Массовое применение удобрений в европейском сельском хозяйстве привело к росту нитратного загрязнения рек и озер. Новое исследование, результаты которого опубликованы в журнале «Сайенс», показало: скорость движения воды по территории влияет на риск накопления азота в водоемах так же сильно, как и объемы внесения подкормок. Сотрудники Лейбницкого института пресноводной экологии и внутреннего рыболовства совместно с коллегами из Центра исследований окружающей среды имени Гельмгольца проанализировали тысячи речных бассейнов Европы и выяснили, как изменение климата меняет баланс между вымыванием азота и его удержанием в почве.
Как скорость движения воды влияет на вымывание азота
Вода переносит азот из почвы в реки и грунтовые воды. Чем быстрее она движется, тем меньше времени у растений и микроорганизмов, чтобы поглотить лишние нутриенты, прежде чем те попадут в водоем. Этот процесс особенно заметен в горных регионах и на северо-западном побережье Европы, где потоки воды традиционно быстрые.
- Быстрое движение воды характерно для горных районов и северо-западного побережья Европы;
- Медленные потоки преобладают в низменных регионах;
- Скорость потока определяет время удержания азота в почве.
В низменностях вода течет медленно, поэтому растения и бактерии успевают переработать большую часть азота. Ранее ученые связывали загрязнение водоемов только с объемами вносимых удобрений, но новые данные, полученные под руководством доктора Сунцзюня Ву, доказали: скорость водного потока — такой же важный фактор, как и антропогенная нагрузка.
Понятие границ увлажненности и его роль
Исследователи ввели новое понятие — границы увлажненности. Это пороговые значения, в рамках которых экосистема успевает перерабатывать азот, не допуская его массового вымывания. Выход за эти границы в любую сторону повышает риск загрязнения. Умеренные изменения климата обычно не приводят к пересечению порогов, но экстремальные сдвиги — например, резкое ускорение водного цикла в дождливые периоды или сильная засуха — нарушают баланс.
«Границы увлажненности позволяют очертить безопасное пространство, устойчивое к гидрологическим изменениям, и помогают выявить районы с повышенным риском вымывания азота», — поясняет руководитель проекта, профессор Берлинского университета имени Гумбольдта Дёрте Тецлафф.
Резкое ускорение водного цикла в периоды сильных дождей буквально вымывает азот из почвы в реки, не оставляя времени на его переработку. Сильная засуха, напротив, подавляет рост растений и активность микроорганизмов: азот накапливается в почве, а затем разом попадает в водоемы при первом же сильном ливне.
Влияние климатических экстремумов на водный цикл с 1980-х
Команда исследователей разработала модель отслеживания потоков воды и азота с использованием стабильных изотопов воды. Она была применена к более чем 3800 речных бассейнов Европы, что позволило составить карту скоростей водного цикла и оценить изменения с 1980-х годов. Результаты подтвердили: масштаб климатических сдвигов напрямую определяет динамику азота.
- Умеренные колебания климата обычно снижают вымывание азота;
- Экстремальные ускорения водного цикла в дождливые периоды резко увеличивают сброс нутриентов в реки;
- Сильные засухи приводят к накоплению азота в почве и его пульсирующему вымыванию при ливнях.
Модель учитывала не только текущие показатели, но и прогнозы до конца XXI века. Исследователи сравнили два сценария: при низких и высоких выбросах парниковых газов.
Прогнозы до 2100 года для европейских регионов
При сценарии низких выбросов гидрологические изменения останутся в рамках границ увлажненности. Риск вымывания азота снизится более чем в 70% территории Европы. Это связано с ростом температур и удлинением вегетационного периода: растения дольше сохраняют активность, успевая поглощать больше азота, а микроорганизмы интенсивнее перерабатывают нутриенты.
Сценарий высоких выбросов дает иную картину. В Восточной и Южной Европе продолжит расти засушливость, что подавит активность растений и микроорганизмов. Азот будет накапливаться в почве, повышая риск массового загрязнения водоемов при экстремальных осадках.
«Эта тенденция к засушливости создает двойные риски для количества и качества воды, и может затронуть другие регионы, например, Центральную и Восточную Азию», — отмечает соавтор исследования, профессор Абердинского университета Крис Соулсби.
Меры по снижению рисков загрязнения водоемов
Чтобы избежать негативного развития событий, необходимо удерживать гидрологические изменения в рамках границ увлажненности. Сделать это можно двумя путями: бороться с климатическими экстремумами или расширять сами границы за счет снижения антропогенной нагрузки с азотом.
- Внедрение севооборота на сельскохозяйственных полях;
- Оптимизация внесения удобрений (отказ от избыточных доз);
- Модернизация систем очистки сточных вод.
Антропогенные поступления азота в экосистемы удвоились с доиндустриальной эпохи, в основном за счет использования синтетических и органических удобрений. Избыток нутриентов не только загрязняет питьевую воду, но и провоцирует эвтрофикацию водоемов, угрожая популяциям рыб и других обитателей.
Исследование показало, что борьба с нитратным загрязнением требует учета гидрологических особенностей каждого региона. Ограничение использования удобрений — лишь часть мер, нужно также отслеживать изменения климата и состояние водных циклов. Такой подход позволит сохранить качество питьевой воды и экосистемы рек для будущих поколений.
