Quantifying the effect of vegetation and land use on soil hydrological functioning along a regional transect in southern Africa

Abstract

The catchment of the Okavango River extends over three countries and two hydro-climatic zones in Southern Africa, from the dry sub-humid headwaters in the central highlands of Angola over the semi-arid Kavango region in northern Namibia to its semi-arid inland delta region in Botswana. For flora, fauna and not the least the human pop-ulation, the river system is a reliable source of livelihood in an environment otherwise characterized by very limited water supply. An increasing population growth exerts direct pressure on this resource by abstraction for human consumption, irrigation purposes or livestock farming, whereas indirect pressure effects due to change of land use cause modifications of the hydrological cycle. The change-related reactions and consequences for soil-water balances and dynamics are analysed based on three over-arching questions: 1.) How does agricultural land use expansion change soil water balances in a dry sub-humid landscape in Angola? 2.) How is the influence of different vegetation and agricultural land use character-istics on soil water balances in northern Namibia? 3.) How does bush encroachment alter soil water dynamics and potential ground-water recharge in the semi-arid highlands of central Namibia? Three regional case studies along the hydro-climatic gradient of the catchment describe 1.) pristine conditions with grassland and woodlands as well as 2.) scenarios characterized by smallholder dryland agriculture and commercialized agriculture under irrigation. Methodically, a detailed pedological survey comprising static soil-hydrological parameters, time series of soil-water contents and potentials as well as vegetation analysis are combined with a long-term soil-hydrological simulation based on land-use scenarios. General findings show an increase in deep drainage by an additional 29 % of the precipitation input for the study sites in Angola and northern Namibia with conversion from pristine conditions to subsistence agriculture. For the irrigation scenarios, the key finding is that application of integrated soil-hydrology irrigation management will lead to a 30 % to 60 % lower water abstraction in contrast to the evapotranspiration demand calculations. An increasing bush encroachment leads to complete suppression of bottom fluxes in the central Namibian highlands. The soil-hydrological elasticity of the pristine ecosystems in Angola and northern Namibia are able to support medium-to-high crop densities provided there is sufficient nutrient supply. On the other hand, the ecosystem drought resilience of the thornbush savannah in central Namibia decreases with increasing bush encroachment caused by diminished soil water buffers. The hydrological effects of land-use changes have multiple impacts on upstream/downstream relations, where the higher drainage rates in the headwater regions lead to improved water supply in downstream regions over the dry season. Increasing bottom fluxes are concomitant with an increased nutrient leaching, and mitigation measures - e.g. vegetation management in an agroforestry system in headwater regions - decrease the formerly positive effects of downstream hydrograph changes. In contrast to flood and leaching control by conservational vegetation management in areas generating river run-off, debushing measures in parts of the catchment affected by dry spells can support groundwater recharge and increase the ecohydrological resilience by restoring soil water buffers. This study illustrates the possibilities of how a combined empiric-conceptional based approach can contribute to an in-depth knowledge of fundamentals and consequences of land use and land cover change in an area of tension between contrasting soil water utilization in drylands and subsequent hydrological processes. Especially in regions with limited data, this approach is able to support measures for a sustainable land use and ecosystem management.

Das Einzugsgebiet des Okavango erstreckt sich über drei Länder und zwei hydroklima-tische Zonen im südlichen Afrika, ausgehend von den trocken-subhumiden Gebieten des Oberlaufs im zentralen Hochland Angolas über die semiaride Kavangoregion in Nordnamibia bis zu den semiariden Bereichen des Inlanddeltas in Botswana. Für Flora, Fauna und nicht zuletzt für die menschliche Bevölkerung stellt dieses Flusssystem eine zuverlässige Quelle der Existenzsicherung in einer sonst wasserlimitierten Umgebung dar. Ein zunehmendes Bevölkerungswachstum übt einen direkten Nutzungsdruck auf diese Ressource aus, sei es durch Wasserentnahme für den direkten menschlichen Konsum, zur Bewässerung landwirtschaftlicher Nutzflächen oder für die Viehhaltung. Hinzu kommt die indirekte Beeinflussung des hydrologischen Kreislaufs durch einen zunehmenden Landnutzungswandel. Die, durch den Wandel bedingten Auswirkungen auf Bodenwasserdynamiken und den damit verbundenen Konsequenzen für Wasserbi-lanzen werden anhand von drei übergeordneten Fragestellungen analysiert: 1. Wie verändert eine Expansion landwirtschaftlicher Nutzflächen die Bodenwas-serbilanzen einer trocken sub-humiden Landschaft in Angola? 2. Wie ist der Einfluss verschiedener Vegetations- und Landnutzungscharakteristika auf Bodenwasserbilanzen in Nordnamibia? 3. Wie verändert eine Verbuschung Bodenwasserdynamiken und welche Konse-quenzen hat dies für eine potentielle Grundwasserneubildung im zentralen Hoch-land von Namibia? Drei regionale Fallbeispiele, entlang des hydroklimatischen Gradienten des Einzugsge-bietes des Okavango, beschreiben dazu 1.) natürliche und naturnahe Bedingungen von Gras- und Waldgebieten sowie 2.) Nutzungsszenarien des kleinbäuerlich-extensiven Regenfeldbaus im Kontrast zu kommerziell-intensivem Bewässerungsanbau. Metho-disch werden dafür detaillierte statische wie zeitlich dynamische bodenhydrologische Messungen und Vegetationsanalysen mit Langzeitsimulationen des Bodenwasserhaus-haltes verbunden. Im Ergebnis zeigen sich Zunahmen der Tiefendrainage um zusätzlich 29 % des erwartbaren Niederschlages in den Untersuchungsgebieten in Angola und Nordnamibia durch eine Umwandlung naturnaher Flächen in kleinbäuerliche Nut-zungssysteme. Unter der Berücksichtigung bodenhydrologischer Eigenschaften und Dynamiken innerhalb eines modellbasierten Bewässerungsmanagements, ergeben sich mögliche Verringerungen der Wasserentnahme um 30 % bis 60 % im Vergleich zu Be-rechnungen basierend auf der Wassernachfrage der aktuellen Evapotranspiration. Die Auswirkungen zunehmender Verbuschung im zentralen Hochland Namibias zeigen eine komplette Reduktion von in offeneren Landschaftsteilen gering auftretenden Tie-fenversickerungen bei gleichzeitiger Abnahme der bodenhydrologischen Resilienz durch verringerte Mengen an zwischengespeichertem Bodenwasser. Die abgeleitete ökohydrologische Elastizität der naturnahen Systeme in Angola und Nordnamibia zeigt dagegen die Möglichkeit höher Pflanzdichten im Trockenfeldbau unter der Vorausset-zung einer ausreichenden Verfügbarkeit von Nährstoffen. Die hydrologischen Effekte des Landnutzungswandels haben vielfache Auswirkungen auf die Oberlauf-Unterlaufbeziehungen der betreffenden Regionen der Anrainerstaaten. Eine zuneh-mende Tiefenversickerung in Oberlaufregionen verbessert die Wasserverfügbarkeit zu Trockenzeiten in Regionen am Mittellauf. Die erhöhte Bodenwasserdynamik ist gleich-zeitig verbunden mit Nährstoffauswaschungen und Kompensationsmaßnahmen durch ein Vegetationsmanagement schwächen die positiven Effekte erhöhter Trockenab-flussmengen im Unterlauf wiederum ab. Im Gegensatz zu konservierendem Ökosys-temmanagement in abflussgenerierenden Regionen, Entbuschungsmaßnahmen in Be-reichen des Einzugsgebietes, welche besonders anfällig gegenüber Trockenzeiten sind, können sich positiv auf die Tiefenversickerung und damit auf die Grundwasserneubil-dung auswirken. Gleichzeitig kommt es zu einer Steigerung der ökohydrologischen Resilienz gegenüber Dürreperioden durch die Erhöhung zwischengespeicherter Bo-denwassermengen. Diese Studie zeigt auf, wie ein empirisch-konzeptioneller Ansatz dazu beitragen kann, ein vertieftes Systemverständnis von Auswirkungen des Landnut-zungswandels im Spannungsfeld unterschiedlicher Bodenwassernutzungen in Tro-ckengebieten zu entwickeln. Speziell in Regionen mit eingeschränkter Datenverfügbar-keit ist ein solcher Ansatz in der Lage ein nachhaltiges Landnutzungs- und Ökosystem-management zu unterstützen.