Impacts of climate change on groundwater recharge in Wyoming big sagebrush ecosystems are contingent on elevation

Authors

Lukas W. Lindquist, Department of Geology, University of Wyoming, Laramie, WYFollow
Kyle A. Palmquist, Department of Botany, University of Wyoming, Laramie, WYFollow
Samuel E. Jordan, School of Forestry and Environmental Studies, Yale University, New Haven, CTFollow
William K. Lauenroth, School of Forestry and Environmental Studies, Yale University, New Haven, CTFollow

Abstract

Water is the most limiting and important natural resource in drylands, where low precipitation, high evaporative demand, and drought events are common. Groundwater is the critical resource for human livelihoods to persist through the intra-annual dry periods in dryland ecosystems. Overexploitation of groundwater resources and the externalities associated with depleted aquifers make understanding the ecohydrology of drylands an essential issue. We focus on the water balance and climatic drivers of big sagebrush ecosystems, an important dryland ecosystem type in Wyoming that covers a large spatial extent. The goal of this project was to understand how groundwater recharge (GWR) may change in magnitude and seasonality across multiple sites in Wyoming in the future. We used a combination of fieldwork and simulation modeling to explore key climatic and ecohydrological drivers of GWR. We simulated soil water balance using SOILWAT2, a process-based ecosystem-scale soil water model, and future climate data to estimate change in GWR through 2100. We found that mean annual temperature and precipitation explained 65% of the variation in future change in GWR. High-elevation (>2200 m) wet sites had larger increases in GWR in the future compared to low-elevation dry sites. The among-site variability in GWR was also higher for sites >2200 m, which indicates that mean annual precipitation and perhaps snowpack are important explanatory variables for GWR. Our research suggests that GWR for high-elevation big sagebrush sites may increase in magnitude from current values and may occur earlier in the year, with important implications for the timing and availability of water resources.


El agua es el recurso natural más importante y limitante en las tierras áridas, donde la precipitación es escasa, existen altos índices de evaporación y los eventos de sequía son habituales. El agua subterránea es un recurso fundamental, que hace posible la persistencia de los asentamientos humanos, durante los períodos secos intra-anuales de los ecosistemas de tierras áridas. La sobreexplotación de los recursos de agua subterránea y los factores externos asociados al agotamiento de los acuíferos hace que la comprensión de la ecohidrología de las tierras áridas se vuelva un tema esencial. Nos enfocamos en el balance hídrico y en los factores determinantes del clima de los grandes ecosistemas de artemisas, un importante tipo de ecosistema de tierras secas en Wyoming, que cubre una gran extensión espacial. El objetivo de este proyecto fue comprender cómo la recarga artificial de acuíferos (GWR, por sus siglas en inglés) puede cambiar en el futuro, tanto en magnitud como en estacionalidad en distintos sitios de Wyoming. Combinamos el trabajo de campo con modelos de simulación para explorar los factores claves determinantes del clima y ecohidrológicos de la GWR. Simulamos el balance hídrico del suelo utilizando SOILWAT2, un modelo de agua del suelo de escala ambiental, basado en procesos y en datos climáticos futuros para estimar el cambio de la GWR hacia el 2100. Encontramos que la temperatura y la precipitación media anual explicaron el 65% de la variación futura en la GWR. Los sitios húmedos de gran elevación (>2200 m) mostraron mayores aumentos en la GWR futura en comparación con los sitios secos de baja elevación. La variabilidad entre sitios de la GWR también fue mayor en los sitios >2200 m, indicando que la precipitación media anual y, quizás, la acumulación de nieve son variables explicativas importantes para la GWR. Nuestra investigación sugiere que las GWR en los ecosistemas de artemisas que se encuentran a mayor elevación puede aumentar en magnitud a partir de los valores actuales y tener lugar a principios del año, con importantes implicaciones en el momento y en la disponibilidad de los recursos hídricos.

Recommended Citation

Lindquist, Lukas W.; Palmquist, Kyle A.; Jordan, Samuel E.; and Lauenroth, William K. (2019) "Impacts of climate change on groundwater recharge in Wyoming big sagebrush ecosystems are contingent on elevation," Western North American Naturalist: Vol. 79: No. 1, Article 4.
Available at: https://scholarsarchive.byu.edu/wnan/vol79/iss1/4