Forskare vid Michigan State University har visat att vattendrag kan vara viktiga hälsoindikatorer för en regions landskap, men sättet de övervakas på kan förbättras.

Ny forskning presenteras i Ekologi bokstäver visar hur bäckar kan användas som sensorer för att diagnostisera en vattendelares känslighet eller motståndskraft mot förändringar i markanvändningsmetoder, inklusive långvarig användning av konstgödsel. Använda strömmar som sensorer - specifikt, nära källvatten - kan tillåta forskare, markanvändningsförvaltare och jordbrukare för att diagnostisera vilka vattendelar som kan utvecklas mer hållbart för livsmedelsproduktion, sa Jay Zarnetske, MSU jord- och miljövetare och medförfattare till studien.

"Vi blev förvånade över att se att strömmarna var bra sensorer för långsiktiga näringsförhållanden, ", sade han. "Våra metoder visar att vi kan lära oss mycket från ett relativt litet antal prover om de samlas in mer strategiskt än vad nuvarande vattendelareledningspraxis dikterar. Denna förståelse är avgörande för att skydda akvatiska ekosystem och säkerställa mänsklig vattensäkerhet."

Mänsklig aktivitet, särskilt jordbruk, har förorenat sötvattensekosystem över hela planeten, orsakar enorma ekologiska och ekonomiska skador. Överskott av näringsämnen från gödningsmedel och fossila bränslen kan utlösa giftiga cyanobakterieblomningar och expansiva hypoxiska döda zoner, underminera ekosystemens förmåga att tillhandahålla den mat och vatten som upprätthåller mänskliga samhällen, Zarnetske lade till.

För studien, Ben Abbott, tidigare vid MSU och nu vid Brigham Young University, ledde ett internationellt team i en kulturellt och historiskt viktig region i Frankrike. Området, som har sett nästan ett årtusende av jordbruksverksamhet, fungerar som en modell för hur den ökande användningen av kväve och fosforgödsel har bestående effekter på vattendelar.

"Manipulationen av fosfor och kväve i landskapet är ett av de största hoten mot mänsklighetens öde och resten av livet på denna planet, ", sa Zarnetske. "De flesta människor har ingen aning om att mänsklig manipulation av fosfor- och kvävekretsloppen sker, påverkar nästan varje plats på planeten och är en av, om inte den största, nuvarande hot mot mänsklighetens öde."

Det finns dramatiska flygfoton av algblomningar som växer vid mynningen av bäckar som rinner ut i vattendrag, som Lake Erie. Dock, de flesta kol och näringsämnen kommer in i vattendrag uppströms, vid källvatten. Så istället för att försöka diagnostisera problem i munnen, ett mer effektivt sätt att ta itu med problemet skulle vara att ta prov på många områden närmare källvatten.

"I grund och botten, istället för att stå i en stor bäck långt från källvatten och observera vad som rinner förbi oss genom tiden, "Zarnetske sa, "vi illustrerar att det kan vara mycket mer informativt att periodvis resa runt i regionen och ta prover från de minsta till de största bäckarna i vattendelaren."

Teamet fann att varje liten bäcks kemi fluktuerade kraftigt på grund av temperaturförändringar, vattenflöde och andra faktorer. Det var ordning på variationen, dock, eftersom det fanns synkronisering i beteendet för varje liten bäck och dess roll i kemin i det större flodsystemet.

"Det var oväntat, " sa Abbott. "Något överraskande, vi fann att ett enda prov av källvatten vilken tid på året som helst ger mycket information om var näringsämnen kommer ifrån och var man ska rikta in återställningsinsatser."

Framtida forskning kommer att tillämpa dessa metoder globalt, till olika jordbruksvattendelar och skogslandskap som upplever skiftande nederbördsmönster. Till exempel, Zarnetske kommer att studera källvatten i nordvästra Stilla havet och de snabbt värmande och tinande landskapen i Arktis.

De nya metoderna kan också hjälpa till att rikta insatser för att välja de mest lämpliga platserna för hållbar jordbruksmark och utveckling eller identifiera vattendelaresvar på global uppvärmning, som de i Arktis.

arktiska landskap, där jordar till övervägande del är frusna, tinar snabbt på grund av snabb klimatuppvärmning. När arktisk is och permafrost smälter, de släpper ut sediment och näringsämnen i floder och hav. Medan effekterna av dessa allt grumligare vatten och näringsämnen är okända, deras nya tillvägagångssätt kan utveckla en baslinje för att börja övervaka deras inverkan.