Ученые из Мичиганского государственного университета показали, что ручьи могут быть ключевыми индикаторами здоровья ландшафта региона, но способ их мониторинга можно улучшить.
Новое исследование, представленное в Ecology Letters, демонстрирует, как ручьи можно использовать в качестве датчиков для диагностики чувствительности или устойчивости водораздела к изменениям в практике землепользования, включая долгосрочное использование удобрений. Использование ручьев в качестве датчиков - в частности, вблизи истоков - может позволить ученым, менеджерам по землепользованию и фермерам диагностировать, какие водоразделы могут быть более устойчиво использованы для производства продуктов питания, сказал Джей Зарнецке, ученый-землянин и эколог МГУ и соавтор исследования..
«Мы были удивлены, увидев, что ручьи являются хорошими датчиками долгосрочных условий содержания питательных веществ», - сказал он. «Наши методы показывают, что мы можем многому научиться из относительно небольшого количества проб, если они будут собраны более стратегически, чем того требует современная практика управления водосборными бассейнами. Это понимание имеет решающее значение для защиты водных экосистем и обеспечения водной безопасности человека».
Человеческая деятельность, особенно сельское хозяйство, загрязнила пресноводные экосистемы по всей планете, причинив огромный экологический и экономический ущерб. Избыток питательных веществ из удобрений и ископаемого топлива может спровоцировать цветение токсичных цианобактерий и обширные гипоксические мертвые зоны, подрывая способность экосистем обеспечивать пищу и воду, которые поддерживают человеческое общество, добавил Зарнецке..
В рамках исследования Бен Эбботт, ранее работавший в МГУ, а теперь работавший в Университете Бригама Янга, возглавил международную группу в культурно и исторически важном регионе Франции. Район, в котором почти тысячелетие ведется сельскохозяйственная деятельность, служит образцом того, как растущее использование азотных и фосфорных удобрений оказывает долговременное воздействие на водосборные бассейны.
«Манипулирование фосфором и азотом в ландшафте - одна из величайших угроз судьбе человечества и остальной жизни на этой планете», - сказал Зарнецке. «Большинство людей понятия не имеет, что человеческое манипулирование циклами фосфора и азота происходит, затрагивает почти все места на планете и представляет собой одну из, если не самую большую, текущую угрозу судьбе человечества».
Есть впечатляющие аэрофотоснимки цветения водорослей, растущих в устье ручьев, впадающих в водоемы, такие как озеро Эри. Однако большая часть углерода и питательных веществ попадает в водные пути вверх по течению, в верховьях. Таким образом, вместо того, чтобы пытаться диагностировать проблемы в устье, более эффективным способом решения проблемы было бы взятие проб на многих участках ближе к истокам.
«Вообще, вместо того, чтобы стоять в большом потоке вдали от истоков и наблюдать за тем, что течет мимо нас во времени, - сказал Зарнецке, - мы иллюстрируем, что может быть гораздо информативнее периодически путешествовать по региону и захватывать образцы от самых маленьких до самых больших ручьев в водоразделе."
Команда обнаружила, что химический состав каждого маленького ручья сильно колебался из-за изменений температуры, расхода воды и других факторов. Однако в изменчивости был порядок, поскольку существовала синхронность в поведении каждого маленького ручья и его роли в химическом составе более крупной речной системы.
"Это было неожиданно", - сказал Эбботт. «К нашему удивлению, мы обнаружили, что однократное взятие проб из истока в любое время года дает много информации о том, откуда поступают питательные вещества и на что направить усилия по восстановлению».
В будущих исследованиях эти методы будут применяться во всем мире, к различным сельскохозяйственным водосборным бассейнам и лесным ландшафтам, в которых наблюдается изменение характера осадков. Например, Зарнецке будет изучать верховья Тихоокеанского северо-запада и быстро нагревающиеся и оттаивающие ландшафты Арктики.
Новые методы также могут помочь направить усилия по выбору наиболее подходящих мест для устойчивых сельскохозяйственных угодий и развития или определить реакцию водоразделов на глобальное потепление, например, в Арктике.
Арктические ландшафты, где почвы преимущественно мерзлые, быстро оттаивают из-за стремительного потепления климата. По мере таяния арктических льдов и вечной мерзлоты отложения и питательные вещества попадают в реки и моря. Хотя последствия этих все более мутных вод и питательных веществ неизвестны, их новый подход может создать основу для начала мониторинга их воздействия.
Другие исследователи из Реннского университета и Университета Франсуа-Рабле Тура внесли ключевой вклад в это исследование.