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

Wasser in einem Fluss ist selten nur Regen, der vom Land abfließt. Selbst wenn der Himmel klar ist, fließt oft ein stetiger Strom weiter, gespeist durch Wasser, das tief in den Boden eingedrungen ist und langsam wieder an die Oberfläche zurückkehrt. Dieser verborgene Fluss, bekannt als Basisabfluss, wirkt wie ein langsamer, stetiger Herzschlag für ein Wassereinzugsgebiet und transportiert gelöste Stoffe aus dem Boden in den Fluss, lange nachdem ein Sturm vorbeigezogen ist. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger ihre Aufmerksamkeit auf das sichtbare, schnell fließende Wasser gelenkt, das bei starken Regenfällen die Hänge hinunterstürzt, in der Annahme, dass dieser Oberflächenabfluss der Hauptverursacher für die Verschmutzung von Seen und Bächen sei. Sie haben Jahre damit verbracht, zu versuchen, zu verhindern, dass Düngemittel und tierische Abfälle während dieser Sturmereignisse weggespült werden. Doch dieser Fokus auf die Oberfläche hat eine entscheidende Frage unbeantwortet gelassen: Wie viel Verschmutzung reist still und leise unter der Erde, verborgen vor den Augen, und sickert langsam in unsere Gewässer?

Im Norden der chinesischen Provinz Yunnan kämpft ein großer Süßwassersee namens Erhai-See seit Jahren mit Problemen der Wasserqualität. Der See ist von intensiver Landwirtschaft umgeben, in der der Anbau von Nutzpflanzen und die Viehhaltung die Haupteinkommensquellen darstellen. Obwohl das umliegende Land eine große Quelle für Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor ist, die schädliche Algenblüten verursachen können, haben Forscher bisher nicht vollständig verstanden, wie diese Nährstoffe den See erreichen. Ein Team von Wissenschaftlern unternahm eine Untersuchung des Miju-Flusses, des größten Flusses, der in den Erhai-See fließt, um zu sehen, ob dieser verborgene unterirdische Fluss eine größere Rolle bei der Verschmutzung spielt, als man vermuten könnte. Sie wollten wissen, ob das stetige, langsam fließende Wasser einen unverhältnismäßig hohen Anteil an Nährstoffen im Vergleich zum schnellen, sturmbedingten Wasser transportiert und welche Faktoren diese Bewegung antreiben.

Um diese Fragen zu beantworten, sammelten die Forscher zehn Jahre lang Daten von 2015 bis 2024, indem sie den täglichen Fluss des Flusses und die monatlichen Nährstoffwerte im Wasser verfolgten. Sie standen vor der Herausforderung, dass sie das unterirdisch fließende Wasser nicht direkt messen konnten. Stattdessen verwendeten sie ein mathematisches Werkzeug, um den Gesamtabfluss des Flusses in zwei Teile zu zerlegen: das schnelle, sturmbedingte Wasser und den langsamen, stetigen Basisabfluss. Nach dem Testen verschiedener Methoden zur Sicherstellung der Genauigkeit wählten sie die zuverlässigste Methode aus, um den Basisabfluss zu isolieren. Dann nutzten sie ein statistisches Modell, um abzuschätzen, wie viel Stickstoff und Phosphor mit diesem Basisabfluss transportiert werden, wobei sie den Beitrag der Kläranlagen sorgfältig abzogen, um sich ausschließlich auf den landwirtschaftlichen Abfluss zu konzentrieren.

Die Ergebnisse zeigten ein überraschendes Ungleichgewicht. Während der stetige unterirdische Fluss nur etwa 41 Prozent des gesamten Wassers ausmachte, das durch den Fluss floss, war er für den Transport von fast 44 Prozent des gesamten Stickstoffs und bemerkenswerte 56 Prozent des gesamten Phosphors verantwortlich. Das bedeutet, dass das langsame, verborgene Wasser mehr als die Hälfte der Phosphorverschmutzung liefert, obwohl es insgesamt weniger Wasser bewegt. Dieser Befund stellt die verbreitete Annahme infrage, dass Phosphor hauptsächlich während schwerer Regenfälle an Bodenpartikel gebunden transportiert wird. Die Forscher legen nahe, dass in dieser spezifischen Umgebung das unterirdische Wasser den Phosphor löst und ihn auf eine Weise mitführt, die ihn dem natürlich gelösten Stickstoff sehr ähnlich macht.

Um zu verstehen, was diese Nährstofffrachten antreibt, nutzte das Team ein hochentwickeltes Computermodell, um die Bedeutung verschiedener Faktoren wie Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und die Menge des Wassers, das in den Fluss fließt, zu bewerten. Sie fanden heraus, dass der stärkste Treiber schlicht die gesamte Wassermenge war, die durch den Fluss fließt, welche als physischer Träger für die Nährstoffe fungiert. Die nächstwichtigeren Faktoren hingen damit zusammen, wie trocken oder feucht der Boden in den vorangegangenen Tagen gewesen war. Ein Maß dafür, wie viele Tage seit dem letzten Regen vergangen waren, sowie eine Berechnung des gesamten Wasserdefizits der letzten Woche waren die entscheidenden Schalter, die bestimmten, wie viel Nährstoff für den Transport in das Grundwasser zur Verfügung stand. Überraschenderweise waren die spezifischen Wetterbedingungen des Tages, wie die exakte Temperatur oder die Menge des in diesem Moment fallenden Regens, weit weniger wichtig als diese längerfristigen Muster von Nass- und Trockenperioden.

Die vielleicht bedeutendste Entdeckung war, dass die Faktoren, die Stickstoff und Phosphor antreiben, fast identisch waren. In vielen anderen Umgebungen verhalten sich diese beiden Nährstoffe sehr unterschiedlich, wobei Stickstoff leicht in Wasser wandert und Phosphor an Boden haftet. Aber im Basisabfluss dieses landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebiets konvergierten ihre Wege. Der stetige unterirdische Fluss schien den Phosphor aufzulösen, sodass er im Gleichschritt mit dem Stickstoff reiste. Dies deutet darauf hin, dass die traditionelle Sichtweise, diese beiden Schadstoffe als getrennte Probleme mit unterschiedlichen Ursachen zu behandeln, für diese Art von Umgebung nicht korrekt sein könnte. Stattdessen wird die Bewegung beider Nährstoffe durch denselben hydrologischen Rhythmus gesteuert: den Gesamtwasserfluss, die Geschichte der Trockenperioden und die Akkumulation von Feuchtigkeit im Boden.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass das Management der Wasserqualität in solchen landwirtschaftlichen Regionen einen Blick über die Oberfläche hinaus erfordert. Wenn das Ziel darin besteht, Seen wie den Erhai-See zu schützen, müssen Strategien auch das langsame, stetige Versickern von Nährstoffen aus dem Boden berücksichtigen und nicht nur die Sturmfluten, die Boden wegspülen. Die Forscher fanden heraus, dass einfache, messbare Indikatoren, wie das Zählen aufeinanderfolgender Trockentage und das Verfolgen des gesamten Wasserdefizits, als Frühwarnsignale dienen können, wenn das Risiko einer Nährstoffverschmutzung hoch ist. Durch das Verständnis dessen, dass der verborgene Fluss ein Hauptverursacher der Verschmutzung ist und dass Stickstoff und Phosphor gemeinsam auf diesem verborgenen Pfad wandern, können Wasserverwalter effektivere, einheitliche Strategien entwickeln, um diese lebenswichtigen Süßwasserressourcen zu schützen.