Disproportionate Contributions of Baseflow to Nitrogen and Phosphorus Export in an Agricultural Watershed of Southwest China

نادراً ما تكون المياه في النهر مجرد مياه أمطار جارية من الأرض. فحتى عندما تكون السماء صافية، غالباً ما يستمر تدفق مستمر، تغذيه المياه التي تغلغلت في أعماق الأرض وهي تشق طريقها ببطء عائدة إلى السطح. هذا التدفق الخفي، المعروف باسم "التدفق الأساسي" (baseflow)، يعمل مثل نبض قلب بطيء ومستمر لحوض مائي، حيث يحمل المواد المذابة من التربة إلى النهر لفترة طويلة بعد انقضاء العاصفة. لعقود من الزمن، ركز العلماء وصناع القرار اهتمامهم على المياه المرئية سريعة الحركة التي تندفع من التلال أثناء الأمطار الغزيرة، بافتراض أن هذا الجريان السطحي هو المتهم الرئيسي وراء التلوث في البحيرات والجداول. لقد أمضوا سنوات في محاولة منع الأسمدة والنفايات الحيوانية من الانجراف أثناء هذه الأحداث العاصفة. ومع ذلك، فإن هذا التركيز على السطح ترك سؤالاً حيوياً دون إجابة: كم مقدار التلوث الذي ينتقل بهدوء تحت الأرض، بعيداً عن الأنظ most، ويتسرب ببطء إلى مجارينا المائية؟

في الجزء الشمالي من مقاطعة يوننان بالصين، تعاني بحيرة كبيرة للمياه العذبة تُسمى بحيرة إيرهي من مشاكل في جودة المياه منذ سنوات. تحيط بالبحيرة زراعة مكثفة، حيث تشكل المحاصيل والمواشي المصدر الرئيسي للدخل. وبينما تعد الأراضي المحيطة مصدراً رئيسياً للمغذيات مثل النيتروجين والفوسفور، والتي يمكن أن تسبب ازدهار الطحالب الضارة، لم يفهم الباحثون تماماً كيف تصل هذه المغذيات إلى البحيرة. وضع فريق من العلماء هدفاً لاستقصاء نهر ميجو، وهو أكبر نهر يصب في بحيرة إيرهي، لمعرفة ما إذا كان هذا التدفق الخفي تحت الأرض يلعب دوراً أكبر في التلوث مما كان يُعتقد. أرادوا معرفة ما إذا كانت المياه البطيئة والمستمرة تحمل كمية غير متناسبة من المغذيات مقارنة بالمياه السريعة الناتجة عن العواصف، وما هي العوامل التي تقود هذه الحركة.

للإجابة على هذه الأسئلة، جمع الباحثون بيانات لمدة عشر سنوات، من 2015 إلى 2024، تتبع التدفق اليومي للنهر والمستويات الشهرية للمغذيات في الماء. واجهوا تحدياً لأنهم لم يتمكنوا من قياس المياه التي تتحرك تحت الأرض بشكل مباشر. وبدلاً من ذلك، استخدموا أداة رياضية لفصل إجمالي تدفق النهر إلى جزأين: المياه السريعة الناتجة عن العواصف، والتدفق الأساسي البطيء والمستمر. وبعد اختبار عدة طرق مختلفة لضمان الدقة، اختاروا الطريقة الأكثر موثوقية لعزل التدفق الأساسي. ثم استخدموا نموذجاً إحصائياً لتقدير كمية النيتروجين والفوسفور التي تتحرك مع ذلك التدفق الأساسي، مع طرح مساهمة محطات معالجة مياه الصرف الصحي بعناية للتركيز فقط على الجريان الزراعي.

كشفت النتائج عن خلل مفاجئ. فبينما شكل التدفق المستمر تحت الأرض حوالي 41 بالمائة فقط من إجمالي المياه المتحركة عبر النهر، فقد كان مسؤولاً عن حمل ما يقرب من 44 بالمائة من إجمالي النيتروجين ونسبة مذهلة بلغت 56 بالمائة من إجمالي الفوسفور. وهذا يعني أن المياه البطيئة والخفية تنقل أكثر من نصف تلوث الفوسفور، رغم أنها تحرك كمية أقل من المياه بشكل عام. يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد الشائع بأن الفوسفور ينتقل غالباً ملتصقاً بجزيئات التربة أثناء الأمطار الغزيرة. ويقترح الباحثون أنه في هذه البيئة المحددة، تقوم المياه الجوفية بإذابة الفوسفور وحمله بطريقة تجعله يتصرف بشكل مشابه جداً للنيتروجين، الذي يكون ذائباً بطبيعته.

لفهم ما يدفع أحمال المغذيات هذه، استخدم الفريق نموذجاً حاسوبياً متطوراً لتصنيف أهمية عوامل مختلفة، مثل هطول الأمطار، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وكمية المياه المتدفقة في النهر. ووجدوا أن أقوى محرك كان ببساطة إجمالي كمية المياه المتدفقة في النهر، والتي تعمل كحامل مادي للمغذيات. وكانت العوامل التالية الأكثر أهمية تتعلق بمدى جفاف أو رطوبة التربة خلال الأيام السابقة. وكان مقياس لعدد الأيام التي مرت دون أمطار، وحساب إجمالي العجز المائي خلال الأسبوع الماضي، هما المفتاحان اللذان حددا كمية المغذيات التي يمكن غسلها إلى المياه الجوفية. ومن المثير للدهشة أن الظروف الجوية المحددة في ذلك اليوم، مثل درجة الحرارة الدقيقة أو كمية الأمطار المتساقطة في تلك اللحظة، كانت أقل أهمية بكثير من هذه الأنماط طويلة الأمد من الرطوبة والجفاف.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن العوامل التي تحرك النيتروجين والفوسفور كانت متطابقة تقريباً. ففي العديد من البيئات الأخرى، يتصرف هذان المغذيان بشكل مختلف تماماً، حيث يتحرك النيتروجين بسهولة في الماء بينما يلتصق الفوسفور بالتربة. ولكن في التدفق الأساسي لهذا الحوض المائي الزراعي، تلاقت مساراتهما. بدا أن التدفق المستمر تحت الأرض يذيب الفوسفور، مما يجعله يسير جنباً إلى جنب مع النيتروجين. ويشير هذا إلى أن الرؤية التقليدية لمعالجة هذين الملوثين كمسألتين منفصلتين بأسباب مختلفة قد تكون غير صحيحة في هذا النوع من البيئات. بدلاً من ذلك، يتم التحكم في حركة كلا المغذيين بواسطة نفس الإيقاع الهيدرولوجي: إجمالي تدفق المياه، وتاريخ فترات الجفاف، وتراكم الرطوبة في التربة.

تخلص الدراسة إلى أن إدارة جودة المياه في مثل هذه المناطق الزراعية تتطلب النظر إلى ما وراء السطح. فإذا كان الهدف هو حماية بحيرات مثل إيرهي، يجب أن تعالج الاستراتيجيات التسرب البطيء والمستمر للمغذيات من الأرض، وليس فقط الفيضانات الخاطفة التي تجرف التربة. ووجد الباحثون أن المؤشرات البسيطة والقابلة للقياس، مثل عد الأيام المتتالية من الجفاف وتتبع إجمالي العجز المائي، يمكن أن تعمل كعلامات تحذير مبكر عندما تكون مخاطر تلوث المغذيات مرتفعة. ومن خلال فهم أن التدفق الخفي هو مساهم رئيسي في التلوث، وأن النيتروجين والفوسفور يتحركان معاً في هذا المسار الخفي، يمكن لمديري المياه تطوير استراتيجيات أكثر فعالية وموحدة لحماية هذه الموارد الحيوية للمياه العذبة.