En studie som leds av forskare vid Université de Montréal kvantifierar för första gången den maximala mängden näringsämnen - specifikt, fosfor - som kan ackumuleras i en vattendelare innan ytterligare föroreningar släpps ut i ekosystem nedströms.

Det genomsnittliga tröskelvärdet är 2,1 ton per kvadratkilometer mark, forskarna uppskattar i sin studie som publicerades idag i Naturgeovetenskap . "Utöver detta, ytterligare fosforinmatningar till vattendelar orsakar en betydande acceleration av (fosfor) förlust i avrinning. "

Detta belopp är chockerande lågt, säger forskarna; med tanke på de aktuella näringsämnena i de flesta jordbruksvattenområden runt om i världen, tipppunkter i vissa fall kan nås på mindre än ett decennium.

Studien leddes av Jean-Olivier Goyette, doktorand i biologi vid UdeM, och övervakad av UdeM akvatiska ekosystemekolog Roxane Maranger i samarbete med hållbarhetsforskaren Elena Bennett vid McGill University.

Fosfor, ett element i gödselmedel, är avgörande för tillväxten av växtfoder. Men mineralet är också skadligt vid överanvändning. När det kommer i ytvatten, det kan leda till överdriven växttillväxt i sjöar och floder och spridning av giftiga alger, skadligt för människors och djurs hälsa.

23 vattendelar studerade

Med fokus på 23 vattendrag som matar St. Lawrence River i Quebec, forskarna rekonstruerade historiska metoder för markanvändning för att beräkna hur mycket fosfor som har samlats på marken under det senaste århundradet.

De två huvudsakliga källorna till fosfor till vattendelarna, marken intill bifloder, kommer från jordbruk (gödselmedel och djurgödsel) och från den mänskliga befolkningen (genom behov av mat och avlopp).

Med hjälp av Quebec -regeringsdata, forskarna matchade den uppskattade ackumuleringen med fosforkoncentrationer uppmätta i vattnet under de senaste 26 åren. Eftersom vattendelarna de studerade hade olika historier - vissa hade använts intensivt för jordbruk i decennier medan andra var skogsklädda och orörda - tillät denna metod forskarna att fastställa en gradient av olika fosforackumuleringar mellan platser. Därvid, de kunde se vid vilken tidpunkt vattendelen "tippade" eller nådde en tröskel och började läcka avsevärt mer fosfor i vattnet.

"Tänk på landet som en svamp, "Sa Maranger." Efter ett tag, svampar som absorberar för mycket vatten kommer att läcka. När det gäller fosfor, landskapet absorberar det år efter år efter år, och efter ett tag, dess lagringskapacitet minskar. Då bidrar historiska fosforinsatser mer till det som når vårt vatten. "

Tills nu, ingen hade kunnat sätta en siffra på mängden ackumulerad fosfor vid vattendelarens skala som behövs för att nå en tipppunkt när det gäller att accelerera mängden mineral som strömmar in i vattenlevande ekosystem.

"Verkligen viktigt bidrag"

"Detta är ett mycket viktigt fynd, "Det säger Bennett." Det krävs vår kunskap om gödsel och föroreningar på gården i stor skala för att förstå hur hela vattendelar reagerar i ett historiskt sammanhang. "

Jordbruket i massskala började i Quebec först på 1950 -talet, men några av provinsens mer historiska jordbruksvattenområden hade redan passerat vändpunkten på 1920 -talet, fann studien.

Även om fosforintäkterna upphörde omedelbart, eliminering av ackumulerad fosfor i mättade Quebec -vattendrag skulle ta mellan 100 och 2, 000 år, forskarna uppskattar.

I vissa länder, inklusive Kina, Kanada, och USA, fosfor används så mycket nu att mättnadspunkten nås på så lite som fem år.

"Näringshanteringsstrategier utvecklade med nya kreativa tillvägagångssätt ... är brådskande nödvändiga för vattenresursernas hållbarhet på lång sikt, "uppmanar forskarna i sin studie.

Återvinn och återanvänd

"En möjlig förmildrande åtgärd skulle vara att göra det som redan görs i vissa europeiska länder:istället för att lägga till fler och fler för att hjälpa växter att växa, fosfor som redan lagrats i jord kan nås med nya metoder och metoder, "Sa Goyette.

"Vidare, fosfor kan återvinnas och återanvändas som gödningsmedel snarare än att få tillgång till mer av det råa gruvmaterialet. "

Dilemmaet är detta:människor måste äta men måste ha rent vatten, men för att odla mat krävs fosfor som förorenar vattnet när för mycket lämnar vattendelen och förorenar intilliggande akvatiska ekosystem.

"Är några av våra mer extrema (jordbruks) vattendrag omöjliga att reparera?" Frågade Maranger. "Jag kan inte svara på det. Det är en samhällsfråga och det finns lösningar. Vi ska aldrig förtvivla, men det är ett elakt problem. "