Inner Mongolian grasslands are part of the vast Eurasian steppe belt and were used for nomadic pastoralism for thousands of years. As a result of political and economic changes in China in the last century, this mobile grazing management has been replaced by a sedentary and intensified livestock production. Stocking rates have increased substantially, overshooting the carrying capacity of the grasslands. These land use changes have induced severe grassland degradation. The impact and causes of grassland degradation have been investigated by the Sino-German joint research group MAGIM (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) in the Xilin River catchment of Inner Mongolia since 2004. This work is part of subproject P6, which amongst others pursues the goal of quantifying water balance exchange by micrometeorology and remote sensing.
The dominating process of water balance losses in Inner Mongolian grasslands is evapotranspiration (ET), whereby water vapour is released into the lower atmosphere. ET is highly variable in both time and space in this semi-arid environment, as it is coupled with the typically fluctuating amount of precipitation (P). However, despite ET being the key output process of the hydrological cycle of Inner Mongolian grasslands and despite its important role as an indicator for ecosystem functioning, little is known about its spatiotemporal distribution and variability in this remote area. Recent studies on ET have demonstrated variations due to phenology, soil moisture and land use, but these studies have been limited to short periods and have been conducted on a few field sites in close proximity with debatable representativeness for the 2600 km² of grasslands in the Xilin River catchment. The development of a number of remote sensing methods in the last decades has introduced various approaches to determining spatial ET from space, but the application of remotely sensed ET in regional long-term studies is still problematic. Nevertheless, a variety of surface parameters are provided by the sensor MODIS (moderate resolution imaging spectroradiometer) at a resolution of approx. 1km.
The aim of this work was (1) to close the gap between the limitations of available local ET measurements and the need for long-term studies on spatial ET in Inner Mongolian grasslands and (2) to analyse the spatiotemporal variability of ET and its implications on livestock management in this area. Therefore, micrometeorological data, remote sensing products and hydrological modelling with BROOK90 were integrated to model spatial ET for the grasslands of the Xilin River catchment over 10 years. The hydrological model BROOK90 calculates ET based on a modified Penman-Monteith approach including the separation of energy into transpiration and soil evaporation. The spatial application of the model was based on a land use classification restricted to the land use unit typical steppe. BROOK90 was parameterised from eddy covariance measurements, soil characteristics and MODIS leaf area index (LAI). Location and canopy parameters were provided individually, as well as the essential daily model input, including P and air temperatures for each pixel. Minimum and maximum air temperatures were calculated based on a relationship between measured air temperatures and MODIS surface temperatures (R²=0.92 and R²=0.87, n=81). Spatial P was estimated from a relationship found between the measured cumulative P of six rain gauges within the grasslands and the increase of MODIS LAI around these measurements (R²=0.80, n=270).
Modelled ET is plausible and fits in the range of published results. ET was demonstrated to be highly variable in both time and space: the high spatiotemporal variability of eight-day ET is reflected by the coefficients of variation, which varied between 25% and 40% for the whole study area and were up to 75% for individual pixels. Soil evaporation reacts considerably more sensitively to precipitation pulses than transpiration. Modelled annual ET sums approached or exceeded precipitation sums in general; however, P exceeded ET in 2003, when exceptionally high precipitation occurred. The strong dynamics and the high spatiotemporal variability of ET clearly demonstrate that the current static livestock management is not adapted to the conditions of Inner Mongolian grasslands. New concepts for a sustainable livestock management could be developed in consideration of the intrinsic long-term patterns of spatial ET distribution and spatiotemporal variability identified in this work. Moreover, as this method for modelling spatial ET is not restricted to the grasslands of the Xilin River catchment, livestock management in other semi-arid grasslands could benefit from it as well. / Die Grasländer der Inneren Mongolei sind Teil des riesigen eurasischen Steppengürtels und wurden seit Tausenden von Jahren für die nomadische Weidewirtschaft genutzt. Als Folge der politischen und wirtschaftlichen Veränderungen in China im letzten Jahrhundert ist diese mobile Weidewirtschaft durch eine ortsgebundene und intensivierte Tierhaltung ersetzt worden. Besatzdichten wurden erheblich erhöht und die Tragfähigkeit der Grasländer wurde deutlich überschritten. Diese Landnutzungsänderungen haben schwerwiegende Degradationserscheinungen der Grasländer induziert. Die Ursachen und Auswirkungen der Degradation sind von der Deutsch-Chinesischen-Forschungsgruppe MAGIM (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) im Einzugsgebiet des Xilin-Flusses in der Inneren Mongolei seit 2004 untersucht worden. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Teilprojektes P6 erstellt, welches unter anderem das Ziel verfolgt, Wasserhaushaltsprozesse mit Mikrometeorologie und Fernerkundung zu quantifizieren.
Der dominierende Prozess der Wasserbilanz-Verluste in den Grasländern der Inneren Mongolei ist die Verdunstung (ET), wobei Wasserdampf in die untere Atmosphäre freigesetzt wird. ET ist in diesem semi-ariden Ökosystem in Zeit und Raum sehr variabel, da an die in der Regel schwankenden Niederschläge (P) gekoppelt. Trotz der Schlüsselrolle, die ET im Wasserkreislauf der Inneren Mongolei einnimmt, und der wichtigen Rolle als Indikator für die Funktionsweise des Ökosystems, ist wenig über die raum-zeitliche Verteilung und Variabilität von ET in dieser abgelegenen Region bekannt. Neuere Studien haben ET-Schwankungen aufgrund von Phänologie, Bodenfeuchte und Bodennutzung dargestellt, aber diese Studien sind auf kurze Zeiträume beschränkt und wurden auf nur wenigen Standorten, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, durchgeführt. Dies stellt ihre Repräsentativität für die 2600 km² an Grasland im Xilin-Einzugsgebiet in Frage. Die Entwicklung von Fernerkundungsmethoden in den letzten Jahrzehnten hat verschiedene Ansätze zur Bestimmung der räumlichen ET hervorgebracht, jedoch ist die Anwendung von ET aus Fernerkundungsdaten in regionalen Langzeitstudien immer noch problematisch. Dennoch werden eine Vielzahl von Oberflächenparametern durch den Sensor MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) bei einer Auflösung von ca. 1km zur Verfügung gestellt.
Das Ziel dieser Arbeit war (1) die Lücke zwischen den verfügbaren lokalen ET-Messungen und dem Bedarf an langfristigen Untersuchungen zu räumlicher ET im Grasland der Inneren Mongolei zu schließen und (2) die räumlich-zeitliche Variabilität von ET vor dem Hintergrund des Beweidungsmanagements zu analysieren. Daher wurden mikrometeorologische Daten, Fernerkundungsprodukte und hydrologische Modellierungen mit BROOK90 integriert, um die räumliche ET für die Grasländer des Xilin-Einzugsgebietes über 10 Jahre zu modellieren. Das hydrologische Modell BROOK90 berechnet ET auf Basis eines modifizierten Penman-Monteith-Ansatzes einschließlich der Aufteilung in Transpiration und Bodenverdunstung. Die räumliche Anwendung des Standortmodells basiert auf einer Landnutzungsklassifikation und wurde für die Landnutzungsklasse typical steppe durchgeführt. Eddy-Kovarianz-Messungen, Bodeneigenschaften und MODIS-Blattflächenindex (LAI) wurden zur Parametrisierung von BROOK90 verwendet. Sowohl Lage- und Pflanzenparameter, als auch die notwendigen Modelleingangsdaten (Tageswerte von P und Lufttemperaturen), wurden für jeden Pixel individuell zur Verfügung gestellt. Minimum- und Maximum-Lufttemperaturen wurden mittels einer Beziehung zwischen gemessenen Lufttemperaturen und MODIS-Oberflächentemperaturen berechnet (R²=0.92 und R²=0.87, n=81). Räumliche P wurden aus einem Zusammenhang zwischen gemessenen kumulierten P von sechs Niederschlagsmessern im Untersuchungsgebiet und der Erhöhung des MODIS-LAI im Bereich dieser Messungen abgeleitet (R²=0.80, n=270).
Die modellierte räumliche ET ist plausibel und liegt im Wertebereich der publizierten Ergebnisse. Es wurde gezeigt, das ET sehr variabel in Raum und Zeit ist: die raum-zeitlichen Schwankungen der achttägigen ET wurden durch den Variationskoeffizienten dargestellt, welcher zwischen 25% und 40% für das gesamte Untersuchungsgebiet variiert und für einzelne Pixel bis auf 75% ansteigt. Die Bodenverdunstung reagiert wesentlich empfindlicher auf Niederschlagsereignisse als die Transpiration. Modellierte Jahres-ET-Summen erreichen oder überschritten die Niederschlagssummen in der Regel, jedoch übertraf P die ET im Jahre 2003, als außergewöhnlich hohe Niederschläge aufgetreten sind. Die starke Dynamik und die hohe raum-zeitliche Variabilität der ET zeigen deutlich, dass die aktuelle statische Tierhaltung nicht an die Bedingungen in den Innermongolischen Grasländern angepasst ist. Neue Konzepte für eine nachhaltige Viehwirtschaft könnten unter Berücksichtigung der inhärenten langfristigen Muster der räumlichen Verteilung von ET und ihrer raum-zeitlichen Variabilität, die in dieser Arbeit identifiziert wurden, entwickelt werden. Außerdem ist die Anwendung der entwickelten Methode für die Modellierung räumlicher ET nicht auf die Grasländer des Xilin-Einzugsgebietes beschränkt; die Weidewirtschaft in anderen semi-ariden Grasländern könnte ebenfalls davon profitieren.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28449 |
| Date | 09 June 2015 |
| Creators | Schaffrath, David |
| Contributors | Bernhofer, Christian, Butterbach-Bahl, Klaus, Schwärzel, Kai, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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