Linking groundwater recharge processes and nitrogen dynamics on a small Mediterranean island: A conceptual framework from Kythera Island (Greece)

Resumen Técnico: Vinculación de los Procesos de Recarga de Aguas Subterráneas y la Dinámica del Nitrógeno en una Pequeña Isla Mediterránea

Planteamiento del Problema
Las islas mediterráneas enfrentan un estrés hídrico significativo debido a la estacionalidad hidroclimática, la capacidad de almacenamiento limitada y una fuerte dependencia de las aguas subterráneas. En entornos semiáridos como Kythera, Grecia, el agua superficial es a menudo efímera, lo que aumenta la vulnerabilidad tanto a la depletación cuantitativa como a la degradación cualitativa. Una amenaza principal para la calidad del agua en estas regiones es la contaminación por nitratos ($NO_3^-$), impulsada por las actividades agrícolas y una gestión insuficiente de las aguas residuales. Sin embargo, evaluar estos sistemas es un desafío en entornos con escasez de datos, donde el monitoreo convencional suele fallar al resolver las complejas interacciones entre la dinámica de recarga, las vías de flujo y los procesos de transformación del nitrógeno.

Metodología
Este estudio empleó un marco integrado de multiproxy para investigar la recarga de aguas subterráneas y el ciclo del nitrógeno en la isla de Kythera. El enfoque combinó:

• Análisis Hidroquímico: Medición de parámetros fisicoquímicos (pH, temperatura, conductividad eléctrica, oxígeno disuelto) y concentraciones de nutrientes ($NO_3^-$, $NH_4^+$) en 18 sitios (15 de aguas subterráneas, 3 de aguas superficiales) durante tres campañas en 2024.
• Trazado de Isótopos Estables:
  • Isótopos del Agua ($\delta^{18}O$ y $\delta^2H$): Utilizados para determinar los orígenes de la recarga, los efectos de la evaporación y las altitudes de recarga.
  • Isótopos del Nitrato ($\delta^{15}N$ y $\delta^{18}O$ de $NO_3^-$): Utilizados para diferenciar las fuentes de nitrógeno (p. ej., fertilizantes sintéticos, nitrógeno orgánico del suelo, estiércol/aguas residuales) y evaluar las vías de transformación (nitrificación, desnitrificación).
• Modelado del Balance Hídrico: Se calculó un balance hídrico anual simplificado para la isla utilizando datos de precipitación a largo plazo (1994–2004, 2021–2024) y el año de muestreo (2024). Esto estimó la infiltración, la escorrentía y la evapotranspiración, utilizando coeficientes de infiltración para unidades hidro-litológicas específicas.
• Análisis Estadístico: Se evaluaron las correlaciones entre las firmas isotópicas, las concentraciones de nutrientes y las variables ambientales para identificar los procesos dominantes.

Resultos Clave

• Dinámica de la Recarga: La recarga de las aguas subterráneas es predominantemente de origen meteórico, influenciada por la humedad de origen mediterráneo (indicado por altos valores de d-excess). La recarga ocurre principalmente en la parte central montañosa de la isla (300–400 m s.n.m.) dentro de formaciones carbonatadas fracturadas, que representan casi el 25% del presupuesto hídrico. Los sistemas de aguas subterráneas exhiben una variabilidad isotópica temporal limitada, lo que sugiere que están amortiguados contra las fluctuaciones estacionales a corto plazo.
• Agua Superficial: Los flujos superficiales son mayoritariamente efímeros, lo que refuerza la dependencia de la isla de las aguas subterráneas.
• Fuentes y Concentraciones de Nitrógeno: Las concentraciones de nitrato fueron generalmente bajas (<1.0 mg/L), lo que indica una contaminación general limitada. Las firmas isotópicas ($\delta^{15}N$ y $\delta^{18}O$) revelaron que la fuente primaria de nitrato es la nitrificación del nitrógeno orgánico del suelo. Sin embargo, se identificaron contribuciones localizadas de aguas residuales sépticas, estiércol y fertilizantes sintéticos en sitios específicos (p. ej., Livadi y Markezaki).
• Transformaciones del Nitrógeno: Los datos indican que la nitrificación es el proceso dominante. Si bien cierto enriquecimiento isotópico y bajo oxígeno disuelto en sitios específicos sugieren desnitrificación localizada o nitrificación incompleta, la desnitrificación no es un proceso dominante a la escala de la isla debido a los niveles generalmente altos de oxígeno disuelto.

Marco Conceptual y Contribuciones
El estudio desarrolló un modelo conceptual integrado que describe el funcionamiento del sistema de aguas subterráneas de Kythera. El modelo postula que:

1. La Topografía y la Geología Controlan la Recarga: Las formaciones carbonatadas de tierras altas actúan como las principales zonas de recarga, mientras que las discontinuidades estructurales crean unidades acuíferas parcialmente aisladas.
2. Capacidad de Amortiguación: El sistema acuífero amortigua las fluctuaciones estacionales de la recarga, manteniendo firmas isotópicas relativamente estables.
3. Dinámica del Nitrógeno: El ciclo del nitrógeno es impulsado principalmente por la nitrificación orgánica del suelo, con las entradas antropogénicas (aguas residuales, estiércol) permaneciendo espacialmente restringidas y sin causar una contaminación generalizada.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este enfoque integrado proporciona un método robusto para comprender los sistemas hídricos en islas mediterráneas con escasez de datos y entornos semiáridos. Los hallazgos ofrecen información útil para la gestión sostenible de los recursos hídricos en entornos insulares similares, destacando que:

• Las aguas subterráneas siguen siendo el principal recurso de agua dulce debido a la naturaleza efímera del agua superficial.
• Las zonas de recarga de tierras altas son críticas para sostener los recursos hídricos de las islas.
• A pesar de las presiones antropogénicas, los niveles actuales de contaminación por nitrógeno son bajos, aunque existen riesgos localizados de fuentes puntuales.
• El modelo conceptual desarrollado para Kythera se alinea con patrones observados en otras islas mediterráneas (p. ej., Creta, Chipre, Samotráquia), lo que sugiere dinámicas hidrogeológicas y de nitrógeno compartidas en toda la región.

El artículo concluye que estos conocimientos son esenciales para la gestión sostenible de los recursos hídricos y la evaluación de las vías de contaminación en ecosistemas insulares vulnerables.