Abstrak Dan Pengantat.docx

Abstrak. Pemahaman tentang kondisi kualitas air yang potensial di bawah iklim masa depan sangat penting untuk keberlanjutan ekosistem dan perlindungan kesehatan manusia. Perubahan keseimbangan air lahan basah di bawah iklim yang diproyeksikan dapat mengubah luasan lahan basah atau menyebabkan kehilangan lahan basah (misalnya, melalui evapotranspirasi yang meningkat dan aliran musim tumbuh yang lebih rendah yang menyebabkan berkurangnya genangan lahan basah riparian) atau mengubah pola penggunaan lahan. Studi ini menilai perubahan-perubahan yang disebabkan oleh perubahan iklim terhadap sedimen dan beban hara di sungai di Sprague River, Oregon, Amerika Serikat bagian barat yang didominasi oleh salju. Selain itu, dampak kualitas air potensial dari perubahan gabungan dalam keseimbangan air lahan basah dan lahan basah di bawah kondisi iklim masa depan dievaluasi. Penelitian ini menggunakan Tanah dan Air Assessment Tool (SWAT) yang dipaksakan dengan downscaling statistik model sirkulasi umum (GCM) dari Proyek Interkoneksi Model Gabungan 5 (CMIP5) menggunakan metode Multivariate Adaptive Constructed Analogs (MACA). Temuan kami menunjukkan bahwa, di Sungai Sprague, (1) nutrisi dan beban sedimen di pertengahan abad ke-21 dapat meningkat secara signifikan selama musim tinggi di bawah proyeksi iklim yang lebih hangat dan basah atau hanya dapat berubah secara nominal di masa depan yang lebih hangat dan lebih kering; (2) meskipun kondisi kualitas air di bawah beberapa skenario iklim masa depan dan tidak ada kerugian lahan basah mirip dengan masa lalu, dampak gabungan dari perubahan iklim dan kerugian lahan basah pada beban hara bisa besar; (3) peningkatan konsentrasi total fosfor (TP) aliran dengan hilangnya lahan basah di bawah skenario iklim masa depan akan menjadi yang terbesar pada arus besar, aliran probabilitas rendah; dan (4) hilangnya lahan basah riparian di kedua hulu dan dataran rendah dapat meningkatkan beban TP saluran ke tingkat yang sama, tetapi ini bisa disebabkan oleh mekanisme yang sangat berbeda di berbagai bagian DAS.

1. Perkenalan Pemahaman tentang kondisi kualitas air sungai yang potensial di bawah iklim masa depan sangat penting untuk keberlanjutan ekosistem dan perlindungan kesehatan manusia (Mulholland and Sale, 2011). Sejumlah besar penelitian dalam dekade terakhir telah menggunakan model hidrologi untuk memahami dampak potensial dari iklim masa depan pada aliran aliran (misalnya, Jha et al., 2004; Krysanova dkk., 2005; Abbaspour dkk., 2010; Diffenbaugh et al. ., 2013). Namun, lebih sedikit penelitian yang telah mengevaluasi potensi perubahan iklim yang dipicu oleh sedimen sungai dan flux nutrient (Kundzewicz et al., 2009; Liu et al., 2010; Ahmadi et al., 2014). Beberapa penelitian telah menilai potensi perubahan yang disebabkan oleh iklim terhadap beban sedimen di sungai yang secara historis didominasi oleh salju di bagian barat AS (pengecualian Ficklin et al., 2010). Sepengetahuan kami, tidak ada studi pemodelan hidrologi yang belum menilai fluktuasi masa depan nutrisi di sungai-sungai ini (lihat Lembaga Penelitian Perubahan Iklim Oregon, 2010; Tillman dan Siemann, 2011). Sebagian besar studi dampak iklim kualitas air di wilayah ini telah berfokus pada suhu aliran (misalnya, Isaak dkk., 2010; Flint dan Flint, 2011; Beechie et al., 2013) karena kontrol pentingnya terhadap kelimpahan, distribusi, dan persistensi populasi (Isaak et al., 2010). Memahami perubahan potensial terhadap sedimen dan nutrisi dalam air dapat membantu pengambil keputusan mengevaluasi kemungkinan tekanan masa

depan terhadap ekosistem akuatik selain aliran aliran perubahan dan pemanasan (seperti eutrofikasi) dan untuk mengelola ketahanan terhadap perubahan iklim dengan lebih baik. Selain itu, sementara lahan basah secara luas dianggap penting dalam pengelolaan kualitas air sungai skala-basin (misalnya, Mitsch dan Gosselink, 2000a; Verhoeven et al., 2006), beberapa penelitian telah membahas potensi efek gabungan pada kualitas air perubahan iklim dan iklim- perubahan yang diinduksi di lahan basah. Dari jumlah ini, sebagian besar telah menilai manfaat lahan basah saat ini atau penciptaan lahan basah di bawah iklim masa depan daripada risiko kehilangan lahan basah (misalnya, Whitehead dkk., 2006; Woznicki dkk., 2011; Van Liew et al., 2012; Ma et al., 2012) Namun, aliran di banyak aliran barat Amerika telah menurun selama musim semi dan awal musim panas di abad ke-20, dan aliran panas musim panas yang lebih rendah dikombinasikan dengan evapotranspirasi yang meningkat dapat mengurangi tabel air dan genangan lahan basah riparian (Stewart et al., 2005; Perry et al., 2012). Pada gilirannya, perubahan keseimbangan air lahan basah di bawah iklim masa depan dapat mengubah lahan basah dan menyebabkan konversi tipe lahan basah atau bahkan kehilangan (Burkett dan Kusler, 2000; Candela et al., 2009; Meyer et al., 1999; Mulholland dan Penjualan, 2011) . Di AS bagian barat, aliran yang lebih kecil di cekungan hujan-salju sementara dapat menunjukkan respons yang lebih cepat dan nyata terhadap perubahan iklim dan peristiwa ekstrim daripada sungai dataran rendah (Oregon Climate Change Research Institute, 2010; Waibel et al., 2013). Dalam hal ini, lahan basah tepian sungai dapat lebih dipengaruhi oleh iklim masa depan daripada lahan basah yang lebih rendah di daerah aliran sungai atau mereka yang jauh dari sungai. Penting untuk mengevaluasi dampak kualitas air gabungan dari beberapa lahan basah pada skala basin, karena fungsi kumulatif mereka dalam DAS mungkin lebih besar daripada jumlah bagian (Johnston et al., 1990). Kami belum memiliki alat untuk memprediksi sensitivitas perubahan iklim skala-sungai dari tingkat lahan basah atau fungsi hidroekologi yang terkait dengan kualitas air. Ada kemungkinan bahwa lahan basah dapat berkembang, terutama di bawah iklim masa depan yang lebih basah. Kami percaya bahwa, dengan tidak adanya alat prediksi ini, kita dapat memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang kerentanan sistem dengan menilai sensitivitas kualitas air sungai terhadap skenario hipotetik hilangnya lahan basah di bawah iklim masa depan. Kesenjangan pengetahuan lain adalah bagaimana iklim masa depan dapat mempengaruhi kualitas air sungai di bawah kondisi aliran sungai yang beragam. Banyak studi dampak iklim kualitas air sungai telah menilai perubahan dalam rata-rata aliran tahunan jangka panjang. Penilaian di bawah berbagai aliran, bagaimanapun, memberikan petunjuk ke sumber dan proses pemuatan polutan (US Environmental Protection Agency, 2007). Kurva durasi beban, misalnya, menunjukkan persen waktu bahwa ambang beban polutan yang diberikan telah disamai atau dilampaui, dan dapat digunakan untuk menilai pada kondisi aliran apa kualitas air terganggu (Badan Perlindungan Lingkungan AS, 2007). Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk menilai kerentanan kualitas air sungai terhadap iklim masa depan dan potensi kerugian lahan basah akibat induksi di DAS Sprague River, Oregon selatan, AS. Lahan basah di daerah aliran sungai yang dikeringkan dan semi kering ini diyakini sebagai sumber kontrol pencemar non-titik-sumber penting untuk kualitas air hilir (Boyd et al., 2002; Mayer dan Naman, 2011). Namun, luas lahan basah dan perannya dalam kualitas air cekungan di bawah perubahan iklim tidak pasti. Tujuan spesifik adalah untuk (1) mengkarakterisasi perubahan potensial dalam aliran aliran, sedimen, dan beban hara di bawah iklim masa depan dan luas lahan basah saat ini; (2) mengevaluasi sensitivitas beban hara terhadap kehilangan lahan basah di bawah iklim masa depan dan berbagai kondisi aliran; dan (3) menentukan apakah dampak pada pemuatan unsur hara dari kehilangan lahan basah

dipengaruhi oleh urutan aliran ke mana lahan basah bersebelahan dan di bawah pengaruh aliran apa yang terbesar. Daerah aliran sungai Sprague menghabiskan waktu sekitar 4000 km2 di lembah Sungai Klamath Hulu. Sungai Sprague dipasok oleh tiga anak sungai utama: Garpu Selatan dan Utara, yang bergabung untuk membentuk batang utama Sungai Sprague dekat Beatty, Oregon, dan Sungai Sycan yang lebih besar, yang mencapai batang utama sekitar 20 km di hilir dari pengaruh ini (Gambar. 1). Selama kalibrasi gabungan dan periode validasi (2001-2010), secara rata-rata, Sungai Sycan menyumbang sekitar 20% aliran di outlet Sprague River, sementara North and South Forks berkontribusi sekitar 10–15%. Antara air tahun 2004 dan 2006, anak sungai Sungai Sprague diperkirakan menyumbang 80% dari sedimen yang tersuspensi di dekat aliran Sungai Sprague, dimana sekitar 60% berasal dari Fork Selatan Sungai Sprague, sekitar 30% dari North Fork Sungai Sprague, dan sisanya dari Sycan (Graham Matthews and Associates, 2007). Selama tahun 2000an, Sungai Sycan di situs 4 (Gbr. 1) menyumbang sekitar 4-9% dari muatan nitrogen total tahunan (TN) dekat outlet Sungai Sprague (situs 2, Gbr. 1), dan Fork Utara bagian tengah. Sungai Sprague (situs 5, Gambar. 1) menyumbang 23–35%; untuk TP (fosfor total), perkiraan ini masing-masing adalah 6–18 dan 13–23%. Fork Selatan dari kontribusi Sungai Sprague untuk muatan di outlet Sprague River tidak dapat diperkirakan untuk periode ini karena kurangnya data aliran aliran harian terdekat untuk mengembangkan total beban nutrisi bulanan.

Gambar 1. Sungai Sprague, Oregon, AS. Jumlah situs kalibrasi dan validasi (lingkaran) sesuai dengan informasi situs pada Tabel 5. Sumber set data dijelaskan dalam teks. Sungai Sprague dan Sungai Williamson, yang dikuasai Sprague, adalah dua dari tiga anak sungai terbesar di Danau Klamath Hulu yang luas dan dangkal dan menyumbang lebih dari setengah aliran danau. Sebagian besar yang tersisa mengalir ke danau adalah dari Sungai Kayu, yang terletak di sebelah barat sungai Sprague dan Williamson (Gbr. 1). Meskipun wilayah studi adalah daerah aliran sungai di AS bagian barat, kerangka pemodelan umum (Gambar 2) dapat

dialihkan ke cekungan lain di mana sensitivitas relatif kualitas air terhadap iklim dan tutupan lahan di masa depan adalah menarik. Daerah aliran sungai Sprague terletak di bayangan hujan Pegunungan Cascade. Berarti curah hujan tahunan dan kisaran suhu dari 340mmyr − 1 dan 10◦C di National Climatic Data Center (NCDC) stasiun Summer Lake, sekitar 15km timur laut dari batas DAS, hingga 950mmyr − 1 dan 4◦C di Snow Telemetry (SNOTEL) stasiun Crazyman Flat di hulu Sungai Sycan (1981–2010 rata-rata diperoleh dari http: //www.wcc.nrcs. usda.gov/snotel/Oregon/oregon.html, akses terakhir 28 November 2011). Total curah hujan tahunan adalah sekitar 47% salju di ketinggian yang lebih rendah (stasiun SNOTEL Taylor Butte, 1533ma.sl) dan 64% di ketinggian yang lebih tinggi (stasiun SNOTEL Summer Rim, 2158ma.sl) (persentase curah hujan rata-rata sebagai salju untuk air tahun 1981–2010 ). Sebagian besar curah hujan terjadi antara bulan Oktober dan Maret. Januari biasanya paling dingin, sedangkan Juli biasanya paling hangat (−3 dan 15◦C berarti minimum dan suhu bulanan maksimum, masingmasing, di Danau Musim Panas; −2 dan 14◦C di Crazyman Flat) (Gbr. 1). Ketinggian berkisar dari sekitar 1270 hingga 2600ma.s.l. (di atas permukaan laut) (US Geological Survey, 2009). Geologi cekungan Sungai Klamath Bagian Atas umumnya terdiri dari aliran lava, batuan vulkanik, atau ventilasi vulkanik interbedded dengan material sedimen dan volcaniclastic (Gannett et al., 2007). Tanah yang berasal dari gunung berapi secara umum umumnya kaya fosfor (P) dan sangat permeabel di banyak daerah aliran sungai, terutama di daerah vulkanik muda (Cahoon, 1985; Graham et al., 2005; Gannett et al., 2007). Mayoritas daerah aliran sungai adalah hutan jenis konifera yang didominasi oleh pinus Ponderosa dan Lodgepole (Pinus ponderosa dan Pinus contorta) (Rabe dan Calonje, 2009). Tutupan lahan lainnya sebagian besar adalah rangeland, lahan basah, dan padang rumput sapi teririgasi (Homer et al., 2007). Lahan basah riparian dan depresional terdiri dari sekitar 5,3 dan 0,4% dari DAS Sungai Sprague, masing-masing. Distribusi lahan basah riparian di daerah aliran sungai (yaitu, prevalensi mereka sepanjang pesanan aliran yang berbeda) dirangkum dalam Tabel 1.

Gambar 2. Gambaran kerangka pemodelan yang digunakan dalam penelitian ini. Komponen kerangka dijelaskan lebih rinci dalam teks. "Depr" menunjukkan lahan basah depresional, dan "MACA" adalah bentuk singkat dari "Multivariate Adaptive Constructed Analogs" (kedua istilah didefinisikan dalam teks). Arus puncak tahunan di outlet Sprague River dekat Chiloquin, Oregon, umumnya terjadi antara bulan Februari dan Juni dan terkait dengan pencairan salju (Mayer dan Naman, 2011; US Geological Survey, 2012). Air tanah mengalir ke sungai adalah sekitar 3 hingga 4m3 s − 1 di North Fork dari Sungai Sprague dan di lembah Sungai Sprague yang lebih rendah, tetapi hanya sekitar 1m3 s − 1 di jangkauan Sungai Sycan dan Fork Selatan Sungai Sprague ( Gannett et al., 2007). Beban TP ke Upper Klamath Lake telah meningkat pada abad terakhir hingga di atas tingkat latar belakang yang sudah tinggi dari geologi vulkanik regional (Boyd et al., 2002). Sekitar 45% dari TP yang mengalir ke Danau Klamath Atas berasal dari Sprague Sungai saja (air tahun 1992-2010) (Walker et al., 2012). Peningkatan TP telah dikaitkan dengan peningkatan limpasan dan erosi di DAS yang mengalir ke danau, dan juga kehilangan lebih dari 90% lahan basah Upper Klamath River basin (Gearheart et al., 1995). tabel 1. Persen luas lahan sawah riparian dalam buffer aliran 30m di daerah aliran sungai Sprague oleh aliran Strahler (Strahler, 1952), persen daerah aliran sungai mengalir ke masing-masing orde, dan persen dari total lahan sawah riparian di seluruh DAS. mengalir ke masing-masing dari tiga kelas aliran. Persen luas daerah aliran sungai dihitung dengan terlebih dahulu menentukan urutan aliran yang sebagian besar dari masing-masing area unit respon hidrologi dikeringkan, kemudian menghitung total kontribusi dari setiap area drainasi urutan aliran ke daerah aliran sungai. Persentase area riparian adalah persen dari total lahan sawah riparian yang berdekatan dengan aliran dari tiga klasifikasi pesanan yang ditunjukkan dalam tabel. Data geospasial dan metode analisis dijelaskan dalam teks.

Beban TP yang meningkat berhubungan dengan mekar besar dan mati-off fitoplankton di Danau Klamath Atas, yang menyebabkan ekstrem pada pH dan konsentrasi oksigen yang mungkin mematikan untuk spesies ikan terancam punah yang terdaftar secara federal (Boyd et al., 2002). Sungai Klamath memulai hilir Danau Upper Klamath di waduk danau yang dikendalikan bendungan, dari mana sungai mengalir sekitar 400 km ke Samudra Pasifik di California (VanderKooi dkk., 2011) (Gbr. 1). Kualitas air Danau Klamath bagian atas dapat berkontribusi terhadap kualitas air yang buruk di hilir Sungai Klamath oleh ekspor beban nutrisi dan organik yang tinggi, yang juga dapat mendukung pertumbuhan toksin hati yang memproduksi cyanobacteria (Eldridge et al., 2012). Total konsentrasi beban harian maksimum (TMDL) TP konsentrasi untuk aliran Danau Klamath Atas didasarkan pada kondisi aliran pada 1991-1998 (66ppb) dan mewakili penurunan 40% beban TP tahunan ke danau. Konsentrasi ini hampir setara dengan konsentrasi TP latar belakang di wilayah 65ppb (Walker et al., 2012). Pemanfaatan lahan primer di DAS Sungai Sprague adalah penggembalaan sapi potong di lembah sungai dan penebangan kayu (Rabe dan Calonje, 2009; Dinas Konservasi Sumber Daya Alam Departemen Pertanian AS, 2009). Mayoritas padang rumput di lembah Sungai Sprague berair irigasi dari sumber air permukaan (Dinas Konservasi Sumber Daya Alam Departemen Pertanian AS, 2009), sehingga rotasi merumput dalam model hidrologi (dijelaskan secara rinci di bawah) hanya ditugaskan untuk lahan beririgasi yang ditunjuk untuk penggunaan pertanian oleh Departemen Sumber Daya Air Oregon 2008). Tingkat penumpukan aktual di DAS tidak diketahui dan bervariasi dari tahun ke tahun (D. Ferguson, Layanan Konservasi Sumber Daya Alam Pusat Layanan Klamath Falls, Klamath Falls, kantor Oregon, komunikasi pribadi, 2012). Oleh karena itu, kami memberikan masukan parameter manajemen ke model hidrologi dari tingkat persediaan yang masuk akal dari 4,9 mukaha − 1 (dikonfirmasi oleh staf NRCS), persamaan pustaka yang menghubungkan massa ternak dengan konsumsi hijauan dan produksi pupuk, dan literatur daerah (D. Ferguson, Sumber Daya Alam Layanan Konservasi Pusat Layanan Klamath Falls, Klamath Falls, kantor Oregon, komunikasi pribadi, 2012; Ciotti, 2005; Perkumpulan Ahli Pertanian dan Biologi Amerika, 2006; Departemen Layanan Konservasi Sumber Daya Alam Pertanian AS, 2009). Detail manajemen ditunjukkan pada Tabel 2. Sebagian besar basin Sungai Klamath Atas berada di zona elevasi transisi di mana bentuk curah hujan (hujan atau salju) sensitif terhadap perubahan suhu yang relatif sedikit (misalnya, Mote, 2003; Sproles et al. , 2013). Cekungan Klamath Atas telah menunjukkan pemanasan, penurunan setara air salju, dan awal musim semi mencair sejak 1950-an, mirip dengan perubahan yang diamati di tempat lain di barat Amerika (Mote, 2003; Mayer dan Naman, 2011; Risley et al., 2012). Meskipun tampaknya sangat mungkin bahwa kecenderungan tersebut akan terus berlanjut (Risley et al., 2012), efek potensial pada kualitas air lembah sungai tidak dipahami dengan baik.