Water fluxes on different spatial and temporal scales in a semi-arid steppe environment: experimental and modelling approaches

Abstract

The presented study examines the impact of land use on hydrological processes in a steppe environment in northern China. Thus, a better understanding of the driving hydrological processes on different spatial and temporal scales will be obtained. The study took place in the Xilin river catchment in the Autonomous Region Inner Mongolia (PR China). Land use is dominated by grazing (mainly sheep), which resulted in degradation of soils and vegetation in some areas. The impact of grazing on water fluxes was analysed with experimental as well as with modelling approaches. Soil moisture measurements took place on five areas (approx. 1.5 ha each) with varying grazing intensity. The results show a) that the spatial distribution of soil moisture depends on the vegetation characteristics of the respective area and b) that despite there is no linear relationship between grazing intensity and soil moisture storage, grazing does have strong influence on productive and unproductive evaporation. Model studies using the hydrological model SWAT showed that evapotranspiration plays an important role in the study area during the vegetation period. Nevertheless, different methods used to calculate evapotranspiration do not have a major impact on the overall performance of the hydrological simulations. In order to extend the data basis for the hydrological simulation and to eventually increase the process understanding in the Xilin catchment, soil moisture data derived from satellite products (ERS-1/-2) were compared with ground based soil moisture measurements. The remote sensing data fail to reproduce ground based measurements due to the small scale spatial variability of convective precipitation, and hence, are only of limited utility in the study area. In vorliegender Arbeit wurde der Einfluss der Landnutzung auf Komponenten des Wasserhaushalts in einer Steppenlandschaft in Nordchina untersucht. Dadurch soll ein besseres Verständnis der treibenden hydrologischen Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen erlangt werden. Die Untersuchungen wurden im Einzugsgebiet des Xilin River in der Autonomen Region Innere Mongolei (VR China) durchgeführt. Die landwirtschaftliche Nutzung ist geprägt von Weidewirtschaft (v.a. Schafe), die in einigen Gebieten zu Degradierung von Böden und Vegetation geführt hat. Der Einfluss der Beweidung auf Wasserflüsse wurde experimentell und mit Modellierungsansätzen untersucht. Bodenfeuchtemessungen wurden auf fünf Flächen (jeweils ca. 1,5 ha) mit unterschiedlicher Beweidungsintensität durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen a) dass die räumliche Verteilung der Bodenfeuchte von den Vegetationseigenschaften der jeweiligen Fläche abhängt und b) dass zwar kein linearer Zusammenhang zwischen Beweidungsintensität und Bodenfeuchtespeicherung existiert, jedoch die Beweidung starken Einfluss auf produktive und unproduktive Verdunstung hat. In Modellstudien mit dem Wasserhaushaltsmodell SWAT wurde gezeigt dass die Evapotranspiration im Untersuchungsgebiet während der Vegetationsperiode eine wichtige Rolle spielt. Jedoch ist die Methode zur Berechnung der Evapotranspiration nicht entscheidend für die Güte der Wasserhaushaltsmodellierung. Um die Datengrundlage für die Wasserhaushaltsmodellierung und letztendlich das Prozessverständnis im Einzugsgebiet zu erhöhen wurden Bodenfeuchtedaten aus Fernerkundungsprodukten (ERS-1/-2) mit den am Boden gemessenen Daten verglichen. Die Fernerkundungsdaten zeigen aufgrund der kleinräumigen Variabilität der (zumeist) konvektiven Niederschläge hohen Versatz zu den gemessenen Bodenfeuchtewerten und sind deshalb nur bedingt für den Einsatz im Untersuchungsgebiet geeignet.