La escorrentía agrícola rica en nitrógeno en la Bahía de Chesapeake presenta una preocupación ambiental y económica continua por la cuenca hidrográfica masiva de la bahía. La contaminación por la aplicación de fertilizantes alimenta las floraciones de algas que envenenan a los humanos y la vida marina, y devastan las pesquerías.
Si bien los esfuerzos para restaurar la bahía han tenido éxito durante los últimos años, un estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton muestra que los patrones climáticos vinculados al cambio climático pueden aumentar la gravedad de las floraciones de algas al cambiar la forma en que los nutrientes del suelo se filtran en la cuenca.
Los ciclos de lluvia extrema causados por una mayor variabilidad climática arrojan grandes cantidades de nutrientes que contienen nitrógeno de los fertilizantes y otras fuentes al río Susquehanna, que los lleva a la Bahía de Chesapeake, según un informe publicado en la revista Cartas de investigación geofísica . Además, un aumento en la precipitación puede aumentar los niveles de nitrógeno en la bahía, incluso si la cantidad de fertilizante utilizada en la tierra sigue siendo la misma.
Estas sustancias químicas alimentan el crecimiento explosivo de algas que pueden producir toxinas que dañan a las personas, los peces, la vida silvestre y el agua potable. Las algas en descomposición también absorben oxígeno del agua circundante, creando un estado bajo en oxígeno conocido como hipoxia que resulta en "zonas muertas" quesofocar peces y otras especies importantes para la cadena alimentaria acuática.
Los investigadores construyeron un modelo que dicen que proporciona la imagen más completa hasta la fecha de cómo se mueve el nitrógeno de un lugar a otro en la cuenca de la Bahía de Chesapeake. Conecta el clima y la contaminación en lugares tan lejanos como el norte del estado de Nueva York con las condiciones del agua enla bahía.
"El modelo simula el destino del nitrógeno desde la cuna hasta la tumba", dijo la coautora Elena Shevliakova, investigadora visitante en el Instituto Ambiental de Princeton que trabaja como científico físico en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica ubicado en PrincetonCampus Forrestal.
La primera autora, Minjin Lee, académica postdoctoral en el Programa de Estudios Atmosféricos y Oceánicos de la Universidad de Princeton, decidió investigar cómo las variaciones en la lluvia, amplificadas por el cambio climático, afectaron los niveles de nitrógeno del río después de que ella creó simulaciones de flujo de nitrógeno en la Bahía de Chesapeakecuenca hidrográfica y buscó factores que afectan la escorrentía de nitrógeno.
"Mientras ejecutaba el modelo, descubrí que había una gran variabilidad anual en la precipitación, lo que tiene implicaciones para la cantidad de nitrógeno que fue arrastrada al río", dijo Lee. "Incluso si los agricultores están utilizando exactamente ella misma cantidad de fertilizante cada año, dependiendo del clima, algunos años pueden ingresar más nitrógeno al río "
Lee desarrolló el modelo durante sus estudios de posgrado con Peter Jaffe, profesor de ingeniería civil y ambiental de Princeton. Lee y Jaffe trabajaron con investigadores del GFDL y el Servicio Geológico de los Estados Unidos USGS para construir su modelo a partir de modelos anteriores de agua, geologíay bioquímica llamada Earth Systems Models. Estos modelos de Earth Systems han sido construidos a lo largo de los años por docenas de investigadores de GFDL, incluidos Shevliakova y los coautores Sergey Malyshev, especialista profesional en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de Princeton, y Chris Milly, uninvestigador de hidrología en USGS y afiliado de investigación en GFDL.
Estos modelos combinan la física y la bioquímica para simular cómo los químicos ecológicamente importantes fluyen a través de los organismos, el suelo, el agua y la atmósfera. Algunos predicen cómo los químicos como el nitrógeno y el fósforo de los fertilizantes se moverán entre los fertilizantes, las plantas y el suelo. Otros proyectan cómo esos químicosfluirá a través de los ríos, y será consumido y excretado por plantas y animales en el camino, hasta llegar al océano.
La decisión de observar la variabilidad de la precipitación surgió de la comprensión de que la lluvia es uno de los factores más importantes que influyen en la cantidad de escorrentía de fertilizantes nitrogenados, dijo Jaffe.
"Cuando las personas hablan sobre el cambio climático, piensan en un aumento de la temperatura promedio de medio grado", dijo. "Pero no es el aumento de la temperatura lo que afecta directamente la escorrentía de nitrógeno. Con el cambio climático global, hay cambios más grandes entre secoy condiciones húmedas. Y estos cambios tienen un gran impacto en el flujo de nitrógeno ".
Los investigadores analizaron el efecto de los períodos húmedos y secos al mezclar y combinar datos meteorológicos del siglo XX para emular posibles extremos climáticos futuros. Simularon nueve escenarios climáticos basados en períodos históricos de años inusualmente secos o húmedos: cuatro períodos secos conduraciones de uno a cuatro años utilizando datos de la década de 1960, cuatro períodos húmedos de la misma longitud utilizando datos de la década de 1970 y un año de precipitación normal en 1954. Siguieron cada uno de los nueve escenarios húmedos o secos con el clima de cada una de las61 años desde 1948 hasta 2008, creando varios cientos de experimentos en total.
Los investigadores descubrieron que la cantidad de lluvia en los años anteriores a un año dado puede tener tanto efecto sobre la escorrentía de nitrógeno como el clima en ese año. Aunque los investigadores han sabido que una estación particularmente lluviosa puede extraer más nitrógeno del sueloy conducir a la floración de algas, no se esperaba el papel que juegan años inusualmente secos
El modelo de Lee mostró que debido a que el nitrógeno se acumula en el suelo durante los años secos, incluso un año promedio después de un período seco podría conducir a una escorrentía lo suficientemente alta como para causar floraciones de algas. Los períodos secos de uno a tres años aumentan la probabilidad de que ingrese suficiente nitrógenola bahía causará una gran zona muerta, un umbral de aproximadamente 56,000 toneladas de nitrógeno por año, en un 40 a 65 por ciento.
La investigación es solo un ejemplo de cómo los efectos del cambio climático van más allá de un aumento de la temperatura, dijo Amilcare Porporato, profesor de ingeniería civil y ambiental de la Universidad de Duke que está familiarizado con la investigación pero no participó en el estudio.
"Muestra cómo el cambio climático a menudo produce las consecuencias más dramáticas cuando las alteraciones involucran lluvia y el ciclo hidrológico", dijo. "El aumento de las temperaturas es solo la punta del iceberg, por así decirlo".
"Esto resalta la necesidad de diferentes estrategias de manejo", dijo Shevliakova. Las floraciones de algas pueden prevenirse disminuyendo el uso de fertilizantes, pero usar la misma cantidad baja de fertilizantes cada año podría tener un impacto sutil y variable en las floraciones de algas en las aguas costeras dependiendosobre la cantidad de precipitación durante los últimos años.
Los autores del estudio vislumbran planes adaptativos de gestión de cuencas hidrográficas donde los modelos se combinan con datos del clima de los últimos años y las predicciones para el próximo año para comprender dónde y cuánto fertilizante se puede aplicar en la cuenca antes de que amenace la proliferación de algas.
"Es un equilibrio", dijo Jaffe. "Si le dice al agricultor que ponga menos nitrógeno, tal vez el rendimiento de su cosecha disminuya, pero luego el rendimiento de la ostra aumenta en la bahía".
Una estrategia ambiental de este tipo requeriría comprender otras fuentes de nitrógeno, como la contaminación del automóvil y las aguas residuales, y otros nutrientes, como el fósforo, que contribuyen a la proliferación de algas. El modelo de Lee ya representa todas las fuentes de nitrógeno, y fue desarrolladode una manera que le permita expandirse a un modelo a escala global que incluya otros químicos y patrones de uso de la tierra.
El artículo, "Variabilidad climática y extremos, interactuando con el almacenamiento de nitrógeno, amplifican el riesgo de eutrofización", se publicó el 16 de julio de 2016 en Cartas de investigación geofísica . El trabajo fue apoyado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica subvención NA08OAR4320752; el Instituto Nacional Coreano de Investigación Ambiental; el Instituto Ambiental de Princeton; y el Fondo de Investigación Mary and Randall Hack '69 de Princeton.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Bennett McIntosh. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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