Scenarios and implications of land use and climate change on water quality in mesoscale agricultural watersheds

A comparative study in two mesoscale, agricultural watersheds located in mid-latitude, developed regions (Altmühl River, Germany and in Pike River, Canada) investigated potential future land use change and climate change impacts on surface water quality. The two watersheds provided a unique opportunity to compare potential impacts of change in similar physical and climatological regions, yet under different political settings related to agricultural policies as well as water quality management and protection. The objectives of the research were to develop agricultural land use scenarios to apply to a hydrological model simultaneously with climate change simulations. This modelling framework allowed quantifying these combined impacts on streamflow, sediment loads, nitrate-nitrogen loads and concentrations, as well as total phosphorus loads and concentrations to the 2050 time horizon. The impacts of climate change were evaluated alone and then with land use change. Overall, the quality of surface water simulated in both watersheds will be deteriorated according to environmental standards set by the ministries by 2050 due to higher mean annual nutrient loads transported into the rivers. Climate change impacts were greater than land use change impacts; however land use change can have an important influence on water quality, depending on the magnitude of crop changes taking place. Field-level adaptation strategies in the Pike River were simulated to determine the extent of reducing the combined impacts of land use and climate change. The strategies were able to mitigate the combined impacts, and also to improve the quality of surface water compared to the in-stream nutrient concentrations in the reference simulation.In both watersheds, it was determined that the combined interaction between climate change and land use change in the hydrological model are non-linear. Examining the combined impacts are necessary to determine potential alterations in water quality in a basin since the direction and the magnitude are not predictable from the individual changes alone.Une étude comparative de deux basins versants de mésoéchelle situés dans les latitudes moyennes, dans des régions développées (la rivière Altmühl en Allemagne, et le Rivière-aux-Brochets (Pike River) au Canada) a examiné les impacts des changements d'utilisation des terres future ainsi que les changements climatiques futurs sur la qualité des eaux de surface. Les deux bassins ont fourni une occasion unique de comparer les impacts potentiels des changements dans les régions physiquement et climatologiquement similaires, mais dans différents contextes politiques liés à l'agriculture et à la gestion et à la protection de la qualité de l'eau. Les objectifs de la recherche étaient de développer des scénarios d'utilisation des terres agricoles pour appliquer à un modèle hydrologique, simultanément avec des simulations climatiques futures. Ce cadre de modélisation a permis de quantifier à l'horizon 2050 les effets combinés sur : le débit, les charges de sédiments, les charges et les concentrations d'azote-nitrate, ainsi que les charges et les concentrations de phosphore total. Les impacts du changement climatique ont été évalués seuls, et ensuite avec les scenarios d'utilisation des terres agricoles. Dans l'ensemble, la qualité de l'eau de surface simulée dans les deux bassins versants se détériorera en 2050 en raison de charges moyennes annuelles élevés d'éléments nutritifs transportées vers la rivière. Les impacts du changement climatique étaient plus grands que les effets de l'utilisation des terres; cependant l'utilisation des terres agricoles peut avoir une influence importante sur la qualité de l'eau, en fonction de l'ampleur des changements des cultures. Des stratégies d'adaptation au niveau des champs ont été simulées pour bassin versant de la Rivière-aux-Brochets afin de déterminer l'ampleur de la réduction des effets combinés de l'utilisation des terres agricoles et des changements climatiques. Les stratégies d'adaptation ont été en mesure d'atténuer les effets combinés, et aussi d'améliorer la qualité des eaux de surface par rapport aux concentrations de nutriments dans la rivière dans la simulation de référence. Dans les deux bassins versants, l'interaction des simulations du changement climatique combinée avec des scénarios de changement d'utilisation des terres agricoles dans le modèle hydrologique était unique et non-linéaire. Donc, examiner les effets combinés est primordial pour déterminer les modifications éventuelles à la qualité de l'eau dans un bassin puisque la direction et l'ampleur du changement ne sont pas prévisibles à partir des changements individuels