This paper is the outcome of a community initiative to identify major unsolved scientific problems in hydrology motivated by a need for stronger harmonisation of research efforts. The procedure involved a public consultation through online media, followed by two workshops through which a large number of potential science questions were collated, prioritised, and synthesised. In spite of the diversity of the participants (230 scientists in total), the process revealed much about community priorities and the state of our science: a preference for continuity in research questions rather than radical departures or redirections from past and current work. Questions remain focused on the process-based understanding of hydrological variability and causality at all space and time scales. Increased attention to environmental change drives a new emphasis on understanding how change propagates across interfaces within the hydrological system and across disciplinary boundaries. In particular, the expansion of the human footprint raises a new set of questions related to human interactions with nature and water cycle feedbacks in the context of complex water management problems. We hope that this reflection and synthesis of the 23 unsolved problems in hydrology will help guide research efforts for some years to come.

Elevated fine sediment input from terrestrial and aquatic sources as a result of anthropogenic activity is widely recognized to impact negatively on aquatic ecosystems. In rivers, freshwater fish are exposed to a range of impacts resulting from fine sediment pressures. To date, research on the effects of fine sediments on fish has been concentrated within relatively few families, notably the salmonidae. This paper reviews the literature describing indirect and direct impacts of fine sediment on freshwater fish as a contribution towards enhancing the understanding of the impacts of anthropogenic activities on freshwater ecosystems. We identify the causal mechanisms that underpin the observed negative response exhibited by fish populations to enhanced fine sediment loads, and the variability across different fish species. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

We report the successful application of a quantitative composite fingerprinting technique, incorporating both a rigorous statistical verification procedure for composite signatures and a multivariate mixing model, to evaluate sediment source type in the Dart catchment, Devon, UK and the Plynlimon experimental catchment, Powys, UK. Quantitative ascription of source types is discussed in terms of the mean contributions and potential seasonal, inter- and intea-storm variations in the relative contributions of surface erosion from a number of distinct land use categories and of channel erosion to the suspended sediment load sampled at various sites within the study areas. Surface erosion of pasture soils is generally important in both study catchments but the impacts of spring and autumn cultivation in the Dart, and of autumn and winter forestry activity at Plynlimon, are also evident. Inter-storm variations in sediment source type reflect antecedent conditions, variable contributing areas and timing of sediment sample collection, and highlight the individuality of catchment response for the sampled flood events. Intra-storm variations in source type contributions emphasize the necessity for detailed sampling programmes for suspended sediment in storm periods, when using the fingerprinting approach to investigate sediment origin.

ABSTRACT The sustainable use of water resources requires clear guidelines for the management of diffuse pollution inputs to rivers. Without informed guidelines, management decisions are unlikely to deliver cost‐effective improvements in the quality of rivers as required by current water policy. Here, we review the evidence available for deriving improved guidelines on the loading of fine sediment to rivers based on the impact on macro‐invertebrates. The relationship between macro‐invertebrates and fine sediments is poorly defined. Studies of the impacts of fine sediment on macro‐invertebrates have been undertaken at various scales, which has an influence on the range of responses displayed and the reliability of the results obtained; results obtained from investigations at smaller scales may not manifest at the scale required to manage rivers and vice versa . Many of the identified effects of increased loading of fine sediment on macro‐invertebrates occur as a consequence of deposition on the river bed, yet many current management guidelines are based on suspended sediment targets. On this basis, existing water quality guidelines for sediment management are unlikely to be appropriate. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

A large proportion of nutrients and sediment is mobilised in catchments during storm events. Therefore understanding a catchment's hydrological behaviour during storms and how this acts to mobilise and transport nutrients and sediment to nearby watercourses is extremely important for effective catchment management. The expansion of available in-situ sensors is allowing a wider range of water quality parameters to be monitored and at higher temporal resolution, meaning that the investigation of hydrochemical behaviours during storms is increasingly feasible. Studying the relationship between discharge and water quality parameters in storm events can provide a valuable research tool to infer the likely source areas and flow pathways contributing to nutrient and sediment transport. Therefore, this paper uses 2 years of high temporal resolution (15/30 min) discharge and water quality (nitrate-N, total phosphorus (TP) and turbidity) data to examine hysteretic behaviour during storm events in two contrasting catchments, in the Hampshire Avon catchment, UK. This paper provides one of the first examples of a study which comprehensively examines storm behaviours for up to 76 storm events and three water quality parameters. It also examines the observational uncertainties using a non-parametric approach. A range of metrics was used, such as loop direction, loop area and a hysteresis index (HI) to characterise and quantify the storm behaviour. With two years of high resolution information it was possible to see how transport mechanisms varied between parameters and through time. This study has also clearly shown the different transport regimes operating between a groundwater dominated chalk catchment versus a surface-water dominated clay catchment. This information, set within an uncertainty framework, means that confidence can be derived that the patterns and relationships thus identified are statistically robust. These insights can thus be used to provide information regarding transport processes and biogeochemical processing within river catchments.

Rapid uptake of greenhouse gas (GHG) mitigation measures is central to reducing agricultural and land use emissions and meeting the UK Net Zero policy. The socioeconomic challenges and barriers to uptake are poorly understood, with yet unclear structural pathways to the uptake of GHG mitigation measures. Using an online survey of 201 agricultural land managers across the UK, and applying multiple linear regression and stepwise regression analysis, this research established farm and farmers’ factors influencing perceptions and willingness to adopt GHG mitigation measures. The results consistently show that farm sector, farmers’ business perception, and labour availability influence willingness to adopt GHG mitigation measures. Based on the farmers’ qualitative feedback, other barriers to adoption include costs and concerns for profitability, lack of flexibility in land tenancy contracts, poor awareness and knowledge of the application of some GHG mitigation measures, perception about market demand e.g bioenergy crops, and scepticism about the future impacts of adopting varying GHG mitigation measures. In the midst of the ongoing net zero transition, this study identifies existing barriers to the uptake of GHG mitigation measures, and specifically, a substantial gap between farmers and the science of GHG mitigation measures and the need to incentivise a farm and farming community-led policy interventions to promote adoption of GHG mitigation measures.

Abstract Purpose Agri-food systems across the globe are faced with the challenge of reducing their supply-chain emissions of greenhouse gases (GHGs) such as nitrous oxide (N 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and methane (CH 4 ). For instance, 10% of the UK’s GHG emissions are generated by agriculture, and ~ 56% of these are generated by livestock production. Numerous mitigation measures are being proposed to reduce GHG emissions from ruminants (representing 70 to 80% of total livestock emissions), particularly from beef cattle (presenting 30–40% of total livestock emissions). Methods To explore such potential, first, a business-as-usual (BAU) partial cradle-to-finishing farmgate scale modelling framework was developed. The BAU systems (i.e. steady-state productivity based on primary data from the North Wyke Farm Platform) were built using ensemble modelling wherein the RothC process-based soil organic carbon (SOC) model was integrated into the life cycle assessment (LCA) framework to conduct a trade-off analysis related to mitigation measures applicable to the study system. Potential mitigation measures were applied to the BAU scenario. The interventions assessed included: (i) extensification; (ii) adopting anaerobic digestion technology; and (iii) the use of the nitrification inhibitor DCD and substitution of fertiliser nitrogen with symbiotically fixed nitrogen from legumes. Results The partial carbon footprint for 1 kg of beef liveweight gain leaving the farmgate could be reduced by 7.5%, 12%, or 26% by adopting nitrification inhibitors, white clover introduction (pending establishment success), and anaerobic digestion for manure management, respectively. Conclusions The findings highlight the importance of including emissions beyond the farmgate level to analyse the carbon footprint of different management scenarios in order to assess the sustainability of agri-food production systems.

A survey was carried out on soil erodibility in the territory of the capital city of Awka in the southeast of Nigeria. The study aims to assess and document the soil erosion potential in the face of growing population and environmental challenges. The erodibility potential of the study area was assessed using the Universal Soil Loss Equation (USLE) and United States Department of Agriculture (USDA) tools. A total of twenty-five (25) sample locations points was used for this study and the Arc-GIS tool was also used to assist in the field for this estimation using the erodibility indicators of the World Bank. The USLE value calculated was 672, indicating high erodibility erodibility, while the USDA forecast was Category IV. Using both the USLE and the USDA tools’ threshold, the area is concluded to be highly erodible and having high erosion risk. Both models indicated that the samples reached a highly erodible threshold. High soil erodibility index is therefore observed as a critical problem in the study area. The study recommends integrated catchment management planning which will involve a wholistic storm water master planning, vegetation, controlled land use etc to conserve soil in the study area.