1988-2013年基于BP神经网络的植被叶面积指数遥感定量反演

叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）高度综合了植被水平覆盖状况和垂直结构,以及枯枝落叶层厚薄和地下生物量多少,是植被影响土壤侵蚀的主要方面。区域尺度的时间序列叶面积指数揭示了区域土壤侵蚀的演化过程。因此,及时准确地掌握区域尺度上长时间序列的植被LAI,对研究土壤侵蚀动态变化与植被的关系至关重要。选择南京市1988-2013年10期遥感影像,基于反向传播（Back Propagation,BP）神经网络构建LAI反演模型,进行了长时间序列的叶面积指数反演。结合2009和2010年LAI实测值,验证与探讨了该模型的评价精度与适应性。结果表明：（1）该模型拟合度较高,2009和2010年平均相对误差、均方根误差、相关系数分别是0.2395和0.2174,0.2962和0.2581,0.7713和0.6844,各项精度评价指标均较好;（2）统计分析去除耕地后全市LAI变化,低植被覆盖（LAI<2）面积不断增加,高植被覆盖区（LAI>3）面积先减少后增加,耕地面积不断减少,符合南京市的发展变化规律;（3）主城区LAI年际变化与其他学者得到的南京市植被盖度变化趋势一致,反演结果的时序性较高。本文提出的基于反向传播神经网络模型反演长时间序列LAI是可行的,为区域尺度土壤侵蚀定量遥感监测提供新途径。     

植被年际变化对蒸散发影响的模拟研究

利用通用陆面模式(CLM3.0)及其植被动力学模式(DGVM)研究植被覆盖度(FC)和叶面积指数(LAI)的年际变化对全球蒸散发的影响。设计两套实验方案,其植被的FC和LAI的气候态相同,但一套实验中植被的FC和LAI有年际变化,而对照实验中则没有。结果表明:(1)在草、灌木、树占优势的地区植被FC年际变化依次减小;LAI年际变化较大的地区集中在草和灌木覆盖的地区,在落叶林地区,春秋两季植被LAI的年际变化也较大。(2)全球树占优势的大部分地区,植被的年际变化使得年平均蒸散发和地表蒸发增加、冠层蒸发和蒸腾减少;而在灌木和草覆盖区,变化则大致相反。(3)低纬度地区蒸散发季节循环变化比较明显,而北半球中纬度地区,蒸散发变化明显区随着纬度增加而在时间上向后推延。(4)FC和LAI年际变化较大时,蒸散发及地表蒸发降低,而蒸腾增加;这些差异随FC和LAI年际变化的增加而增加。单点分析进一步表明植被年际变化不仅改变蒸散发的多年平均值,同时改变其分量间的相对比例。     

内陆干旱区水分驱动的生态演变机理

我国内陆河流域约占国土面积 1/3,降水集中在山区 ,盆地干旱少雨 ,形成内陆河平原独特的非地带性生态群落。针对内陆河干旱区水资源条件与生态特点 ,从水分 -生态相互作用机理入手 ,系统研究了以绿洲为中心的内陆干旱区沿河平原生态问题 ,以此作为干旱区生态需水研究的基础。由于径流运动的作用 ,平原生态系统表现出有序的层次结构 :以河流为中心向两岸依次为绿洲、过渡带、荒漠 ;植被等级和盖度逐渐由高向低演变 ,分别为有林地、灌木林、疏林地和高盖度草地、中盖度草地、低盖度草地、沙漠、戈壁。植被生态系统的这种规律性反映了地下径流 (潜流场 )的变化。在干旱少雨 (年降雨量小于 10 0 mm)的环境中 ,来自河川补给的潜水蒸发 ,成为植被水分最主要来源 ,对植被生态系统起决定性的作用。根据生态景观的需水补给条件界定内陆河盆地生态系统的组成 ,给出了平原生态圈层结构的定义。当水资源开发利用方式和土地利用方式发生变化时 ,水资源分布和补给条件相应发生变化 ,并导致生态系统圈层结构随之发生变化。生态圈层结构理论成为干旱区生态需水计算的理论依据和方法基础 ,据此构造定量化的水分驱动生态演变模型。利用 2 0世纪 70年代和 90年代遥感影像 1∶ 10万解译图 ,结合地面观测资料 ,分析了西北内陆     

鄱阳湖湿地地下水埋深及其与典型植被群落分布的关系

地下水位直接影响土壤含水量,进而影响湿地植被生长、分布和演替.本研究以鄱阳湖湿地为研究区,基于2014-2018年地下水位野外定点观测数据,分析湿地地下水年内与年际动态变化特征,构建鄱阳湖湿地地下水数值模型,分析地下水流场空间特征以及地下水埋深分布,结合高斯回归方法分析地下水埋深与典型植被分布之间的关系.结果表明:年内...     

基于耦合模型的干旱区植被净初级生产力估算

净初级生产力是陆地生态系统物质与能量运转研究的基础, 在干旱区生态环境演变及其与气候相互作用和影响方面极为敏感,是揭示干旱区生态环境特征的重要指标.本研究基于RS和GIS技术,利用地面气象数据、涡度相关数据、Landsat 8数据和MODIS数据,通过SEBAL模型和光能利用率模型的耦合,估算了新疆玛纳斯河流域植被净初级生产力(NPP),分析了其空间格局及与高程和坡度的关系.结果表明: SEBAL模型与光能利用率模型的耦合对玛纳斯河流域山地-绿洲-荒漠生态系统植被NPP的模拟效果较合理,能较好地反映植被净初级生产力的实际情况;2013年,玛纳斯河流域植被NPP总量为7066.72 Tg C·a^-1,平均值为278.06 g C·m^-2·a^-1,总体分布趋势是自南向北先增加后减少再增加最后减少,随着地貌和土地利用类型的变化呈现明显的分布规律,且其月变化比较明显,7—8月达到最大值,占总量NPP的52.2%;植被净初级生产力随海拔和坡度的增加整体呈下降趋势,但随海拔增加植被NPP出现3次波动.这些波动主要由地表植被覆盖类型和环境因素所引起.     

广东省2004-2016年植被冠层降雨截留模拟及时空变化特征

评价植被冠层降雨截留能力,是生态系统水循环的重要研究内容。以广东省中小流域为例,结合地面监测站点的降雨量数据和MODIS叶面积指数遥感数据,利用植被冠层降雨截留模型,定量模拟和分析了广东省流域尺度2004-2016年的地表植被冠层降雨截留能力及其时空变化特征。结果表明：（1）2004-2012年广东省年均植被冠层降雨截留率持续下降,2016年略有上升,并且随着时间的推移,流域之间的植被冠层降雨截留率差异越来越小。（2）广东省植被冠层降雨截留能力呈现山区东西两翼高,山区中部以及沿海地区低的显著空间差异格局,这种空间格局与植被覆盖LAI主要呈现由珠三角向外围递增的圈层空间格局特征密切相关,而与由南向北逐渐递减的降雨空间格局特征相关性不大。（3）森林覆盖对流域植被冠层降雨截留能力有着一定的影响,其中流域内阔叶林占森林面积的比例对这种影响的程度起着最为关键的作用。     

基于CMDAS驱动SWAT模式的精博河流域水文相关分量模拟、验证及分析

利用大气和水文模型定量描述陆表相关变量变化规律一直是大气科学和水文学界的研究热点。然而,由于我国西部地区站点匮乏,传统气象观测站点已不能满足大尺度地表分量高精度模拟分析的需求。建立SWAT模型中国大气同化驱动数据集(China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model,CMADS)驱动SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型(简称为CMADS+SWAT模式),选取传统气象站点稀缺的新疆精博河流域为靶区,完成流域各地表分量(如土壤湿度、雪深、融雪)校准、验证及其时空关系提取与分析。分析发现:CMADS数据集可很好地驱动、率定SWAT模式完成本地化工作。其中,CMADS+SWAT模式在月尺度上总体NSE效率系数均在0.659—0.942,日尺度也均在0.526—0.815。对流域内土壤湿度和融雪过程进行相关分析发现:精博河流域土壤湿度在年内3—4月份达到其第一次峰值,主要贡献来自于流域内高山融雪现象;融雪期结束后,流域降水量增加,伴随气温上升等现象导致土壤温度呈现波动态势,至10月中旬冷空气过境产生较大降水(雪),最终使土壤水转变为冻土,直至次年接近融雪期,土壤水再次增加直到融雪过程结束。一方面证明CMADS+SWAT模式可有效提高SWAT水文模型在我国西北干旱区(站点稀缺区域)的表现能力,另一方面理清了精博河流域相关地表分量(土壤湿度、蒸发等)时空演变规律。本研究对我国大气水文学科发展将起到一定的科学促进作用。     

黄河流域内蒙古段植被时空变化特征及条带状分布成因

监测干旱、半干旱地区植被覆盖度的动态变化,评估大尺度区域地质背景,尤其是活动构造在植被变化过程中发挥的作用对植被时空格局的认识具有重要意义。黄河流域内蒙古段地处干旱半干旱区,植被多依赖于地下水;且该地区活动构造较发育,是认识植被非地带性特征的理想区域。基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）、归一化植被指数（NDVI）、气象与土地利用数据,对2000-2018年黄河流域内蒙古段植被覆盖度（FVC）的时空变化及稳定性进行分析,在此基础上针对河套段植被条带状特征及其成因进行讨论。结果表明,近20年研究区的FVC总体表现为增加趋势。降雨增加是大黑河流域、浑河流域及十大孔兑区域FVC增加的主要原因,沙漠地区FVC的增加得益于三北防护林工程建设。大黑河与浑河流域水分条件较好,物种多样性丰富,植被覆盖度高,能较好的抵御气候变化;而十大孔兑区域和沙漠地区FVC较低,生态系统脆弱,对气候波动的响应较大。河套灌区受人类活动主导,对气候变化的敏感性较低。河套段山前植被赋存环境为条带状地下水溢出带,在地下水储量增多条件下呈条带状增加趋势;而在山前过渡带,新构造运动及其造成的较大地表高差使得土壤层薄且储水能力较差,表现为FVC的高波动。现今黄河干流沿岸植被受土地利用转变影响整体减少;且在河流摆动、河道变迁扰动下,稳定性较差。河套盆地与鄂尔多斯台地边界处,受隐伏断裂和地震活动影响,地下水易沿带状透水断裂下渗,难以维持浅表水分和稳定的补给条件,使得FVC呈线状显著降低,且稳定性较差。研究从宏观水文地质条件和地表过程的角度,更加深入认识了植被空间分布的非地带性特征,为相似地区的研究提供了较好的科学依据。     

疏勒河流域陆地水储量与植被指数的时空耦合关系

干旱区水资源与植被生长状态的时空变化规律及其耦合关系的研究一直以来都是水文学和生态学等领域研究的重点和热点。以我国干旱区内陆河流域—疏勒河流域为研究区,利用2002—2016期间GRACE卫星反演的陆地水储量变化(TWSA)和MODIS的增强型植被指数(EVI)两个指标开展了基于像元的流域水资源和植被状态的时空格局变化及其耦合关系研究。结果表明:(1)在时间尺度上,疏勒河流域的TWSA和EVI表现出明显的周期性、季节性以及趋势性规律;(2)在空间尺度上,基于像元的流域TWSA和EVI均呈明显的空间异质性;(3)在时空耦合关系方面,年均TWSA与EVI在流域整体尺度上呈中度负相关;在子分区尺度上,中部平原区呈高度负相关,南部山区和北部山区相关性不显著;在像元尺度上,年均TWSA与EVI呈高度负相关、中度负相关、低度负相关的像元分别占全流域的19%、32%和31%;仅有18%的像元呈低度正相关,说明疏勒河流域的TWSA与EVI的时空耦合关系复杂且具有明显的空间异质性和尺度效应。研究结论将为疏勒河流域的水资源优化配置和合理开发利用,以及为实现干旱区的可持续发展提供科学依据。     

泾河流域上游土石山区和黄土区森林覆盖率变化的水文影响模拟

泾河流域上游是黄土高原的重要水源地和退耕还林工程区,在较大空间尺度上定量评价区内森林覆盖增加的水文影响对科学指导林业生态环境建设、保障区域水安全和可持续发展均有重要意义。为了在尽量排除地形、土壤、气候等作用的基础上定量评价森林的影响,将泾河上游划分为土石山区和黄土区,分别制定了多种森林恢复情景,利用分布式流域生态水文模型(SWIM)模拟评价了森林覆盖率及其空间分布变化对流域年蒸散量、年产流量、年地下水补给量、年土壤深层渗漏量及日径流洪峰的影响。土石山区模拟结果表明,增加森林覆盖将增加流域蒸散和减少流域产流,如现有森林覆盖(占全流域面积比例为13.8%)情景与现有森林变为草地(占全流域面积比例为0)情景相比时,流域年蒸散量从445.4 mm变为427.7 mm(减少了17.4 mm和4%);年产流量从42.4 mm变为53.5 mm(增加了11.1 mm和26.3%),年地下水补给量从61.6 mm变为76.9 mm(增加了15.3 mm和24.8%),年深层渗漏量从72.9 mm变为88.3 mm(增加了17.7 mm和24.3%);平均森林覆盖率每增加10%,导致流域年蒸散量增加12.8 mm,年产流量减少8.0 mm,年地下水补给量减少11.1 mm。在比较干旱和土层深厚的黄土区,增加森林覆盖将同样增大流域蒸散和减少流域产流,但变化幅度明显小于降水相对丰富和土层浅薄的土石山区,平均森林面积增加10%导致流域年蒸散量增加9.0 mm,年产流量减少4.5 mm,年地下水补给量减少8.8 mm;此外,在较缓坡面造林的水文影响大于较陡坡面造林。从森林水文影响的年内变化来看时,森林覆盖率升高的水文影响在土石山区和黄土区也有差别,如土石山区5—7月份的蒸散显著增加,5—10月份的深层渗漏均有减少;而黄土区是蒸散量在5—10月均有增加,深层渗漏在7—10月份显著减少。另外,土石山区森林覆盖率增加对日径流峰值的影响不显著,而黄土区则能明显削弱,这可能主要是因土石山区的高石砾含量土壤的渗透性能明显高于黄土区的黄土,而黄土区的森林能够明显改善土壤入渗性能和减少地面径流形成。     

我国北方干旱半干旱地区人工造林对地下水位变化影响的模拟研究

水资源短缺已成为阻碍我国社会可持续发展的至关因素,而其中地下水资源短缺更甚。自1952年我国于干旱半干旱地区实施大规模人工造林以来,大量研究资料显示人工林的蒸散量要普遍高于当地自然植被的蒸散量,这可能会打破当地的地下水平衡。而以往我国有关人工造林对地下水位影响的研究较欠缺,因此在基于两种假设条件下,运用7种蒸散发模型测算了人工造林活动对北方干旱半干旱地区的地下水位影响。结果表明大规模的人工造林活动会降低地下水位高度,基于假设条件一,甘肃、宁夏和新疆地下水位下降严重;基于假设条件二,北京地下水位下降明显。提出我国在未来生态修复实践中要考虑对地下水供给的影响,确定合理造林规模并选择栽培乡土树种,真正提高地下水资源利用率。     

黄土区小流域植被类型对沟坡地土壤水分循环的影响

沟坡作为黄土丘陵区小流域水土流失最为活跃的区域,探究不同下垫面植被类型下的土壤水分循环特征对于沟坡地植被恢复具有重要意义。基于氢氧同位素示踪技术,通过野外水样采集和室内同位素分析旨在揭示植被类型对沟坡地土壤水分循环的影响机制。结果表明:(1)各水体氢氧同位素均遵循:降水刺槐林地土壤水草地土壤水地表水地下水,降水的变异系数最大,地表水和地下水的变异系数较小。(2)草地土壤水主要以降水补给为主,所占比例为59.12%,刺槐林地土壤水则以深层土壤水的上升补给为主,所占比例为60.97%。短阵性暴雨条件下,草地土壤水运移速率较刺槐林地高约1 cm/d,且主要发生在0—50 cm土层。(3)土壤水的垂向运移为地下水的主要补给形式,草地土壤水对地下水的补给比例为51.64%,约比刺槐林地高0.52%。表明植被类型对土壤水分循环特征具有一定的影响,刺槐林对深层土壤水分利用强度较大,可能加剧深层土壤干层化,而草地更有利于降水入渗以及地下水补给,该研究可为小流域沟坡的生态修复和综合治理提供科学依据。     

西北干旱区气候和土地利用变化对水沙运移的影响——以小南川流域为例

认识区域水沙运移规律及其对气候和土地利用变化的响应能够为水土流失防治提供理论依据,是水土资源综合开发的重要前提.本研究以1963-2013年逐月实测气象、径流和泥沙资料为基础,结合20世纪80年代和2000年土地利用数据和归一化植被指数(NDVI)数据,采用Mann-Kendall趋势分析和突变检验方法,系统分析了西北干旱区典型小流域--小南川流域的气候和水沙长期变化特征,并识别了研究区土地利用及植被覆盖度变化特征.在对单要素变化充分解析的基础上,利用多元线性回归等方法,定量探讨了气候和土地利用变化对小南川流域水沙运移的影响机制,并明确了关键作用因子.结果表明: 小南川流域气温向两极化发展,降水量逐渐增加,总体气候变化趋势朝向暖湿方向,极端气候事件发生频率增加,且在20世纪90年代发生突变后,其变化速度和程度均进一步加剧.自20世纪80年代以来,随着经济社会发展,流域内耕地和城镇扩张,林地增加,自然生态环境向良性发展.在土地利用和植被覆盖度变化的主导驱动作用下,流域径流量和输沙量分别以1.7×10⁶ m³·(10 a)^-1和1.5×10⁸ kg·(10 a)^-1的平均速率呈减少趋势.定量化研究结果揭示了植被覆盖度和月平均最高气温是影响该区径流变化的最关键因子,而植被覆盖度和日最大降水量是影响输沙变化的最关键因子.在当前气候变化背景下,生态修复是防止干旱区流域水土流失的最有效途径之一.     

Response of land use/coverage change to hydrological dynamics at watershed scale in the Loess Plateau of China

In this study Qiaozidong and Qiaozixi watersheds in Loess Plateau were selected as the case to investigate the effects of land use/coverage change on hydrological dynamics. The results showed that the runoff coefficient of controlled watershed reduced by about 50%, 85%, 90%, respectively, in wet, normal and dry years in comparison with that of uncontrolled watershed. The average runoff coefficient reduced by 73.6% during the period of 1995–2004 compared with that in the previous period of 1986–1994 for land use in controlled watershed. And the impacts of land use and vegetation changes on runoff were strengthened in response to the increasing rainfall. Additionally, the impacts of land use/coverage change on runoff yield are characterized by seasonal fluctuation. The maximum monthly runoff reduction in the both watersheds occurred in May, which was consistent with the period of the maximum land coverage appeared. Finally, when the rainfall intensity reached a certain threshold, the variance of flood peak in two watersheds reduced, which showed that the effects of forest on flood weakened. The flood peak discharge frequencies indicated that peak discharge would respond to the land use and vegetation change obviously on condition that there were the same frequencies of rainfall intensity in the earlier and later periods.     

流域非点源氮素流失空间分异特征的多时间尺度分析

流域非点源污染关键源区的定位是控制和治理流域非点源污染的重要问题,为进一步揭示时间尺度对流域非点源氮素流失空间分异特征的影响,通过构建山美水库流域SWAT模型,在对各个子流域的总氮(TN)流失强度进行模拟的基础上,从多年平均、多年月平均、场次暴雨洪水过程等3种时间尺度,对氮素流失的空间分异特征和关键源区进行分析,并通过多元线性相关分析,对自然和人为因素的影响进行研究.结果表明： 不同时间尺度下流域氮素流失空间差异均十分显著,氮素流失空间分异程度以多年月平均最高,场次暴雨洪水过程最低;桃溪亚流域氮素流失量最大,是非点源氮污染关键源区.不同时间尺度下,土地利用类型均是影响流域非点源氮素流失空间分布的主要因素,而降雨、径流等自然因子对氮素流失空间分异的影响仅表现在不施肥月份和部分不施肥场次的暴雨洪水过程,这种规律与土地利用及施肥具有显著空间变化、而降雨径流的空间变异程度低有关.     

SWAT模型融雪模块的改进

SWAT模型是一个具有物理基础的分布式水文模型,利用SCS径流曲线数方法计算地表径流,而采用相对简单的度日因子方法计算融雪径流。因此在湿润半湿润、雨量丰富的平原地区应用SWAT模型进行径流模拟时可以得到较好的模拟结果,但是在干旱半干旱、降水稀少,且春汛期间融雪径流是重要补给来源的高寒山区,模拟的融雪径流明显偏小,不能很好的反映这些地区的融雪过程,导致河道径流模拟精度偏低。FASST模型是具有物理机制的陆面过程模型,其采用能量平衡的方法计算融雪径流,能够较好的模拟复杂地形山区流域的融雪径流。本文以黑河山区流域为研究区,将FASST模型集成到SWAT模型,改善SWAT模型融雪径流的计算方法。通过对比SWAT模型集成前后莺落峡出山口的河道月径流、融雪径流和地表径流对河道的贡献等几个方面,表明了集成FASST融雪模块的SWAT模型能更好的反映黑河山区流域的融雪径流过程,从而提高河道径流的整体模拟精度。     

黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用/土地覆被变化水文动态响应

以黄土高原第三副区桥子东、西沟流域为例,分析了土地利用／土地覆被变化的水文动态响应。研究结果表明：土地利用／土地覆被对年径流有显著影响,治理流域较未治理流域在丰水年、平水年和枯水年的径流系数分别减少约50％、85％和90％;流域土地利用后期（1995～2004年）较前期（1986～1994年）多年平均径流系数下降73．6％,且随降雨增多,土地利用与植被变化对径流的响应增强。土地利用／土地覆被变化对径流量的影响具有季节性特征,治理与非治理流域多年平均最大月径流系数减少时期与流域最大地表覆盖期具有一致性,即5月份径流系数减少值最大;同一降水条件下流域两期土地利用的产流量仅在生长季具有明显的差异。流域洪水径流量与场降雨量和30min最大雨强有较好的相关关系,场降雨量与30min雨强对治理流域洪水流量的影响要强于非治理流域;暴雨在达到一定强度后,对比流域的洪峰流量差异减小,即森林植被对洪水的影响减弱。经洪水频率分析,认为流域前后两期土地利用若具有相同频率的降雨强度,则一定频率范围内洪峰流量对土地利用与植被变化产生明显响应。     

Assessing Climate Variability Impact on Thermotolerant Coliform Bacteria in Surface Water

This study investigated the impacts of climate variability on thermotolerant coliform bacteria (TCB) transport in the Upper Pearl River watershed (UPRW) in Mississippi. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was applied using daily observed stream flows and TCB concentration data. The SWAT model was successfully calibrated and validated using both manual and automatic methods from February 2011 to June 2012 (NSE and R² up to 0.79). The Long Ashton Research Station Weather Generator (LARS-WG), a stochastic weather generator, with the global climate model, CCSM3, which was developed by the U.S. National Center for Atmospheric Research (NCAR) was used for future climate variability simulations. The Special Report on Emissions Scenarios (SRES) A1B of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) was simulated for the mid (2046–2065) and late (2080–2099) 21st century. The SWAT model simulated TCB concentrations in surface water and demonstrated reasonable performances (R² up to 0.59 and NSE up to 0.58). During mid-century climate, average monthly TCB levels increase to 175%, while late-century average monthly TCB levels increase to 297% from the watershed. Although late-century climate variability impacts were determined more critical than mid-century climate impacts, appropriate watershed management practices are required to adapt to maintain and improve water quality.     

Simulation of watershed hydrology and stream water quality under land use and climate change scenarios in Teshio River watershed,northern Japan

Quantitative prediction of environmental impacts of land-use and climate change scenarios in a watershed can serve as a basis for developing sound watershed management schemes. Water quantity and quality are key environmental indicators which are sensitive to various external perturbations. The aim of this study is to evaluate the impacts of land-use and climate changes on water quantity and quality at watershed scale and to understand relationships between hydrologic components and water quality at that scale under different climate and land-use scenarios. We developed an approach for modeling and examining impacts of land-use and climate change scenarios on the water and nutrient cycles. We used an empirical land-use change model (Conversion of Land Use and its Effects, CLUE) and a watershed hydrology and nutrient model (Soil and Water Assessment Tool, SWAT) for the Teshio River watershed in northern Hokkaido, Japan. Predicted future land-use change (from paddy field to farmland) under baseline climate conditions reduced loads of sediment, total nitrogen (N) and total phosphorous (P) from the watershed to the river. This was attributable to higher nutrient uptake by crops and less nutrient mineralization by microbes, reduced nutrient leaching from soil, and lower water yields on farmland. The climate changes (precipitation and temperature) were projected to have greater impact in increasing surface runoff, lateral flow, groundwater discharge and water yield than would land-use change. Surface runoff especially decreased in April and May and increased in March and September with rising temperature. Under the climate change scenarios, the sediment and nutrient loads increased during the snowmelt and rainy seasons, while N and P uptakes by crops increased during the period when fertilizer is normally applied (May through August). The sediment and nutrient loads also increased with increasing winter rainfall because of warming in that season. Organic nutrient mineralization and nutrient leaching increased as well under climate change scenarios. Therefore, we predicted annual water yield, sediment and nutrient loads to increase under climate change scenarios. The sediment and nutrient loads were mainly supplied from agricultural land under land use in each climate change scenario, suggesting that riparian zones and adequate fertilizer management would be a potential mitigation strategy for reducing these negative impacts of land-use and climate changes on water quality. The proposed approach provides a useful source of information for assessing the consequences of hydrology processes and water quality in future land-use and climate change scenarios.     

Impact of land use and land cover change on groundwater recharge and quality in the southwestern US

Humans have exerted large‐scale changes on the terrestrial biosphere, primarily through agriculture; however, the impacts of such changes on the hydrologic cycle are poorly understood. The purpose of this study was to test the hypothesis that the conversion of natural rangeland ecosystems to agricultural ecosystems impacts the subsurface portion of the hydrologic cycle by changing groundwater recharge and flushing salts to underlying aquifers. The hypothesis was examined through point and areal studies investigating the effects of land use/land cover (LU/LC) changes on groundwater recharge and solute transport in the Amargosa Desert (AD) in Nevada and in the High Plains (HP) in Texas, US. Studies use the fact that matric (pore‐water‐pressure) potential and environmental‐tracer profiles in thick unsaturated zones archive past changes in recharging fluxes. Results show that recharge is related to LU/LC as follows: discharge through evapotranspiration (i.e., no recharge; upward fluxes <0.1 mm yr^?1) in natural rangeland ecosystems (low matric potentials; high chloride and nitrate concentrations); moderate‐to‐high recharge in irrigated agricultural ecosystems (high matric potentials; low‐to‐moderate chloride and nitrate concentrations) (AD recharge: ～130–640 mm yr^?1); and moderate recharge in nonirrigated (dryland) agricultural ecosystems (high matric potentials; low chloride and nitrate concentrations, and increasing groundwater levels) (HP recharge: ～9–32 mm yr^?1). Replacement of rangeland with agriculture changed flow directions from upward (discharge) to downward (recharge). Recent replacement of rangeland with irrigated ecosystems was documented through downward displacement of chloride and nitrate fronts. Thick unsaturated zones contain a reservoir of salts that are readily mobilized under increased recharge related to LU/LC changes, potentially degrading groundwater quality. Sustainable land use requires quantitative knowledge of the linkages between ecosystem change, recharge, and groundwater quality.