Hydrologische Prozesse in ostafrikanischen tropischen Einzugsgebieten unter dem Einfluss der Landnutzung

Hydrological processes in East African tropical montane headwater catchments influenced by land use

Artikel aus einer Zeitschrift

8632

200209253

Tropischen Bergwälder weltweit stellen wichtige (Trink-)Wasserquellen dar, zeichnen sich aber auch durch fruchtbare Böden und ein für die Landwirtschaft günstiges Klima aus. Die Umwandlung dieser Bergwälder in landwirtschaftlich genutzte Flächen zur Deckung des steigenden Nahrungsmittelbedarfs stellt eine wesentliche Bedrohung dieser Ökosysteme dar. Es steht zu vermuten, dass diese Landnutzungsänderungen sich auch auf den hydrologischen Kreislauf auswirken. Insbesondere für afrikanische Bergregionen gibt es hierzu aber nur wenig belegende Literatur. In der hier vorgelegten Studie wird gezeigt, wie die Landnutzung die hydrologischen Prozesse des kenianischen Mau-Waldes beeinflusst. Dazu wurden drei Teileinzugsgebiete (zwischen 27 und 36 km²), charakterisiert von Bergregenwald, kleinbäuerlicher Landwirtschaft oder kommerziellen Teeplantagen, innerhalb eines 1.021 km² großen Einzugsgebietes mit automatischen Messstationen für Wasserstand und Wasserqualität ausgestattet. Die Teeplantagen verfügten über die höchsten Nitratkonzentrationen im Fließgewässer (1,71 ± 0,15 mg N L−1). Die Einzugsgebiete mit kleinbäuerlicher Landwirtschaft (0,84 ± 0,06 mg N L−1) und Bergwald (0,40 ± 0,04 mg N L−1) zeigten hingegen geringere Nitratkonzentrationen. Obwohl im Einzugsgebiet mit kleinbäuerlicher Landwirtschaft ein geringerer jährlicher Abfluss gemessen wurde (530 ± 188 mm J−1) als in den Teeplantagen (607 ± 122 mm J−1) und in dem Waldeinzugsgebiet (659 ± 153 mm J−1), begrenzten jahreszeitliche und räumliche Niederschlagsmuster die Möglichkeiten, die beobachteten Unterschiede der Landnutzung zuzuordnen. Die Untersuchung von hydrologischen Prozessen mithilfe von Spurenelementen und stabilen Wasserisotopen zeigte, dass der Beitrag des Grundwassers zum Abfluss in den landwirtschaftlichen Einzugsgebieten bei hohem Abfluss zunahm. Dies wurde durch eine ausführliche Analyse der Nitrat- und Abflussdynamik bestätigt. Weitere Unterschiede zwischen den Einzugsgebieten ergaben sich aus der Analyse der Nitrat-Hystereseschleifen für Niederschlagsereignisse, die auf das Auftreten von Oberflächenabfluss in den landwirtschaftlichen Teileinzugsgebieten hinwiesen. Dennoch war der Anteil an jungem Wasser (< 0,2 Jahre alt) in allen Einzugsgebieten gering (< 15 %). Dies deutet darauf hin, dass Grundwasser, unabhängig von der Landnutzung, einen wichtigen Beitrag zum Abfluss leistet. Folglich scheint die Landnutzung in dieser tropischen Bergregion trotz geringer Unterschiede in den hydrologischen Prozessen einen größeren Einfluss auf die Wasserqualität als auf die Wasserquantität zu haben.Schlagwörter: tropischer Bergwald, stabile Wasserisotope, Zeitreihenanalyse, Abfluss, Nitrat, LandwirtschaftTropical montane forests play an important role in the supply of fresh water, but are also characterised by fertile soils and a suitable climate for agriculture. Therefore, the conversion of montane forests to agricultural land to meet the increasing demand for food is an important threat for these forests. Such land use changes likely affect the hydrological cycle, but relatively little is known about these effects, especially in African mountain regions. This study assessed how hydrological processes are influenced by land use in the Mau Forest, Kenya. Three subcatchments (27 to 36 km²), characterized by either tropical montane forest, smallholder agriculture or commercial tea plantations within a 1,021 km² catchment, were instrumented with automatic measurement stations for water level and water quality. The tea plantations showed the highest nitrate concentrations in the stream (1.71 ± 0.15 mg N L−1). Concentrations were lower in the smallholder agriculture (0.84 ± 0.06 mg N L−1) and lowest in the montane forest (0.40 ± 0.04 mg N L−1). Although lower annual specific discharge was measured in the smallholder agriculture subcatchment (530 ± 188 mm yr−1) than in the tea plantations (607 ± 122 mm yr−1) and the tropical montane forest subcatchments (659 ± 153 mm yr−1), interannual and spatial differences in precipitation made it difficult to attribute the observed differences to land use. The investigation of hydrological processes using trace elements and stable isotopes of water showed that the contribution of groundwater to streamflow increased during high flow in the agricultural subcatchments. This was confirmed by an in-depth investigation of nitrate and discharge dynamics. Further differences between the catchments were obtained from the analysis of nitrate hysteresis loops for rainfall events, which indicated the occurrence of surface runoff in the agricultural subcatchments. Nevertheless, the young water fraction (< 0.2 years old) in all subcatchments was low (< 15 %). This indicates that groundwater makes an important contribution to streamflow, irrespective of land use. Therefore, it seems that, despite small differences in hydrological processes, land use seems to have a larger effect on water quality than on water quantity in this tropical montane region.Keywords: tropical montane forest, stable isotopes of water, time series analysis, discharge, nitrate, agriculture