Hvordan tørke og andre ekstremer påvirker vandforurening

En ud af 10 amerikanere er afhængige af Colorado-floden for at bade og drikke. Sidste efterårs rekordhøje temperaturer reducerede Colorado snepack i vinteren 2018 til 66 procent af det normale, vækker bekymring over vandmangel nedstrøms og efterlader vandforvaltere bange for en gentagelse.

Aftagende snepakning er ikke alt, der påvirker vandreserverne. På mange steder over hele Vesten, hvor den føderale Natural Resources Conservation Service måler mængden af ​​vand indeholdt i sne, denne sne-vandsækvivalent var mindre end halvdelen af ​​medianværdierne fra 1981 til 2010. Samtidig sne smelter nær Colorado-flodens udspring næsten en måned tidligere end for 25 år siden. Denne tidligere smeltning alene har forårsaget forskydninger i plantesamfund, der fungerer til at absorbere næringsstoffer, proces forurenende stoffer, og filtrer sediment, når vandet bevæger sig nedstrøms – hvilket øger chancerne for, at vandkvaliteten, ikke kun vandforsyning, vil blive sat i fare af en varmende atmosfære.

Hydrologisk videnskabsekspert og geokemiker Bhavna Arora er en del af et team ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), der studerer ændringerne i disse plantesamfund i et forskningsområde langs East River-oplandet nær Upper Colorado Rivers hovedvand. Holdets undersøgelser, del af programmet Watershed Function Scientific Focus Area (SFA), er nyttige til at forudsige, hvordan forstyrrelser af bjergrige vandskel – som oversvømmelser, tørke, skiftende snepakning og tidligere snesmeltning – påvirke nedstrøms levering af vand, næringsstoffer, kulstof, og metaller.

Spørgsmål. Er der noget, der bekymrer dig om, hvad dit hold observerer ved East River-vandskellet?

A. Sne smelter i gennemsnit 26 dage tidligere end for 25 år siden – et fænomen, der har tvunget til et dramatisk skift i plantesamfund i og omkring Upper Colorado River. Når sneen smelter langt hurtigere end forventet, nitrater produceret naturligt under sne kan frigives meget tidligere i vandskellet. Regionale planter, der historisk fungerede synkront i økosystemet for at optage næringsstoffer fra vand i snesmeltning, er blevet erstattet eller risikerer at blive erstattet af mere tørke-resistente planter, der måske ikke er så dygtige til at optage kvælstof.

Ved East River, Colorado, opland, der er projektets testbed, et samfund af dybt rodfæstede buske har erstattet græsser og vilde blomster, som hurtigt optager nitrogen og andre grundstoffer fra vand i snesmeltning. Det er endnu ikke klart, om disse nye planter hurtigt kan påtage sig rollen som deres forgængere og forhindre nitrater eller andre elementer i at komme ind i floden og rejse nedstrøms.

På knap to korte år siden vores team begyndte at studere der, vi har set tidligere snesmeltning ledsaget af den formindskede snepakke, der er blevet så velkendt i hele regioner i det bjergrige vest. Vi ønskede at kvantificere indflydelsen af ​​ændringer i snesmeltningstidspunkt og snepakningsdybde på nitrogenstrømme og plantefænologi på vores undersøgelsessted.

Vi bruger fjernmåling og brønde, der trænger dybt ind i grundfjeldet til kontinuerligt at overvåge vegetation, sæsonbestemte jordtemperaturer, vand tilgængelighed, og kemi i hele jorden og undergrunden på East River-stedet. Vores observationer og computersimuleringer viser, at en tidligere og større nitrattop opstår med tidlig snesmeltning sammenlignet med et normalt snesmeltningsscenario. Vi fandt også, at forskelle i snepakningsdybder ændrer næringsstofbufferen under sne og ammoniakkoncentrationen. I begge scenarier med tidlig snesmeltning og reduceret snepakning, buske har erstattet græsser og vilde blomster som den dominerende vegetation.

Selvom der skal laves meget mere undersøgelse, dette er et glimrende eksempel på naturens kompleksitet.

Spørgsmål:Betyder disse observationer problemer for vandet, der ender som kunstvandingsvand til afgrøder eller som drikkevand for beboere nedstrøms?

A. Hovedvandsoplande som East River repræsenterer en del af floden, der ikke er blevet påvirket af ændringer i arealanvendelsen, såsom landbrug. Det, der er bekymrende, er ikke de koncentrationer, vi ser på disse uberørte forskningssteder, men hvad det betyder for vandet, når det bevæger sig nedstrøms. Toppene i nitrat efter en lang, langvarig tørke er særligt bekymrende, fordi risikoen for overskydende nitrater for menneskers sundhed er velkendte og fortjener vores opmærksomhed. Intens nedbør, som vi har oplevet, fører til, at overskydende nitrater udvaskes i floden, hvilket kan bringe nedstrøms vandforsyninger i fare.

Uden at undersøge mange flere websteder over flere år, det er alt for tidligt at sige, hvordan øget nitratkoncentration i hovedvandsoplande kan påvirke afstrømningen, når den bevæger sig nedstrøms. Men det er rimeligt at tro, at det kunne. Tag landbrugsregioner, for eksempel. Historisk har vi tilføjet nitrogen til landbrugsjord som gødning. Som resultat, der er sket en ophobning af grundvandsnitrater og lattergasemissioner til luften på tværs af store landbrugsregioner. Så, mens overskydende nitrater i vandet nær vores fjerntliggende forskningssted måske ikke udgør en væsentlig trussel mod menneskers sundhed, vi kan ikke være sikre på, at det samme gør sig gældende nedstrøms i farvande i og omkring landområder, der er intensivt brugt.

Q. Vi startede med at diskutere rekordstor tørke og varme i Colorado og på tværs af det vestlige USA. Hvis sommertemperaturer og mangel på nedbør er nogen indikation, det virker usandsynligt, at vi kan forvente, at efteråret og vinteren vil være mere i overensstemmelse med den historiske norm. Er disse uberegnelige bekymringsmønstre?

A. Tidspunktet for snesmeltning er afgørende for plantevækst og vækstsæsonens varighed, sætter udgangspunktet for hvornår planter kommer ud af deres vinterdvale og begynder at vokse. Det nøjagtige tidspunkt for snesmeltning er også afgørende for vores arbejde, da det repræsenterer en af ​​de vigtigste og mest dynamiske tider på året – en periode, hvor der er meget at studere og forstå.

Geokemiske modelbyggere som mig drager fordel af at have adgang til kvalitetsdata om snemønstre, temperatur, fugtighed, og andre faktorer, der kan forårsage ændringer i bjergrige vandskel. I årtier, hydrologer kunne time deres feltobservationer i henhold til den relativt forudsigelige timing af snesmeltning og dybden af ​​snepakning baseret på historiske mønstre. Relativ konsistens i nedbør og temperatur giver os også mulighed for at forudsige fremtidig vandskillereaktion på disse faktorer baseret på tidligere tendenser, ud over aktuelle observationer.

Kæmpe udsving i sneophobning og afsmeltning har krævet, at vi udvikler et netværk af sensorer, der autonomt måler jordtemperatur og jordvand og kontinuerligt optager video af sneens overflade. På denne måde kan vi "observere" starten af ​​snesmeltning gennem ændringer i vand og temperatur og forudsige det sandsynlige datointerval for snefrie forhold en uge eller to i forvejen. Så mobiliserer vi vores hold og udstyr og kommer derud!

Med skift i plantesamfund på grund af tidlig snesmeltning, vi ved endnu ikke, hvor godt de nye plantesamfund vil arbejde sammen om at absorbere nitrogen og andre næringsstoffer. Da disse nye plantesamfund kan tage år at blive etableret, vi skal bruge computermodeller til at forudsige, hvad der kan ske. Med skiftet i timing af snesmeltning fra historiske tendenser - og i forandring selv fra år til år, det bliver endnu sværere at forudsige, hvad ændringer i temperatur og nedbørsmønstre vil betyde for vandforsyningen om to år, meget mindre 10 eller 50 år.

Vores bedste håb er at bygge de bedst mulige computermodeller, der numerisk kan udforske alle disse faktorer (snesmeltningstiming, tørke, monsuner, plantearter, osv.) kombineret, og test disse modeller med data fra marken. På denne måde håber vi at forudsige den fremtidige mængde og kvalitet af vores vand, når det strømmer nedstrøms og påvirker brugere og økosystemer langt væk fra dets oprindelse i Upper Colorado River.