Climate and topographic controls on simulated pasture production in a semiarid Mediterranean watershed with scattered tree cover

Abstract

Las gramíneas naturales en pastizales semiáridos constituyen una protección eficaz contra la erosión y degradación del suelo, son una fuente de alimento natural para el ganado y juegan un papel crítico en el ciclo hidrológico al contribuir a la captación y transpiración del agua. Sin embargo, los pastos naturales están amenazados por el abandono de tierras y la consecuente invasión de arbustos y árboles, así como por el cambio de las condiciones climáticas. A pesar de su importancia ecológica y económica, las variaciones espacio y temporales de la producción de pasto en las escalas del decenio a lo largo de cuencas enteras son poco conocidas. Utilizamos un modelo eco-hidrológico espacialmente distribuido espacialmente aplicado a una cuenca semiárida de 99,5 ha en el oeste de España para investigar La sensibilidad de la producción de pastos a la variabilidad climática. El modelo eco-hidrológico se llevó a cabo utilizando un conjunto de datos climáticos diarios sintéticos de 300 años de duración generados mediante un generador de tiempo estocástico. El conjunto de datos reprodujo la gama de variaciones climáticas observadas bajo el clima actual. Los resultados indicaron que la variación de la producción de pastos dependía en gran medida de factores que también determinaron la disponibilidad de humedad del suelo, como la distribución temporal de la precipitación, la topografía y la cobertura de los árboles. Esta última está relacionada negativamente con la producción, reflejando la importancia de la lluvia y la interceptación de la luz, así como el consumo de agua por los árboles. Los fondos de los valles y las áreas planas en las partes bajas de la cuenca se caracterizan por una mayor producción de pastizales pero más variabilidad interanual. Una evaluación cuantitativa de la calidad de las simulaciones mostró que los modelos eco-hidrológicos son una valiosa herramienta para investigar los flujos de agua y energía a largo plazo (escala del siglo), así como la dinámica de la vegetación, en pastizales semiáridos.

Natural grasses in semiarid rangelands constitute an effective protection against soil erosion and degradation, are a source of natural food for livestock and play a critical role in the hydrologic cycle by contributing to the uptake and transpiration of water. However, natural pastures are threatened by land abandonment and the consequent encroachment of shrubs and trees as well as by changing climatic conditions. In spite of their ecological and economic importance, the spatiotemporal variations of pasture production at the decadal–century scales over whole watersheds are poorly known. We used a physically based, spatially distributed eco-hydrologic model applied to a 99.5 ha semiarid watershed in western Spain to investigate the sensitivity of pasture production to climate variability. The eco-hydrologic model was run using a 300-year-long synthetic daily climate data set generated using a stochastic weather generator. The data set reproduced the range of climatic variations observed under the current climate. Results indicated that variation of pasture production largely depended on factors that also determined the availability of soil moisture such as the temporal distribution of precipitation, topography, and tree canopy cover. The latter is negatively related with production, reflecting the importance of rainfall and light interception, as well as water consumption by trees. Valley bottoms and flat areas in the lower parts of the catchment are characterized by higher pasture production but more inter-annual variability. A quantitative assessment of the quality of the simulations showed that eco-hydrologic models are a valuable tool to investigate long-term (century scale) water and energy fluxes, as well as vegetation dynamics, in semiarid rangelands.