Een op de tien Amerikanen is voor zwemmen en drinken afhankelijk van de Colorado-rivier. De recordhoge temperaturen van afgelopen herfst hebben de sneeuwlaag in Colorado in de winter van 2018 teruggebracht tot 66 procent van normaal, zorgen over watertekorten stroomafwaarts en waterbeheerders vrezen voor herhaling.

Afnemende sneeuwlaag is niet het enige dat de waterreserves aantast. Op veel plaatsen in het westen waar de federale Natural Resources Conservation Service de hoeveelheid water in sneeuw meet, dit sneeuwwaterequivalent was van 1981 tot 2010 minder dan de helft van de mediane waarden. sneeuw smelt bijna een maand eerder bij de bovenloop van de Colorado-rivier dan 25 jaar geleden. Deze eerdere smelt alleen al heeft geleid tot verschuivingen in plantengemeenschappen die functioneren om voedingsstoffen te absorberen, procesverontreinigende stoffen, en het sediment filteren terwijl het water stroomafwaarts stroomt, waardoor de kans groter wordt dat de waterkwaliteit, niet alleen watervoorziening, door een opwarmende atmosfeer in gevaar komen.

Hydrologisch wetenschappelijk expert en geochemicus Bhavna Arora maakt deel uit van een team van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) dat de veranderingen in deze plantengemeenschappen bestudeert in een onderzoeksgebied langs het stroomgebied van de East River in de buurt van de bovenloop van de Upper Colorado River. De onderzoeken van het team, onderdeel van het programma Watershed Function Scientific Focus Area (SFA), zijn nuttig om te voorspellen hoe verstoringen van bergachtige stroomgebieden – zoals overstromingen, droogte, veranderende sneeuwlaag en eerdere sneeuwsmelt - invloed op de stroomafwaartse levering van water, voedingsstoffen, koolstof, en metalen.

V. Maakt u zich ergens zorgen over wat uw team waarneemt bij het stroomgebied van de East River?

A. Sneeuw smelt gemiddeld 26 dagen eerder dan 25 jaar geleden - een fenomeen dat een dramatische verschuiving heeft veroorzaakt in plantengemeenschappen in en rond de Upper Colorado River. Als sneeuw veel sneller smelt dan verwacht, nitraten die van nature onder sneeuw worden geproduceerd, kunnen veel eerder in het stroomgebied vrijkomen. Regionale planten die van oudsher synchroon binnen het ecosysteem functioneerden om voedingsstoffen uit het water op te nemen in gesmolten sneeuw, zijn vervangen of dreigen te worden vervangen door meer droogteresistente planten die misschien niet zo bedreven zijn in het opnemen van stikstof.

Aan de Oostrivier, Colorado, stroomgebied dat het testbed van het project is, een gemeenschap van diepgewortelde struiken heeft grassen en wilde bloemen vervangen, die snel stikstof en andere elementen uit water opnemen in gesmolten sneeuw. Het is nog niet duidelijk of deze nieuwe planten snel de rol van hun voorgangers kunnen overnemen en voorkomen dat nitraten of andere elementen de rivier binnendringen en stroomafwaarts reizen.

In iets minder dan twee korte jaren sinds ons team daar begon te studeren, we zijn eerder getuige geweest van het smelten van de sneeuw, vergezeld van het verminderde sneeuwpakket dat zo vertrouwd is geworden in hele regio's van het bergachtige westen. We wilden de invloed kwantificeren van veranderingen in de timing van het smelten van de sneeuw en de diepte van het sneeuwdek op stikstoffluxen en plantenfenologie op onze onderzoekslocatie.

We gebruiken remote sensing en putten die diep in het gesteente doordringen om de vegetatie continu te monitoren, seizoensgebonden bodemtemperaturen, beschikbaarheid van water, en chemie in de bodem en ondergrond op de East River-locatie. Onze waarnemingen en computersimulaties laten zien dat een eerdere en grotere nitraatpiek optreedt bij vroege sneeuwsmelt in vergelijking met een normaal sneeuwsmeltscenario. We ontdekten ook dat verschillen in sneeuwlaagdiepten de nutriëntenbuffer onder de sneeuw en de ammoniakconcentratie veranderen. In beide scenario's van vroege sneeuwsmelt en verminderde sneeuwlaag, struiken hebben grassen en wilde bloemen vervangen als de dominante vegetatie.

Hoewel er nog veel onderzoek moet worden gedaan, dit is een uitstekend voorbeeld van de complexiteit van de natuur.

V:Leveren deze waarnemingen problemen op voor het water dat als irrigatiewater voor gewassen of als drinkwater voor bewoners stroomafwaarts terechtkomt?

A. Bovenloopstroomgebieden zoals de East River vertegenwoordigen een deel van de rivier dat niet is beïnvloed door veranderingen in landgebruik, zoals landbouw. Wat verontrustend is, zijn niet de concentraties die we zien op deze ongerepte onderzoekslocaties, maar wat dat betekent voor het water dat stroomafwaarts stroomt. De pieken in nitraten na een lange, langdurige droogte is bijzonder zorgwekkend omdat de risico's van een teveel aan nitraten voor de menselijke gezondheid bekend zijn en onze aandacht verdienen. Intense regenval zoals we hebben meegemaakt, leidt ertoe dat overtollige nitraten in de rivier worden uitgeloogd, die de stroomafwaartse watervoorziening in gevaar kunnen brengen.

Zonder veel meer sites over meerdere jaren te onderzoeken, het is veel te vroeg om te zeggen hoe een verhoogde nitraatconcentratie in bovenloopstroomgebieden de afvoer zou kunnen beïnvloeden als deze stroomafwaarts beweegt. Maar het is redelijk om te geloven dat het zou kunnen. Neem landbouwgebieden, bijvoorbeeld. Historisch gezien hebben we stikstof aan landbouwgrond toegevoegd als meststof. Als resultaat, er is een opeenhoping van grondwaternitraten en lachgasemissies naar de lucht in grote landbouwregio's. Dus, terwijl overtollige nitraten in het water in de buurt van onze afgelegen onderzoekslocatie mogelijk geen significante bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid, we kunnen er niet zeker van zijn dat hetzelfde geldt stroomafwaarts in wateren in en rond land dat intensief wordt gebruikt.

V. We zijn begonnen met het bespreken van de recorddroogte en hitte in Colorado en in het westen van de VS. Als zomertemperaturen en gebrek aan neerslag een indicatie zijn, het lijkt onwaarschijnlijk dat we kunnen verwachten dat herfst en winter meer in overeenstemming zullen zijn met de historische norm. Zijn dit grillige patronen van zorg?

A. De timing van het smelten van sneeuw is van cruciaal belang voor de plantengroei en de duur van het groeiseizoen, het beginpunt bepalen voor wanneer planten uit hun winterslaap komen en beginnen te groeien. De exacte timing van het smelten van de sneeuw is ook van cruciaal belang voor ons werk, omdat het een van de belangrijkste en meest dynamische tijden van het jaar vertegenwoordigt - een periode waarin er veel te bestuderen en te begrijpen is.

Geochemische modelbouwers zoals ik profiteren van toegang tot kwaliteitsgegevens over sneeuwpatronen, temperatuur, vochtigheid, en andere factoren die veranderingen in bergachtige stroomgebieden kunnen veroorzaken. Al decenia, hydrologen konden hun veldwaarnemingen timen volgens de relatief voorspelbare timing van het smelten van de sneeuw en de diepte van het sneeuwdek op basis van historische patronen. Relatieve consistentie in neerslag en temperatuur stelt ons ook in staat om toekomstige stroomgebiedreacties op deze factoren te voorspellen op basis van eerdere trends, naast de huidige waarnemingen.

Enorme schommelingen in sneeuwophoping en smelten hebben ons ertoe gebracht een netwerk van sensoren te ontwikkelen die autonoom de bodemtemperatuur en het bodemwater meten en continu videobeelden van het sneeuwoppervlak vastleggen. Op deze manier kunnen we het begin van het smelten van de sneeuw "observeren" door veranderingen in water en temperatuur en het waarschijnlijke datumbereik van sneeuwvrije omstandigheden een week of twee van tevoren voorspellen. Dan mobiliseren we onze teams en uitrusting en gaan erop uit!

Met verschuivingen in plantengemeenschappen als gevolg van vroege sneeuwsmelt, we weten nog niet hoe goed die nieuwe plantengemeenschappen zullen samenwerken om stikstof en andere voedingsstoffen op te nemen. Aangezien het jaren kan duren voordat die nieuwe plantengemeenschappen zich hebben gevestigd, we moeten computermodellen gebruiken om te voorspellen wat er kan gebeuren. Met de verschuiving in de timing van het smelten van sneeuw van historische trends - en zelfs van jaar tot jaar in beweging, het wordt nog moeilijker om te voorspellen wat veranderingen in temperatuur- en neerslagpatronen over twee jaar zullen betekenen voor de watervoorziening, veel minder 10 of 50 jaar.

Onze beste hoop is om de best mogelijke computermodellen te bouwen die al deze factoren numeriek kunnen onderzoeken (timing van sneeuwsmelt, droogte, moesson, plantensoorten, enz.) gecombineerd, en test die modellen met gegevens uit het veld. Op deze manier hopen we de toekomstige kwantiteit en kwaliteit van ons water te voorspellen als het stroomafwaarts stroomt en gevolgen heeft voor gebruikers en ecosystemen die ver verwijderd zijn van zijn oorsprong in de Upper Colorado River.