Simulated future changes of extreme nutrient loads in a mesoscale agricultural watershed in Bavaria / Simulierte zukünftige Änderungen der Extremwerte für Nährstofffrachten in einem mesoskaligen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet in Bayern

Bano Mehdi; Ralf Ludwig; Bernhard Lehner

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Simulated future changes of extreme nutrient loads in a mesoscale agricultural watershed in Bavaria / Simulierte zukünftige Änderungen der Extremwerte für Nährstofffrachten in einem mesoskaligen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet in Bayern

Bano Mehdi

Ralf Ludwig

and

Bernhard Lehner

| Sep 08, 2016

Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment

Volume 67 (2016): Issue 2 (June 2016)

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Published Online: Sep 08, 2016

Page range: 77 - 90

Received: Jan 29, 2016

Accepted: Feb 05, 2016

DOI: https://doi.org/10.1515/boku-2016-0008

Keywords
hydrological modeling, nutrient transport, climate change, nitrogen and phosphorus concentrations, 10 and 90 percentiles

© 2016 De Gruyter, www.degruyter.com/view/j/boku

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License, which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Location of the Altmühl watershed in Germany and the setup in SWAT of the upper Altmühl River.Abbildung 1. Die Lage des Altmühl-Einzugsgebiets in Deutschland sowie die Darstellung des oberen Altmühl-Einzugsgebietes im Rahmen von SWAT.

Future change in (a) mean temperature and (b) precipitation from bias-corrected climate model simulations (2041–2070), compared with the observed interpolated station data (1971–2000).Abbildung 2. Zukünftige Änderungen der (a) mittleren Temperatur und (b) der Niederschläge aus Bias-korrigierten Klimasimulationen (2041-2070) im Vergleich mit beobachteten und interpolierten Stationsdaten (1971-2000).

Mean monthly streamflow (m3/s) for the reference and the future period.Abbildung 3. Mittlere monatliche Abflussdaten (m3/s) für die Referenzund die Zukunftsperiode.

Relative changes (%) to the seasonal mean observed data from 1975–2000 (zero line) in (a) 10th percentiles and (b) 90th percentiles for nitrate nitrogen loads at Treuchtlingen. The boxplots show the side-by-side comparisons between SWAT simulated with the reference climate (orange boxes) and with future climate data (white boxes). The difference between the orange and white boxes is the climate change signal. The letters denote statistically significant (p<0.05) differences between the reference climate and the future climate.Abbildung 4. Die relativen Änderungen (%) der (a) 10. und (b) 90. Perzentile für die mittleren, saisonalen gemessenen Nitrat-Stickstoff Frachten von 1975-2000 (Null-Linie) am Pegel Treuchtlingen. Die Boxplots stellen den Vergleich der Referenzperiode (orangene Farbe) mit den Simulationen für die Zukunft (weiße Farbe) dar. Der Unterschied zwischen den Beiden gibt das Klimawandelsignal an. Die Buchstaben kennzeichnen statistisch signifikante (p<0.05) Unterschiede zwischen der Referenz- und der Zukunftsperiode.

Relative changes (%) to the seasonal mean observed data from 1975–2000 (zero line) in (a) 10th percentiles and (b) 90th percentiles for total phosphorus loads at Treuchtlingen. The boxplots show the side-by-side comparisons between SWAT simulated with the reference climate (green boxes) and with future climate data (white boxes). The difference between the green and white boxes is the climate change signal. The letters denote statistically significant (p<0.05) differences between the reference climate and the future climate.Abbildung 5. Die relativen Änderungen (%) der (a) 10. und (b) 90. Perzentile für die mittleren, saisonalen gemessenen Gesamtphosphor-Frachten von 1975-2000 (Null-Linie) am Pegel Treuchtlingen. Die Boxplots stellen den Vergleich der Referenzperiode (grüne Farbe) mit den Simulationen für die Zukunft (weiße Farbe) dar. Der Unterschied zwischen den Beiden gibt das Klimasignal an. Die Buchstaben kennzeichnen statistisch signifikante (p<0.05) Unterschiede zwischen der Referenz- und der Zukunftsperiode.

Land use in the upper Altmühl watershed for 2008. The general land use data stems from the Bavarian State Office for the Environment, the agricultural land use data source is the Bavarian Regional Office for Agriculture.Tabelle 1. Die Landnutzung im oberen Altmühl-Einzugsgebiet für das Jahr 2008. Die allgemeinen Landnutzungsdaten stammen vom Bayerischen Landesamt für Umwelt, die Daten zur landwirtschaftlichen Nutzung wurden vom Bayerischen Landesamt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten zu Verfügung gestellt.

Dominant land use type	SWAT Code	Area in watershed
Dominant land use type	SWAT Code	(ha)	(%)
Forest	FRST	29296.75	29.5
Pasture land	PAST	24619.75	24.8
Winter cereals (wheat, barley, rye, triticale)	WWHT	20174.25	20.3
Maize (silage)	CSIL	7589.5	7.6
Summer cereals (wheat, barley, rye, oats, spelt)	SWHT	5890.75	5.9
Rape, sunflower	CANA	2690.25	2.7
Alfalfa, clover	ALFA	1396.25	1.4
Maize (grain)	CORN	352.5	0.35
Sugarbeet, asparagus	SGBT	219.25	0.22
Potatoes	POTA	166.75	0.17
Beans, peas	SOYB	136.5	0.14
Orchard	ORCD	29.25	0.03
Miscanthus	SWCH	22.75	0.02
Strawberries	STRW	10.5	0.01
Land taken out of productivity	RNGB	456.75	0.46
Urban areas	URML	5549.25	5.59
Surface water bodies	WATR	740.5	0.75

Simulated nitrate nitrogen loads (kg/ha) at Treuchtlingen for 2046–2070 with the mean, standard deviation (std. dev.) and percentiles. Independent t-tests (p<0.05) compare the mean (μ) of the future climate simulations to the mean of the reference climate simulations (1975– 2000). An asterisk indicates a rejection of the null-hypothesis μRef= μFut, the value after the asterisk indicates the difference in kg/ha.Tabelle 4. Die simulierten Nitrat-Stickstoff-Frachten (kg/ha) am Pegel Treuchtlingen für den Zeitraum 2046-2070 mit dem dazugehörigen Mittelwerten, Standardabweichungen und Perzentilen. Über unabhängige t-Tests (p<0.05) werden die Mittelwerte der Simulationen (2046-2070) mit denen der Referenzperiode (1975-2000) verglichen. Ein Asterisk bedeutet eine Ablehnung der Null-Hypothese μRef= μFut, der Wert nach dem Asterisk bezeichnet den Unterschied in kg/ha.

Month	Future climate					Reference climate	t-test μ_o = μ₁ (p<0.05)
	Mean	Std. dev.	Percentiles			Mean
	μ_o	Std. dev.	10^th	50^th	90^th	μ₁
J	2.47	1.40	0.96	2.28	4.28	2.18	*0.29
F	2.23	1.02	1.00	2.12	3.48	2.11
M	2.02	1.09	0.83	1.91	3.17	1.99
A	1.26	1.10	0.25	0.99	2.70	1.05
M	0.87	1.14	0.07	0.40	2.46	0.47	*0.41
J	0.51	0.83	0.05	0.19	1.48	0.28	*0.23
J	0.45	0.89	0.02	0.12	1.28	0.24	*0.21
A	0.36	0.63	0.01	0.08	1.12	0.27
S	0.34	0.54	0.01	0.07	1.29	0.34
O	0.70	0.88	0.03	0.39	1.78	0.49	*0.21
N	1.09	0.90	0.08	0.91	2.48	0.79	*0.30
D	1.82	1.23	0.49	1.56	3.33	1.61

Simulated streamflow (m3/s) 10th and 90th percentiles by season at Treuchtlingen. Independent t-tests (p<0.05) comparing the reference climate simulations (1975–2000) with the future climate simulations (2046–2070). Different letters within a row denote significant differences (p<0.05).Tabelle 3. Die 10. und 90. Perzentile der simulierten Abflüsse (m3/s) differenziert nach Jahreszeiten am Pegel Treuchtlingen. Unabhängige t-Tests (p<0.05) vergleichen die Referenzperiode (1975-2000) mit den Simulationen (2046-2070). Verschiedene Buchstaben innerhalb einer Reihe kennzeichnen signifikante Unterschiede (p<0.05).

Season	Percentile	Reference climate (1975-2000)	Future climate (2046-2070)
DJF	10^th	3.1	2.2
DJF	90^th	18.4	17.4
MAM	10^th	1.2	1.7
MAM	90^th	11.5 b	13.4 a
JJA	10^th	0.4	0.4
JJA	90^th	6.5	7.6
SON	10^th	0.2	0.3
SON	90^th	7.0 a	5.4 b

Simulated total phosphorus loads (kg/ha) at Treuchtlingen for 2046–2070 with the mean, standard deviation (std. dev.) and percentiles. Independent t-tests (p<0.05) compare the mean (μ) of the future climate simulations to the mean of the reference climate simulations (1975– 2000). An asterisk indicates a rejection of the null-hypothesis μRef= μFut, the value after the asterisk indicates the difference in kg/ha.Tabelle 5. Die simulierten Gesamtphosphor-Frachten (kg/ha) am Pegel Treuchtlingen für den Zeitraum 2046-2070 mit dem dazugehörigen Mittelwerten, Standardabweichungen und Perzentilen. Über unabhängige t-Tests (p<0.05) werden die Mittelwerte der Simulationen (2046-2070) mit denen der Referenzperiode (1975-2000) verglichen. Ein Asterisk bedeutet eine Ablehnung der Null-Hypothese μRef= μFut, der Wert nach dem Asterisk bezeichnet den Unterschied in kg/ha.

Month	Future climate					Reference climate	t-test μ_o = μ₁ (p<0.05)
	Mean	Std. dev.	Percentiles			Mean
	μ_o	Std. dev.	10^th	50^th	90^th	μ₁
J	0.084	0.080	0.011	0.059	0.191	0.144	*-0.06
F	0.089	0.103	0.004	0.049	0.241	0.133	*-0.04
M	0.044	0.047	0.007	0.029	0.096	0.073	*-0.03
A	0.038	0.039	0.007	0.029	0.082	0.026	*0.015
M	0.042	0.040	0.009	0.029	0.101	0.028	*0.014
J	0.033	0.033	0.005	0.021	0.086	0.027
J	0.024	0.031	0.004	0.015	0.050	0.023
A	0.015	0.018	0.002	0.008	0.038	0.016
S	0.011	0.016	0.001	0.006	0.021	0.014
O	0.015	0.018	0.001	0.010	0.031	0.013
N	0.021	0.030	0.002	0.011	0.049	0.020
D	0.060	0.073	0.005	0.031	0.163	0.079	*-0.02

Simulated streamflow (m3/s) at Treuchtlingen for 2046–2070 with the mean, standard deviation (std. dev.) and percentiles. Independent t-tests (p<0.05) compare the mean (μ) of the future climate simulations (2046–2070) to the mean of the reference climate simulations (1975– 2000). An asterisk indicates a rejection of the null-hypothesis μRef = μFut, the value after the asterisk indicates the difference in m3/s.Tabelle 2. Simulierte Abflüsse (m3/s) am Pegel Treuchtlingen für den Zeitraum 2046-2070. Dargestellt sind Mittelwerte, Standardabweichungen und Perzentilen der Daten. Über unabhängige t-Tests (p<0.05) werden die Mittelwerte der Simulationen (2046-2070) mit denen der Referenzperiode (1975-2000) verglichen. Ein Asterisk bedeutet eine Ablehnung der Null-Hypothese μRef = μFut, der Wert nach dem Asterisk bezeichnet den Unterschied in m3/s.

Month	Future climate					Reference climate	t-test μ_o = μ₁ (p<0.05)
	Mean	Std. dev.	Percentiles			Mean
	μ_o	Std. dev.	10^th	50^th	90^th	μ₁
J	9.95	5.51	2.92	9.62	16.82	10.66
F	11.47	5.74	4.48	10.95	19.09	11.77
M	9.59	4.47	4.04	9.3	15.49	9.38
A	6.63	4.12	2.10	5.78	12.54	5.47	*1.16
M	5.16	4.04	0.80	4.24	11.21	3.36	*1.8
J	4.02	3.71	0.74	2.59	9.47	2.98	*1.04
J	3.31	3.96	0.36	1.85	8.10	2.86
A	2.22	2.51	0.24	1.22	5.81	2.48
S	1.51	2.0	0.17	0.74	4.06	2.11	*-0.96
O	1.96	2.17	0.29	1.20	4.76	2.29
N	3.12	2.93	0.38	2.09	6.54	3.43
D	6.31	4.81	1.23	5.49	12.53	7.26

eISSN:: 0006-5471
Language:: English

Publication timeframe:: 4 times per year
Journal Subjects:: Life Sciences, Ecology, other

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Simulated future changes of extreme nutrient loads in a mesoscale agricultural watershed in Bavaria / Simulierte zukünftige Änderungen der Extremwerte für Nährstofffrachten in einem mesoskaligen landwirtschaftlichen Einzugsgebiet in Bayern

Article Category: Research Article

Published Online: Sep 08, 2016

Page range: 77 - 90

Received: Jan 29, 2016

Accepted: Feb 05, 2016

DOI: https://doi.org/10.1515/boku-2016-0008

Keywordshydrological modeling, nutrient transport, climate change, nitrogen and phosphorus concentrations, 10 and 90 percentiles

© 2016 De Gruyter, www.degruyter.com/view/j/boku

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License, which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Keywords
hydrological modeling, nutrient transport, climate change, nitrogen and phosphorus concentrations, 10 and 90 percentiles