The impact of savannah vegetation on the spatial and temporal variation of the actual evapotranspiration in the Volta Basin , Navrongo , Upper East Ghana

The savannah landscape in West Africa and in the Volta Basin is characterized by a rapid land-use and land-cover change due to climatic variability and a high human pressure on the natural resources. This rapid change in the vegetation layer has important implications for the interrelations of the soil-vegetation-atmosphere interface in general and the hydrological role of savannahs in the Volta Basin in particular. To study the impact of savannah vegetation on the spatial and temporal distribution of the actual evapotranspiration, the landscape was first characterized into biophysical and hydrological units using remote sensing and field data. A Landsat image from the 30 October, 2002, was used to derive 10 major land-use and land-cover ( LULC ) types applying a hybrid classification method. Further, an ASTER image from the early dry season was enhanced through a principal component analysis and used to map the spatial distribution of fire traces in the Navrongo area. To map tree density from the study area, spectral vegetation indices of the Landsat image were related to field data acquired during a field survey. In total, six tree density classes were found varying from 0-3 to >160 trees ha. In addition, the Vegetation Index Temperature Trapezoid (VITT ) approach was used to describe the spatio-temporal variation of 11 hydrological units at the beginning and end of the dry season. The Surface Energy Balance Algorithm for Land ( SEBAL ) model was used to compute the actual evapotranspiration ( a ET ) distribution on a pixel basis. The temporal change in a ET in the savannah was defined using two Landsat7 ETM+ datasets acquired at two time periods during the dry season. The temporal integration of the a ET was realized through the implementation of an adjusted crop coefficient (Kc) calculated at the satellite overpasses. The relationships between the biophysical and hydrological characteristics and the spatial distribution of the a ET were determined using a GIS-based analysis. The analyses enabled evaluating the spatial distribution of the a ET according to LULC types, tree density classes and hydrological units during the dry season. Specifically, the sap flow technique was used to estimate individual tree water use, and an up-scaling method was applied to estimate the transpiration for the whole fallow vegetation which is dominated by Vitellaria paradoxa tree species. The a ET was related to LULC types, hydrological units and TD classes, but the relationships vary seasonally. The results of the study show that the agricultural land and the natural savannah were the dominant LULC types, each covering about 40% of the study area. At the beginning of the dry season, woodland and farmland classes show an a ET of 2.8 and 2.0 mm day , respectively; at the end of the dry season, the a ET was 1.22 and 0.2 mm day for the woodland and farmland, respectively. Tree density varies from dense to scarce, while the hydrological units were qualitatively classified from very wet to dry. Early dry season a ET values of 1.3 mm and 3.8 mm day -1 occurred in TD0-3 and TD 71-160, respectively. Later in the dry season, the a ET decreased to 0.0 mm and 1.1 mm day for TD0-3 and TD 71-160, respectively. Similarly, a ET for hydrological units located in gallery forest varied from 3.2 mm to only 0.9 mm day from the beginning to the end of the dry season, respectively. Drier hydrological units, generally related to bare land, farmland and park savannah (units 3, 4, 5, 6 and 7) showed a low a ET of about 2.2 mm day -1 and close to 0.0 mm day at the beginning and at the end of the dry season, respectively. Sap flow measurements on individual tree species to assess their water use show differences among the principal trees species of the experimental site. During the dry season, Acacia albida consumed the largest amount of water with about 120 l day and 90 l day at the beginning and the end of the dry season, respectively. On the other hand, water use by Vitellaria paradoxa, the most common tree species at the experimental site, was estimated at about 79 l day and 32 l day at the beginning and the end of the dry season, respectively. Mean water transpiration over the fallow vegetation was estimated at about 0.14 and 0.05 mm day at the beginning and the end of the dry season, respectively. Einfluss der Savannen-Vegetation auf räumliche und zeitliche Variationen der aktuellen Evapotranspiration im Volta-Becken (Navrongo, Upper East Ghana) KURZFASSUNG Die Savannenlandschaft in Westafrika und im Voltabecken ist durch eine rapide Veränderung der Landoberfläche und der Landnutzung charakterisiert, bedingt durch Klimaschwankungen und hohen anthropogenen Druck auf die natürlichen Ressourcen. Diese schnelle Veränderung der Vegetationsdecke hat wichtige Auswirkungen auf die Beziehungen von Boden, Vegetation und Atmosphäre im Allgemeinen, und auf die hydrologische Rolle von Savannen im Voltabecken im Speziellen. Um die Auswirkung der Savannenvegetation auf die räumliche und zeitliche Verteilung der aktuellen Evapotranspiration zu studieren, wurde die Landschaft mittels Fernerkundung und Felddaten zuerst in ihre biophysikalischen und hydrologischen Untereinheiten untergliedert. Anhand eines Landsat-Bildes vom 30. Oktober 2002 wurden mittels Hybridklassifizierungsmethode zehn größere Landnutzungsund Landbedeckung( LULC s) Klassen unterschieden. Zusätzlich wurde ein ASTER Image in einer Hauptkomponentenanalyse ausgewertet und dazu benutzt, Buschbrände in der Navrongo-Gegend zu kartieren. Die Baumdichte der Untersuchungsregion wurde ermittelt, indem die spektralen Vegetationsindices des Landsat-Bildes mit Daten einer Felderhebung abgeglichen wurden. Insgesamt konnten sechs Baumdichteklassen unterschieden werden, beginnend bei 0-3 Bäumen bis hin zu >160 Bäumen pro Hektar. Zusätzlich wurde der so genannte Vegetationsindex-Temperatur-Trapezoid-Ansatz (VITT ) angewendet, um die räumlich-zeitliche Variabilität von elf hydrologischen Untereinheiten am Beginn sowie am Ende der Vegetationszeit zu bestimmen. Das Landoberflächen-Energiebilanz-Algorithmus-Modell ( SEBAL ) wurde benutzt, um die Verteilung der aktuellen Evapotranspiration ( a ET ) auf Pixelebene zu berechnen. Die zeitliche Veränderung von a ET der Savanne wurde mit zwei Landsat7 ETM+ Datensätzen aus zwei unterschiedlichen Zeiträumen in der Trockenzeit definiert. Die zeitliche Integration von a ET wurde über die Implementierung von angepassten 'Crop-coefficients' (Kc) realisiert, die für die Zeitpunkte berechnet wurden, an denen der Satellit das Gebiet überflog. Die Beziehung zwischen biophysikalischen und hydrologischen Charakteristika und der räumlichen Verteilung von a ET wurde GIS-gestützt analysiert. Diese Analysen ermöglichten die Evaluierung der räumlichen Verteilung von a ET in der Trockenzeit gemäß der LULC Klassen, der Baumdichteklassen und der hydrologischen Untereinheiten. Im Besonderen wurden Saftflussmessungen dazu benutzt, die Wasseraufnahme von einzelnen Bäumen zu bestimmen. Diese wurden auf die gesamte Brachevegetation, die von Vitellaria paradoxa dominiert wurde, hochskaliert. Die aktuelle Verdunstung stand in Beziehung zu den LULC Klassen, den hydrologischen Untereinheiten und den Baumdichteklassen, variierte jedoch jahreszeitlich. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die LULC Klassen 'landwirtschaftliche Anbaufläche' und 'Savanne' vorherrschten und 40% der Untersuchungsregion einnahmen. Zu Beginn der Trockenzeit zeigten die Klasse 'Waldland' ein Verdunstung von 2.8 mm d, die Klasse 'Farmland' 2.0 mm d; am Ende der Trockenzeit reduzierte sich die a ET dieser beiden Klassen auf 1.2 bzw. 0.2 mm d . Die Baumdichte variiert von dicht bis vereinzelt, während die hydrologischen Untereinheiten in die Klassen 'sehr feucht' bis 'trocken' eingeteilt wurden. Zu Beginn der Trockenzeit traten a ET Werte von 1.3 bzw. 3.8 mm d -1 in den TD0-3 bzw. TD 71-160 auf. Im späteren Verlauf der Trockenzeit reduzierten sich diese Werte auf 0.0 bzw. 1.1 mm d. In ähnlicher Weise variierte die Verdunstung jener hydrologischen Untereinheiten, die den Galeriewald umfassten. Sie reduzierten sich von 3.2 mm d am Beginn auf 0.9 mm d am Ende der Trockenzeit. Trockenere hydrologische Einheiten, die generell Bracheland, Farmland und Savannenpark umfassten, zeigten eine geringe a ET von 2.2 mm d -1 am Beginn und nahe 0.0 mm d am Ende der Trockenzeit. Die Saftflussmessungen von einzelnen Bäumen ergaben Unterschiede zwischen den Baumarten der Untersuchungsfläche. In der Trockenzeit war Acacia albida ein großer Wasserkonsument mit rund 120 l d am Beginn und 90 l d am Ende der Trockenzeit. Auf der anderen Seite belief sich die Wassernutzung von Vitellaria paradoxa, der am weitest verbreiteten Baumart, auf 79 l d am Anfang und 32 l d am Ende der Trockenzeit. Die mittlere Verdunstung der Brachevegetation wurde auf 0.14 bzw. 0.05 mm d am Beginn bzw. am Ende der Trockenzeit geschätzt.