると、土地利用などの他の要因を考慮しない場合、気候変動下では総降水量が1%変化するごとに土壌侵食が約1.7%変化すると予想するのが妥当である。^{[ 114 ]} 21世紀の初めに行われた研究では、21世紀中に降雨侵食力が米国で17% 、 [ ^{115 ]ヨーロッパ}で18%、^{[ 116 ]}および世界全体で30～66%増加すると予測された。^{[ 117 ]}

水と風による浸食は現在、土地劣化の二大原因であり、これらを合わせると劣化面積の84%を占めている。^{[ 13 ]}

毎年、約750億トンの土壌が土地から侵食されており、その速度は自然侵食速度の約13～40倍である。^{[ 120 ]}世界の農地の約40%が深刻な劣化状態にある。^{[ 121 ]}国連によると、干ばつ、森林破壊、気候変動により、毎年ウクライナの面積に相当する肥沃な土壌が失われている。^{[ 122 ]}国連大学のガーナに拠点を置くアフリカ天然資源研究所によると、アフリカでは、現在の土壌劣化の傾向が続けば、2025年までに人口のわずか25%しか養えなくなる可能性がある。^{[ 123 ]}

最近のモデリング開発により、高時間分解能(30 分未満) および高忠実度の降雨記録を使用して、地球規模での降雨侵食力が定量化されました。広範なグローバルデータ収集の取り組みにより、3,625 の観測所の降雨侵食力を含む、63 か国をカバーするグローバル降雨侵食力データベース (GloREDa) が作成されました。この史上初のグローバル降雨侵食力データベースは、高度な地統計処理に基づいて、30 秒角 (約 1 km) のグローバル侵食力マップを作成するために使用されました。^{[ 124 ]} Nature Communicationsに掲載された新しい研究によると、毎年約 360 億トンの土壌が水によって失われており、森林破壊やその他の土地利用の変化がこの問題を悪化させています。この研究では、高解像度の空間分布モデリング(約 250 × 250 m のセル サイズ)によって、グローバルな土壌侵食ダイナミクスを調査しています。地理統計学的手法により、土地利用と土地利用の変化、世界の耕作地の範囲、種類、空間分布、およびさまざまな地域耕作システムの影響を、初めて地球規模の土壌侵食モデルに徹底的に組み込むことが可能になった。^{[ 125 ]}

侵食による土壌肥沃度の低下は、土地の再生を促すのではなく、化学肥料を施用することで水質汚染や土壌汚染をさらに悪化させるという問題も引き起こす。 ^{[ 126 ]}

土壌侵食（特に農業活動によるもの）は、過剰な堆積物が世界の水路に流れ込む影響により、拡散性水質汚染の世界的な主な原因と考えられています。堆積物自体が汚染物質として作用するだけでなく、付着した農薬分子や重金属などの他の汚染物質の運搬体としても作用します。^{[ 127 ]}

堆積物負荷の増加が水生生態系に及ぼす影響は壊滅的となる可能性がある。シルトは川底の砂利の間の隙間を埋めて魚の産卵床を覆い尽くすことがある。^{[ 128 ]}また、餌の供給を減少させ、堆積物が鰓に入り込むことで魚に深刻な呼吸器系の問題を引き起こす。^{[ 129 ]}水生植物や藻類の生物多様性は減少し、^{[ 130 ] [ 131 ]}無脊椎動物も生存や繁殖ができなくなる。^{[ 132 ]}堆積現象自体は比較的短期間で終わるかもしれないが、大量死によって引き起こされる生態系の混乱はしばしば将来にわたって長く続く。^{[ 133 ]}

1980年代に土壌侵食対策が講じられるまで、世界で最も深刻で長期にわたる水侵食問題の一つは、中華人民共和国の黄河中流域^{[ 134 ]}と長江上流域[ ^{135 ]に}ありました。黄河からは、毎年16億トン以上の堆積物が海に流れ込んでおり、その主な原因は北西部の黄土高原 地域の水侵食です^{[ 136 ] 。}

風による土壌侵食で巻き上げられた土壌粒子は、粉塵と呼ばれる浮遊粒子状物質の形で大気汚染の主要な原因となっています。これらの浮遊土壌粒子は、農薬や石油燃料などの有毒化学物質で汚染されていることが多く、後に着地したり、吸入・摂取されたりすると、生態系や公衆衛生上の危険をもたらします。^{[ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}

侵食による塵は降雨を抑制し、空の色を青から白に変え、その結果、夕焼けが赤くなる頻度が増加する。^{[ 141 ]} 1970年代以降、カリブ海とフロリダ全域で、砂塵現象がサンゴ礁の健全性の低下と関連付けられている。 ^{[ 142 ] [ 143 ]}同様の砂塵の塊はゴビ砂漠で発生し、汚染物質と混ざり合って、風下、つまり東方向に広範囲に広がり、北米にまで達する。^{[ 144 ]}