Les aménagements hydro-agricoles constituent un moyen d'accroître le rendement agricole et d'assurer ainsi la sécurité alimentaire des populations. Cependant ces aménagements contribuent dans bien des cas à une détérioration du milieu biophysique car les politiques n'intègrent pas souvent une meilleure gestion environnementale. Ce constat de dégradation environnementale est aujourd'hui perceptible à l'Office du Niger qui est notre zone d'étude : - L'afflux massif de nouveaux colons entraînant un taux de croissance (3,2%); - La présence de maladies hydriques (50% d'enfants touchés par le paludisme et 80% qui développent la bilharziose urinaire); - La gestion des parcours est rendue difficile (les capacités de charge sont passées de 8 ha/UBT en 1985 à 5 ha/UBT depuis 1990); - Environ 43% d'eau arrive au niveau des parcelles alors que la norme est de 60%. Même si les impacts ne sont pas de grande ampleur sur la qualité des sols, la salinisation se manifeste dans la zone de Molodo. La nappe phréatique est aujourd'hui remontée à 3 m. La pression sur la ressource ligneuse, fait qu'à brève échéance il serait difficile de trouver du bois. Cela nous a amené à nous questionner sur la durabilité de ces aménagements. Les questions de fonds sont : quelles méthodes et outils utilisés pour concevoir un modèle optimal de l'utilisation des terres? Quels sont les principaux paramètres environnementaux pertinents pour le modèle? Quels sont les scénarios qui minimisent les impacts environnementaux? L'objectif de la recherche vise à construire des scénarios durables pour aider à la prise de décision en matière d'aménagement agricoles. L'organigramme méthodologique met en avant l'extraction d'indicateurs et de paramètres environnementaux été intégrées à un modèle d'optimisation. L'analyse de l'occupation du sol indique une réduction de la couverture végétale, les populations se préoccupent plus du maintien de la productivité des sols, mais font également le constat de la persistance des maladies. D'autres parts, elles n'ont pas conscience du gaspillage de la ressource eau et la gestion des parcours a plus d'ampleur à Boky Wéré, lieu des animaux transhumants. L'évaluation des indicateurs pédologiques démontrent que les aménagements influent peu sur la qualité des sols. Le modèle propose trois scénarios (actuel, intensif et durable). Les scénarios simulés n'indiquent pas de développement durable mais un développement à impact moindre pour le scénario durable car l'indice global n'est stable pour aucun des scénarios. Notre approche de modélisation apporte une autre vision pour la gestion des problèmes environnementaux des aménagements hydro-agricoles. Elle a ses limites car elle n'a pas la possibilité de simuler tous les paramètres notamment certains indicateurs pédologiques dont les données sont par nature discontinues dans l'espace et le temps. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : aménagements hydro-agricoles, indicateurs environnementaux, changement dans l'occupation du sol, paramètres physicochimiques des sols, scénarios optimaux.

Logging and large earthquakes are disturbances that may significantly affect hydrological and erosional processes and process rates, although in decisively different ways. Despite numerous studies that have documented the impacts of both deforestation and earthquakes on water and sediment fluxes, a number of details regarding the timing and type of de- and reforestation; seismic impacts on subsurface water fluxes; or the overall geomorphic work involved have remained unresolved. The main objective of this thesis is to address these shortcomings and to better understand and compare the hydrological and erosional process responses to such natural and man-made disturbances. To this end, south-central Chile provides an excellent natural laboratory owing to its high seismicity and the ongoing conversion of land into highly productive plantation forests. In this dissertation I combine paired catchment experiments, data analysis techniques, and physics-based modelling to investigate: 1) the effect of plantation forests on water resources, 2) the source and sink behavior of timber harvest areas in terms of overland flow generation and sediment fluxes, 3) geomorphic work and its efficiency as a function of seasonal logging, 4) possible hydrologic responses of the saturated zone to the 2010 Maule earthquake and 5) responses of the vadose zone to this earthquake. Re 1) In order to quantify the hydrologic impact of plantation forests, it is fundamental to first establish their water balances. I show that tree species is not significant in this regard, i.e. Pinus radiata and Eucalyptus globulus do not trigger any decisive different hydrologic response. Instead, water consumption is more sensitive to soil-water supply for the local hydro-climatic conditions. Re 2) Contradictory opinions exist about whether timber harvest areas (THA) generate or capture overland flow and sediment. Although THAs contribute significantly to hydrology and sediment transport because of their spatial extent, little is known about the hydrological and erosional processes occurring on them. I show that THAs may act as both sources and sinks for overland flow, which in turn intensifies surface erosion. Above a rainfall intensity of ~20 mm/h, which corresponds to <10% of all rainfall, THAs may generate runoff whereas below that threshold they remain sinks. The overall contribution of Hortonian runoff is thus secondary considering the local rainfall regime. The bulk of both runoff and sediment is generated by Dunne, saturation excess, overland flow. I also show that logging may increase infiltrability on THAs which may cause an initial decrease in streamflow followed by an increase after the groundwater storage has been refilled. Re 3) I present changes in frequency-magnitude distributions following seasonal logging by applying Quantile Regression Forests at hitherto unprecedented detail. It is clearly the season that controls the hydro-geomorphic work efficiency of clear cutting. Logging, particularly dry seasonal logging, caused a shift of work efficiency towards less flashy and mere but more frequent moderate rainfall-runoff events. The sediment transport is dominated by Dunne overland flow which is consistent with physics-based modelling using WASA-SED. Re 4) It is well accepted that earthquakes may affect hydrological processes in the saturated zone. Assuming such flow conditions, consolidation of saturated saprolitic material is one possible response. Consolidation raises the hydraulic gradients which may explain the observed increase in discharge following earthquakes. By doing so, squeezed water saturates the soil which in turn increases the water accessible for plant transpiration. Post-seismic enhanced transpiration is reflected in the intensification of diurnal cycling. Re 5) Assuming unsaturated conditions, I present the first evidence that the vadose zone may also respond to seismic waves by releasing pore water which in turn feeds groundwater reservoirs. By doing so, water tables along the valley bottoms are elevated thus providing additional water resources to the riparian vegetation. By inverse modelling, the transient increase in transpiration is found to be 30-60%. Based on the data available, both hypotheses, are not testable. Finally, when comparing the hydrological and erosional effects of the Maule earthquake with the impact of planting exotic plantation forests, the overall observed earthquake effects are comparably small, and limited to short time scales. / Landmanagement und tektonische Prozesse haben einen erheblichen Einfluss auf das Abflussverhalten und den Wasser-, sowie den Sedimenthaushalt von Gebirgsregionen. Sowohl forstwirtschaftliche Bewirtschaftung, als auch starke Erdbeben sind Impulse, die hydrologische und Erosionsprozesse, sowie deren Prozessraten beeinflussen. Obwohl zahlreiche Arbeiten bereits den Einfluss von forstlicher Bewirtschaftung (Abholzungen, Aufforstungen) als auch von Erdbeben auf Wasser und Sedimentflüsse dokumentiert haben, bleiben wichtige Fragen offen. Wie entscheidend ist der Zeitpunkts der Abholzung und des nachfolgenden Wiederaufforstens? Wie wirken seismische Störungen auf unterirdische Wasserflüsse? Wie ändert sich die geomorphologische Arbeit nach Kahlschlägen? Zur Erforschung dieser Fragen bietet sich das südliche Zentralchile aufgrund seiner hohen lokalen seismischen Aktivität und der kontinuierlichen Umwidmung von Flächen in hochproduktive Plantagenwälder hervorragend an. Letztere verursachen sich häufig verändernde Umweltbedingungen durch kurze forstwirtschaftliche Rotationszyklen. Diese Dissertation betrachtet Einzugsgebiete mit vergleichbarer naturräumlicher Ausstattung. Dabei werden experimentelle Datenerhebung, ein Monitoring-Programm und Datenanalysetechniken mit prozessbasierter Modellierung kombiniert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist: 1) die Untersuchung des Einflusses von Plantagenwäldern auf den lokalen Wasserhaushalt. Hier zeigt sich, dass die Baumart (Pinus radiata vs. Eucalyptus globulus) keinen entscheidenden Einfluss auf die lokale Wasserbilanz hat. Vielmehr ist der Bodenwasserspeicher unter dem gegebenen lokalen Hydroklima der entscheidende Faktor für den Wasserverbrauch. 2) die Untersuchung des Verhaltens von Kahlschlagflächen im Hinblick auf Quellen oder Senkenwirkung für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport. Hier zeigt sich, dass diese Flächen sowohl als Quelle als auch als Senke für Oberflächenabfluss und Sedimenttransport wirken können – abhängig von der Regenintensität. Übersteigt diese ~20 mm/h, was <10 % der lokalen Niederschlagsereignisse entspricht, generieren Kahlschlagflächen Horton-Oberflächenabfluss (Infiltrationsüberschuss) und Sedimenttransport. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirken sie als Senke. In Anbetracht der lokalen Niederschlagintensitäten ist der Gesamtbeitrag des Horton-Oberflächenabflusses daher sekundär. Der Großteil des Abflusses entsteht durch Dunne-Oberflächenabfluss (Sättigungsüberschuss). Zudem zeigt die vorliegende Arbeit, dass Abholzen die Infiltrabilität erhöhen kann. Dies führte dazu, dass zunächst der Gebietsabfluss abfällt bevor er erst nach Auffüllen des Grundwasserspeichers signifikant ansteigt. 3) Die Untersuchung des Einflusses von Kahlschlägen auf die hydro-geomorphologische Arbeit und ihre Effizienz. Durch das Anwenden von Quantile Regression Forests (QRF) wird auf kurzer Prozessskala gezeigt, dass Abholzung zu unterschiedlicher Jahreszeit zu signifikanten Veränderungen im Sedimenttransport führt. Vor allem Kahlschläge die während der Trockenzeit durchgeführt werden, verursachten einen Bedeutungsverlust von seltenen, stärkeren Abflussereignissen zu Gunsten der häufigeren, jedoch weniger starken Ereignissen. Hierbei dominierte der Dunne-Oberflächenabfluss. Dies stimmt mit den Ergebnissen eines prozessbasierten hydrologischen Modells (WASA-SED) überein. Es ist somit eindeutig die Jahreszeit, die die Leistung der hydro-geomorphologischer Arbeit nach Kahlschlägen prägte. 4) die Untersuchung von Grundwasserreaktionen auf das M8.8 Maule Erdbeben. Unter Grundwasserbedingungen kann der gesättigte Saprolith mit Verdichtung auf die Erdbebenerschütterungen reagieren. Dieser Prozess erhöht den hydraulischen Gradienten, der eine plausible Erklärung für den beobachteten Anstieg am Gebietsausfluss nach dem Erdbeben liefert. Die Verdichtung mobilisiert Grundwasser, das zudem von der ungesättigten Bodenmatrix aufgenommen werden kann. Hierdurch erhöht sich das Wasservolumen im Wurzelraum und begünstigt die Pflanzaktivität. Eine solche Aktivitätserhöhung spiegelt sich in verstärkten Tagesgängen wider. 5) die Untersuchung von hydrologischen Reaktionen auf das Erdbeben in der ungesättigten Zone. Hier zeigt sich, dass auch Bodenwasser aus der ungesättigten Bodenzone durch Erdbebenerschütterungen freigesetzt werden kann und den darunter liegenden Grundwasserspeicher zufließt. Hierdurch steigt der Grundwasserspiegel in den Talböden und erhöht dort die Pflanzenwasserverfügbarkeit. Durch inverse Modellierung wurde ein erdbebenbedingter Anstieg der Pflanzenaktivität von 30-60% quantifiziert. Beide Hypothesen sind jedoch auf Basis der verfügbaren Daten nicht eindeutig verifizierbar. Vergleicht man den Effekt des Erdbebens auf den Wasserhaushalt mit dem Effekt der exotischen Plantagenwälder zeigt sich, dass die Gesamtwirkung des Erdbebens auf den Wasserhaushalt vergleichsweise klein war und sich zudem auf kurze Zeiträume beschränkte.

In dem EU-Projekt NEYMO – Lausitzer Neiße/Nysa Łużycka – Klimatische und hydrologische Modellierung, Analyse und Prognose – werden gemeinsam mit dem polnischen Projektpartner (IMGW-PIB) die klimatischen und hydrologischen Verhältnisse und das Wasserdargebot im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße untersucht. Schwerpunkt der Broschüre sind die Ergebnisse der Klimaanalyse, bei der das Klima der letzten 40 Jahre sowie verschiedene Klimaprojektionen für die Grenzregion Lausitzer Neiße bis zum Ende des 21. Jahrhunderts betrachtet wurden. Trendtests zeigten, dass bereits in den letzten 40 Jahren Zunahmen der Temperaturen, Sonnenscheindauer und potenziellen Verdunstung beobachtet wurden. Diese Trends werden sich laut der verwendeten Klimaprojektionen weiter fortsetzen. Die Niederschlagsmengen zeigten in der Vergangenheit einen leicht positiven Trend, weisen jedoch in den Projektionsdaten einen Rückgang auf. Aus klimatologischer Sicht verschlechtert sich somit die Wasserverfügbarkeit, insbesondere im Sommerhalbjahr. / W ramach realizacji unijnego projektu „NEYMO Lausitzer Neiße/Nysa Lużycka – Modelowanie klimatyczne i hydrologiczne, Analiza i Prognoza”, wspólnie z polskim partnerem projektu (IMGW-PIB) przeprowadzane są badania dotyczące warunków klimatycznych i hydrologicznych oraz zasobów wodnych regionu zlewni Nysy Łużyckiej. Wielkość zasobów wodnych jest analizowana z uwzględnieniem zarówno zmian warunków klimatycznych, jak i planowanego korzystania z zasobów wodnych w regionie. Na tej podstawie opracowywana jest wspólna strategia ukierunkowana na zwiększenie efektywności gospodarki wodnej w regionie granicznym. Broszura zawiera podstawowe informacje o projekcie, charakterystykę obszaru badań oraz opis klimatu. Warunki klimatyczne regionu granicznego zlewni Nysy Łużyckiej przedstawiono na podstawie obserwacji z ostatnich 40 lat, a także danych z projekcji klimatycznych sięgających końca XXI w. Charakterystyka klimatu została opracowana korzystając z wybranych wskaźników, dotyczących głównie opadów atmosferycznych, suszy oraz warunków radiacyjnych. Trendy zmian dla ostatnich 40 lat wskazują na wzrost temperatury powietrza, usłonecznienia i parowania potencjalnego. Na podstawie opracowanych projekcji klimatycznych można stwierdzić, że tendencja ta zostanie utrzymana również w przyszłości. W przypadku opadów atmosferycznych obserwowany jest słaby trend rosnący. Natomiast projekcje klimatu wskazują, że w przyszłości należy się spodziewać zmniejszenia sum opadów. Z punktu widzenia klimatu, dostępność zasobów wodnych zwłaszcza w miesiącach letnich, może ulec zmniejszeniu.

In dem EU-Projekt NEYMO – Lausitzer Neiße/Nysa Łużycka – Klimatische und hydrologische Modellierung, Analyse und Prognose – werden gemeinsam mit dem polnischen Projektpartner (IMGW-PIB) die klimatischen und hydrologischen Verhältnisse und das Wasserdargebot im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße untersucht. Schwerpunkt der Broschüre sind die Ergebnisse der Klimaanalyse, bei der das Klima der letzten 40 Jahre sowie verschiedene Klimaprojektionen für die Grenzregion Lausitzer Neiße bis zum Ende des 21. Jahrhunderts betrachtet wurden. Trendtests zeigten, dass bereits in den letzten 40 Jahren Zunahmen der Temperaturen, Sonnenscheindauer und potenziellen Verdunstung beobachtet wurden. Diese Trends werden sich laut der verwendeten Klimaprojektionen weiter fortsetzen. Die Niederschlagsmengen zeigten in der Vergangenheit einen leicht positiven Trend, weisen jedoch in den Projektionsdaten einen Rückgang auf. Aus klimatologischer Sicht verschlechtert sich somit die Wasserverfügbarkeit, insbesondere im Sommerhalbjahr. / W ramach realizacji unijnego projektu „NEYMO Lausitzer Neiße/Nysa Lużycka – Modelowanie klimatyczne i hydrologiczne, Analiza i Prognoza”, wspólnie z polskim partnerem projektu (IMGW-PIB) przeprowadzane są badania dotyczące warunków klimatycznych i hydrologicznych oraz zasobów wodnych regionu zlewni Nysy Łużyckiej. Wielkość zasobów wodnych jest analizowana z uwzględnieniem zarówno zmian warunków klimatycznych, jak i planowanego korzystania z zasobów wodnych w regionie. Na tej podstawie opracowywana jest wspólna strategia ukierunkowana na zwiększenie efektywności gospodarki wodnej w regionie granicznym. Broszura zawiera podstawowe informacje o projekcie, charakterystykę obszaru badań oraz opis klimatu. Warunki klimatyczne regionu granicznego zlewni Nysy Łużyckiej przedstawiono na podstawie obserwacji z ostatnich 40 lat, a także danych z projekcji klimatycznych sięgających końca XXI w. Charakterystyka klimatu została opracowana korzystając z wybranych wskaźników, dotyczących głównie opadów atmosferycznych, suszy oraz warunków radiacyjnych. Trendy zmian dla ostatnich 40 lat wskazują na wzrost temperatury powietrza, usłonecznienia i parowania potencjalnego. Na podstawie opracowanych projekcji klimatycznych można stwierdzić, że tendencja ta zostanie utrzymana również w przyszłości. W przypadku opadów atmosferycznych obserwowany jest słaby trend rosnący. Natomiast projekcje klimatu wskazują, że w przyszłości należy się spodziewać zmniejszenia sum opadów. Z punktu widzenia klimatu, dostępność zasobów wodnych zwłaszcza w miesiącach letnich, może ulec zmniejszeniu.

Die vorliegende Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Untersuchung zur Ökologie der Gefäßpflanzen in einem überschwemmungsgeprägten Tieflandregenwald im Süden Venezuelas, die zwischen Juni 1999 und August 2000 durchgeführt wurde. Anlass für die Untersuchung war die Beobachtung der unerwarteten lokalen Dominanz einer Baumart, die typischerweise vereinzelt in älteren Sekundär- und Primärwäldern zu finden ist. Ziele der Arbeit waren (1) die Aufklärung der funktionalen Zusammenhänge, die zur Entstehung der Dominanz der Art führten sowie (2) die Ermittlung der Alpha- und Betadiversität (floristische Variation) im untersuchten Gebiet und (3) der sie beeinflussenden Umweltfaktoren. Die Ergebnisse sind: 1. Die Entstehung der räumlich und zeitlich begrenzten Dominanz der Baumart ist das Resultat eines komplexen Zusammenspiels aus spezifischen Umweltfaktoren, Etablierungserfolg und interspezifischer Konkurrenz nach einer initialen Störung durch ein oder mehrere Brandereignisse, die vermutlich anthropogener Natur waren. 2. Die Gesamtartenzahl an Gehölzen mit einem Stammdurchmesser ≥ 10 cm bezogen auf einen Hektar beträgt 145 Arten, eine Zahl, die als typisch für die Region betrachtet werden kann. Für dieselbe Fläche wurden 34 Unterwuchs- und 38 Epiphytenarten registriert. 3. Die Unterschiede in der Alpha- und Betadiversität (floristischen Variation) korrelieren mit Umweltfaktoren (z. B. Geländehöhe, Bodenfaktoren), die direkt oder indirekt die Wirkung des wechselnden Fluss- und Grundwasserstandes widerspiegeln.