Impact of climate change and stocking rates on pasture systems in SE Morocco [Elektronische Ressource] : an application of the SAVANNA ecosystem model / vorgelegt von Andreas Roth

Andreas Roth

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• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Impact of climate change and stocking rates on pasture
systems in SE Morocco – An Application of the
SAVANNA Ecosystem Model



Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn


vorgelegt von
Andreas Roth
aus
Hannover



Bonn, im Dezember 2009

Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Erscheinungsjahr 2010



























1. Gutachter: Prof. Dr. H. Goldbach
2. Gutachter: Prof. Dr. B. Diekkrüger
Tag der Promotion: 23. April 2010

For my wife Therese
and
in loving memory for my mother



Summary
Extensive sheep and goat grazing provides the main income for population in Morocco’s
semi-arid to arid areas where rainfall does not permit cropping without irrigation. As
processes of vegetation dynamics cannot be assessed via short-term approaches, modelling
grazing and biomass productivity may provide better information for planning the sustainable
use of these ecosystems.
Southern Morocco has faced decreasing annual rainfall over the last two decades, with a
strong impact on the sustainability of the regional ecosystems. Increasing herd sizes as a
strategy to offset climate-induced variabilities in animal forage leads to an even more
enhanced degradation. The aim of this work was to study the vegetation responses to a
changing climate and to alternating livestock numbers. We used the spatially explicit,
©process-oriented ecosystem model SAVANNA (Coughenour 1993) to formulise the reaction
of the grass, shrub and tree plant functional types (PFT) for the period 1980-2000. The goal
was to test its functionality and ability to simulate conditions based on elaborated plant, soil,
and climate data. Next we evaluated a range of carrying capacity and climate change
scenarios for the period 2001-2050 using the regional climate model REMO.
The objective was to determine whether the simulation results obtained are anthropogenic or
climate-induced. The outcomes showed on the one hand that the stocking rate highly
influenced biomass production and inter-/ intra-PFT competition, thus reflecting the strong
anthropogenic impact, and on the other hand that the climatic impact was weaker. However,
together, the stocking rates and the increasing variability of rainfall introduced by the IPCC
scenarios largely affected biomass production in all scenarios. All three PFT’s aboveground
net primary production (ANPP) values remained constant or even decreased. Animal energy
balances showed a high sensitivity to temporal variations in biomass. A high temporal
variability was observed for nitrogen content in plants. Water condition related parameters,
e.g. potential evapotranspiration, transpiration, and plant-available soil water are strongly
related to rainfall, but showed a specific level of adaptation according to the predicted climate
scenarios and livestock number. Under the assumptions made, the model simulated animal
energy conditions, life-cycles, and forage values to an acceptable degree indicating both a
sustainable resource use and human benefit. The simulation results obtained for plant
growth parameters and water status agreed with outcomes from similar modelling
approaches found in literature. At the end an adequate model structure was developed
delivering future carrying capacity information by analysing the most important functional
parts, floristic composition, spatial structure, and productivity of a grazed ecosystem in a
water-limited environment.
Kurzfassung
In Trockengebieten wird neben der Bewässerungslandwirtschaft die extensive Beweidungs-
wirtschaft zur Haupteinkommensquelle für die Bevölkerung. Seit Ende der 1970’ er Jahre
werden im Drâa Einzugsgebiet in Südost Marokko abnehmende jährliche Niederschlags-
summen beobachtet. Hinzu kommt eine erhöhte Variabilität der Niederschläge, die sich auf
die Vegetation auswirkt und zur Erhaltung des Ökosystems eine Anpassung der
Herdengrößen erfordert. Im Hinblick auf eine nachhaltige Ökosystemnutzung wurden in
dieser Arbeit Auswirkungen der Klimavariabilität und Herdengröße auf die
Vegetationszusammensetzung und ihre Produktivität im Untersuchungsgebiet analysiert.
©Dazu wurden mit Hilfe des Ökosystemmodells SAVANNA (Coughenour 1993)
Langzeitanalysen von Vegetationsdynamiken unter Beweidung durchgeführt.
Dieses prozessorientierte, raumzeitlich hochauflösende Ökosystemmodell wurde für die
Analyse von Kraut-, Strauch- und Baumschichtdynamiken als grundlegende funktionale
Pflanzentypen (PFT) für die Basisperiode 1980-2000 verwendet. Auf der Grundlage von
erhobenen Tierzensus-, Boden-, Pflanzen- und Klimadaten wurde die Plausibilität und
Anwendbarkeit des Modells überprüft um anschließend eine Reihe von Tragfähigkeits- und
Klimaszenarien auf der Basis des regionalen Klimamodells REMO über den Zeitraum 2001-
2050 zu berechnen.
Das Ziel dieser Arbeit ist anhand der Szenarienergebnisse sowohl den klimatischen als auch
den menschlichen Einfluss zu identifizieren. Dabei zeigen die Ergebnisse ein bedeutendes
menschliches Einflusspotenzial sowohl auf die gesamte Biomasseproduktion als auch auf
die PFT Zusammensetzung. Der klimatische Einfluss wird in den Ergebnissen insbesondere
durch das Niederschlagsniveau mit der Rückkopplung auf den regionalen Wasserhaushalt
deutlich. Insgesamt langfristiger angelegt als der menschliche Einfluss zeigen die Resultate
ein bestimmtes Anpassungsniveau z.B. der Transpiration und potentiellen
Evapotranspiration an das verwendete Klimaszenario. Zusammengenommen führen der
angenommene Beweidungsdruck und die höhere zukünftige Niederschlagsvariabilität zu
erheblichen Veränderungen in der Biomasseproduktivität aller Szenarien. Die
Nahrungsgrundlage der Tiere, die fressbare oberirdische Biomasseproduktion (ANPP) aller
drei PFT, zeigt ebenso eine hohe zeitliche Variabilität und nimmt langfristig, auch durch den
Entzug der Nährstoffe, ab. Für die Nachhaltigkeit und Tragfähigkeit des Ökosystems
bedeuten die im Szenario erzielten Ergebnisse, dass der saisonale Charakter der Beweidung
in Zukunft deutlich wichtiger wird und dahingehend eine Anpassung erfolgen sollte.
Die hier berechneten Szenarienergebnisse zu Pflanzenwachstum, beweidbarer Biomasse
und Wasserhaushalt eines semi-ariden Untersuchungsraumes liegen in Übereinstimmung
mit Literaturwerten. Damit vereint diese Studie eine adäquate Modellstruktur zur Analyse der
wichtigsten funktionalen Ökosystemfaktoren: der floristischen Zusammensetzung, der
räumlichen Struktur und ihrer Produktivität in einem wasserlimitierten Untersuchungsgebiet. I
Contents
Contents ................................................................................................ I
List of Figures ..................... IV
List of Tables ........................................................................................ X
Abbrevations ...................... XII
1 Introduction ............................................................................... 1
1.1 Scientific placement ............................. 2
©1.2 The SAVANNA Model .......................... 4
1.3 The GLOWA IMPETUS project ............................................................................. 5
1.4 Description of the study area ............... 6
1.4.1 Climate Conditions ................................................................................................. 8
1.4.2 Pedology .............................................................................................................. 10
1.4.3 Vegetation ............ 11
1.4.4 Herbivores ............ 18
1.5 Study objectives and working hypotheses ....................................................... 20
2 Materials and Methods ........................................................... 22
2.1 Measurement test sites....................................................... 22
2.2 Transpiration measurements ............. 24
2.3 Plant nutrients ..................................................................................................... 26
©2.4 SAVANNA Model description ........... 26
2.4.1 Vegetation sub-model .......................................................................................... 27
2.4.2 Soil sub-model ..................................... 31
2.4.3 Weather sub-model .............................. 33
2.4.4 Animal dynamics sub-models ............................................................................... 34
2.4.5 Spatial modelling and landscape characterisation ................ 38
2.4.6 Dataset ................................................. 42
2.