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The ecological and socio-economic consequences of land transformation in alpine regions: an interdisciplinary assessment and VALuation of current changes in the Ursern Valley, key region in the Swiss central Alps

English title The ecological and socio-economic consequences of land transformation in alpine regions: an interdisciplinary assessment and VALuation of current changes in the Ursern Valley, key region in the Swiss central Alps
Applicant Körner Christian
Number 124809
Funding scheme Interdisciplinary projects
Research institution Botanisches Institut Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Ecology
Start/End 01.04.2009 - 30.09.2012
Approved amount 979'959.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Ecology
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (15)

land cover; mountains; Alps; catchment; ecosystem services; agriculture; interdisciplinary; landuse ; alder; grassland; evapotranspiration; runoff; discharge; hydroelectricity; Alps

Lay Summary (German)

Lead
Wie beinflussen Veränderungen der Landbedeckung infolge von veränderter Nutzung den Wasserhaushalt im Einzugsgebiet der Reuss (Urserntal)?Ohne Nutzung verbuscht das Bergland durch Erlen, alpines Grasland wird langgrasig oder Zwergsträucher nehmen Überhand, all das erhöht die Verdunstung. Für kleine Testflächen wurde das bestätigt, hingegen nicht für das te gesamEinzugsgebiet, hohe Niederschläge und Schneeschmelze überdeckten hier die reduzierte Verdunstung im Sommer.
Lay summary

Die Schweizer Alpen stellen durch ihre Meereshöhe eine natürliche Barriere für Wolken dar. Die feuchten Luftmassen stauen sich vor den Gebirgsmassen, steigen auf und es kommt zwangsläufig zum Abregnen. Im Gebirgsland Schweiz fällt mehr als Doppelt so viel Niederschlag wie im europäischen Durchschnitt. Die Einzugsgebiete in den Schweizer Alpen („Wasserschloss Europas“) liefern somit grosse Wassermengen an die Vorländer. Gemeinhin wird dieser Wasserertrag als der Nettoeffekt von hydrologischen und klimatischen Einflüssen gesehen. Im VALUrsern Projekt untersuchen wir in einem interdisziplinären Ansatz (Pflanzenbiologie, Boden, Hydrologie, Ökonomie und externe Projektpartner: Geschichte) wie die Veränderungen der Landbedeckung als Folge von veränderter Nutzung den Wasserhaushalt im Einzugsgebiet der Reuss (Testregion Urserntal, 1450-3500 m ü M, 191 km2) beeinflussen. Die Veränderungen der Landnutzung im Urserntal können dabei stellvertretend für die Veränderungen im ganzen Alpenbogen betrachtet werden. Verändert sich die Nutzung (andere Nutztiere, keine Mahd, etc., Analyse durch Historiker), wandelt sich die Landbedeckung und dadurch nimmt möglicherweise auch die Verdunstung zu (Evapotranspiration). Im Urserntal stellt die massive Verbuschung durch die Grünerle (Alnus viridis) die auffälligste Veränderung der Landschaft dar, oberhalb der natürlichen Waldgrenzen werden die Wiesen und Weiden bei Nutzungsaufgabe langgrasiger und holzige Zwergsträucher wachsen ein. Zwischen 1965-2005 hat die Grünerlenfläche um 56% zugenommen, verglichen mit den Waldzunahme in den Schweizer Alpen, wachsen die Grünerlen rund 2.5-mal schneller.

Unsere Untersuchungen auf verschiedenen räumlichen Skalen (1m2-Testflächen, 5m2 Parzellen, Kleinst-Einzugsgebiete von Bächen, und gesamtes Einzugsgebiet der Testregion wie auch auf verschiedenen zeitlichen Ebenen (früher, heute und Zukunftsszenarien) ergaben folgende Ergebnisse:

(1)    Bei Aufgabe der Landnutzung nimmt die Verdunstung über einen 1-km vertikalen Höhengradienten im Einzugsgebiet mit rund 10% in der alpinen Zone (2440 m ü.M.) und mit rund 20% bei 1500 m (Grünerlengebüsch) zu.

(2)    Angesichts der hohen Niederschläge, c. 1900 mm Gebietsniederschlag, führt die erhöhte Verdunstung auf Niveau von 1m2-Testflächen zu reduzierter Versickerung bei Landnutzungsaufgabe.

(3)    Ausgewählte Kleinst-Einzugsgebiete (< 1km2) mit unterschiedlicher Grünerlenbedeckung zeigen allerdings keine Erlen-bedingtes Signal im Abfluss. Die Analyse von stabilen Sauerstoff-Isotopen (δ18O) weist darauf hin, dass diese Einzugsgebiete bei Basisabfluss über 80% "altes" Wasser (mit einer Verweilzeit von >1 Jahr im Berg) führen. Die Wasserhaushaltsgleichung kann daher nicht für die Verdunstung gelöst werden.

(4)    Wächst Weidland durch Grünerlen zu, hat das grosse, ökologische Konsequenzen, vor allem durch das Verfügbar-Werden von grossen Stickstoffmengen durch die N2-Fixierung der Erlen: Bodenveränderungen, Abnahme der pflanzliche Diversität. Nebst dem Bodenwasser, werden auch Fliessgewässer mit Nitrat angereichert und die üppige Krautschicht unter den Erlen verhindert das Aufkommen von Waldbäumen.

(5)    Auf Ebene des gesamten Einzugsgebietes der Reuss (Abflussstation Andermatt) wurde der natürliche Abfluss für die Jahre 1910-2005 rekonstruiert (rund 31% werden in andere Einzugsgebiete abgeleitet): der Gesamtabfluss nahm seit den letzten 4 Jahrzehnten vor allem in den Sommermonaten ab. Weder die Gletscherdynamik, noch die Veränderungen im Niederschlag, noch die klimatische Erwärmung konnten die Abnahme des Gesamtabflusses eindeutig erklären. Vermutlich wirken hier die verschiedenen Einflussfaktoren zusammen und eine Erhöhung der Verdunstung würde diese Signale (Abflussabnahme im Sommer) allenfalls noch verstärken (nicht differenzierbar in den verwendeten Wasserhaushalts-Rechenmodel-len). Diese Berechnungen verdeutlichten, dass der jährliche Gesamtabfluss im Testgebiet (191 km2) vor allem durch hohe Niederschläge und Schneeschmelze geprägt ist.

(6) Die Annahme einer 10% Abnahme im Abfluss aufgrund erhöhter Verdunstung während den Sommermonaten stellt einen Referenzwert dar, mit welchem die Kosten der veränderten Landnutzung in Hinsicht auf den hydroelektrischen Verlust abgeschätzt werden können. Würden diese Kosten an die Landwirte als eine Art Subvention ausgezahlt, ist es dennoch unwahrscheinlich, dass die Veränderungen in der Landbedeckung gestoppt oder rückgängig gemacht werden können, wie die Wechselwirkungen im ökonomischen Modell aufzeigen. Das bedeutet auch, dass nur konkrete Massnahmen und Aktivitäten in der Landschaftspflege das noch offene, Jahrhunderte alte Kulturland vor der weiteren Verbuschung bewahren können. Die Förderung von Engadinerschafen, welche die Grünerlen schälen und so zum Absterben bringen, stellt eine effiziente und sehr einfache Massnahme dar.
Direct link to Lay Summary Last update: 20.11.2012

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Biodiversität – Fundament für Leben und Ökosysteme
Körner Christian (2012), Biodiversität – Fundament für Leben und Ökosysteme, in Naturwissenschaftliche Rundschau, 65(4), 169-174.
Up-scaling surface runoff from plot to catchment scale
Alaoui Abdallah, Spiess Pascal, Beyeler Marcel, Weingartner Rolf (2012), Up-scaling surface runoff from plot to catchment scale, in Hydrology Research, 43(4), 531-546.
No growth stimulation by CO2 enrichment in alpine glacier forefield plants
Inauen Nicole, Körner Christian, Hiltbrunner Erika (2011), No growth stimulation by CO2 enrichment in alpine glacier forefield plants, in Global Change Biology, 18(3), 985-999.
Forest Development in the European Alps and Potential Consequences on Hydrological Regime
Alewell Christine, Bebi Peter (2011), Forest Development in the European Alps and Potential Consequences on Hydrological Regime, in Cohen S., Bredemeier M., Pichler V., Schleppi P., Lode E., Godbold D.L (ed.), Springer, Dordrecht, Heidelberg, London, New York, 111-126.
Die Verbuschung des Schweizerischen Alpenraumes. L’embroussaillement des Alpes suisses
Hiltbrunner Erika, Zehnder Tobias (2010), Die Verbuschung des Schweizerischen Alpenraumes. L’embroussaillement des Alpes suisses, in Inside, 4, 22-27.
Landwirtschaftlicher Strukturwandel und Pflanzendiversität im Urserntal (UR). Bauhinia (Basel) 22: 17-32
Wunderli Rahel (2010), Landwirtschaftlicher Strukturwandel und Pflanzendiversität im Urserntal (UR). Bauhinia (Basel) 22: 17-32, in Bauhinia , 22, 17-32.
Hydrological consequences of declining land use and elevated CO2 in alpine grassland
Inauen Nicole, Körner Christian, Hiltbrunner Erika, Hydrological consequences of declining land use and elevated CO2 in alpine grassland, in Journal of Ecology.
Plant species dominance shifts across erosion edge-meadow transects in the Swiss Alps
Huck Corinne, Körner Christian, Hiltbrunner Erika, Plant species dominance shifts across erosion edge-meadow transects in the Swiss Alps, in Oecologia.
Relating stable isotope and geochemical data to conclude on water residence times in four small alpine headwater catchments with differing vegetation cover
Müller Matthias H., Weingartner Rolf, Alewell Christine, Relating stable isotope and geochemical data to conclude on water residence times in four small alpine headwater catchments with differing vegetation cover, in Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 9, 11005-11048.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Bio-CATCH (BLW Projekt) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
GMBA-Diversitas Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
alpFUTUR Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
ALNEX Project (PSC-Center Mercator: "Science and Policy") Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Agrimontana BLW Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Bio-CATCH France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Bio-CATCH Austria (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
IAH Canada 2012 Congress: Confronting Global Change 16.09.2012 Niagara Falls, Kanada
Int Veg Science (IAVS) Symposium 20.06.2012 Lyon, Frankreich
EEF Congress 26.09.2011 Avila, Spanien
LATSIS Symposium 2010 17.10.2010 Lausanne, Schweiz


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved
COP 10, ICIMOD Symposium, Nagoya Japan 22.10.2010 Nagoya, Japan
600 Jahre Ewiges Landrecht - 1000-jährige Kulturlanschaft im Wandel 12.06.2010 Andermatt


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Talks/events/exhibitions Verbuschung im Urserntal. Präsentation der Resultate vor der Korporation Ursern und Korporation Uri German-speaking Switzerland 01.03.2012
Other activities Ausstellung im Talmuseum Andermatt: Biodiversität in Ursern German-speaking Switzerland 10.06.2011
Talks/events/exhibitions Podiumsgespäch, 600 Jahre Ewiges Landrecht - 1000-jährige Kulturlanschaft im Wandel German-speaking Switzerland 12.06.2010
Video/Film Talschaft Ursern am Gotthard, "Woher man kommt, wohin man geht", Film von Michael Waser German-speaking Switzerland 11.12.2010

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
132484 Changes in diversity of Swiss alpine pasture farming since 1880 - a landscape historical assessment (ALPAST) 01.01.2011 Interdisciplinary projects
139921 PSC Plant Science Family Program 01.05.2012 Agora
118167 Global mountain biodiversity assessment coordination office 2008-2010 01.02.2008 Research Infrastructure
128057 Mountain biodiversity in the Caucasus and its functional significance 01.12.2009 SCOPES
120195 Kontinuität und Wandel in einer alpinen Kulturlandschaft. Landwirtschaft im Urserntal, 20. Jahrhundert 01.08.2008 Project funding (Div. I-III)
135726 Global mountain biodiversity assessment coordination office 2011-2014 01.04.2011 Research Infrastructure

Abstract

VALUrsern is an interdisciplinary project that explored the hydrological consequences of land use change in the Swiss central Alps. Plant biologists, soil scientists and hydrologists explored the physical nature and effects of land transformation that results from socio-economic changes in a model-mountain catchment (the Ursern Valley, 1450-3500 m a.s.l., 191 km2). The socio-historical development had been assessed by historians (cooperation partner, M. Schaffner and R. Wunderli Götschi) in one of our 4 external partner projects, and the economic implications had been modeled and projected into the future by the economist team in VALUrsern. The three other partner projects are Bio-CATCH, that extended our methodological approach to the French and Austrian Alps, ALNEX, a project by the Zürich-Basel Plant Science Center in cooperation with Mercator foundation, that contributed water quality implications, and a project jointly funded by the Federal Office of Agriculture (BLW, Bio-CATCH) and the University of Basel that provided data on hydrological land use effects in the alpine life zone that started one year prior to VALUrsern. All in all, this project took advantage from the work of 2 post docs, 5 PhD students and ca. 9 Masters students over a period of 3.5 years (April 2009-September 2012). The project profited from intense local stakeholder involvement right from the beginning, and also received support from local authorities (Korporation Ursern, Elektrizitätswerk Ursern). Key results had been presented in a 12 month exhibition in the Talmuseum Ursern (Andermatt), in local workshops and international conferences (e.g. EGU, GMBA-Diversitas Conference, LATSIS Symposium, etc.)The results quantify the extent of land cover change, particularly, the encroachment of former pasture land by green alder bush (alder cover increased by 56% between 1965 and 2005) as well as the shifts from grazed to unmanaged montane and alpine grassland. These changes have been shown to increase evapotranspiration across a 1km vertical gradient in the catchment by around 10% at the alpine zone (2440 m a.s.l) and 20% at 1500 m, the latter in green alder bush. Given the high rainfall (and thus, moist soils) in this region (c. 1900 mm for the catchment area), these effects scale to reduced deep seepage per m2 of transformed landscape. Four micro-catchments, selected to represent different degrees of cover by green alder, should have revealed land cover change signals through gauged discharge. Stable oxygen isotope signals under base flow conditions revealed, however, that these catchments yield >80% of 'old’ water, with residence times longer than one year inside the aquifer. Hence, the water balance equation cannot be solved for evapotranspiration. As pastures become encroached by green alder bush, soils commonly become richer in carbon and more acidic, however these difference could not be verified by soil sampling campaigns within the micro-catchments. Heavy rain infiltrates faster in green alder soils than on adjacent grassland (almost zero surface runoff). As a result of symbiotic N2-fixation by green alders, discharge water becomes enriched by nitrate and a lush nitrophilous herblayer prevents forest tree recruitment. At the full catchment scale, discharge (corrected for diversion to other reservoirs) at the Andermatt gauging station has shown a declining trend in mid-summer over the 4 decades (reconstructed for the period 1910-2005), for which neither glacier dynamics, nor precipitation, nor climatic warming provided sufficient explanation. While the possible causes are many, and are within the error term of available models, these trends are at least not in conflict with the plot based water balance data that revealed reduced seepage under ungrazed pastures and green alder bush.Assuming a 10% loss in discharge for the short summer period, provides a reference value for the 'cost' of land cover change in terms of hydroloelectric yield (besides other costs). Reverted, this cost represents the hydroelectric added value of continued land care in the catchment. Transferred to farmers in cash as an incentive, this sort of subsidy will, however, unlikely revert or halt the land cover changes, as the complex interactions explored by an economic model revealed (the 'market' would not solve the problem). It would need direct action, such as the employment of a special breed of sheep that peels bark and thus, kills the alder bush, should this be desired. Our replicated browsing experiment with Engadiner sheep showed that it would need several seasons to ultimately revert dense alder bush to pasture land, but only one or two seasons to keep grassland open (in the state of being encroached). Similarly, afforestation would require human action, because alder bush interferes with natural tree recruitment. Whatever stakeholders aim for, it will not materialize in a 'laissez-faire' strategy, and negative effects of abrupt land transformation (loss of biodiversity, N2-fixation caused eutrophication, no avalanche protection, loss of traditional pasture land, landscape beauty) are likely to persist for more than a century. We call for political action, acknowledging the land abandonment consequences across the Alps, adjusting the law, so that farmers do not face bureaucratic barriers when they engage in fighting the land cover change, and account for hydroelectric benefits of catchment management.
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