Den 6 juni, 2018, Center for Limnology rapporterade att en giftig algblomning hade börjat spridas över Lake Mendota. Det ledde snabbt till att stränderna runt Madisons största sjö stängdes.

Det sammanföll också med lanseringen av en ny, fyra år lång insats av Dane County, kallas Suck the Muck, designad för att bokstavligen suga ett sekels värde av fosfor från 33 mil av bäckar som matar länets sjöar.

Fosfor, ett näringsämne som finns i gödsel som appliceras på jordbruksmarker, tar sig till Wisconsin vatten (och vattenvägar på andra håll) i avrinning efter regnstormar. När vädret är varmt, det kan leda till det illaluktande vattnet och giftiga algblomningar som plågar sjöar som Mendota, som ligger i ett jordbrukslandskap.

Denna avrinning kan bli värre, enligt en nyligen genomförd studie från forskare med Water Sustainability and Climate Project vid University of Wisconsin–Madison. Med ett förändrat klimat, frekvensen av högintensiva regnhändelser ökar. Dessa stormar ger kraftiga regn under en kort tidsperiod och förvärrar avrinning av fosfor från gödseltäckta jordbruksfält, mer än forskarna förväntade sig.

"Båda sakerna är dåliga för vattenkvaliteten – för mycket gödsel är dåligt och för många intensiva stormar är dåliga, för, " säger huvudförfattaren till studien i Miljöforskningsbrev , Melissa Motew. "Det här är en berättelse om hur ett problem verkligen förvärrar ett annat problem."

Verkligen, algblomningen vid Lake Mendota kom i hälarna på den näst blötaste maj i Madisons nedtecknade historia, och dess åttonde varmaste. National Weather Service rapporterade att maj 2018 var den blötaste någonsin för det angränsande USA.

Men Motew började inte fråga hur kraftiga stormar och gödsel samverkar synergistiskt för att påverka vattenkvaliteten. Det var när hon studerade legacy fosfor i jordar – ackumuleringen av näringsämnet över tid – som hon och forskargruppen märkte något intressant i data.

"Vi visste att kraftigt regn transporterar mycket fosfor bort från ett fält och 2014, (medförfattare Stephen Carpenter, emeritus professor och chef för CFL) fann att ett relativt litet antal regnhändelser varje år levererade majoriteten av fosfor till sjöarna, ", förklarar hon. "Vi råkade märka att det verkade som att när vi hade perioder med kraftigt regn såg vi sämre vattenkvalitet än vi förväntade oss. Det fick oss att sätta upp den här studien."

Klimatförändringarna ger mer intensiv nederbörd över hela USA, särskilt i Mellanvästern och nordost. 2014 års studie från Carpenter och kollegor visade att 74 procent av fosforbelastningen i Lake Mendota nu levereras över bara 29 dagar varje år, och en studie från 2016 från forskare vid Marylhurst University i Oregon och UW–Madison visade att årlig nederbörd i Yahara vattendelare, som inkluderar Lake Mendota, ökade med 2,1 mm varje år mellan 1930 och 2010.

Detta motsvarar en ökning med cirka sju tum av ytterligare regn idag, Motew förklarar. Samma studie visade också att medan frekvensen av stora stormhändelser i regionen var i genomsnitt 9,5 händelser per decennium mellan 1930 och 1990, mellan 1991 och 2010, antalet stora stormhändelser nästan fördubblades, nå 18 evenemang per decennium.

Med hjälp av simuleringsmodeller, Motew och studieteamet frågade hur mer extrema regnhändelser kan interagera med gödsel- och gödselfosforförsörjning på odlingsmarker för att påverka avrinning i nivå med en enskild sjö och bäckarna som matar den. Det är, vad händer när en viss mängd regn faller på ett fält under loppet av två timmar istället för 24 timmar?

"Modellen låter oss skala upp och göra intressanta observationer från skalan av ett fält till hela vattendelaren, " säger hon. "Modeller släpper in oss och studerar processen för hur fosfor rör sig i detalj."

Med hjälp av två 60-åriga klimatscenarier, en som antog daglig nederbörd, högsta och lägsta temperaturer, vindhastigheter, relativ luftfuktighet och solstrålning som liknar nuvarande medelårsvärden i Madison, och en annan som antar mer extrema regnhändelser, Motews modell undersökte vad som händer med fosforkoncentrationer i Lake Mendota och dess biflöden under låg- och högintensiva nederbördsförhållanden.

Den tog hänsyn till böndernas verkliga praxis i vattendelaren – inklusive deras typiska användning av gödselmedel och gödsel och jordbearbetning, mängden fosfor som redan finns lagrad i markens ytskikt, och sammansättningen av landet runt Lake Mendota. Mer än hälften av marken som omger det är jordbruk.

Motew fann att fosfor löstes upp – den typ som finns i gödsel, jämfört med andra gödselmedel och det som finns i marken – kombinerat synergistiskt med kraftiga regn för att öka mängden fosfor som rinner ut i Lake Mendota och dess bäckar.

"Detta sätter oss i ännu större risk att försämra vattenkvaliteten, " säger Christopher Kucharik, studiemedförfattare och Motews tidigare doktorandrådgivare. "Detta resultat har också omfattande konsekvenser eftersom det synergistiska förhållandet sannolikt kommer att finnas i många jordbruksvattendelar runt om i världen, där boskap och ytvatten samexisterar."

Fosfor är ett viktigt näringsämne för levande organismer som grödor. Men vad den gör på land, det gör det också i vatten:uppmuntrar tillväxt av organismer som växter och alger. När de dör, dessa organismer faller till botten av en påverkad vattenväg, sönderfaller och förbrukar syre. Detta dödar vilda djur och uppmuntrar tillväxten av cyanobakterier, organismen bakom giftiga algblomningar. I vissa delar av landet, det kan leda till döda zoner, som i Mexikanska golfen.

Bönder i Dane County och på andra håll sprider redan mindre gödsel och gör det mer exakt, Motew säger, och hon hoppas att dessa strategier kommer att bidra till att minska fosforavrinning från deras odlingsmarker.

Moew, som nu är forskare vid The Nature Conservancy, anser också att bönder bör vara en del av fortsatta ansträngningar för att förbättra vattenkvaliteten. "Vi måste samarbeta mer med bönder så att vi inte bara kan förbättra vår egen forskning genom att använda bättre data, men så att vi kan arbeta tillsammans och bygga vidare på deras idéer, också." säger hon. "De känner till problemen på nära håll och kan ge insikter som vi inte har tänkt på. Vi som forskare kan hjälpa till att utforska vart dessa insikter kan leda."

Motew tillägger:"Bönder är nyckeln till att lösa problemet, även om de ofta får skulden. Vi måste alla ta ansvar för vårt livsmedelssystem och hitta sätt att stödja bönder i bättre gödselhantering."