Past natural and anthropogenically altered sediment flux in the Spessart mountains – a central European landscape

Larsen, Annegret

The Late Quaternary surface processes of a steep gully system in Central Europe occur mainly as multiple gully erosion and sedimentation cycles. These cycles depend largely on the relation between sediment supply and sediment transport capacity. The gully thalweg was aggraded during the Younger Dryas as a result of high sediment supply from the slopes and a diminished transport capacity in the channel instigated by a reduction in vegetation during this time. For the majority of the Holocene time period phases of headward gully incision are the dominant process, which occurs as a result of internal hydrological and geomorphic thresholds under well vegetated conditions. During this time sediment was also deposited on the gully fan. The onset of intense human agricultural activity during medieval times led to large scale slope erosion due to vegetation removal and subsequent thalweg re-aggradation. In comparison with the natural hillslope sediment flux during the Younger Dryas, erosion from human driven slope instability was found to be at least ~2.3 time more efficient. More specifically, it is clear that different land-use techniques on the catchments slopes, as reconstructed from the analysis of soil charcoal analysis, are the dominant control on overall hillslope erosion rates. The lowest erosion rate was found in an area where only small agricultural fields were maintained. The recovery of most of the catchment vegetation in the last ~ 500 years has re-stabilised the slopes and modified the internal threshold of sediment supply/sediment transport capacity, such that the gully has begun a new incision phase. Hence, sediment is again transported from the thalweg into the gully fan and floodplain of the adjacent trunk stream. The quantification of sediment fluxes reveals that the most recent and continuing phase of sediment export is also the most geomorphically significant for the trunk stream, since it is the only time in the last ~15 000 years that a large percentage of the thalweg erosion budget is able to be incorporated into the alluvium of trunk streams. Because the gully system itself has a large storage capacity, sediment delivery from small headwater catchments to trunk streams generally does not occur until vegetation has re-stabilised the slopes, and allows the sediment transport capacity to increase. The recent changes to high sediment delivery to the floodplain and adjacent stream is a possible explanation for the observed floodplain aggradation of trunk streams and the resulting changes to the rivers regime. However, it is also suggested that valley bottom damming for various purposes throughout this time is also a major factor controlling this large change in the rivers behaviour, and the investigation of this direct human impact on the river landscapes of central Europe is a critical avenue of further research.

Mehrere Erosions- und Sedimentationszyklen haben die spätquartären Oberflächenprozesse in einem Einzugsgebiet eines Gullys in der Mittelgebirgsregion von Mitteleuropa geprägt. Diese Zyklen sind im Wesentlichen vom Quotienten zwischen Sedimentzufuhr und Sedimenttransportkapazität abhängig. Der Thalweg fungierte während der Jüngeren Dryas als Folge der hohen Sedimentzufuhr von den Hängen als Sedimentfalle, da keine schützende Vegetationsdecke die Hänge mehr bedeckte. Während des weitaus größten Teils des Holozäns war das Einzugsgebiet bewaldet und die Hänge daher stabil. Daraus ergab sich eine hohe Erosions- und Transportkapazität des Oberflächenabfluss im Thalweg und die daraus folgende Rückverlagerung des Gully-Kopfes, was widerum eine Ablagerung von Sedimenten im Bereich des Schwemmfächers zur Folge hatte. Der Beginn intensiver ackerbaulicher Tätigkeiten im Mittelalter führte durch die großflächige Bewirtschaftung der Hänge zu Hangerosion und zu einem erneuten Anwachsen der Thalwegsedimente. Die Menge des im Mittelalter erodierten Hangmaterials überstieg den der Jüngeren Dryas um den Faktor 2.3. Detaillierte Analysen von Hangsedimenten und den darin enthaltenen Holzkohlen zeigt, dass verschiedene Formen der Landnutzung unterschiedlich hohe Erosionsraten verursachten, mit dem geringsten Hangabtrag in den Bereichen, in denen kleine Feldgrößen vorherrschten. Die Wiederbewaldung des größten Teils des Einzugsgebiets vor ca. 500 Jahren stabilisierte die Hänge und führte zu einer erneuten Einschneidungsphase des Gullies, was erneuten Sedimenttransport zum Schwemmfächer und in den Vorfluter und dessen Aue zur Folge hatte. Die Quantifizierung und Bilanzierung des Sedimentflusses zeigt, dass dies die einzige Phase in den letzten ~ 15000 Jahren war, die den Transport einer geomorpholgisch relevanten Menge von Sedimenten in den Vorfluter verursachte, welche vom Fluss aufgenommen und in die Auelehme eingearbeitet wurden. Dies ist ein möglicher Grund für das beobachtete Anwachsen der Auelehme, aber auch Talverbauungen wie Mühlwehre spielten vermutlich eine große Rolle. Die Erforschung dieses direkten Einflusses des Menschen auf die Flusslandschaften ist ein Forschungsprojekt, das aus der hier vorliegenden Arbeit hervorgehen kann.

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Larsen, Annegret: Past natural and anthropogenically altered sediment flux in the Spessart mountains – a central European landscape. 2012.

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