Πώς οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν τροποποιήσει την παροχή αζώτου και φωσφόρου στους παγκόσμιους ποταμούς
Το άζωτο (N) και ο φώσφορος (P) είναι και τα δύο απαραίτητα θρεπτικά συστατικά, απαραίτητα για την επιβίωση και την ανάπτυξη των ζωντανών ειδών. Είναι φυσικά παρόντα στο περιβάλλον και είναι γενικά διαθέσιμα σε μικρές ποσότητες σε μη διαταραγμένα υδάτινα συστήματα.
Ωστόσο, κατά τους περασμένους αιώνες, οι άνθρωποι έχουν συλλάβει όλο και περισσότερο Ν από την ατμόσφαιρα (μέσω της βιομηχανικής διαδικασίας Haber-Bosch) και εξόρυξαν P από τοπικούς σχηματισμούς βράχων, κυρίως για τη γονιμοποίηση αναπτυσσόμενων καλλιεργήσιμων εκτάσεων για να τροφοδοτήσουν έναν αναπτυσσόμενο παγκόσμιο πληθυσμό. Μεγάλες ποσότητες αυτών των θρεπτικών ουσιών καταλήγουν στα επιφανειακά γλυκά νερά, κυρίως λόγω της έκπλυσης ή της διάβρωσης σε γεωργικές εκτάσεις, και στα λύματα λυμάτων από τα νοικοκυριά. Ο προκύπτων υπερβολικός εμπλουτισμός θρεπτικών συστατικών αυτών των συστημάτων μπορεί να οδηγήσει σε μια σειρά από οικολογικές καταστροφές, όπως ο πολλαπλασιασμός των επιβλαβών φυκών ή η εξάντληση του οξυγόνου στη στήλη του νερού, προκαλώντας δυνητικά τεράστιους θανάτους ψαριών. Αυτά μπορεί να έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές και οικονομικές επιπτώσεις.
Ο μετριασμός τέτοιων κινδύνων αποτελεί κύριο επίκεντρο της περιβαλλοντικής έρευνας και πολιτικής τις τελευταίες δεκαετίες. Απαιτεί μια ενδελεχή κατανόηση του πώς αλληλεπιδρούν οι ανθρώπινες δραστηριότητες, το κλίμα και τα οικοσυστήματα. Η κατανόησή μας για αυτές τις αλληλεπιδράσεις μεταφράζεται σε μοντέλα για την πρόβλεψη της επίδρασης των μελλοντικών περιβαλλοντικών στρατηγικών και τη βοήθεια στο σχεδιασμό πολιτικής. Χρησιμοποιώντας τέτοια μοντέλα σε μια πρόσφατη μελέτη(1), οι ερευνητές αξιολόγησαν την παροχή N και P στα παγκόσμια επιφανειακά γλυκά νερά τόσο από φυσικές όσο και από ανθρώπινες πηγές. Έδειξαν ότι οι εισροές N και P έχουν σχεδόν διπλασιαστεί κατά τον 20ό αιώνα, φτάνοντας περίπου το ήμισυ της παγκόσμιας παραγωγής μέσω της διαδικασίας Haber-Bosch και της παγκόσμιας εξόρυξης P από ορυχεία έως το έτος 2000, αντίστοιχα.
Ωστόσο, οι οικολογικοί κίνδυνοι δεν εξαρτώνται μόνο από την ποσότητα των θρεπτικών ουσιών που φθάνουν στα υδάτινα συστήματα, αλλά και από τη μορφή τους και τη σύμπτωση της εκπομπής τους με ευνοϊκές κλιματικές συνθήκες. Οι διαλυμένες ανόργανες μορφές θρεπτικών συστατικών (σημειώνεται DIN και DIP για N και P, αντίστοιχα) είναι οι πιο εύκολα χρησιμοποιήσιμες για την ανάπτυξη φυκιών. Οι μορφές θρεπτικών συστατικών εξαρτώνται από την προέλευσή τους. Στην παρούσα μελέτη, ορίζουμε, με βάση μια εκτεταμένη ανασκόπηση προηγούμενων μελετών, τις μορφές του Ν και του P από κύριες πηγές θρεπτικών συστατικών (ατμοσφαιρική εναπόθεση, υδατοκαλλιέργεια, λύματα, απορροές από γεωργικές εκτάσεις, απώλεια εδάφους, υπόγεια ύδατα και απομεινάρια βλάστησης σε πλημμυρικές πεδιάδες). Συνδυάζοντάς το με τα αποτελέσματα της προαναφερθείσας μελέτης και τα αποτελέσματα από ένα μοντέλο ροής νερού, αξιολογήσαμε τη μηνιαία παράδοσή τους σε παγκόσμια επιφανειακά γλυκά νερά κατά τον 20ό αιώνα.
Το 1900, τα φορτία N και P σε παγκόσμιους ποταμούς προέρχονταν κυρίως από φυσικές πηγές (74% για το N και 62% των εισροών P), όπως η αποσύνθεση βλάστησης σε πλημμυρικές πεδιάδες ή υπόγεια ύδατα. Ήταν υψηλότερα σε τροπικές περιοχές, όπως οι λεκάνες απορροής του Αμαζονίου και του Κονγκό, και μεγάλες αναλογίες ήταν σε οργανική μορφή (70% για το Β και 44% για το P). Οι φυσικές πηγές παρέμειναν κυρίαρχες στον Αμαζόνιο και την τροπική Αφρική καθ' όλη τη διάρκεια του 20ού αιώνα. Ωστόσο, η συνεισφορά τους μειώθηκε στο ένα τρίτο περίπου της συνολικής παράδοσης N και P το έτος 2000.
Επί του παρόντος, οι γεωργικές δραστηριότητες κυριαρχούν στις εκπομπές N και P σε όλες τις ηπείρους, ειδικά σε περιοχές εντατικής γεωργίας (ΗΠΑ, Ευρώπη, Αυστραλία, Κίνα, Ινδία, Νότια Αφρική και Νότια Βραζιλία). Για το Ν, αυτό οδηγεί σε αυξημένη έκπλυση του λιπάσματος-DIN. Το μεγαλύτερο ποσοστό αυτού του DIN που προέρχεται από τη γεωργία ταξιδεύει μέσω του εδάφους και των υπόγειων υδάτων πριν φτάσει στα επιφανειακά γλυκά νερά. Η απώλεια εδάφους από γεωργικές εκτάσεις είναι η κύρια παγκόσμια πηγή P, που οδηγεί σε υψηλά φορτία ανόργανου P που συνδέονται με σωματίδια. Η συνεισφορά του στη συνολική παροχή P στα παγκόσμια επιφανειακά γλυκά νερά έχει αυξηθεί από 40 σε 50% μεταξύ 1900 και 2000. Επιπλέον, λόγω του αυξανόμενου παγκόσμιου πληθυσμού και της αστικοποίησης, η συμβολή των εκπομπών λυμάτων πλούσιων σε DIN και DIP στις εισροές θρεπτικών ουσιών στους παγκόσμιους ποταμούς έχει αυξηθεί από 4-5% σε 12%.
Οι παγκόσμιες αλλαγές στις ανθρώπινες δραστηριότητες όχι μόνο έχουν εντείνει τις εισροές θρεπτικών ουσιών στα επιφανειακά γλυκά νερά και έχουν τροποποιήσει τη μορφή τους, αλλά έχουν επίσης αλλάξει τη χωρική κατανομή και την εποχιακή μεταβλητότητα της παροχής θρεπτικών ουσιών. Για παράδειγμα, σε περιοχές υψηλής γεωργικής επέκτασης, όπως η Βραζιλία και η Αυστραλία, το ποσοστό του DIN που προέρχεται από την απορροή σε γονιμοποιημένα εδάφη, μια πηγή εξαιρετικά εποχιακά μεταβλητή, έχει αυξηθεί. Στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη, η παράδοση DIP στα ποτάμια έχει γίνει λιγότερο μεταβλητή κατά τη διάρκεια των εποχών, λόγω της αυξημένης συμβολής των εισροών λυμάτων από τα νοικοκυριά. Αυτές οι εισροές εξαρτώνται κυρίως από την ημερήσια κατανάλωση και επομένως είναι πιο σταθερές κατά τη διάρκεια του έτους.
Κατά τον 20ό αιώνα, ο παγκόσμιος πληθυσμός έχει αυξηθεί περισσότερο από 3 φορές και συγκεντρώθηκε σε αστικές περιοχές. Οι εκπομπές λυμάτων αποτελούν πλέον την κυρίαρχη πηγή θρεπτικών συστατικών τοπικά, σε πολλές πυκνοκατοικημένες περιοχές σε όλες τις ηπείρους (π.χ. , κατά μήκος των ακτών των ΗΠΑ, στην Ευρώπη, τη Μέση Ανατολή ή τη Νοτιοανατολική Κίνα), ασκώντας μια σχεδόν σταθερή πίεση στα τοπικά οικοσυστήματα του γλυκού νερού. Ακόμη και σε μέρη όπου τα λύματα δεν αποτελούν την κύρια πηγή θρεπτικών συστατικών σε ετήσια βάση, μπορεί να κυριαρχήσουν σε περιόδους χαμηλής απορροής, όταν άλλες πηγές είναι χαμηλότερες. Για παράδειγμα, το 2000, τα λύματα αποτελούσαν την κύρια πηγή N και P για τουλάχιστον ένα μήνα πάνω από το ένα τρίτο της Δυτικής Ευρώπης και το ένα τέταρτο της Κεντρικής Ευρώπης.
Γενικά, κατά τον 20ό αιώνα, η εμφάνιση σημαντικών ανθρώπινων πηγών στα επιφανειακά γλυκά νερά, με αυξανόμενη επίδραση της γεωργίας και των αποβλήτων λυμάτων έναντι των φυσικών πηγών, οδήγησε σε αύξηση της αναλογίας των ανόργανων μορφών N και P, πιο πιθανό για την προώθηση της υπερβολικής ανάπτυξης φυκιών και των επακόλουθων καταστροφικών συνεπειών. Η έκπλυση του DIN μέσω γεωργικών εδαφών και υπόγειων υδάτων μπορεί να ταξιδέψει για χρόνια ή δεκαετίες πριν φτάσει στα επιφανειακά γλυκά νερά, καλύπτοντας προσωρινά την επίδραση των μέτρων προστασίας της ποιότητας των επιφανειακών υδάτων. Ομοίως, το αυξανόμενο ανόργανο P που είναι συνδεδεμένο με σωματίδια και διαβρώνεται από γονιμοποιημένα χωράφια μπορεί να συσσωρευτεί με την καθίζηση σε ιζήματα κλίνης, πιθανότατα σε περιοχές με αργή ροή, όπως λίμνες ή κατακρατήσεις. Αυτό το συσσωρευμένο P μπορεί αργότερα να απελευθερωθεί, αποτελώντας έτσι μια μακροπρόθεσμη πηγή για τα επιφανειακά γλυκά νερά.
Αυτή η εργασία είναι σημαντική για μελλοντικές μελέτες μεγάλης κλίμακας σχετικά με τις μεταφορές θρεπτικών ουσιών σε επιφανειακά γλυκά νερά. Δείχνουμε ότι οι εκτιμήσεις φόρτωσης N και P θα μπορούσαν να βελτιωθούν περαιτέρω βελτιώνοντας τον τρέχοντα χαρακτηρισμό των υπόγειων υδάτων και βελτιώνοντας τις χωρικές πληροφορίες σχετικά με τις μεθόδους λίπανσης των καλλιεργειών. Απαιτείται μελλοντική έρευνα σχετικά με τις διεργασίες εντός ροής σε παγκόσμια κλίμακα, συμπεριλαμβανομένης της συσσώρευσης θρεπτικών ουσιών, της απελευθέρωσης από τα ιζήματα και της πρόσληψης για την ανάπτυξη των φυκών. Αυτό θα επιτρέψει τον εντοπισμό χωρικών και χρονικών εστιών οικολογικών κινδύνων, με συμπίπτουσες περιόδους υψηλής φόρτωσης θρεπτικών ουσιών και κατάλληλες κλιματικές συνθήκες για βιολογική δραστηριότητα που μπορεί να οδηγήσει σε βραχυπρόθεσμα συμβάντα υποβάθμισης της ποιότητας του νερού. Στο πλαίσιο ενός αυξανόμενου πληθυσμού και των αυξανόμενων αναγκών σε τρόφιμα και νερό, μια τέτοια έρευνα είναι ζωτικής σημασίας για τον εντοπισμό αποτελεσματικών στρατηγικών μεγάλης κλίμακας για τον βιώσιμο συντονισμό της χρήσης θρεπτικών ουσιών και νερού χωρίς να τίθεται σε κίνδυνο η υγεία των οικοσυστημάτων.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Forms and subannual variability of nitrogen and phosphorus loading to global river networks κατά τον 20ο αιώνα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Global and Planetary Change (τόμος 163, 2018). Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Lauriane Vilmin, José M. Mogollón, Arthur H. W. Beusen και Alexander F. Bouwman από το Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης.
Αναφορά
- Beusen, A.H.W, Bouwman, A.F., Van Beek, L.P.H., Mogollón, J.M., and Middelburg, J.J (2016). Η παγκόσμια μεταφορά ποταμών Ν και Ρ στον ωκεανό αυξήθηκε κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα παρά την αυξημένη κατακράτηση κατά μήκος του υδάτινου συνεχούς. Βιογεωεπιστήμες , 13, σελ. 2441-2451.
