Modeling of vegetation dynamics and its contribution to the water balance in semi-arid lands of West Africa

Abstract

Initially considered as merely a spectator in the functioning of the Earth system, vegetation is now recognized as an important component of the global climate system through its control of energy fluxes over substantial portions of the land surface. Moreover, it has been shown that vegetation-atmosphere interactions regulate local weather and hydrological balances and regional climate. Thus, the vegetation-climate feedback is deemed essential to be included in climate change studies.<br /> This study focuses on the estimation of the contribution of tree stands to the surface water balance by means of transpiration and actual evapotranspiration (ETa). The study used the nature reserve of Bontioli (NRB) in southwestern Burkina Faso, from which it scaled up to larger areas within the Volta Basin. This was achieved by modeling tree density and estimating daily whole-tree water use rates.<br /> The method of research encompasses two components: (1) estimation of climate, tree species and water-related variables, and (2) remote sensing and GIS studies. The quantification of tree water uptake was achieved by the xylem Heat-Balance method to assess sap flow rates of 17 tree species measured continuously from April 2005 to December 2006. During this period, weather data were recorded by Eddy Correlation and microclimate stations. Tree parameters were collected on the ground according to biometric standard methods in order to determine the phytosociology and the physiognomy of the vegetation cover. In addition, the LAI-SEB model, based on remotely sensed spectral vegetation indices and the surface energy balance outputs derived from the Aster image of November 2006, was developed to accurately estimate tree densities.<br /> The results reveal that the NRB is useful for biodiversity conservation because it provides a habitat for 71 (± 2) tree species representing 19 families, typical for tree savanna (33 species), shrub savanna (39) and gallery forest (10). The LAI-SEB model produced validated large-scale maps of (1) tree density by stem count, (2) tree density by DBH estimates and (3) tree density by crown cover estimates. The reliability of the model was proven through the comparison between the mean absolute tree density (331 ± 4 stems ha^-1) and the mean predicted tree density (325 ± 87 stems ha^-1). <br /> In the study area, the mean annual ETa was 94 % of the rainfall in the dry year 2005 and 80 % in the wet year 2006. The mean daily whole-tree water use rates ranged from 10.1 kg day^-1 for <em>Crossopteryx febrifuga</em> to 492 kg day^-1 for <em>Pterocarpus erinaceus</em>. Those rates were influenced and regulated by weather conditions, specifically by solar energy. Moreover, the field-specific mean daily tree stand transpiration was 0.7 mm day^-1; transpiration rates increased from dry to rainy seasons with highs between mid-June and mid-September. The predicted tree stand transpiration map obtained by means of the LAI-SEB model shows that 62.1 % of the map surface were not contributing to transpiration, whereas 34.3 % of its surface transpired between 0 and 1 mm day^-1. The mean daily ETa was 3.6 mm day^-1. The final analysis highlight that the contribution of large trees (DBH > 5 cm) to the water balance ranges from 9 to 20 % of rainfall, depending on the vegetation type and the weather conditions.<br /> These results demonstrate the importance of trees in the functioning of the surface water balance and climate regulation through the maintenance of evapotranspiration in semi-arid regions, particularly during dry seasons. Consequently, to mitigate drought, water scarcity, poverty, threats to livelihood and food security one should start by preventing the destructive effects of anthropogenic activities on vegetation covers. In this context, decision-makers should advocate regional and concerted efforts to restore natural vegetation through reforestation campaigns.

<strong>Die Modellierung der Vegetationsdynamik und deren Bedeutung für die Wasserbilanz in semi-ariden Regionen Westafrikas</strong><br /> Ursprünglich wurde die Vegetation lediglich als Zuschauer beim Funktionieren der Erdeökosystemen betrachtet. Nun wird sie als wichtiger Bestandteil des globalen Klimasystems aufgrund ihrer Beeinflussung der Energieflüsse über beträchtliche Teile der Landoberfläche verstanden. Hinzu kommt, dass die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre, die das lokale Wetter und das hydrologische Gleichgewicht sowie das regionale Klima regulieren, ausreichend nachgewiesen wurden. Daher ist die Rückkopplung von Vegetation und Klima wichtig genug, um in Studien über den Klimawandel berücksichtigt zu werden.<br /> Diese Studie legt ihren Schwerpunkt auf den Beitrag, den die Baumbestände durch ihre Transpiration und die aktuelle Evapotranspiration (ETa) zum Oberflächenwasserhaushalt haben. Sie wurde im Naturschutzgebiet von Bontioli im Südwesten von Burkina Faso durchgeführt. Die Ergebnisse werden hochskaliert auf größere Gebiete im Volta Becken. Hierzu wurde die Modellierung von Baumdichte und die Ermittlung der von den Bäumen täglich umgesetzten Wassermenge durchgeführt.<br /> Die Methode besteht aus zwei Teilen: (1) klima-, baumarten-, und wasserbezogene Variablen sowie (2) Fernerkundung und GIS-Techniken. Die durch die Bäume aufgenommene Wassermenge wurde mit der Xylem Heat-Balance Methode ermittelt. Dazu wurde der Saftfluss von 17 Baumarten zwischen April 2005 bis Dezember 2006 durchgehend gemessen. In diesem Zeitraum wurden Wetterdaten durch Eddy-Kovarianz- und Kleinklimastationen aufgezeichnet. Baumparameter wurden am Boden auf der Grundlage von biometrischen Standardmethoden erfasst, um die Phytosoziologie und die Physiognomie der Vegetationsbedeckung zu ermitteln. Außerdem wurde das LAI-SEB-Modell auf der Grundlage von fern erkundeten Spektralvegetationsindices und Oberflächenenergiehaushalt aus dem Aster-Satellitenbild von November 2006 zur Berechnung der Baumdichte entwickelt.<br /> Die Ergebnisse zeigen, dass das Naturschutzgebiet Bontioli ein geeigneter Pool für den Biodiversitätenschutz darstellt, da es Lebensraum für 71 (± 2) Baumarten, unterteilt in 19 Familien nach Baumsavanne (33 Arten), Strauchsavanne (39) und Galeriewald (10), bietet. Das LAI-SEB-Modell produzierte validierte, großmaßstäbliche Karten von (1) Baumdichten auf der Grundlage von Anzahl der Baumstämme, (2) Baumdichten auf der Grundlage von Stammumfang sowie (3) Baumdichten auf der Grundlage von Kronenbedeckung. Die Zuverlässigkeit des Modells wurde durch den Vergleich zwischen der mittleren absoluten Baumdichte (331 ± 4 Stämme ha^-1) und der mittleren errechneten Baumdichte (325 ± 87 Stämme ha^-1) nachgewiesen.<br /> Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass im Untersuchungsgebiet die mittlere jährliche ETa 94 % der Niederschlagsmengen im trockenen Jahr 2005 und 80 % im nassen Jahr 2006 betrug. Der mittlere tägliche Wasserverbrauch von ganzen Bäumen lag zwischen 10.1 kg Tag^-1 bei <em>Crossopteryx febrifuga</em> bis 492.3 kg Tag^-1 bei <em>Pterocarpus erinaceus</em>. Diese Mengen wurden durch die Wetterbedingungen beeinflusst und reguliert, insbesondere durch den Bodenwärmefluss in Zusammenhang mit Lufttemperatur. Außerdem betrug die feldspezifische mittlere tägliche Transpiration von Baumbeständen 0.7 mm Tag^-1; die Transpirationsmengen nahmen von den Trocken- zu den Regenzeiten zu, wobei diese Zunahme zwischen Mitte Juni und Mitte September hoch war. Die durch das LAI-SEB-Modell erhaltene Karte der Transpiration der Baumbestände zeigt, dass 62.1 % der Region hinsichtlich Transpiration unproduktiv war, und dass in 34.3 % des Gebietes die Transpiration zwischen 0 und 1 mm Tag^-1 betrug; die mittlere tägliche ETa betrug 3.6 mm Tag^-1. Die abschließende Analyse zeigt, dass der Beitrag der großen Bäume (DBH > 5 cm) zum Wasserhaushalt zwischen 9 und 20 % des Niederschlags beträgt, abhängig von Vegetationstyp und Wetterbedingungen.<br /> Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig die Bäume mit ihrer Evapotranspiration für Oberflächenwasserhaushalt und Klimaregulierung in semi-ariden Gebieten sind, insbesondere während der Trockenzeit. Als Konsequenz müssen die destruktiven Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Vegetationsbedeckung verhindert werden. Nur durch Erhalt und Erweiterung der Vegetationsbedeckung können Dürren, Wasserknappheit, Armut, und Nahrungsmittelknappheit erfolgreich und nachhaltig bekämpft und werden. In diesem Zusammenhang sollten sich Entscheidungsträger für regionale und konzertierte Maßnahmen einsetzen, um die natürliche Vegetation durch Wiederaufforstung wiederherzustellen.