The future adequacy of freshwater resources is difficult to assess, owing to a complex and rapidly changing geography of water supply and use. Numerical experiments combining climate model outputs, water budgets, and socioeconomic information along digitized river networks demonstrate that (i) a large proportion of the world's population is currently experiencing water stress and (ii) rising water demands greatly outweigh greenhouse warming in defining the state of global water systems to 2025. Consideration of direct human impacts on global water supply remains a poorly articulated but potentially important facet of the larger global change question.

Here we provide global estimates of the seasonal flux of sediment, on a river-by-river basis, under modern and prehuman conditions. Humans have simultaneously increased the sediment transport by global rivers through soil erosion (by 2.3 +/- 0.6 billion metric tons per year), yet reduced the flux of sediment reaching the world's coasts (by 1.4 +/- 0.3 billion metric tons per year) because of retention within reservoirs. Over 100 billion metric tons of sediment and 1 to 3 billion metric tons of carbon are now sequestered in reservoirs constructed largely within the past 50 years. African and Asian rivers carry a greatly reduced sediment load; Indonesian rivers deliver much more sediment to coastal areas.

Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga whose lineage diverged from land plants over 1 billion years ago. It is a model system for studying chloroplast-based photosynthesis, as well as the structure, assembly, and function of eukaryotic flagella (cilia), which were inherited from the common ancestor of plants and animals, but lost in land plants. We sequenced the ∼120-megabase nuclear genome of Chlamydomonas and performed comparative phylogenomic analyses, identifying genes encoding uncharacterized proteins that are likely associated with the function and biogenesis of chloroplasts or eukaryotic flagella. Analyses of the Chlamydomonas genome advance our understanding of the ancestral eukaryotic cell, reveal previously unknown genes associated with photosynthetic and flagellar functions, and establish links between ciliopathy and the composition and function of flagella.

In this paper, we develop and apply a framework for estimating the potential global-scale impact of reservoir construction on riverine sediment transport to the ocean. Using this framework, we discern a large, global-scale, and growing impact from anthropogenic impoundment. Our study links information on 633 of the world's largest reservoirs (LRs) (≥0.5 km3 maximum storage capacity) to the geography of continental discharge and uses statistical inferences to assess the potential impact of the remaining >44,000 smaller reservoirs (SRs). Information on the LRs was linked to a digitized river network at 30′ (latitude×longitude) spatial resolution. A residence time change (ΔτR) for otherwise free-flowing river water is determined locally for each reservoir and used with a sediment retention function to predict the proportion of incident sediment flux trapped within each impoundment. The discharge-weighted mean ΔτR for individual impoundments distributed across the globe is 0.21 years for LRs and 0.011 years for SRs. More than 40% of global river discharge is intercepted locally by the LRs analyzed here, and a significant proportion (≈70%) of this discharge maintains a theoretical sediment trapping efficiency in excess of 50%. Half of all discharge entering LRs shows a local sediment trapping efficiency of 80% or more. Analysis of the recent history of river impoundment reveals that between 1950 and 1968, there was tripling from 5% to 15% in global LR sediment trapping, another doubling to 30% by 1985, and stabilization thereafter. Several large basins such as the Colorado and Nile show nearly complete trapping due to large reservoir construction and flow diversion. From the standpoint of sediment retention rates, the most heavily regulated drainage basins reside in Europe. North America, Africa, and Australia/Oceania are also strongly affected by LRs. Globally, greater than 50% of basin-scale sediment flux in regulated basins is potentially trapped in artificial impoundments, with a discharge-weighted sediment trapping due to LRs of 30%, and an additional contribution of 23% from SRs. If we consider both regulated and unregulated basins, the interception of global sediment flux by all registered reservoirs (n≈45,000) is conservatively placed at 4–5 Gt year−1 or 25–30% of the total. There is an additional but unknown impact due to still smaller unregistered impoundments (n≈800,000). Our results demonstrate that river impoundment should now be considered explicitly in global elemental flux studies, such as for water, sediment, carbon, and nutrients. From a global change perspective, the long-term impact of such hydraulic engineering works on the world's coastal zone appears to be significant but has yet to be fully elucidated.

We use a mechanistically based ecosystem simulation model to describe and analyze the spatial and temporal patterns of terrestrial net primary productivity (NPP) in South America. The Terrestrial Ecosystem Model (TEM) is designed to predict major carbon and nitrogen fluxes and pool sizes in terrestrial ecosystems at continental to global scales. Information from intensively studies field sites is used in combination with continental-scale information on climate, soils, and vegetation to estimate NPP in each of 5888 non-wetland, 0.5° latitude °0.5° longitude grid cells in South America, at monthly time steps. Preliminary analyses are presented for the scenario of natural vegetation throughout the continent, as a prelude to evaluating human impacts on terrestrial NPP. The potential annual NPP of South America is estimated to be 12.5 Pg/yr of carbon (26.3 Pg/yr of organic matter) in a non-wetland area of 17.0 ° 106 km2 . More than 50% of this production occurs in the tropical and subtropical evergreen forest region. Six independent model runs, each based on an independently derived set of model parameters, generated mean annual NPP estimates for the tropical evergreen forest region ranging from 900 to 1510 g°m-2 °yr-1 of carbon, with an overall mean of 1170 g°m-2 °yr-1 . Coefficients of variation in estimated annual NPP averaged 20% for any specific location in the evergreen forests, which is probably within the confidence limits of extant NPP measurements. Predicted rates of mean annual NPP in other types of vegetation ranged from 95 g°m-2 °yr-1 in arid shrublands to 930 g°m@ ?yr-1 in savannas, and were within the ranges measured in empirical studies. The spatial distribution of predicted NPP was directly compared with estimates made using the Miami mode of Lieth (1975). Overall, TEM predictions were °10% lower than those of the Miami model, but the two models agreed closely on the spatial patterns of NPP in south America. Unlike previous models, however, TEM estimates NPP monthly, allowing for the evaluation of seasonal phenomena. This is an important step toward integration of ecosystem models with remotely sensed information, global climate models, and atmospheric transport models, all of which are evaluated at comparable spatial and temporal scales. Seasonal patterns of NPP in South America are correlated with moisture availability in most vegetation types, but are strongly influenced by seasonal differences in cloudiness in the tropical evergreen forests. On an annual basis, moisture availability was the factor that was correlated most strongly with annual NPP in South America, but differences were again observed among vegetation types. These results allow for the investigation and analysis of climatic controls over NPP at continental scales, within and among vegetation types, and within years. Further model validation is needed. Nevertheless, the ability to investigate NPP-environment interactions with a high spatial and temporal resolution at continental scales should prove useful if not essential for rigorous analysis of the potential effects of global climate changes on terrestrial ecosystems.

Nearly 3 billion additional urban dwellers are forecasted by 2050, an unprecedented wave of urban growth. While cities struggle to provide water to these new residents, they will also face equally unprecedented hydrologic changes due to global climate change. Here we use a detailed hydrologic model, demographic projections, and climate change scenarios to estimate per-capita water availability for major cities in the developing world, where urban growth is the fastest. We estimate the amount of water physically available near cities and do not account for problems with adequate water delivery or quality. Modeled results show that currently 150 million people live in cities with perennial water shortage, defined as having less than 100 L per person per day of sustainable surface and groundwater flow within their urban extent. By 2050, demographic growth will increase this figure to almost 1 billion people. Climate change will cause water shortage for an additional 100 million urbanites. Freshwater ecosystems in river basins with large populations of urbanites with insufficient water will likely experience flows insufficient to maintain ecological process. Freshwater fish populations will likely be impacted, an issue of special importance in regions such as India's Western Ghats, where there is both rapid urbanization and high levels of fish endemism. Cities in certain regions will struggle to find enough water for the needs of their residents and will need significant investment if they are to secure adequate water supplies and safeguard functioning freshwater ecosystems for future generations.

Urban growth is increasing the demand for freshwater resources, yet surprisingly the water sources of the world's large cities have never been globally assessed, hampering efforts to assess the distribution and causes of urban water stress. We conducted the first global survey of the large cities’ water sources, and show that previous global hydrologic models that ignored urban water infrastructure significantly overestimated urban water stress. Large cities obtain 78 ± 3% of their water from surface sources, some of which are far away: cumulatively, large cities moved 504 billion liters a day (184 km3 yr−1) a distance of 27,000 ± 3800 km, and the upstream contributing area of urban water sources is 41% of the global land surface. Despite this infrastructure, one in four cities, containing $4.8 ± 0.7 trillion in economic activity, remain water stressed due to geographical and financial limitations. The strategic management of these cities’ water sources is therefore important for the future of the global economy.

We use the terrestrial ecosystem model (TEM), a process‐based model, to investigate how interactions between carbon (C) and nitrogen (N) dynamics affect predictions of net primary productivity (NPP) for potential vegetation in North America. Data on pool sizes and fluxes of C and N from intensively studied field sites are used to calibrate the model for each of 17 non‐wetland vegetation types. We use information on climate, soils, and vegetation to make estimates for each of 11,299 non‐wetland, 0.5° latitude × 0.5° longitude, grid cells in North America. The potential annual NPP and net N mineralization (NETNMIN) of North America are estimated to be 7.032 × 10 15 g C yr −1 and 104.6 × 10 12 g N yr −1 , respectively. Both NPP and NETNMIN increase along gradients of increasing temperature and moisture in northern and temperate regions of the continent, respectively. Nitrogen limitation of productivity is weak in tropical forests, increasingly stronger in temperate and boreal forests, and very strong in tundra ecosystems. The degree to which productivity is limited by the availability of N also varies within ecosystems. Thus spatial resolution in estimating exchanges of C between the atmosphere and the terrestrial biosphere is improved by modeling the linkage between C and N dynamics. We also perform a factorial experiment with TEM on temperate mixed forest in North America to evaluate the importance of considering interactions between C and N dynamics in the response of NPP to an elevated temperature of 2°C. With the C cycle uncoupled from the N cycle, NPP decreases primarily because of higher plant respiration. However, with the C and N cycles coupled, NPP increases because productivity that is due to increased N availability more than offsets the higher costs of plant respiration. Thus, to investigate how global change will affect biosphere‐atmosphere interactions, process‐based models need to consider linkages between the C and N cycles.