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

Water in een rivier is zelden alleen maar regenwater dat van het land afstroomt. Zelfs wanneer de lucht helder is, blijft er vaak een gestage stroom doorstromen, gevoed door water dat diep in de grond is getrokken en langzaam weer naar de oppervlakte sijpelt. Deze verborgen stroom, bekend als basisafvoer, werkt als een langzame, gestage hartslag voor een stroomgebied, waarbij opgeloste materialen uit de bodem in de rivier worden gevoerd, lang nadat een storm is gepasseerd. Decennialang hebben wetenschappers en beleidsmakers hun aandacht gericht op het zichtbare, snel bewegende water dat tijdens hevige regenval heuvels afdaalt, in de veronderstelling dat deze oppervlakkige afstroming de hoofdschuldige is achter de vervuiling van meren en stromen. Ze hebben jarenlang geprobeerd om te voorkomen dat meststoffen en dierlijke uitwerpselen wegspoelen tijdens deze stormgebeurtenissen. Echter, deze focus op de oppervlakte heeft een cruciale vraag onbeantwoord gelaten: hoeveel vervuiling reist er stilletjes ondergronds, verborgen voor het oog, en sijpelt er langzaam onze waterwegen in?

In het noorden van de provincie Yunnan, China, kampt een groot zoetwatermeer genaamd Erhai-meer al jaren met problemen wat betreft de waterkwaliteit. Het meer wordt omringd door intensieve landbouw, waar gewassen en veeteelt de belangrijkste bron van inkomen zijn. Hoewel het omliggende land een belangrijke bron is van nutriënten zoals stikstof en fosfor, die schadelijke algenbloei kunnen veroorzaken, begrijpen onderzoekers nog niet volledig hoe deze nutriënten het meer bereiken. Een team van wetenschappers besloot de Miju-rivier te onderzoeken, de grootste rivier die in het Erhai-meer stroomt, om te zien of deze verborgen ondergrondse stroom een grotere rol speelt bij de vervuiling dan men voor mogelijk hield. Ze wilden weten of het gestage, langzaam bewegende water een onevenredig grote hoeveelheid nutriënten vervoert in vergelijking met het snelle, door stormen gedreven water, en welke factoren deze beweging aansturen.

Om deze vragen te beantwoorden, verzamelden de onderzoekers tien jaar aan gegevens, van zig 2015 tot 2024, waarbij ze de dagelijkse doorstroming van de rivier en de maandelijkse niveaus van nutriënten in het water volgden. Ze werden geconfronteerd met een uitdaging omdat ze het water dat ondergronds beweegt niet direct konden meten. In plaats daarvan gebruikten ze een wiskundig instrument om de totale stroom van de rivier in twee delen te splitsen: het snelle, door stormen gedreven water en de langzame, gestage basisafvoer. Na het testen van verschillende methoden om de nauwkeurigheid te waarborgen, kozen ze de meest betrouwbare methode om de basisafvoer te isoleren. Vervolgens gebruikten ze een statistisch model om te schatten hoeveel stikstof en fosfor met die basisafvoer meebeweegt, waarbij ze zorgvuldig de bijdrage van waterzuiveringsinstallaties aftrokken om zich uitsluitend te richten op het landbouwafval.

De resultaten onthulden een verrassende onbalans. Hoewel de gestage ondergrondse stroom slechts ongeveer 41 procent van het totale water vormde dat door de rivier bewoog, was deze verantwoordelijk voor het vervoeren van bijna 44 procent van de totale stikstof en een opvallende 56 procent van de totale fosfor. Dit betekent dat het langzame, verborgen water meer dan de helft van de fosforvervuiling aanlevert, zelfs terwijl het minder water in totaal verplaatst. Deze bevinding daagt de algemene opvatting uit dat fosfor voornamelijk meereist terwijl het aan bodemdeeltjes gebonden is tijdens hevige regenval. De onderzoekers suggereren dat in deze specifieke omgeving het ondergrondse water de fosfor oplost en het mee naar boven voert op een manier die zeer vergelijkbaar is met stikstof, wat van nature opgelost is.

Om te begrijpen wat deze nutriëntenbelastingen aanstuurt, gebruikte het team een geavanceerd computermodel om de belangrijkheid van diverse factoren te rangschikken, zoals neerslag, temperatuur, luchtvochtigheid en de hoeveelheid water die in de rivier stroomt. Ze ontdekten dat de krachtigste drijfveer simpelweg de totale hoeveelheid water was die in de rivier stroomde, wat fungeert als de fysieke drager voor de nutriënten. De volgende belangrijkste factoren waren gerelateerd aan hoe droog of nat de bodem in de voorgaande dagen was geweest. Een maatstaf voor het aantal dagen dat er geen regen was gevallen, en een berekening van het totale watertekort over de afgelopen week, waren de cruciale schakelaars die bepaalden hoeveel nutriënten beschikbaar waren om naar het grondwater te spoelen. Verrassend genoeg waren de specifieke weersomstandigheden van de dag, zoals de exacte temperatuur of de hoeveelheid regen die op dat moment viel, veel minder belangrijk dan deze langetermijnpatronen van nat en droog.

Misschien wel de meest significante ontdekking was dat de factoren die stikstof en fosfor aansturen, bijna identiek waren. In veel andere omgevingen gedragen deze twee nutriënten zich heel verschillend, waarbij stikstof gemakkelijk in water beweegt en fosfor aan de bodem blijft plakken. Maar in de basisafvoer van dit landbouwstroomgebied kwamen hun paden samen. De gestage ondergrondse stroom leek de fosfor op te lossen, waardoor deze in hetzelfde tempo als de stikstof meereisde. Dit suggereert dat de traditionele visie om deze twee verontreinigende stoffen als aparte problemen met verschillende oorzaken te behandelen, wellicht onjuist is voor dit type omgeving. In plaats daarvan wordt de beweging van beide nutriënten beheerst door hetzelfde hydrologische ritme: de totale waterstroom, de geschiedenis van droge perioden en de accumulatie van vocht in de bodem.

De studie concludeert dat het beheer van de waterkwaliteit in dergelijke landbouwgebieden vereist dat men verder kijkt dan de oppervlakte. Als het doel is om meren zoals het Erhai-meer te beschermen, moeten strategieën zich richten op de langzame, gestage infiltratie van nutriënten vanuit de grond, en niet alleen op de plotselinge overstromingen die de bodem wegspoelen. De onderzoekers vonden dat eenvoudige, meetbare indicatoren, zoals het tellen van opeenvolgende droge dagen en het volgen van het totale watertekort, als vroege waarschuwingssignalen kunnen dienen voor wanneer het risico op nutriëntenvervuiling hoog is. Door te begrijpen dat de verborgen stroom een belangrijke bijdrage levert aan de vervuiling, en dat stikstof en fosfor samen bewegen via deze verborgen route, kunnen waterbeheerders effectievere, verenigde strategieën ontwikkelen om deze vitale zoetwaterbronnen te beschermen.