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

Meren zijn niet louter statische waterplassen; het zijn dynamische systemen die ademen, mengen en veranderen als reactie op de lucht boven hen en het land om hen heen. In veel delen van de wereld, met name in regio's met hete, droge zomers en natte winters, zijn deze waterlichamen uiterst gevoelig voor verschuivingen in het klimaat en menselijke activiteiten. Wetenschappers die de geschiedenis van meren bestuderen, bekend als paleolimnologen, kijken naar de lagen modder op de bodem om een verslag van het verleden te lezen. Ze monitoren ook het water in realtime om te zien hoe het reageert op het huidige weer. Een kernconcept in dit vakgebied is het "kantelpunt", een moment waarop een kleine verandering in omstandigheden een systeem in een volledig nieuwe staat duwt waar het niet gemakkelijk naar terug kan keren. Een meer kan bijvoorbeeld plotseling stoppen met het mengen van de bovenste en onderste lagen, waardoor het diepe water in een permanente staat van laag zuurstofgehalte gevangen blijft. Begrijpen wanneer en waarom deze verschuivingen plaatsvinden, is essentieel, omdat de gezondheid van een meer de kwaliteit van het water bepaalt voor drinkwater, landbouw en het overleven van de wezens die erin leven.

In de Pyreneeën in het noordoosten van Spanje is een klein, ondiep meer genaamd Estanya een cruciale casestudy geworden voor deze veranderingen. Dit meer ligt in een bekken omgeven door gips en kalksteen, een geologische setting die de wateren van nature rijk maakt aan zouten en mineralen. Decennialang geloofden wetenschappers dat Estanya een "warm monomictisch" meer was, een technische term die betekent dat het in de zomer opwarmt, in lagen verdeelt (stratificeert), en dan tijdens de koude wintermaanden volledig van top tot bodem mengt. Deze jaarlijkse menging is essentieel omdat het zuurstof naar het diepe water brengt, waardoor het ecosysteem in leven blijft. Echter, een nieuwe studie die moderne monitoring combineert met oude sedimentrecords, heeft onthuld dat dit meer een belangrijke drempel heeft overschreden. Het is verschoven van een meer dat elk jaar mengt naar een meer dat permanent gelaagd is, waarbij de diepe wateren zijn afgesneden van het oppervlak en de zuurstof die ze nodig hebben.

Het verhaal van deze verandering begint bij een nauwkeurige blik op de afgelopen jaren. Tussen 2018 en 2023 plaatsten onderzoekers geautomatiseerde sensoren in het meer om de temperatuur van het water op verschillende dieptes elke uur te volgen. Ze verzamelden ook watermonsters om het zoutgehalte en chemische signaturen te meten. De gegevens vertelden een dramatisch verhaal. In 2018, na een periode van ernstige droogte, verdampde het oppervlakte water van het meer zwaar, waardoor het veel zouter en dichter werd. Toen de herfstregens eindelijk arriveerden, stortten ze vers, licht water op het oppervlak. In plaats van te zinken en te mengen, bleef dit verse water op het dichte, zoute diepe water drijven. De twee lagen weigerden te mengen. Tegen de volgende winter was het oppervlaktewater afgekoeld, maar het werd nooit koud genoeg om zwaar genoeg te worden om door de zoute laag eronder te zinken. Het diepe water, gevangen onderin, bleef geïsoleerd, warm en zonder zuurstof. Deze toestand, bekend als chemische meromixis, heeft sindsdien elk jaar voortgedurend bestaan, wat een permanente barrière heeft gecreëerd tussen het oppervlak en de diepte.

Om te begrijpen hoe dit gebeurde, groef het team in het verleden van het meer. Ze extraheerden een sedimentkern, een cilinder modder van ongeveer 41 centimeter lang, die een geschiedenis van het meer bevat die ongeveer 300 jaar teruggaat. Door de chemie van de modderlagen te analyseren, konden ze zien hoe het meer gedurende eeuwen heeft zich gedragen. Het verslag toonde aan dat het meer niet altijd zo was geweest. Rond het midden van de 19e eeuw, toen de wereld voortkwam uit een koelere periode bekend als de Kleine IJstijd, onderging het meer zijn eerste grote verschuiving. Het klimaat werd warmer en droger, wat leidde tot meer verdamping. Deze natuurlijke verandering duwde het meer naar een zoutere en meer beperkte staat, wat een natuurlijk kantelpunt markeerde waarbij het meer minder goed in staat was om volledig te mengen.

Echter, de meest recente en meest alarmerende verschuiving vond plaats na het jaar 2000. De sedimentlagen uit deze periode vertelden een ander verhaal, gedreven door menselijke handen. De modder toonde een scherpe toename van stikstof, een nutriënt die essentieel is voor plantengroei maar gevaarlijk in overmaat. De chemische signatuur van deze stikstof wees direct naar landbouwvoedingsstoffen en vee-afval van de boerderijen rondom het meer. Tegelijkertijd wezen de koolstofisotopen in het sediment op een enorme explosie van algengroei. Het meer was eutroof geworden, een conditie waarbij te veel voedingsstoffen ervoor zorgen dat planten en algen wild groeien. Wanneer deze organismen sterven, zinken ze naar de bodem en worden ze gegeten door bacteriën, een proces dat zuurstof verbruikt. Omdat het meer al gelaagd was en het diepe water was afgesneden van het oppervlak, creëerde dit zuurstofverbruik een permanente, zuurstofvrije zone onderin. De onderzoekers vonden dat dit niet slechts een natuurlijke fluctuatie was, maar een ongekende antropogene kanteling, waarbij intensieve landbouw gecombineerd met een veranderend klimaat het meer in een nieuwe, onstabiele staat had geduwd.

De studie keek ook naar zwavel, een ander element dat aanwezig is in het gipsgesteente van het meer. De chemische geschiedenis van zwavel in de modder toonde een duidelijke transitie. Eeuwenlang wezen de zwavelisotopen op een systeem dat mengde en zuurstof recyclede. Maar naarmate het meer zich bewoog naar de huidige staat, veranderde het zwavelrecord, wat een verschuiving reflecteerde naar een meer stagnante, evaporatieve omgeving. Dit chemische bewijs, gecombineerd met de temperatuurgegevens en de stikstofpieken, bevestigde dat het meer een lijn had overschreden. Het reageerde niet langer alleen op het weer; het was een nieuw regime binnengegaan waarin het diepe water permanent geïsoleerd was.

De implicaties van deze ontdekking reiken veel verder dan een enkel bergmeer. De onderzoekers stellen dat het meer Estanya een waarschuwingssignaal is voor andere karstmeren in de mediterrane regio. Dit zijn meren gevormd in kalksteen- of gipsgebieden, vaak ondiep en gevoelig voor verdamping. Als een langdurige droogte de zouten in het diepe water concentreert, en een daaropvolgende regen een verse laag creëert, kan het meer in deze gelaagde staat terechtkomen. Zodra dit gebeurt, wordt het diepe water een "tijdscapsule" van de vorige droogte, die hoge concentraties zout en giftige chemicaliën vasthoudt. Als het meer in deze staat blijft, kan het gebrek aan zuurstof leiden tot de vrijgave van giftige verbindingen uit het sediment, wat potentieel het hele ecosysteem kan schaden.

Het team benadrukt dat hoewel de eerste verschuiving in de 19e eeuw werd gedreven door natuurlijke klimaatveranderingen, de huidige situatie anders is. De combinatie van extreme weerpatronen en het zware gebruik van landbouwvoedingsstoffen heeft gezorgd voor een perfecte storm. Het meer bevindt zich nu in een toestand waarin het zeer productief is aan het oppervlak, maar dood is op de bodem. De onderzoekers suggereren dat zonder dringende veranderingen in hoe het omliggende land wordt beheerd, specifweg door de hoeveelheid meststofafvoer te verminderen, het meer mogelijk niet in staat zal zijn om te herstellen. Het venster om deze onomkeerbare schade te voorkomen sluit zich. Door het precieze moment te begrijpen waarop het meer zijn kantelpunt bereikte, hopen wetenschappers een blauwdruk te bieden voor de bescherming van deze kwetsbare ecosystemen. Het verhaal van het meer Estanya is een duidelijke herinnering aan hoe klimaatverandering en menselijke activiteit samenwerken om natuurlijke systemen in nieuwe en gevaarlijke territoria te duwen, waardoor de aard van het water waarop we vertrouwen, fundamenteel verandert.