• Energy Research

Les effets de l'utilisation des terres et de la couverture terrestre (LULC) sur la recharge des eaux souterraines et le ruissellement de surface et la manière dont ceux-ci sont affectés par les changements LULC présentent un intérêt pour la gestion durable des ressources en eau. Cependant, il existe peu de preuves quantitatives sur la façon dont les changements aux LULC dans les régions tropicales et subtropicales semi-arides affectent les composantes souterraines du cycle hydrologique, en particulier la recharge des eaux souterraines. Une gestion efficace des ressources en eau dans ces régions nécessite des preuves concluantes et une compréhension des effets des changements LULC sur la recharge des eaux souterraines et le ruissellement de surface. Nous avons examiné un total de 27 études (2 modélisations et 25 expérimentales), qui ont rendu compte de la recharge des eaux souterraines avant et après le changement d'affectation des terres ou de l'ampleur du ruissellement de surface, et ont ainsi permis de quantifier la réponse des taux de recharge des eaux souterraines et du ruissellement au LULC. Les comparaisons entre les LULC initiales et ultérieures indiquent que les forêts ont des taux de recharge et de ruissellement des eaux souterraines plus faibles que les autres utilisations des terres étudiées dans les régions tropicales/ subtropicales semi-arides. La restauration des terres nues induit une diminution de la recharge des eaux souterraines de 42% des précipitations à entre 6 et 12% selon le LULC final. Si les forêts sont défrichées pour les parcours, la recharge des eaux souterraines augmente de 7,8 ± 12,6 %, tandis que la conversion en terres cultivées ou en prairies entraîne des augmentations de 3,4 ± 2,5 et 4,4 ± 3,3 %, respectivement. La réhabilitation des terres nues en terres cultivées entraîne des réductions du ruissellement de surface comprises entre 5,2 et 7,3 %. La conversion de la végétation forestière en LULC gérée montre une augmentation du ruissellement de surface de 1 à 14,1% en fonction du LULC final. Le ruissellement de surface a été réduit de 2,5 à 1,1% lorsque les prairies sont converties en végétation forestière. Bien qu'il y ait une cohérence générale dans les résultats des études de cas sélectionnées, nous concluons qu'il y a peu d'études expérimentales qui ont été menées dans les régions semi-arides tropicales et subtropicales, malgré le fait que de nombreuses personnes dépendent fortement des eaux souterraines pour leurs moyens de subsistance. Par conséquent, il est urgent d'augmenter le nombre de preuves quantitatives compte tenu de la pression exercée par la croissance de la population humaine et le changement climatique sur les ressources en eau de la région. Los efectos del uso de la tierra y la cubierta terrestre (LULC) en la recarga de aguas subterráneas y la escorrentía superficial y cómo estos se ven afectados por los cambios de LULC son de interés para la gestión sostenible de los recursos hídricos. Sin embargo, existe evidencia cuantitativa limitada sobre cómo los cambios en LULC en regiones tropicales y subtropicales semiáridas afectan los componentes subsuperficiales del ciclo hidrológico, particularmente la recarga de agua subterránea. La gestión efectiva de los recursos hídricos en estas regiones requiere evidencia concluyente y comprensión de los efectos de los cambios de LULC en la recarga de aguas subterráneas y la escorrentía superficial. Revisamos un total de 27 estudios (2 modelos y 25 experimentales), que informaron sobre la recarga de aguas subterráneas antes y después del cambio de uso de la tierra o la magnitud de la escorrentía superficial, y así permitieron cuantificar la respuesta de las tasas de recarga de aguas subterráneas y la escorrentía a LULC. Las comparaciones entre LULC inicial y posterior indican que los bosques tienen tasas de recarga de agua subterránea y escorrentía más bajas que los otros usos de la tierra investigados en regiones tropicales/ subtropicales semiáridas. La restauración de tierras desnudas induce una disminución en la recarga de aguas subterráneas del 42% de la precipitación a entre el 6 y el 12% dependiendo de la LULC final. Si los bosques se talan para pastizales, la recarga de aguas subterráneas aumenta en un 7,8 ± 12,6%, mientras que la conversión a tierras de cultivo o pastizales da como resultado aumentos de 3,4 ± 2,5 y 4,4 ± 3,3%, respectivamente. La rehabilitación de tierras desnudas a tierras de cultivo da como resultado reducciones de escorrentía superficial de entre el 5,2 y el 7,3%. La conversión de vegetación forestal a LULC gestionada muestra un aumento en la escorrentía superficial del 1 al 14,1% dependiendo de la LULC final. La escorrentía superficial se redujo de 2.5 a 1.1% cuando los pastizales se convierten en vegetación forestal. Si bien existe una consistencia general en los resultados de los estudios de casos seleccionados, concluimos que hay pocos estudios experimentales que se hayan realizado en regiones semiáridas tropicales y subtropicales, a pesar de que muchas personas dependen en gran medida de las aguas subterráneas para su sustento. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de aumentar el cuerpo de evidencia cuantitativa dada la presión del crecimiento de la población humana y el cambio climático sobre los recursos hídricos en la región. The effects of land use and land cover (LULC) on groundwater recharge and surface runoff and how these are affected by LULC changes are of interest for sustainable water resources management. However, there is limited quantitative evidence on how changes to LULC in semi-arid tropical and subtropical regions affect the subsurface components of the hydrologic cycle, particularly groundwater recharge. Effective water resource management in these regions requires conclusive evidence and understanding of the effects of LULC changes on groundwater recharge and surface runoff. We reviewed a total of 27 studies (2 modeling and 25 experimental), which reported on pre- and post land use change groundwater recharge or surface runoff magnitude, and thus allowed to quantify the response of groundwater recharge rates and runoff to LULC. Comparisons between initial and subsequent LULC indicate that forests have lower groundwater recharge rates and runoff than the other investigated land uses in semi-arid tropical/ subtropical regions. Restoration of bare land induces a decrease in groundwater recharge from 42% of precipitation to between 6 and 12% depending on the final LULC. If forests are cleared for rangelands, groundwater recharge increases by 7.8 ± 12.6%, while conversion to cropland or grassland results in increases of 3.4 ± 2.5 and 4.4 ± 3.3%, respectively. Rehabilitation of bare land to cropland results in surface runoff reductions of between 5.2 and 7.3%. The conversion of forest vegetation to managed LULC shows an increase in surface runoff from 1 to 14.1% depending on the final LULC. Surface runoff was reduced from 2.5 to 1.1% when grassland is converted to forest vegetation. While there is general consistency in the results from the selected case studies, we conclude that there are few experimental studies that have been conducted in tropical and subtropical semi-arid regions, despite that many people rely heavily on groundwater for their livelihoods. Therefore, there is an urgent need to increase the body of quantitative evidence given the pressure of growing human population and climate change on water resources in the region. إن آثار استخدام الأراضي والغطاء الأرضي (LULC) على إعادة تغذية المياه الجوفية والجريان السطحي وكيفية تأثرها بتغييرات استخدام الأراضي والغطاء الأرضي ذات أهمية للإدارة المستدامة لموارد المياه. ومع ذلك، هناك أدلة كمية محدودة على كيفية تأثير التغيرات في LULC في المناطق المدارية وشبه المدارية شبه القاحلة على المكونات تحت السطحية للدورة الهيدرولوجية، ولا سيما إعادة تغذية المياه الجوفية. تتطلب الإدارة الفعالة لموارد المياه في هذه المناطق أدلة قاطعة وفهمًا لتأثيرات تغيرات LULC على تغذية المياه الجوفية والجريان السطحي. استعرضنا ما مجموعه 27 دراسة (2 نمذجة و 25 دراسة تجريبية)، والتي أبلغت عن تغيير إعادة تغذية المياه الجوفية قبل وبعد استخدام الأراضي أو حجم الجريان السطحي، وبالتالي سمحت بتحديد استجابة معدلات إعادة تغذية المياه الجوفية والجريان السطحي إلى LULC. تشير المقارنات بين LULC الأولي واللاحقة إلى أن الغابات لديها معدلات تغذية وجريان جوفي أقل من استخدامات الأراضي الأخرى التي تم التحقيق فيها في المناطق المدارية وشبه المدارية شبه القاحلة. تؤدي استعادة الأراضي العارية إلى انخفاض في تغذية المياه الجوفية من 42 ٪ من هطول الأمطار إلى ما بين 6 و 12 ٪ اعتمادًا على LULC النهائي. إذا تم تطهير الغابات من المراعي، فإن تغذية المياه الجوفية تزداد بنسبة 7.8 ± 12.6 ٪، في حين أن التحول إلى الأراضي الزراعية أو الأراضي العشبية يؤدي إلى زيادات قدرها 3.4 ± 2.5 و 4.4 ± 3.3 ٪، على التوالي. تؤدي إعادة تأهيل الأراضي العارية إلى الأراضي الزراعية إلى تخفيضات في الجريان السطحي تتراوح بين 5.2 و 7.3 ٪. يُظهر تحويل الغطاء النباتي للغابات إلى LULC المُدارة زيادة في الجريان السطحي من 1 إلى 14.1 ٪ اعتمادًا على LULC النهائي. تم تقليل الجريان السطحي من 2.5 إلى 1.1 ٪ عندما يتم تحويل الأراضي العشبية إلى نباتات حرجية. في حين أن هناك اتساقًا عامًا في نتائج دراسات الحالة المختارة، فإننا نستنتج أن هناك القليل من الدراسات التجريبية التي أجريت في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية شبه القاحلة، على الرغم من أن العديد من الناس يعتمدون بشكل كبير على المياه الجوفية لكسب عيشهم. لذلك، هناك حاجة ملحة لزيادة مجموعة الأدلة الكمية بالنظر إلى ضغوط تزايد عدد السكان وتغير المناخ على الموارد المائية في المنطقة.

AbstractIntegrated long-term, in-situ observations are needed to document ongoing environmental change, to “ground-truth” remote sensing and model outputs and to predict future Earth system behaviour. The scientific and societal value of in-situ observations increases with site representativeness, temporal duration, number of parameters measured and comparability within and across sites. Research Infrastructures (RIs) can support harmonised, cross-site data collection, curation and publication. Integrating RI networks through site co-location and standardised observation methods can help answers three questions about the terrestrial carbon sink: (i) What are present and future carbon sequestration rates in northern European forests? (ii) How are these rates controlled? (iii) Why do the observed patterns exist? Here, we present a conceptual model for RI co-location and highlight potential insights into the terrestrial carbon sink achievable when long-term in-situ Earth observation sites participate in multiple RI networks (e.g., ICOS and eLTER). Finally, we offer recommendations to promote RI co-location.

The data was used to estimate annual greenhouse gas fluxes from typical smallholder agricultural systems in western Kenya. We had attempted to classify some of the production systems by remote sensing data and farming systems (ie. landuse), and we include some of the ancillary data as well in order to help explain some of the patterns in the emissions. Therefore we are including the greenhouse gas fluxes from smallholder farming systems in western Kenya; weather data (daily precipitation, daily max and minimum temperatures, soil volumetric water content [20 cm depth], soil temperature [20 cm depth] and soil temperature [5 cm depth]); Coordinates of farms where sampling occurred.

AbstractQuantifying and understanding the small‐scale variability of nitrous oxide (N2O) and carbon dioxide (CO2) emission are essential for reporting accurate ecosystem greenhouse gas budgets. The objective of this study was to evaluate the spatial pattern of soil CO2 and N2O emissions and their relation to topography in a tropical montane forest. We measured fluxes of N2O and CO2 from 810 sampling locations across valley bottom, midslope, and ridgetop positions under controlled laboratory conditions. We further calculated the minimum number of samples necessary to provide best estimates of soil N2O and CO2 fluxes at the plot level. Topography exhibited a major influence on N2O emissions, with soils at midslope position emitting significantly less than at ridgetops and valley bottoms, but no consistent effect of topography on soil CO2 emissions was found. The high spatial variation of N2O and CO2 fluxes was further increased by changes in vegetation and soil properties resulting from human disturbance associated with charcoal production. Soil N2O and CO2 fluxes showed no spatial pattern at the plot level, with “hot spots” strongly contributing to the total emissions (10% of the soil cores represented 73 and 50% of the total N2O and CO2 emissions, respectively). Thus, a large number of samples are needed to obtain robust estimates of N2O and CO2 fluxes. Our results highlight the complex biogeochemical cycling in tropical montane forests, and the need to carefully address it in research experiments to robustly estimate soil CO2 and N2O fluxes at the ecosystem scale.

Abstract ScaleX is a collaborative measurement campaign, collocated with a long-term environmental observatory of the German Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) network in the mountainous terrain of the Bavarian Prealps, Germany. The aims of both TERENO and ScaleX include the measurement and modeling of land surface–atmosphere interactions of energy, water, and greenhouse gases. ScaleX is motivated by the recognition that long-term intensive observational research over years or decades must be based on well-proven, mostly automated measurement systems, concentrated in a small number of locations. In contrast, short-term intensive campaigns offer the opportunity to assess spatial distributions and gradients by concentrated instrument deployments, and by mobile sensors (ground and/or airborne) to obtain transects and three-dimensional patterns of atmospheric, surface, or soil variables and processes. Moreover, intensive campaigns are ideal proving grounds for innovative instruments, methods, and techniques to measure quantities that cannot (yet) be automated or deployed over long time periods. ScaleX is distinctive in its design, which combines the benefits of a long-term environmental-monitoring approach (TERENO) with the versatility and innovative power of a series of intensive campaigns, to bridge across a wide span of spatial and temporal scales. This contribution presents the concept and first data products of ScaleX-2015, which occurred in June–July 2015. The second installment of ScaleX took place in summer 2016 and periodic further ScaleX campaigns are planned throughout the lifetime of TERENO. This paper calls for collaboration in future ScaleX campaigns or to use our data in modelling studies. It is also an invitation to emulate the ScaleX concept at other long-term observatories.

Standard methods for quantifying GHG emissions from soils tend to use either micrometeorological or chamber-based measurement approaches. The latter is the most widely used technique, since it can be applied at low costs and without power supply at remote sites to allow measurement of GHG exchanges between soils and the atmosphere for field trials. Instrumentation for micrometeorological measurements meanwhile is costly, requires power supply and a minimum of 1 ha homogeneous, flat terrain. In this chapter therefore we mainly discuss the closed chamber methodology for quantifying soil GHG fluxes. We provide detailed guidance on existing measurement protocols and make recommendations for selecting field sites, performing the measurements and strategies to overcome spatial variability of fluxes, and provide knowledge on potential sources of errors that should be avoided. As a specific example for chamber-based GHG measurements we discuss sampling and measurement strategies for GHG emissions from rice paddies.