En av tio amerikaner är beroende av Colorado River för att bada och dricka. Förra höstens rekordhöga temperaturer reducerade Colorado snöpackning vintern 2018 till 66 procent av det normala, väcker oro över vattenbrist nedströms och lämnar vattenförvaltare rädda för en upprepning.

Att minska snöpackningen är inte allt som påverkar vattenreserverna. På många platser i väst där den federala naturresursbevarandetjänsten mäter mängden vatten som finns i snö, denna snövattenekvivalent var mindre än hälften av medianvärdena från 1981 till 2010. Samtidigt snö smälter nära Colorado -flodens utlopp nästan en månad tidigare än för 25 år sedan. Denna tidigare smältning ensam har orsakat förändringar i växtsamhällen som fungerar för att absorbera näringsämnen, bearbeta föroreningar, och filtrera sediment när vatten rör sig nedströms - vilket ökar oddsen för vattenkvalitet, inte bara vattenförsörjning, kommer att äventyras av en uppvärmande atmosfär.

Hydrologisk vetenskapsexpert och geokemist Bhavna Arora är en del av ett team vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) som studerar förändringarna av dessa växtsamhällen i ett forskningsområde längs östra flodavrinningen nära övre Colorado -floden. Teamets studier, del av programmet Watershed Function Scientific Focus Area (SFA), är användbara för att förutsäga hur störningar i bergiga vattendrag - som översvämningar, torka, byte av snöpack och tidigare snösmältning - påverkar nedströms leverans av vatten, näringsämnen, kol, och metaller.

Frågar du något om vad ditt team observerar vid East River vattendelare?

A. Snö smälter i genomsnitt 26 dagar tidigare än för 25 år sedan - ett fenomen som tvingat fram en dramatisk förändring av växtsamhällen i och runt Upper Colorado River. När snön smälter mycket tidigare än väntat, nitrater som produceras naturligt under snö kan frigöras mycket tidigare i vattendelen. Regionala växter som historiskt fungerade synkront inom ekosystemet för att absorbera näringsämnen från vatten i snösmältning har ersatts eller riskerar att ersättas av mer torktåliga växter som kanske inte är så skickliga på att ta upp kväve.

Vid East River, Colorado, upptagningsplats som är projektets testbädd, en gemenskap av djupt rotade buskar har ersatt gräs och vildblommor, som snabbt tar upp kväve och andra element från vatten i snösmältning. Det är ännu inte klart om dessa nya växter snabbt kan ta rollerna som sina föregångare och förhindra att nitrater eller andra element kommer in i floden och färdas nedströms.

På knappt två år sedan vårt team började studera där, vi har bevittnat tidigare snösmältning tillsammans med det minskade snöpacket som har blivit så bekant över hela regioner i det bergiga väst. Vi ville kvantifiera påverkan av förändringar i snösmältningstidpunkt och snöpackdjup på kväveflöden och växtfenologi på vår studieplats.

Vi använder fjärranalyser och brunnar som tränger djupt in i berggrunden för att kontinuerligt övervaka vegetation, säsongens jordtemperaturer, tillgång till vatten, och kemi i hela jorden och under ytan på East River -platsen. Våra observationer och datasimuleringar visar att en tidigare och större nitrattopp inträffar med tidig snösmältning jämfört med ett normalt snösmältscenario. Vi fann också att skillnader i snöpackdjup förändrar näringsbufferten under snön och ammoniakkoncentrationen. I båda scenarierna med tidig snösmältning och minskat snöpack, buskar har ersatt gräs och vildblommor som den dominerande vegetationen.

Även om mycket mer studier behöver göras, detta är ett utmärkt exempel på naturens komplexitet.

F:Stavar dessa observationer problem för vattnet som hamnar som bevattningsvatten för grödor eller som dricksvatten för invånarna nedströms?

A. Avrinningsområden som East River representerar en del av floden som inte har påverkats av markanvändningsförändringar som jordbruk. Det som oroar är inte de koncentrationer vi ser på dessa orörda forskningsplatser utan vad det betyder för vatten när det rör sig nedströms. Topparna i nitrater efter en lång, långvarig torka är särskilt oroande eftersom riskerna med överskott av nitrater för människors hälsa är välkända och värda vår uppmärksamhet. Intensiv nederbörd som vi har upplevt leder till att överskott av nitrater läcker ut i floden, vilket kan äventyra vattenförsörjningen nedströms.

Utan att undersöka många fler webbplatser under flera år, Det är alldeles för tidigt att säga hur ökad nitratkoncentration i huvudvattenavrinningen kan påverka avrinning när den rör sig nedströms. Men det är rimligt att tro att det kan. Ta jordbruksregioner, till exempel. Historiskt sett har vi tillsatt kväve till jordbruksmark som gödselmedel. Som ett resultat, det har skett en uppbyggnad av grundvattennitrater och kväveoxidutsläpp till luften i stora jordbruksregioner. Så, medan överskott av nitrater i vattnet nära vår avlägsna forskningsplats kanske inte utgör ett betydande hot mot människors hälsa, vi kan inte vara säkra på att samma sak gäller nedströms i vatten i och runt länder som används intensivt.

F. Vi började diskutera rekordtorka och värme i Colorado och i västra USA Om sommartemperaturer och brist på nederbörd är någon indikation, det verkar osannolikt att vi kan förvänta oss att hösten och vintern kommer att vara mer i linje med den historiska normen. Är dessa oregelbundna orosmönster?

A. Snösmältningstidpunkten är avgörande för växtens tillväxt och växtsäsongens varaktighet, sätta utgångspunkten för när växter kommer från sin vinterdvala och börjar växa. Den exakta tidpunkten för snösmältning är också avgörande för vårt arbete eftersom det representerar en av de viktigaste och mest dynamiska tiderna på året - en period då det finns mycket att studera och förstå.

Geokemiska modellerare som jag har nytta av att ha tillgång till kvalitetsdata om snömönster, temperatur, fuktighet, och andra faktorer som sannolikt kan orsaka förändringar inom bergiga vattendrag. I årtionden, hydrologer kunde tajma sina fältobservationer enligt den relativt förutsägbara tidpunkten för snösmältning och snödäckens djup baserat på historiska mönster. Relativ konsistens i nederbörd och temperatur gör det också möjligt för oss att förutsäga framtida vattendelars svar på dessa faktorer baserat på tidigare trender, förutom aktuella observationer.

Stora fluktuationer i snöackumulering och smältning har krävt att vi utvecklat ett nätverk av sensorer som autonomt mäter marktemperatur och markvatten och kontinuerligt fångar upp video av snön. På detta sätt kan vi "observera" starten av snösmältning genom förändringar i vatten och temperatur och förutsäga det troliga datumintervallet för snöfria förhållanden en eller två veckor i förväg. Sedan mobiliserar vi våra team och utrustning och tar oss ut!

Med förändringar i växtsamhällen på grund av tidig snösmältning, vi vet ännu inte hur väl de nya växtsamhällena kommer att arbeta tillsammans för att absorbera kväve och andra näringsämnen. Eftersom de nya växtsamhällena kan ta år att etablera sig, vi måste använda datormodeller för att förutsäga vad som kan hända. Med skiftningen i snösmältningstidpunkten från historiska trender - och i flöde även från år till år, blir det ännu svårare att förutsäga vad förändringar i temperatur och nederbördsmönster kommer att innebära för vattenförsörjningen om två år, mycket mindre 10 eller 50 år.

Vårt bästa hopp är att bygga de bästa datormodellerna som numeriskt kan utforska alla dessa faktorer (snösmältning, torka, monsuner, växtarter, etc.) kombinerat, och testa dessa modeller med data från fältet. På detta sätt hoppas vi kunna förutse den framtida kvantiteten och kvaliteten på vårt vatten när det rinner nedströms och påverkar användare och ekosystem långt borta från dess ursprung i Upper Colorado River.