En ny artikel från en huvudförfattare baserad vid University of Kansas finner att våtmarker anlagda längs vattenvägar är det mest kostnadseffektiva sättet att minska nitrat- och sedimentbelastningar i stora bäckar och floder. Istället för att fokusera på enskilda gårdar, forskningen föreslår att bevarandeinsatser med våtmarker bör genomföras i vattendelare.

Pappret, precis publicerat i Proceedings of the National Academy of Sciences , förlitade sig på datormodellering för att undersöka Le Sueur River Basin i södra Minnesota, en vattendelare utsatt för avrinning från intensiv jordbruksproduktion av majs och sojabönor - grödor som är karakteristiska för hela regionen Upper Midwest.

"Överdrivet nitrat eller sediment påverkar lokala fiskpopulationer, hur mycket pengar vi måste spendera för att behandla dricksvatten, och det finns en nedströmseffekt också, " sa huvudförfattaren Amy Hansen, biträdande professor i civil, miljö- &byggnadsteknik vid KU. "Våra floder integrerar vad som händer i landskapet, så den plats som du älskar att gå och fiska eller simma på – om det fortsätter att vara ett bra ställe att fiska eller simma på har mycket att göra med de val som folk gör längre uppströms. Överdriven förorening går till en vattenförekomst nedströms som en reservoar eller havet och orsakar algblomning eller hypoxiska eller "döda zoner". Den döda zonen i norra Mexikanska golfen är direkt korrelerad med nitrat som kommer från Mississippi River Basin."

Forskargruppen jämförde potentiella vattendelare för att förbättra vattenkvaliteten, som att skära av avrinning från gårdar och lägga till våtmarker, sedan mätte de ekonomiska kostnaderna för var och en. Eftersom de flesta metoder är beroende av frivilligt deltagande av enskilda gårdar och implementeras av ett lapptäcke av olika myndigheter, forskarna fann att de är mindre effektiva.

"För närvarande, det finns individuella förvaltnings- eller bevarandemetoder, och de inkluderar täckgröda, applicering av gödningsmedel med hög precision, minskad jordbearbetning, anlagda våtmarker och skötsel av ravinspetsar. Det är några av de olika metoderna vi övervägde, ", sa Hansen. "Men hantering av icke-punktkällor är frivillig i USA genom incitamentsprogram, och den skala som dessa bevarandemetoder ofta betraktas i är den enskilda jordbrukaren när ett samordnat tillvägagångssätt är mycket effektivare. På ett sätt, det är som ett återvinningsprogram där du säger, "Vem som helst som återvinner en sak är bättre än att ingen återvinner." Detta är sant, viss återvinning är bättre än ingen återvinning, men ett samordnat tillvägagångssätt kommer att spara pengar och bli mer effektivt."

Hansen och hennes medförfattare fann att konstruerade våtmarker är de mest effektiva av dessa metoder, speciellt om storleken och läget utvärderas i skalan av en vattendelare – en hel region som rinner ut i en gemensam vattenväg. KU-forskaren sa att våtmarker gör två saker bra:de saktar ner vattnet när det går mot bäckar och floder och innehåller vegetation och mikrober som kan bearbeta näringsämnen som används som gödningsmedel på grödor.

"Mikrober och växter i våtmarker tar faktiskt bort nitratet från vattnet, " sa Hansen. "Med sediment, å andra sidan, vad de fluviala våtmarkerna gör är att hålla tillbaka vattnet under dessa höga flöden – och genom att hålla tillbaka det vattnet får du lägre toppflöden, vilket minskar mängden sediment nära kanal som transporteras nedströms."

Medan Hansens forskningsexpertis är inom vattenkvalitet, hennes medförfattare från University of Minnesota, University of California-Irvine och andra institutioner över hela USA förde multidisciplinära perspektiv till utmaningen att förbättra jordbrukets vattenkvalitet. Samarbetet stöddes av ett pris från National Science Foundation.

"Detta arbete hade inte varit möjligt utan den mångsidiga expertis och perspektiv som teamet består av hydrologer, ekologer, geomorfologer, biogeokemister, samhällsvetare och miljöekonomer, sa Efi Foufoula, den ledande huvudutredaren för projektet från University of California-Irvine. "Det ihållande NSF-stödet gjorde det möjligt för oss att ta en ny syn på problemet och ta den tid som behövs för att samla in omfattande fältdata, bygga nya modeller och engagera sig med intressenter. Vi hoppas att våra resultat kommer att påverka policy och förvaltning när klockan tickar för att uppfylla statens vattenkvalitetsmål."

Verkligen, en nyckelaspekt av den nya studien fokuserar på ekonomin i att implementera små, grunda flodvåtmarker och stabiliserande raviner. Enligt utredarna, sådana åtgärder "var klart mer kostnadseffektiva än fältförvaltning." Men forskarna fann att prestanda hos våtmarker krävde optimal placering, och ofta kan kostnadseffektiva våtmarker vara för dyra för en enskild gård eller en byrå att anlägga.

De PNAS papper drar slutsatsen att en övergripande strategi måste ta itu med en hel vattendelare som ett system, genom att kombinera medel från olika program och myndigheter och fastställa platser för flodiga våtmarker som kommer att leda till den största minskningen av nitrater och sediment som når vattenvägar.

"Detta arbete visar att vi inte kan göra verkliga framsteg mot våra mål för att förbättra vattenkvaliteten i jordbruksområden med mer av en business-as-usual-strategi, " sa studiens medförfattare Jacques Finlay, professor vid College of Biological Sciences vid University of Minnesota. "Istället, bevarandeåtgärder, och de investeringar som stöder dem, can be more effective if they consider the interactions that underlie the source of water pollution and how different management options influence them."

The researchers used the Le Sueur River Basin as a proof-of-concept watershed but say their findings could be applied to agricultural regions throughout the Midwest.