The authors of this Policy Forum developed a comprehensive database of >37,000 river restoration projects across the United States. Such projects have increased exponentially over the past decade with more than a billion dollars spent annually since 1990. Most are intended to enhance water quality, manage riparian zones, improve in-stream habitat, allow fish passage, and stabilize stream banks. Only 10% of project records document any form of project monitoring, and little if any of this information is either appropriate or available for assessing the ecological effectiveness of restoration activities.

Summary Increasingly, river managers are turning from hard engineering solutions to ecologically based restoration activities in order to improve degraded waterways. River restoration projects aim to maintain or increase ecosystem goods and services while protecting downstream and coastal ecosystems. There is growing interest in applying river restoration techniques to solve environmental problems, yet little agreement exists on what constitutes a successful river restoration effort. We propose five criteria for measuring success, with emphasis on an ecological perspective. First, the design of an ecological river restoration project should be based on a specified guiding image of a more dynamic, healthy river that could exist at the site. Secondly, the river's ecological condition must be measurably improved. Thirdly, the river system must be more self‐sustaining and resilient to external perturbations so that only minimal follow‐up maintenance is needed. Fourthly, during the construction phase, no lasting harm should be inflicted on the ecosystem. Fifthly, both pre‐ and post‐assessment must be completed and data made publicly available. Determining if these five criteria have been met for a particular project requires development of an assessment protocol. We suggest standards of evaluation for each of the five criteria and provide examples of suitable indicators. Synthesis and applications . Billions of dollars are currently spent restoring streams and rivers, yet to date there are no agreed upon standards for what constitutes ecologically beneficial stream and river restoration. We propose five criteria that must be met for a river restoration project to be considered ecologically successful. It is critical that the broad restoration community, including funding agencies, practitioners and citizen restoration groups, adopt criteria for defining and assessing ecological success in restoration. Standards are needed because progress in the science and practice of river restoration has been hampered by the lack of agreed upon criteria for judging ecological success. Without well‐accepted criteria that are ultimately supported by funding and implementing agencies, there is little incentive for practitioners to assess and report restoration outcomes. Improving methods and weighing the ecological benefits of various restoration approaches require organized national‐level reporting systems.

About a quarter of the nitrogen added to the biosphere is exported from rivers to the ocean or inland basins, indicating substantial sinks for nitrogen must exist in the landscape. Data from nitrogen stable isotope tracer experiments across 72 streams suggests that the total uptake of nitrate is related to ecosystem photosynthesis, and that denitrification is related to ecosystem respiration. A stream network model demonstrates that excess nitrate in streams elicits a disproportionate increase in the fraction of nitrate that is exported to receiving waters and reduces the relative role of small versus large streams as nitrate sinks. Anthropogenic addition of bioavailable nitrogen to the biosphere is increasing1,2 and terrestrial ecosystems are becoming increasingly nitrogen-saturated3, causing more bioavailable nitrogen to enter groundwater and surface waters4,5,6. Large-scale nitrogen budgets show that an average of about 20–25 per cent of the nitrogen added to the biosphere is exported from rivers to the ocean or inland basins7,8, indicating that substantial sinks for nitrogen must exist in the landscape9. Streams and rivers may themselves be important sinks for bioavailable nitrogen owing to their hydrological connections with terrestrial systems, high rates of biological activity, and streambed sediment environments that favour microbial denitrification6,10,11. Here we present data from nitrogen stable isotope tracer experiments across 72 streams and 8 regions representing several biomes. We show that total biotic uptake and denitrification of nitrate increase with stream nitrate concentration, but that the efficiency of biotic uptake and denitrification declines as concentration increases, reducing the proportion of in-stream nitrate that is removed from transport. Our data suggest that the total uptake of nitrate is related to ecosystem photosynthesis and that denitrification is related to ecosystem respiration. In addition, we use a stream network model to demonstrate that excess nitrate in streams elicits a disproportionate increase in the fraction of nitrate that is exported to receiving waters and reduces the relative role of small versus large streams as nitrate sinks.

Ecological ApplicationsVolume 11, Issue 4 p. 1027-1045 Issues in Ecology — Technical Report WATER IN A CHANGING WORLD Robert B. Jackson, Robert B. Jackson Department of Biology and Nicholas School of the Environment, Duke University, Durham, North Carolina 27708 USA Address for correspondence: Department of Biology, Phytotron Building, Duke University, Durham, North Carolina 27708 USA. E-mail: [email protected]Search for more papers by this authorStephen R. Carpenter, Stephen R. Carpenter Center for Limnology, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706 USASearch for more papers by this authorClifford N. Dahm, Clifford N. Dahm Department of Biology, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico 87131 USASearch for more papers by this authorDiane M. McKnight, Diane M. McKnight Institute for Arctic and Alpine Research, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309 USASearch for more papers by this authorRobert J. Naiman, Robert J. Naiman School of Aquatic and Fishery Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195 USASearch for more papers by this authorSandra L. Postel, Sandra L. Postel Center for Global Water Policy, 107 Larkspur Drive, Amherst, Massachusetts 01002 USASearch for more papers by this authorSteven W. Running, Steven W. Running School of Forestry, University of Montana, Missoula, Montana 59812 USASearch for more papers by this author Robert B. Jackson, Robert B. Jackson Department of Biology and Nicholas School of the Environment, Duke University, Durham, North Carolina 27708 USA Address for correspondence: Department of Biology, Phytotron Building, Duke University, Durham, North Carolina 27708 USA. E-mail: [email protected]Search for more papers by this authorStephen R. Carpenter, Stephen R. Carpenter Center for Limnology, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706 USASearch for more papers by this authorClifford N. Dahm, Clifford N. Dahm Department of Biology, University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico 87131 USASearch for more papers by this authorDiane M. McKnight, Diane M. McKnight Institute for Arctic and Alpine Research, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309 USASearch for more papers by this authorRobert J. Naiman, Robert J. Naiman School of Aquatic and Fishery Sciences, University of Washington, Seattle, Washington 98195 USASearch for more papers by this authorSandra L. Postel, Sandra L. Postel Center for Global Water Policy, 107 Larkspur Drive, Amherst, Massachusetts 01002 USASearch for more papers by this authorSteven W. Running, Steven W. Running School of Forestry, University of Montana, Missoula, Montana 59812 USASearch for more papers by this author First published: 01 August 2001 https://doi.org/10.1890/1051-0761(2001)011[1027:WIACW]2.0.CO;2Citations: 594 Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onEmailFacebookTwitterLinkedInRedditWechat Abstract Renewable fresh water comprises a tiny fraction of the global water pool but is the foundation for life in terrestrial and freshwater ecosystems. The benefits to humans of renewable fresh water include water for drinking, irrigation, and industrial uses, for production of fish and waterfowl, and for such instream uses as recreation, transportation, and waste disposal. In the coming century, climate change and a growing imbalance among freshwater supply, consumption, and population will alter the water cycle dramatically. Many regions of the world are already limited by the amount and quality of available water. In the next 30 yr alone, accessible runoff is unlikely to increase more than 10%, but the earth's population is projected to rise by approximately one-third. Unless the efficiency of water use rises, this imbalance will reduce freshwater ecosystem services, increase the number of aquatic species facing extinction, and further fragment wetlands, rivers, deltas, and estuaries. Based on the scientific evidence currently available, we conclude that: (1) over half of accessible freshwater runoff globally is already appropriated for human use; (2) more than 1 × 109 people currently lack access to clean drinking water and almost 3 × 109 people lack basic sanitation services; (3) because the human population will grow faster than increases in the amount of accessible fresh water, per capita availability of fresh water will decrease in the coming century; (4) climate change will cause a general intensification of the earth's hydrological cycle in the next 100 yr, with generally increased precipitation, evapotranspiration, and occurrence of storms, and significant changes in biogeochemical processes influencing water quality; (5) at least 90% of total water discharge from U.S. rivers is strongly affected by channel fragmentation from dams, reservoirs, interbasin diversions, and irrigation; and (6) globally, 20% of freshwater fish species are threatened or extinct, and freshwater species make up 47% of all animals federally endangered in the United States. The growing demands on freshwater resources create an urgent need to link research with improved water management. Better monitoring, assessment, and forecasting of water resources will help to allocate water more efficiently among competing needs. Currently in the United States, at least six federal departments and 20 agencies share responsibilities for various aspects of the hydrologic cycle. Coordination by a single panel with members drawn from each department, or by a central agency, would acknowledge the diverse pressures on freshwater systems and could lead to the development of a well-coordinated national plan. Literature Cited Allan, R. J., and M. R. Haylock . 1993. Circulation features associated with the winter rainfall decrease in southwestern Australia. Journal of Climate 6: 1356–1367. 10.1175/1520-0442(1993)006<1356:CFAWTW>2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Anonymous. 1990. Natural resources management strategy for the Murray-Darling Basin. Murray-Darling Ministerial Council, Canberra, Australia. Google Scholar Bakun, A. 1990. Global climate change and intensification of coastal ocean upwelling. Science 247: 198–201. 10.1126/science.247.4939.198 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Band, L. E. 1993. Effect of land surface parameterization on forest water and carbon budgets. Journal of Hydrology 150: 749–772. 10.1016/0022-1694(93)90134-U Web of Science®Google Scholar Baron, J. S., M. D. Hartman, T. G. F. Kittel, L. E. Band, D. S. Ojima, and R. B. Lammers . 1998. Effects of land cover, water redistribution, and temperature on ecosystem processes in the South Platte Basin. Ecological Applications 8: 1037–1051. 10.1890/1051-0761(1998)008[1037:EOLCWR]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Benson, N. G. 1953. The importance of groundwater to trout populations in the Pigeon River, Michigan. Transactions of the North American Wildlife Conference 18: 260–281. Google Scholar Bertoldi, G. L. 1992. Subsidence and consolidation in alluvial aquifer systems. Pages 62–74 in Proceedings of the 18th Biennial Conference on Groundwater. U.S. Geological Survey, Washington, D.C., USA. Google Scholar Blackmore, D. J. 1999. The Murray-Darling Basin cap on diversions—policy and practice for the new millennium. National Water (June) 1–12. Web of Science®Google Scholar Born, S. M., K. D. Genskow, T. L. Filbert, N. Hernandez-Mora, M. L. Keefer, and K. A. White . 1998. Socioeconomic and institutional dimensions of dam removals: the Wisconsin experience. Environmental Management 22: 359–370. 10.1007/s002679900111 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Bosch, J. M., and J. D. Hewlett . 1982. A review of catchment experiments to determine the effect of vegetation change on water yield and evapotranspiration. Journal of Hydrology 55: 3–23. 10.1016/0022-1694(82)90117-2 Web of Science®Google Scholar Bowles, D. E., and T. L. Arsuffi . 1993. Karst aquatic ecosystems of the Edwards Plateau region of central Texas, USA: a consideration of their importance, threats to their existence, and efforts for their conservation. Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems 3: 317–329. 10.1002/aqc.3270030406 Web of Science®Google Scholar Bradley, R. S., H. F. Diaz, J. K. Eischeid, P. D. Jones, P. M. Kelly, and C. M. Goodness . 1987. Precipitation fluctuations over northern hemisphere land areas since the mid-19th century. Science 237: 171–175. 10.1126/science.237.4811.171 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Brown, D. S., B. L. Petri, and G. M. Nalley . 1992. Compilation of hydrologic data for the Edwards Aquifer, San Antonio area, Texas, 1991, with 1934–1991 summary. Bulletin 51, Edwards Underground Water District, San Antonio, Texas, USA. Google Scholar Brunke, M., and T. Gonser . 1997. The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater. Freshwater Biology 37: 1–33. 10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x Web of Science®Google Scholar Carpenter, S. R., N. F. Caraco, D. L. Correll, R. W. Howarth, A. N. Sharpley, and V. H. Smith . 1998. Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen. Ecological Applications 8: 559–568. 10.1890/1051-0761(1998)008[0559:NPOSWW]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Chahine, M. T. 1992. The hydrological cycle and its influence on climate. Nature 359: 373–380. 10.1038/359373a0 Web of Science®Google Scholar Chase, T. N., R. A. Pielke Sr., T. G. F. Kittel, J. S. Baron, and T. J. Stohlgren . 1999. Potential impacts on Colorado Rocky Mountain weather due to land use changes on the adjacent Great Plains. Journal of Geophysical Research 104: 16673–16690. 10.1029/1999JD900118 Web of Science®Google Scholar Chen, X., and Y. Zong . 1999. Major impacts of sea-level rise on agriculture in the Yangtze delta area around Shanghai. Applied Geography 19: 69–84. 10.1016/S0143-6228(98)00035-6 Web of Science®Google Scholar Chichilnisky, G., and G. Heal . 1998. Economic returns from the biosphere. Nature 391: 629–630. 10.1038/35481 CASWeb of Science®Google Scholar Christensen, N. L. et al. 1996. The report of the Ecological Society of America Committee on the Scientific Basis for Ecosystem Management. Ecological Applications 6: 665–691. 10.2307/2269460 Web of Science®Google Scholar Covich, A. 1993. Water and ecosystems. Pages 40–55 in P. H. Gleick, editor. Water in crisis. Oxford University Press, New York, New York, USA. Google Scholar Coyle, K. J. 1993. The new advocacy for aquatic species conservation. Journal of the North American Benthological Society 12: 185–188. 10.2307/1467349 Web of Science®Google Scholar Crawford, C. S., A. C. Culley, R. Leutheuser, M. S. Sifuentes, L. H. White, and J. P. Wilber . 1993. Middle Rio Grande Ecosystem: Bosque Biological Management Plan. U.S. Fish and Wildlife Service, District 2, Albuquerque, New Mexico, USA. Google Scholar Crowley, T. J. 2000. Causes of climate change over the past 1000 years. Science 287: 270–277. 10.1126/science.289.5477.270 Web of Science®Google Scholar Czaya, E. 1981. Rivers of the world. Van Nostrand Reinhold, New York, New York, USA. Google Scholar Dahm, C. N., K. W. Cummins, H. M. Valett, and R. L. Coleman . 1995. An ecosystem view of the restoration of the Kissimmee River. Restoration Ecology 3: 225–238. 10.1111/j.1526-100X.1995.tb00172.x Web of Science®Google Scholar Dahm, C. N., N. B. Grimm, P. Marmonier, H. M. Valett, and P. Vervier . 1998. Nutrient dynamics at the interface between surface waters and groundwaters. Freshwater Biology 40: 427–451. 10.1046/j.1365-2427.1998.00367.x Web of Science®Google Scholar Dellapenna, J. W. 1999. Adapting the law of water management to global climate change and other hydropolitical stresses. Journal of the American Water Resources Association 35: 1301–1326. 10.1111/j.1752-1688.1999.tb04217.x Web of Science®Google Scholar Dickinson, R. E. 1991. Global change and terrestrial hydrology—a review. Tellus A 43: 176–181. 10.1034/j.1600-0889.1991.t01-1-00015.x Web of Science®Google Scholar Dobson, A. P., J. P. Rodriguez, W. M. Roberts, and D. S. Wilcove . 1997. Geographic distribution of endangered species in the United States. Science 275: 550–553. 10.1126/science.275.5299.550 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Doney, S. 1999. Major challenges confronting marine biogeochemical modeling. Global Biogeochemical Cycles 13: 705–714. 10.1029/1999GB900039 CASWeb of Science®Google Scholar Dudgeon, D. 2000. Large-scale hydrological changes in tropical Asia: prospects for riverine biodiversity. BioScience 50: 793–806. 10.1641/0006-3568(2000)050[0793:LSHCIT]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Dynesius, M., and C. Nilsson . 1994. Fragmentation and flow regulation of river systems in the northern third of the world. Science 266: 753–762. 10.1126/science.266.5186.753 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Field, C. B., R. B. Jackson, and H. A. Mooney . 1995. Stomatal responses to increased CO2: implications from the plant to the global scale. Plant Cell Environment 18: 1214–1225. 10.1111/j.1365-3040.1995.tb00630.x Web of Science®Google Scholar Firth, P. L. 1998. Fresh water: perspectives on the integration of research, education, and decision making. Ecological Applications 8: 601–609. 10.1890/1051-0761(1998)008[0601:FWPOTI]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Flather, C. H., M. S. Knowles, and I. A. Kendall . 1998. Threatened and endangered species geography. BioScience 48: 365–376. 10.2307/1313375 Web of Science®Google Scholar Ford, D. C., and P. W. Williams . 1989. Karst geomorphology and hydrology. Unwin Hyman, London, UK. Google Scholar Gates, D. M. 1993. Climate change and its biological consequences. Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts, USA. Google Scholar Gleick, P. H. 1998a. Water in crisis: paths to sustainable water use. Ecological Applications 8: 571–579. 10.1890/1051-0761(1998)008[0571:WICPTS]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Gleick, P. H. 1998b. The world's water 1998–1999. Island Press, Washington, D. C., USA. Google Scholar Gleick, P. H. 2000. The world's water 2000–2001. Island Press, Washington, D. C., USA. Google Scholar Gornitz, V. 1995. Sea-level rise: a review of recent past and near-future trends. Earth Surface Processes and Landforms 20: 7–20. 10.1002/esp.3290200103 Web of Science®Google Scholar Greenwood, E. A. N. 1992. Deforestation, revegetation, water balance, and climate: an optimistic path through the plausible, impracticable, and the controversial. Advances in Bioclimatology 1: 89–154. 10.1007/978-3-642-58136-6_4 Google Scholar Groisman, P. Y., V. V. Koknaeva, T. A. Belokrylova, and T. R. Karl . 1991. Overcoming biases of precipitation measurement: a history of the USSR experience. Bulletin of the American Meteorological Society 72: 1725–1733. 10.1175/1520-0477(1991)072<1725:OBOPMA>2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Guildford, S. J., and R. E. Hecky . 2000. Total nitrogen, total phosphorus, and nutrient limitation in lakes and oceans: Is there a common relationship? Limnology and Oceanography 45: 1213–1223. 10.4319/lo.2000.45.6.1213 CASWeb of Science®Google Scholar Hartman, M. D., J. S. Baron, R. B. Lammers, D. W. Cline, L. E. Band, G. E. Liston, and C. Tague . 1999. Simulations of snow distribution and hydrology in a mountain basin. Water Resources Research 35: 1587–1603. 10.1029/1998WR900096 Web of Science®Google Scholar Harwell, M. A. 1998. Science and environmental decision making in south Florida. Ecological Applications 8: 580–590. 10.1890/1051-0761(1998)008[0580:SAEDMI]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Hibbert, A. R. 1983. Water yield improvement potential by vegetation management on western rangelands. Water Resources Bulletin 19: 375–381. 10.1111/j.1752-1688.1983.tb04594.x Web of Science®Google Scholar Hilborn, R., and C. Walters . 1992. Quantitative fisheries stock assessment. Chapman and Hall, London, UK. Google Scholar Hoffmann, W. A., and R. B. Jackson . 2000. Vegetation–climate feedbacks in the conversion of tropical savanna to grassland. Journal of Climate 13: 1593–1602. 10.1175/1520-0442(2000)013<1593:VCFITC>2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Holmes, R. M. 2000. The importance of ground water to stream ecosystem function. Pages 137–148 in J. B. Jones and P. J. Mulholland, editors. Streams and ground water. Academic Press, San Diego, California, USA. Google Scholar Hornberger, G. M., J. P. Raffensperger, P. L. Wiberg, and K. N. Eshleman . 1998. Elements of physical hydrology. Johns Hopkins Press, Baltimore, Maryland, USA. Google Scholar Hornberger, G. M. et al. (Water Cycle Study Group) 2001. A plan for a new science initiative on the global water cycle. Report of the U.S. Global Change Research Program, UCAR, Boulder, Colorado, USA. In press. Google Scholar Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 1996. Climate change 1995: The science of climate change. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Google Scholar Jackson, R. B. et al. 2000. Belowground consequences of vegetation change and their treatment in models. Ecological Applications 10: 470–483. 10.1890/1051-0761(2000)010[0470:BCOVCA]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Johnson, B. L. 1999. Introduction to the special feature: adaptive management—scientifically sound, socially challenged? Conservation Ecology 3 1 10 [Online: 〈http://www.consecol.org/vol3/iss1/art10〉]. 10.5751/ES-00094-030110 Google Scholar Jones, J. B., and P. J. Mulholland . editors. 2000. Streams and ground waters. Academic Press, San Diego, California, USA. Google Scholar Kim, H., J. F. Hemond, L. R. Krumholz, and B. A. Cohen . 1995. In-situ biodegradation of toluene in a contaminated stream. 1. Field studies. Environmental Science and Technology 29: 108–116. 10.1021/es00001a014 CASPubMedWeb of Science®Google Scholar Kindler, J. 1998. Linking ecological and development objectives: trade-offs and imperatives. Ecological Applications 8: 591–600. 10.1890/1051-0761(1998)008[0591:LEADOT]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Klein, R. J. T., and R. J. Nicholls . 1999. Assessment of coastal vulnerability to climate change. Ambio 28: 182–187. Web of Science®Google Scholar Knox, J. C. 1993. Large increases in flood magnitude in response to modest changes in climate. Nature 361: 430–432. 10.1038/361430a0 Web of Science®Google Scholar Koebel, J. W. Jr. 1995. An historical perspective on the Kissimmee River restoration project. Restoration Ecology 3: 149–159. 10.1111/j.1526-100X.1995.tb00167.x Web of Science®Google Scholar Kolar, C. S., and D. M. Lodge . 2000. Freshwater nonindigenous species: interactions with other global changes. Pages 3–30 in H. H. Mooney and R. Hobbs, editors. Invasive species in a changing world. Island Press, Washington, D.C., USA. Google Scholar Kromm, D. E., and S. E. White . 1990. Adoption of water-saving practices by irrigators in the high plains. Water Resources Bulletin 26: 999–1012. 10.1111/j.1752-1688.1990.tb01435.x Web of Science®Google Scholar Lathrop, R. C., S. R. Carpenter, C. A. Stow, P. A. Soranno, and J. C. Panuska . 1998. Phosphorus loading reductions needed to control blue-green algae blooms in Lake Mendota. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences 55: 1169–1178. 10.1139/f97-317 CASWeb of Science®Google Scholar Laws, E. A. 1993. Aquatic pollution: an introductory text. Second edition. Wiley, New York, New York, USA. Google Scholar Lean, J., and D. A. Warrilow . 1989. Simulation of the regional climatic impact of Amazon deforestation. Nature 342: 411–413. 10.1038/342411a0 Web of Science®Google Scholar Lettenmaier, D., E. F. Wood, and J. R. Wallis . 1994. Hydroclimatological trends in the continental United States, 1948–1988. Journal of Climate 7: 586–607. 10.1175/1520-0442(1994)007<0586:HCTITC>2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Lins, H. F., and P. J. Michaels . 1994. Increasing streamflow in the United States. EOS 75: 281–286. 10.1029/94EO00947 Google Scholar Lipson, D. A., S. K. Schmidt, and R. K. Monson . 1999. Seasonal dynamics in the utilization of organic nitrogen by soil microorganisms in the alpine ecosystem. Ecology 80: 1623–1631. 10.1890/0012-9658(1999)080[1623:LBMPDA]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Loaiciga, H. A., J. B. Valdes, R. Vogel, J. Garvey, and H. Schwarz . 1996. Global warming and the hydrologic cycle. Journal of Hydrology 174: 83–127. 10.1016/0022-1694(95)02753-X Web of Science®Google Scholar Lubchenco, J. 1998. Entering the century of the environment: a new social contract for science. Science 279: 491–497. 10.1126/science.279.5350.491 CASWeb of Science®Google Scholar L'Vovich, M. I. 1973. The global water balance. EOS 54: 28–42. 10.1029/EO054i001p00028 Google Scholar L'Vovich, M. I., G. F. White, A. V. Belyaev, J. Kindler, N. I. Koronkevic, T. R. Lee, and G. V. Voropaev . 1990. Use and transformation of terrestrial water systems. Pages 235–252 in B. L. Turner II, W. C. Clark, R. W. Kates, J. F. Richards, J. T. Mathews, and W. B. Meyer, editors. The earth as transformed by human action. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Google Scholar McCully, P. 1996. Silenced rivers: the ecology and politics of large dams. Zed Books, London, UK. Google Scholar Meyer, J. L., M. J. Sale, P. J. Mulholland, and N. L. Poff . 1999. Impacts of climate change on aquatic ecosystem functioning and health. Journal of the American Water Resources Association 35: 1373–1386. 10.1111/j.1752-1688.1999.tb04222.x Web of Science®Google Scholar Michener, W. K., E. R. Blood, K. L. Bildstein, M. M. Brinson, and L. R. Gardner . 1997. Climate change, hurricanes and tropical storms, and rising sea level in coastal wetlands. Ecological Applications 7: 770–801. 10.1890/1051-0761(1997)007[0770:CCHATS]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Middle Rio Grande Water Assembly. 1999. Middle Rio Grande water budget (where water comes from, and goes, and how much): averages for 1972–1997. Middle Rio Grande Council of Governments of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, USA. Google Scholar Miles, E. L., A. K. Snover, A. F. Hamlet, B. Callahan, and D. Fluharty . 2000. Pacific Northwest regional assessment: the impacts of climate variability and climate change on the water resources of the Columbia River Basin. Journal of the American Water Resources Association 36: 399–420. 10.1111/j.1752-1688.2000.tb04277.x Web of Science®Google Scholar Miller, J. R., and G. L. Russell . 1992. The impact of global warming on river runoff. Journal of Geophysical Research 97: 2757–2764. 10.1029/91JD01700 Web of Science®Google Scholar Mitchell, J. F. B. 1989. The greenhouse effect and climate. Reviews of Geophysics 27: 115–139. 10.1029/RG027i001p00115 Web of Science®Google Scholar Molles, M. C. Jr., C. S. Crawford, L. M. Ellis, H. M. Valett, and C. N. Dahm . 1998. Managed flooding for riparian ecosystem restoration. BioScience 48: 749–756. 10.2307/1313337 Web of Science®Google Scholar Moyle, P. B., and R. A. Leidy . 1992. Loss of biodiversity in aquatic ecosystems: evidence from fish faunas. Pages 128– 169 in P. L. Fielder and S. A. Jain, editors. Conservation biology: the theory and practice of nature conservation, preservation and management. Chapman and Hall, New York, New York, USA. Google Scholar Moyle, P. B., and R. M. Yoshiyama . 1994. Protection of aquatic biodiversity in California: a 5-tiered approach. Fisheries 19: 6–18. 10.1577/1548-8446(1994)019<0006:POABIC>2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Mulholland, P. J., G. R. Best, C. C. Coutant, G. M. Hornberger, J. L. Meyer, P. J. Robinson, J. R. Stenberg, R. E. Turner, F. VeraHerrera, and R. G. Wetzel . 1997. Effects of climate change on freshwater ecosystems of the south-eastern United States and the Gulf Coast of Mexico. Hydrological Processes 11: 949–970. 10.1002/(SICI)1099-1085(19970630)11:8<949::AID-HYP513>3.0.CO;2-G Web of Science®Google Scholar Mulrennan, M. E., and C. D. Woodroffe . 1998. Saltwater intrusion into the coastal plains of the Lower Mary River, Northern Territory, Australia. Journal of Environmental Management 54: 169–188. 10.1006/jema.1998.0229 Web of Science®Google Scholar Murdoch, P. S., J. S. Baron, and T. L. Miller . 2000. Potential effects of climate change on surface-water quality in North America. Journal of the American Water Resources Association 36: 347–366. 10.1111/j.1752-1688.2000.tb04273.x CASWeb of Science®Google Scholar Naiman, R. J., J. J. Magnuson, and P. L. Firth . 1998. Integrating cultural, economic, and environmental requirements for fresh water. Ecological Applications 8: 569–570. 10.1890/1051-0761(1998)008[0569:ICEAER]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Naiman, R. J., J. J. Magnuson, D. M. McKnight, and J. A. Stanford . editors. 1995. The freshwater imperative: a research agenda. Island Press, Washington, D.C., USA. Google Scholar Naiman, R. J., and M. G. Turner . 2000. A future perspective on North America's freshwater ecosystems: trends, consequences, challenges, and opportunities. Ecological Applications 10: 958–970. 10.1890/1051-0761(2000)010[0958:AFPONA]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar National Environmental Engineering Research Institute. 1997. Water resources management in India: present status and solution paradigm. Unpublished document of the National Environmental Engineering Research Institute. Nagpur, India. Google Scholar National Research Council. 2000a. Clean coastal waters: understanding and reducing the effects of nutrient pollution. National Academy Press, Washington, D.C., USA. Google Scholar National Research Council. 2000b. Grand challenges in environmental sciences. National Academy Press, Washington, D.C., USA. Google Scholar National Resource Council. 1999. New strategies for America's watersheds. National Academy Press, Washington, D.C., USA. Google Scholar Neilson, R. P., and D. Marks . 1994. A global perspective of regional vegetation and hydrologic sensitivities from climatic change. Journal of Vegetation Science 5: 715–730. 10.2307/3235885 Web of Science®Google Scholar Nicholson, S. E. 1994. Recent rainfall fluctuations in Africa and their relationship to past conditions. Holocene 4: 121–131. 10.1177/095968369400400202 Google Scholar Office of Technology Assessment, U.S. Congress. 1993. Preparing for an uncertain climate. Volume I. OTA-O-567, Washington, D.C., USA. Google Scholar Oud, E., and T. Muir . 1997. Engineering and economic aspects of planning, design, construction and operation of large dam projects. In T. Dorcey, editor. Large dams: learning from the past, looking at the future. The World Conservation Union, Gland, Switzerland, and the World Bank, Washington, D.C., USA. Google Scholar Peterjohn, W. T., and D. L. Correll . 1984. Nutrient dynamics in an agricultural watershed: observations on the role of a riparian forest. Ecology 64: 1249–1265. Google Scholar Pielke, R. S. Sr., R. Avissar, M. Raupach, A. J. Dolman, X. Zeng, and A. S. Denning . 1998. Interactions between the atmosphere and terrestrial ecosystems: influence on weather and climate. Global Change Biology 4: 461–475. 10.1046/j.1365-2486.1998.t01-1-00176.x Web of Science®Google Scholar Postel, S. 1999. Pillar of sand: Can the irrigation miracle last? W. W. Norton, New York, New York, USA. Google Scholar Postel, S. 2000. Entering an era of water scarcity: the challenges ahead. Ecological Applications 10: 941–948. 10.1890/1051-0761(2000)010[0941:EAEOWS]2.0.CO;2 Web of Science®Google Scholar Postel, S., and S. Carpenter . 1997

Nitrous oxide (N(2)O) is a potent greenhouse gas that contributes to climate change and stratospheric ozone destruction. Anthropogenic nitrogen (N) loading to river networks is a potentially important source of N(2)O via microbial denitrification that converts N to N(2)O and dinitrogen (N(2)). The fraction of denitrified N that escapes as N(2)O rather than N(2) (i.e., the N(2)O yield) is an important determinant of how much N(2)O is produced by river networks, but little is known about the N(2)O yield in flowing waters. Here, we present the results of whole-stream (15)N-tracer additions conducted in 72 headwater streams draining multiple land-use types across the United States. We found that stream denitrification produces N(2)O at rates that increase with stream water nitrate (NO(3)(-)) concentrations, but that <1% of denitrified N is converted to N(2)O. Unlike some previous studies, we found no relationship between the N(2)O yield and stream water NO(3)(-). We suggest that increased stream NO(3)(-) loading stimulates denitrification and concomitant N(2)O production, but does not increase the N(2)O yield. In our study, most streams were sources of N(2)O to the atmosphere and the highest emission rates were observed in streams draining urban basins. Using a global river network model, we estimate that microbial N transformations (e.g., denitrification and nitrification) convert at least 0.68 Tg·y(-1) of anthropogenic N inputs to N(2)O in river networks, equivalent to 10% of the global anthropogenic N(2)O emission rate. This estimate of stream and river N(2)O emissions is three times greater than estimated by the Intergovernmental Panel on Climate Change.

Human society has used freshwater from rivers, lakes, groundwater, and wetlands for many different urban, agricultural, and industrial activities, but in doing so has overlooked its value in supporting ecosystems. Freshwater is vital to human life and societal well-being, and thus its utilization for consumption, irrigation, and transport has long taken precedence over other commodities and services provided by freshwater ecosystems. However, there is growing recognition that functionally intact and biologically complex aquatic ecosystems provide many economically valuable services and long-term benefits to society. The short-term benefits include ecosystem goods and services, such as food supply, flood control, purification of human and industrial wastes, and habitat for plant and animal life—and these are costly, if not impossible, to replace. Long-term benefits include the sustained provision of those goods and services, as well as the adaptive capacity of aquatic ecosystems to respond to future environmental alterations, such as climate change. Thus, maintenance of the processes and properties that support freshwater ecosystem integrity should be included in debates over sustainable water resource allocation. The purpose of this report is to explain how the integrity of freshwater ecosystems depends upon adequate quantity, quality, timing, and temporal variability of water flow. Defining these requirements in a comprehensive but general manner provides a better foundation for their inclusion in current and future debates about allocation of water resources. In this way the needs of freshwater ecosystems can be legitimately recognized and addressed. We also recommend ways in which freshwater ecosystems can be protected, maintained, and restored. Freshwater ecosystem structure and function are tightly linked to the watershed or catchment of which they are a part. Because riverine networks, lakes, wetlands, and their connecting groundwaters, are literally the “sinks” into which landscapes drain, they are greatly influenced by terrestrial processes, including many human uses or modifications of land and water. Freshwater ecosystems, whether lakes, wetlands, or rivers, have specific requirements in terms of quantity, quality, and seasonality of their water supplies. Sustainability normally requires these systems to fluctuate within a natural range of variation. Flow regime, sediment and organic matter inputs, thermal and light characteristics, chemical and nutrient characteristics, and biotic assemblages are fundamental defining attributes of freshwater ecosystems. These attributes impart relatively unique characteristics of productivity and biodiversity to each ecosystem. The natural range of variation in each of these attributes is critical to maintaining the integrity and dynamic potential of aquatic ecosystems; therefore, management should allow for dynamic change. Piecemeal approaches cannot solve the problems confronting freshwater ecosystems. Scientific definitions of the requirements to protect and maintain aquatic ecosystems are necessary but insufficient for establishing the appropriate distribution between societal and ecosystem water needs. For scientific knowledge to be implemented science must be connected to a political agenda for sustainable development. We offer these recommendations as a beginning to redress how water is viewed and managed in the United States: (1) Frame national and regional water management policies to explicitly incorporate freshwater ecosystem needs, particularly those related to naturally variable flow regimes and to the linking of water quality with water quantity; (2) Define water resources to include watersheds, so that freshwaters are viewed within a landscape, or systems context; (3) Increase communication and education across disciplines, especially among engineers, hydrologists, economists, and ecologists to facilitate an integrated view of freshwater resources; (4) Increase restoration efforts, using well-grounded ecological principles as guidelines; (5) Maintain and protect the remaining freshwater ecosystems that have high integrity; and (6) Recognize the dependence of human society on naturally functioning ecosystems.

Water‐limited environments occupy about half of the Earth's land surface and contain some of the fastest growing population centers in the world. Scarcity or variable distributions of water and nutrients make these environments highly sensitive to change. Given the importance of water‐limited environments and the impacts of increasing demands on water supplies and other natural resources, this paper highlights important societal problems and scientific challenges germane to these environments and presents a vision on how to accelerate progress. We argue that improvements in our fundamental understanding of the links between hydrological, biogeochemical, and ecological processes are needed, and the way to accomplish this is by fostering integrated, interdisciplinary approaches to problem solving and hypothesis testing through place‐based science. Such an ecohydrological approach will create opportunities to develop new methodologies and ways of thinking about these complex environmental systems and help us improve forecasts of environmental change.

We address the ecological ramifications of variation in hydrologic interaction between streams and alluvial aquifers in catchments with alluvium derived from parent materials of contrasting geologic composition. We present a conceptual model in which solute retention in streams results from hydrologic retention (increased water residence time resulting from surface‐groundwater exchange), biological nutrient cycling, and chemical processes. Solute injection experiments were done in study catchments comprised of sandstone‐siltstone (site 1), volcanic tuff (site 2), and granite‐gneiss (site 3). Distribution of an injected conservative tracer (Br) illustrated that rate and extent of surface‐water penetration into the alluvial aquifer increased across study catchments as was predicted from increasing alluvial hydraulic conductivity. Concurrently, groundwater inputs at baseflow represented between 13 and 57% of aboveground discharge at upstream transects, indicating bidirectional hydrologic exchange along the study reaches. N: P ratios in surface water ranged from 4 to 16, suggesting strong biotic demand for inorganic N. Coinjection of NaBr and NaNO 3 revealed longest nitrate uptake length (S w ) at site 1, intermediate S w at site 2, and shortest uptake length at site 3. Modeling of transient hydrologic solute storage revealed that S w correlated with hydraulic storage, suggesting an important role for subsurface processes in total nitrate retention.