Ecohydrological feedback mechanisms in arid rangelands: Simulating the impacts of topography and land use

The interaction between ecological and hydrological processes is particularly important in arid and semi-arid regions. Often the interaction between these processes is not completely understood and they are studied separately. We developed a grid-based computer model simulating the dynamics of the four most common vegetation types (perennial grass, annuals, dwarf shrubs and shrubs) and related hydrological processes in the region studied. Eco-hydrological interactions gain importance in rangelands with increasing slope, where vegetation cover obstructs run-off and decreases evaporation from the soil. Overgrazing can influence these positive feedback mechanisms. In this study, we first show that model predictions of cover and productivity of the vegetation types are realistic by comparing them with estimates obtained from field surveys. Then, we apply a realistic range in slope angle combined with two land use regimes (light versus heavy grazing intensity).Our simulation results reveal that hydrological processes and associated productivity are strongly affected by slope, whereas the magnitude of this impact depends on overgrazing. Under low stocking rates, undisturbed vegetation is maintained and run-off and evaporation remain low on flat plains and gentle slope. On steep slopes, run-off and evaporation become larger, while water retention potential decreases, which leads to reduced productivity. Overgrazing, however, reduces vegetation cover and biomass production and the landscape's ability to conserve water decreases even on flat plains and gentle slopes.Generally, the abundance of perennial grasses and shrubs decreases with increasing slope and grazing. Dominance is shifted towards shrubs and annuals. As a management recommendation we suggest that different vegetation growth forms should not only be regarded as forage producers but also as regulators of ecosystem functioning. Particularly on sloping range lands, a high percentage of cover by perennial vegetation insures that water is retained in the system.

ZusammenfassungBesonders in trockenen und halb-trockenen Regionen interagieren ökologische und hydrologische Prozesse. Oft ist die Interaktion dieser Prozesse schlecht verstanden, und sie werden nur getrennt untersucht. Wir haben ein gitterbasiertes Computermodell entwickelt, welches die Dynamik der vier häufigsten Vegetationstypen (perennierendes Gras, Annuelle, Zwergsträucher und Büsche) sowie die damit verbundenen hydrologischen Prozesse simuliert. Da die Vegetationsbedeckung Wasserabfluss und Evaporation aus dem Boden reduziert, haben ökohydrologische Rückkopplungsmechanismen in Beweidungsgebieten an Hanglage eine besondere Bedeutung. Störungen wie Überweidung beeinflussen diese Rückkopplungsmechanismen indem sie die Vegetationsbedeckung und -zusammensetzung verändern. In dieser Untersuchung zeigen wir zuerst, dass unsere Modellvorhersagen realistisch sind indem wir simulierten Bedeckungsgrad und Produktivität der Vegetationstypen mit Bedeckungsgrad und Produktivität aus Felduntersuchungen vergleichen. Anschließend wenden wir das Modell für einen sinnvollen Bereich der Hangneigung und zwei Landnutzungsmöglichkeiten (hohe vs. niedrige Beweidungsintensität) an. Basierend auf den Simulationsergebnissen stellen wir fest, dass die Sensitivität der Ökosystemfunktion gegenüber Topographie stark durch Störungen wie Überweidung beeinflusst wird. Bei geringer Hangneigung ermöglichen geringe Besatzdichten eine ungestörte Vegetation und damit geringe Oberflächenabfluss- und Evaporationsraten. Mit zunehmender Hangneigung sinkt jedoch das Wasserrückhaltepotential der Landschaft. Überweidung wirkt negativ auf Vegetationsbedeckung, -zusammensetzung und Produktivität weshalb die Landschaft die Fähigkeit verliert den Oberflächenabfluss aufzufangen. Dies führt selbst in Landschaften mit geringer Hangneigung zu hohen Verlusten an Wasser. Nehmen Gefälle und Beweidungsdruck zu, sinkt die Abundanz der perennierenden Gräser und Zwergsträucher, während Büsche und Annuelle dominanter werden. Wir empfehlen die verschiedenen Vegetationstypen nicht nur als Futterlieferant sondern auch bezüglich ihrer Regulationsfunktion des Ökosystems zu betrachten. Besonders in Beweidungsgebieten in Hanglage garantiert ein hoher Bedeckungsgrad perennierender Vegetation, dass Wasser nicht das System verlässt und sogenannte, künstliche Trockenheiten’ zu einer raschen Abnahme in der Futterproduktion führen.