Water scarcity and climate change impact and vulnerability in irrigated agriculture in Mediterranean river basins

Actualmente, la escasez de agua constituye un importante problema en muchos lugares del mundo. El crecimiento de la población, la creciente necesidad de alimentos, el desarrollo socio-económico y el cambio climático ejercen una importante y cada vez mayor presión sobre los recursos hídricos, a la que muchos países van a tener que enfrentarse en los próximos anos. La región Mediterránea es una de las regiones del mundo de mayor escasez de recursos hídricos, y es además una de las zonas más vulnerables al cambio climático. La mayoría de estudios sobre cambio climático prevén mayores temperaturas y una disminución de las precipitaciones, y una creciente escasez de agua debida a la disminución de recursos disponibles y al aumento de las demandas de riego. En el contexto actual de desarrollo de políticas se demanda cada vez más una mayor consideración del cambio climático en el marco de las políticas sectoriales. Sin embargo, los estudios enfocados a un solo sector no reflejan las múltiples dimensiones del los efectos del cambio climático. Numerosos estudios científicos han demostrado que el cambio climático es un fenómeno de naturaleza multi-dimensional y cuyos efectos se transmiten a múltiples escalas. Por tanto, es necesaria la producción de estudios y herramientas de análisis capaces de reflejar todas estas dimensiones y que contribuyan a la elaboración de políticas robustas en un contexto de cambio climático. Esta investigación pretende aportar una visión global de la problemática de la escasez de agua y los impactos, la vulnerabilidad y la adaptación al cambio climático en el contexto de la región mediterránea. La investigación presenta un marco integrado de modelización que se va ampliando progresivamente en un proceso secuencial y multi-escalar en el que en cada etapa se incorpora una nueva dimensión. La investigación consta de cuatro etapas que se abordan a lo largo de cuatro capítulos. En primer lugar, se estudia la vulnerabilidad económica de las explotaciones de regadío del Medio Guadiana, en España. Para ello, se utiliza un modelo de programación matemática en combinación con un modelo econométrico. A continuación, en la segunda etapa, se utiliza un modelo hidro-económico que incluye un modelo de cultivo para analizar los procesos que tienen lugar a escala de cultivo, explotación y cuenca teniendo en cuenta distintas escalas geográficas y de toma de decisiones. Esta herramienta permite el análisis de escenarios de cambio climático y la evaluación de posibles medidas de adaptación. La tercera fase consiste en el análisis de las barreras que dificultan la aplicación de procesos de adaptación para lo cual se analizan las redes socio-institucionales en la cuenca. Finalmente, la cuarta etapa aporta una visión sobre la escasez de agua y el cambio climático a escala nacional y regional mediante el estudio de distintos escenarios de futuro plausibles y los posibles efectos de las políticas en la escasez de agua. Para este análisis se utiliza un modelo econométrico de datos de panel para la región mediterránea y un modelo hidro-económico que se aplica a los casos de estudio de España y Jordania. Los resultados del estudio ponen de relieve la importancia de considerar múltiples escalas y múltiples dimensiones en el estudio de la gestión de los recursos hídricos y la adaptación al cambio climático en los contextos mediterráneos de escasez de agua estudiados. Los resultados muestran que los impactos del cambio climático en la cuenca del Guadiana y en el conjunto de España pueden comprometer la sostenibilidad del regadío y de los ecosistemas. El análisis a escala de cuenca hidrográfica resalta la importancia de las interacciones entre los distintos usuarios del agua y en concreto entre distintas comunidades de regantes, así como la necesidad de fortalecer el papel de las instituciones y de fomentar la creación de una visión común en la cuenca para facilitar la aplicación de los procesos de adaptación. Asimismo, los resultados de este trabajo evidencian también la capacidad y el papel fundamental de las políticas para lograr un desarrollo sostenible y la adaptación al cambio climático es regiones de escasez de agua tales como la región mediterránea. Especialmente, este trabajo pone de manifiesto el potencial de la Directiva Marco del Agua de la Unión Europea para lograr una efectiva adaptación al cambio climático. Sin embargo, en Jordania, además de la adaptación al cambio climático, es preciso diseñar estrategias de desarrollo sostenible más ambiciosas que contribuyan a reducir el riesgo futuro de escasez de agua. ABSTRACT Water scarcity is becoming a major concern in many parts of the world. Population growth, increasing needs for food production, socio-economic development and climate change represent pressures on water resources that many countries around the world will have to deal in the coming years. The Mediterranean region is one of the most water scarce regions of the world and is considered a climate change hotspot. Most projections of climate change envisage an increase in temperatures and a decrease in precipitation and a resulting reduction in water resources availability as a consequence of both reduced water availability and increased irrigation demands. Current policy development processes require the integration of climate change concerns into sectoral policies. However, sector-oriented studies often fail to address all the dimensions of climate change implications. Climate change research in the last years has evidenced the need for more integrated studies and methodologies that are capable of addressing the multi-scale and multi-dimensional nature of climate change. This research attempts to provide a comprehensive view of water scarcity and climate change impacts, vulnerability and adaptation in Mediterranean contexts. It presents an integrated modelling framework that is progressively enlarged in a sequential multi-scale process in which a new dimension of climate change and water resources is addressed at every stage. It is comprised of four stages, each one explained in a different chapter. The first stage explores farm-level economic vulnerability in the Spanish Guadiana basin using a mathematical programming model in combination with an econometric model. Then, in a second stage, the use of a hydro-economic modelling framework that includes a crop growth model allows for the analysis of crop, farm and basin level processes taking into account different geographical and decision-making scales. This integrated tool is used for the analysis of climate change scenarios and for the assessment of potential adaptation options. The third stage includes the analysis of barriers to the effective implementation of adaptation processes based on socioinstitutional network analysis. Finally, a regional and country level perspective of water scarcity and climate change is provided focusing on different possible socio-economic development pathways and the effect of policies on future water scarcity. For this analysis, a panel-data econometric model and a hydro-economic model are applied for the analysis of the Mediterranean region and country level case studies in Spain and Jordan. The overall results of the study demonstrate the value of considering multiple scales and multiple dimensions in water management and climate change adaptation in the Mediterranean water scarce contexts analysed. Results show that climate change impacts in the Guadiana basin and in Spain may compromise the sustainability of irrigation systems and ecosystems. The analysis at the basin level highlights the prominent role of interactions between different water users and irrigation districts and the need to strengthen institutional capacity and common understanding in the basin to enhance the implementation of adaptation processes. The results of this research also illustrate the relevance of water policies in achieving sustainable development and climate change adaptation in water scarce areas such as the Mediterranean region. Specifically, the EU Water Framework Directive emerges as a powerful trigger for climate change adaptation. However, in Jordan, outreaching sustainable development strategies are required in addition to climate change adaptation to reduce future risk of water scarcity.

Evolution of the Riparian forest corridor in a large Mediterranean river system

The well-documented re-colonisation of the French large river basins of Loire and Rhone by European otter and beaver allowed the analysis of explanatory factors and threats to species movement in the river corridor. To what extent anthropogenic disturbance of the riparian zone influences the corridor functioning is a central question in the understanding of ecological networks and the definition of restoration goals for river networks. The generalist or specialist nature of target species might be determining for the responses to habitat quality and barriers in the riparian corridor. Detailed datasets of land use, human stressors and hydro-morphological characteristics of river segments for the entire river basins allowed identifying the habitat requirements of the two species for the riparian zone. The identified critical factors were entered in a network analysis based on the ecological niche factor approach. Significant responses to riparian corridor quality for forest cover, alterations of channel straightening and urbanisation and infrastructure in the riparian zone are observed for both species, so they may well serve as indicators for corridor functioning. The hypothesis for generalists being less sensitive to human disturbance was withdrawn, since the otter as generalist species responded strongest to hydro-morphological alterations and human presence in general. The beaver responded the strongest to the physical environment as expected for this specialist species. The difference in responses for generalist and specialist species is clearly present and the two species have a strong complementary indicator value. The interpretation of the network analysis outcomes stresses the need for an estimation of ecological requirements of more species in the evaluation of riparian corridor functioning and in conservation planning.

Regional and seasonal patterns of litterfall in tropical South America

The production of aboveground soft tissue represents an important share of total net primary production in tropical rain forests. Here we draw from a large number of published and unpublished datasets (n = 81 sites) to assess the determinants of litterfall variation across South American tropical forests. We show that across old-growth tropical rainforests, litterfall averages 8.61±1.91Mgha?1 yr?1 (mean±standard deviation, in dry mass units). Secondary forests have a lower annual litterfall than old-growth tropical forests with a mean of 8.01±3.41Mgha?1 yr?1. Annual litterfall shows no significant variation with total annual rainfall, either globally or within forest types. It does not vary consistently with soil type, except in the poorest soils (white sand soils), where litterfall is significantly lower than in other soil types (5.42±1.91Mgha?1 yr?1). We also study the determinants of litterfall seasonality, and find that it does not depend on annual rainfall or on soil type. However, litterfall seasonality is significantly positively correlated with rainfall seasonality. Finally, we assess how much carbon is stored in reproductive organs relative to photosynthetic organs. Mean leaf fall is 5.74±1.83Mgha?1 yr?1 (71% of total litterfall). Mean allocation into reproductive organs is 0.69±0.40Mgha?1 yr?1 (9% of total litterfall). The investment into reproductive organs divided by leaf litterfall increases with soil fertility, suggesting that on poor soils, the allocation to photosynthetic organs is prioritized over that to reproduction. Finally, we discuss the ecological and biogeochemical implications of these results.

A water footprint assessment of a pair of jeans: the influence of agricultural policies on the sustainability of consumer products.

This study reports the results of a water footprint (WF) assessment of five types of textiles commonly used for the production of jeans, including two different fibres (cotton and Lyocell fibre) and five corresponding production methods for spinning, dyeing and weaving. The results show that the fibre production is the stage with the highest water consumption, being cotton production particularly relevant. Therefore, the study pays particular attention to the water footprint of cotton production and analyses the effects of external factors influencing the water footprint of a product, in this case, the incentives provided by the EU Common Agricultural Policy (CAP), and the relevance of agricultural practices to the water footprint of a product is emphasised. An extensification of the crop production led to higher WF per unit, but a lower overall pressure on the basins water resources. This study performs a sustainability assessment of the estimated cotton WFs with the water scarcity index, as proposed by Hoekstra et al. (2011), and shows their variations in different years as a result of different water consumption by crops in the rest of the river basin. In our case, we applied the assessment to the Guadalquivir, Guadalete and Barbate river basins, three semi-arid rivers in South Spain. Because they are found to be relevant, the available water stored in dams and the outflow are also incorporated as reference points for the sustainability assessment. The study concludes that, in the case of Spanish cotton production, the situation of the basin and the policy impact are more relevant for the status of the basin s water resources than the actual WF of cotton production. Therefore, strategies aimed at reducing the impact of the water footprint of a product need to analyse both the WF along the value chain and within the local context.

Implications of agricultural production, policy and land use changes on water resource assessment

Una gestión más eficiente y equitativa del agua a escala de cuenca no se puede centrar exclusivamente en el recurso hídrico en sí, sino también en otras políticas y disciplinas científicas. Existe un consenso creciente de que, además de la consideración de las cambiantes condiciones climáticas, es necesaria una integración de ámbitos de investigación tales como la agronomía, planificación del territorio y ciencias políticas y económicas a fin de satisfacer de manera sostenible las demandas de agua por parte de la sociedad y del medio natural. La Política Agrícola Común (PAC) es el principal motor de cambio en las tendencias de paisajes rurales y sistemas agrícolas, pero el deterioro del medio ambiente es ahora una de las principales preocupaciones. Uno de los cambios más relevantes se ha producido con la expansión e intensificación del olivar en España, principalmente con nuevas zonas de regadío o la conversión de olivares de secano a sistemas en regadío. Por otra parte, el cambio de las condiciones climáticas podría ejercer un papel importante en las tendencias negativas de las aportaciones a los ríos, pero no queda claro el papel que podrían estar jugando los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas de caudal observadas. Esta tesis tiene como objetivo mejorar el conocimiento de los efectos de la producción agrícola, política agraria y cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las condiciones de calidad del agua, respuesta hidrológica y apropiación del agua por parte de la sociedad. En primer lugar, el estudio determina las tendencias existentes de nitratos y sólidos en suspensión en las aguas superficiales de la cuenca del río Guadalquivir durante el periodo de 1998 a 2009. Desde una perspectiva de política agraria, la investigación trata de evaluar mediante un análisis de datos de panel las principales variables, incluyendo la reforma de la PAC de 2003, que están teniendo una influencia en ambos indicadores de calidad. En segundo lugar, la apropiación del agua y el nivel de contaminación por nitratos debido a la producción del aceite de oliva en España se determinan con una evaluación de la huella hídrica (HH), teniendo en cuenta una variabilidad espacial y temporal a largo de las provincias españolas y entre 1997 y 2008. Por último, la tesis analiza los efectos de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas observadas en la zona alta del Turia, cabecera de la cuenca del río Júcar, durante el periodo 1973-2008 mediante una modelización ecohidrológica. En la cuenca del Guadalquivir cerca del 20% de las estaciones de monitoreo muestran tendencias significativas, lineales o cuadráticas, para cada indicador de calidad de agua. La mayoría de las tendencias significativas en nitratos están aumentando, y la mayoría de tendencias cuadráticas muestran un patrón en forma de U. Los modelos de regresión de datos de panel muestran que las variables más importantes que empeoran ambos indicadores de calidad del agua son la intensificación de biomasa y las exportaciones de ambos indicadores de calidad procedentes de aguas arriba. En regiones en las que el abandono agrícola y/o desintensificación han tenido lugar han mejorado las condiciones de calidad del agua. Para los nitratos, el desacoplamiento de las subvenciones a la agricultura y la reducción de la cuantía de las subvenciones a tierras de regadío subyacen en la reducción observada de la concentración de nitratos. Las medidas de modernización de regadíos y el establecimiento de zonas vulnerables a nitratos reducen la concentración en subcuencas que muestran una tendencia creciente de nitratos. Sin embargo, el efecto de las exportaciones de nitratos procedente de aguas arriba, la intensificación de la biomasa y los precios de los cultivos presentan un mayor peso, explicando la tendencia creciente observada de nitratos. Para los sólidos en suspensión, no queda de forma evidente si el proceso de desacoplamiento ha influido negativa o positivamente. Sin embargo, los mayores valores de las ayudas agrarias aún ligadas a la producción, en particular en zonas de regadío, conllevan un aumento de las tasas de erosión. Aunque la cuenca del Guadalquivir ha aumentado la producción agrícola y la eficiencia del uso del agua, el problema de las altas tasas de erosión aún no ha sido mitigado adecuadamente. El estudio de la huella hídrica (HH) revela que en 1 L de aceite de oliva español más del 99,5% de la HH está relacionado con la producción de la aceituna, mientras que menos del 0,5% se debe a otros componentes, es decir, a la botella, tapón y etiqueta. Durante el período estudiado, la HH verde en secano y en regadío representa alrededor del 72% y 12%, respectivamente, del total de la HH. Las HHs azul y gris representan 6% y 10%, respectivamente. La producción de aceitunas se concentra en regiones con una HH menor por unidad de producto. La producción de aceite de oliva ha aumentado su productividad del agua durante 1997-2008, incentivado por los crecientes precios del aceite, como también lo ha hecho la cantidad de exportaciones de agua virtual. De hecho, las mayores zonas productoras presentan una eficiencia alta del uso y de productividad del agua, así como un menor potencial de contaminación por nitratos. Pero en estas zonas se ve a la vez reflejado un aumento de presión sobre los recursos hídricos locales. El aumento de extracciones de agua subterránea relacionadas con las exportaciones de aceite de oliva podría añadir una mayor presión a la ya estresada cuenca del Guadalquivir, mostrando la necesidad de equilibrar las fuerzas del mercado con los recursos locales disponibles. Los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal juegan un papel importante en el balance del agua de la cuenca alta del Turia, pero no son el principal motor que sustenta la reducción observada de caudal. El aumento de la temperatura es el principal factor que explica las mayores tasas de evapotranspiración y la reducción de caudales. Sin embargo, los cambios de uso de suelo y el cambio climático han tenido un efecto compensatorio en la respuesta hidrológica. Por un lado, el caudal se ha visto afectado negativamente por el aumento de la temperatura, mientras que los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal han compensado positivamente con una reducción de las tasas de evapotranspiración, gracias a los procesos de disminución de la densidad de matorral y de degradación forestal. El estudio proporciona una visión que fortalece la interdisciplinariedad entre la planificación hidrológica y territorial, destacando la necesidad de incluir las implicaciones de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en futuros planes hidrológicos. Estos hallazgos son valiosos para la gestión de la cuenca del río Turia, y el enfoque empleado es útil para la determinación del peso de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en la respuesta hidrológica en otras regiones. ABSTRACT Achieving a more efficient and equitable water management at catchment scale does not only rely on the water resource itself, but also on other policies and scientific knowledge. There is a growing consensus that, in addition to consideration of changing climate conditions, integration with research areas such as agronomy, land use planning and economics and political science is required to meet sustainably the societal and environmental water demands. The Common Agricultural Policy (CAP) is a main driver for trends in rural landscapes and agricultural systems, but environmental deterioration is now a principal concern. One of the most relevant changes has occurred with the expansion and intensification of olive orchards in Spain, taking place mainly with new irrigated areas or with the conversion from rainfed to irrigated systems. Moreover, changing climate conditions might exert a major role on water yield trends, but it remains unclear the role that ongoing land use and land cover changes (LULCC) might have on observed river flow trends. This thesis aims to improve the understanding of the effects of agricultural production, policies and LULCC on water quality conditions, hydrological response and human water appropriation. Firstly, the study determines the existing trends for nitrates and suspended solids in the Guadalquivir river basin’s surface waters (south Spain) during the period from 1998 to 2009. From a policy perspective, the research tries to assess with panel data analysis the main drivers, including the 2003 CAP reform, which are having an influence on both water quality indicators. Secondly, water appropriation and nitrate pollution level originating from the production of olive oil in Spain is determined with a water footprint (WF) assessment, considering a spatial temporal variability across the Spanish provinces and from 1997 to 2008 years. Finally, the thesis analyzes the effects of the LULCC on the observed negative trends over the period 1973-2008 in the Upper Turia basin, headwaters of the Júcar river demarcation (east Spain), with ecohydrological modeling. In the Guadalquivir river basin about 20% of monitoring stations show significant trends, linear or quadratic, for each water quality indicator. Most significant trends of nitrates are augmenting than decreasing, and most significant quadratic terms of both indicators exhibit U-shaped patterns. The panel data models show that the most important drivers that are worsening nitrates and suspended solids in the basin are biomass intensification and exports of both water quality indicators from upland regions. In regions that agricultural abandonment and/or de-intensification have taken place the water quality conditions have improved. For nitrates, the decoupling of agricultural subsidies and the reduction of the amount of subsidies to irrigated land underlie the observed reduction of nitrates concentration. Measures of irrigation modernization and establishment of vulnerable zones to nitrates ameliorate the concentration of nitrates in subbasins showing an increasing trend. However, the effect of nitrates load from upland areas, intensification of biomass and crop prices present a greater weight leading to the final increasing trend in this subbasins group, where annual crops dominate. For suspended solids, there is no clear evidence that decoupling process have influenced negatively or positively. Nevertheless, greater values of subsidies still linked to production, particularly in irrigated regions, lead to increasing erosion rates. Although agricultural production has augmented in the basin and water efficiency in the agricultural sector has improved, the issue of high erosion rates has not yet been properly faced. The water footprint (WF) assessment reveals that for 1 L Spanish olive oil more than 99.5% of the WF is related to the olive fruit production, whereas less than 0.5% is due to other components i.e. bottle, cap and label. Over the studied period, the green WF in rainfed and irrigated systems represents about 72% and 12%, respectively, of the total WF. Blue and grey WFs represent 6% and 10%, respectively. The olive production is concentrated in regions with the smallest WF per unit of product. The olive oil production has increased its apparent water productivity from 1997 to 2008 incentivized by growing trade prices, but also did the amount of virtual water exports. In fact, the largest producing areas present high water use efficiency per product and apparent water productivity as well as less nitrates pollution potential, but this enhances the pressure on the available water resources. Increasing groundwater abstractions related to olive oil exports may add further pressure to the already stressed Guadalquivir basin. This shows the need to balance the market forces with the available local resources. Concerning the effects of LULCC on the Upper Turia basin’s streamflow, LULCC play a significant role on the water balance, but it is not the main driver underpinning the observed reduction on Turia's streamflow. Increasing mean temperature is the main factor supporting larger evapotranspiration rates and streamflow reduction. In fact, LULCC and climate change have had an offsetting effect on the streamflow generation during the study period. While streamflow has been negatively affected by increasing temperature, ongoing LULCC have positively compensated with reduced evapotranspiration rates, thanks to mainly shrubland clearing and forest degradation processes. The research provides insight for strengthening the interdisciplinarity between hydrological and spatial planning, highlighting the need to include the implications of LULCC in future hydrological plans. These findings are valuable for the management of the Turia river basin, as well as a useful approach for the determination of the weight of LULCC on the hydrological response in other regions.