Natural and anthropogenic tipping points in a Mediterranean karstic lake: evidence from Lake Estanya (NE Spain)

ليست البحيرات مجرد أحواض مائية ساكنة؛ بل هي أنظمة ديناميكية تتنفس، وتختلط، وتتغير استجابةً للسماء فوقها وللأرض من حولها. وفي أجزاء كثيرة من العالم، لا سيما في المناطق التي تتميز بصيف حار وجاف وشتاء ممطر، تكون هذه المسطحات المائية حساسة للغاية للتحولات في المناخ والنشاط البشري. وينظر العلماء الذين يدرسون تاريخ البحيرات، المعروفون باسم علماء "الباليوليمنولوجيا" (علم البحيرات القديمة)، إلى طبقات الطين في القاع لقراءة سجل الماضي. كما يراقبون المياه في الوقت الفقد الحقيقي ليروا كيف تتفاعل مع الطقس الحالي. ويعد مفهوم "نقطة التحول" مفهوماً رئيسياً في هذا المجال، وهو اللحظة التي يدفع فيها تغير طفيف في الظروف النظام إلى حالة جديدة تماماً لا يمكنه العودة إليها بسهولة. على سبيل المثال، قد تتوقف بحيرة فجأة عن خلط طبقاتها العلوية والسفلية، مما يحبس المياه العميقة في حالة دائمة من نقص الأكسجين. إن فهم متى ولماذا تحدث هذه التحولات أمر حيوي، لأن صحة البحيرة تحدد جودة المياه للشرب، والزراعة، وبقاء الكائنات التي تعيش بداخلها.

في جبال البرانس في شمال شرق إسبانيا، أصبحت بحيرة صغيرة ضحلة تسمى "إستانيا" (Estanya) دراسة حالة بالغة الأهمية لهذه التغييرات. تقع هذه البحيرة في حوض محاط بالجبس والحجر الجيري، وهو إعداد جيولوجي يجعل مياهها غنية طبيعياً بالأملاح والمعادن. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن "إستانيا" كانت بحيرة "دافئة أحادية الاختلاط" (warm monomictic)، وهو مصطلح تقني يعني أنها ستسخن في الصيف، وتنفصل إلى طبقات، ثم تختلط تماماً من الأعلى إلى الأسفل خلال أشهر الشتاء الباردة. وهذا الاختلاط السنوي ضروري لأنه يجلب الأكسجين إلى المياه العميقة، مما يحافظ على النظام البيئي حياً. ومع ذلك، كشفت دراسة جديدة تجمع بين المراقبة الحديثة وسجلات الرواسب القديمة أن هذه البحيرة قد تجاوزت عتبة رئيسية؛ فقد تحولت من بحيرة تختلط كل عام إلى بحيرة ذات طبقات دائمة، حيث انفصلت مياهها العميقة عن السطح وفقدت الأكسجين الذي تحتاجه.

تبدأ قصة هذا التغيير بنظرة دقيقة على السنوات القليلة الماضية. فبين عامي 2018 و2023، وضع الباحثون مستشعرات آلية في البحيرة لتتبع درجة حرارة الماء على أعماق مختلفة كل ساعة. كما جمعوا عينات مياه لقياس مستويات الملح والسمات الكيميائية. وقد روت البيانات قصة درامية؛ ففي عام 2018، وبعد فترة من الجفاف الشديد، تبخرت المياه السطحية للبحيرة بكثافة، مما جعلها أكثر ملوحة وكثافة. وعندما وصلت أمطار الخريف أخيراً، صبت مياهاً عذبة وخفيفة على السطح. وبدلاً من الغوص والاختلاط، طفت هذه المياه العذبة فوق المياه العميقة المالحة والكثيفة، ورفضت الطبقتان الامتزاج. وبحلول الشتاء التالي، بردت المياه السطحية، لكنها لم تصبح باردة بما يكفي لتصبح ثقيلة بما يكفي لتغوص عبر الطبقة المالحة الموجودة تحتها. وظلت المياه العميقة، المحاصرة في الأسفل، معزولة ودافئة وخالية من الأكسجين. وهذه الحالة، المعروفة باسم "الميروميكسيس الكيميائي" (chemical meromixis)، استمرت كل عام منذ عام ระ 2018، مما خلق حاجزاً دائماً بين السطح والأعماق.

ولفهم كيف حدث هذا، تعمق الفريق في ماضي البحيرة. فقد استخرجوا لُبّاً من الرواسب، وهو أسطوانة من الطين بطول 41 سنتيمتراً تقريباً، تحتوي على تاريخ البحيرة الممتد لنحو 300 عام. ومن خلال تحليل كيمياء طبقات الطين، تمكنوا من رؤية كيف تصرفت البحيرة عبر القرون. وأظهر السجل أن البحيرة لم تكن دائماً على هذا النحو؛ ففي منتصف القرن التاسع عشر تقريًا، بينما كان العالم يخرج من فترة باردة تُعرف باسم "العصر الجليدي الصغير"، شهدت البحيرة أول تحول كبير لها. أصبح المناخ أكثر دفئاً وجفافاً، مما أدى إلى زيادة التبخر. هذا التغير الطبيعي دفع البحيرة نحو حالة أكثر ملوحة وانغلاقاً، مما شكل نقطة تحول طبيعية حيث أصبحت البحيرة أقل قدرة على الاختلاط الكامل.

ومع ذلك، فإن التحول الأخير والأكثر إثارة للقلق حدث بعد عام 2000. فقد أخبرت طبقات الرواسب في هذه الفترة قصة مختلفة، مدفوعة بالأيدي البشرية. أظهر الطين زيادة حادة في النيتروجين، وهو عنصر غذائي ضروري لنمو النباتات ولكنه خطير إذا زاد عن حده. أشارت البصمة الكيميائية لهذا النيتروجين مباشرة إلى الأسمدة الزراعية ومخلفات الماشية من المزارع المحيطة بالبحيرة. وفي الوقت نفسه، أشارت نظائر الكربون في الرواسب إلى طفرة هائلة في نمو الطحالب. لقد أصبحت البحيرة "إيوتروفية" (eutrophic)، وهي حالة تؤدي فيها المغذيات الزائدة إلى نمو النباتات والطحالب بشكل جامح. وعندما تموت هذه الكائنات، تغوص إلى القاع وتأكلها البكتيريا، وهي عملية تستهلك الأكسجين. ولأن البحيرة كانت بالفعل ذات طبقات، والمياه العميقة مقطوعة عن السطح، أدى استهلاك الأكسجين هذا إلى خلق منطقة خالية من الأكسجين بشكل دائم في القاع. ووجد الباحثون أن هذا لم يكن مجرد تقلب طبيعي، بل كان نقطة تحول بشرية المنشأ غير مسبوقة، حيث اجتمع الزراعة المكثفة مع تغير المناخ لدفع البحيرة إلى حالة جديدة وغير مستقرة.

كما درست الدراسة الكبريت، وهو عنصر آخر موجود في صخور الجبس التي تتكون منها البحيرة. أظهر التاريخ الكيميائي للكبريت في الطين انتقالاً واضحاً؛ فلقرون مضت، أشارت نظائر الكبريت إلى نظام يختلط ويدور فيه الأكسجين. ولكن مع تحرك البحيرة نحو حالتها الحالية، تغير سجل الكبريت، مما عكس تحولاً نحو بيئة أكثر ركوداً وتبخراً. هذا الدليل الكيميائي، مقترناً ببيانات درجة الحرارة وطفرات النيتروجين، أكد أن البحيرة قد تجاوزت الخط الأحمر؛ فلم تعد تكتفي بمجرد التفاعل مع الطقس، بل دخلت في نظام جديد حيث أصبحت المياه العميقة معزولة بشكل دائم.

إن تداعيات هذا الاكتشاف تمتد إلى ما هو أبعد من بحيرة جبلية واحدة. ويرى الباحثون أن بحيرة "إستانيا" هي علامة تحذير للبحيرات الكارستية الأخرى في منطقة حوض البحر الأبيض المتوسط. هذه البحيرات التي تتكون في مناطق الحجر الجيري أو الجبس، غالباً ما تكون ضحلة وحساسة للتبخر. فإذا أدى الجفاف الطويل إلى تركيز الأملاح في المياه العميقة، ثم خلقت الأمطار اللاحقة طبقة عذبة في الأعلى، يمكن للبحيرة أن تُحبس في هذه الحالة الطبقية. وإذا حدث ذلك، تصبح المياه العميقة بمثابة "كبسولة زمنية" للجفاف السابق، محتفظة بتركيزات عالية من الأملاح والمواد الكيميائية السامة. وإذا استمرت البحيرة في هذه الحالة، فإن نقص الأكسجين يمكن أن يؤدي إلى إطلاق مركبات سامة من الرواسب، مما قد يضر بالنظام البيئي بأكمله.

ويؤكد الفريق أنه بينما كان التحول الأول في القرن التاسع عشر مدفوعاً بتغيرات المناخ الطبيعية، فإن الوضع الحالي مختلف. إن الجمع بين أنماط الطقس المتطرفة والاستخدام الكثيف للأسمدة الزراعية قد خلق عاصفة مثالية. البحيرة الآن في حالة تكون فيها منتجة للغاية عند السطح ولكنها ميتة في القاع. ويقترح الباحثون أنه بدون تغييرات عاجلة في كيفية إدارة الأراضي المحيطة، وتحديداً من خلال تقليل كمية الجريان السطحي للأسمدة، فقد لا تتمكن البحيرة من التعافي. إن النافذة المتاحة لمنع هذا الضرر غير القابل للإصلاح بدأت تغلق. ومن خلال فهم اللحظة الدقيقة التي تجاوزت فيها البحيرة نقطة التحول، يأمل العلماء في تقديم مخطط لحماية هذه الأنظمة البيئية الهشة. إن قصة بحيرة "إستانيا" هي تذكير واضح بأنه عندما يعمل تغير المناخ والنشاط البشري معاً، يمكنهما دفع الأنظمة الطبيعية إلى مناطق جديدة وخطيرة، مما يغير الطبيعة الجوهرية للمياه التي نعتمد عليها.