Stickstoffabflussstrategien werden durch den Klimawandel erschwert

Mit fortschreitendem Klimawandel könnten steigende Temperaturen den Stickstoffabfluss vom Land in Seen und Bäche stärker beeinflussen als die prognostizierte Zunahme der Gesamt- und Extremniederschläge für den größten Teil der kontinentalen Vereinigten Staaten, so eine neue Studie eines Teams von Carnegie-Klimawissenschaftlern unter der Leitung von Gang Zhao und Anna Michalak veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die durch diese Ergebnisse vorhergesagten Bedingungen stehen im Gegensatz zu den letzten Jahrzehnten, in denen die Zunahme der Niederschläge die Erwärmung übertraf und zu einer stärkeren Stickstoffverschmutzung im Wasser führte. Das Verständnis der relativen Rolle von Temperatur- und Niederschlagsänderungen ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Wasserqualitätsmanagementstrategien, die dem Klimawandel standhalten und gleichzeitig eine nachhaltige Nahrungsmittel- und Wasserversorgung gewährleisten.

Menschliche Aktivitäten haben die Art und Weise, wie sich Stickstoff durch die aquatischen, terrestrischen und atmosphärischen Systeme des Planeten bewegt, völlig verändert. Stickstoff aus Düngemitteln wird in Gewässer gespült und kann im Übermaß zu toxinproduzierenden Algenblüten oder sauerstoffarmen Totzonen namens Hypoxie führen. In den letzten Sommern wurde ausführlich über große Algenblüten in Seen- und Küstenregionen in den Vereinigten Staaten berichtet.

Anna Michalak von Carnegie und ihr Team haben das letzte Jahrzehnt damit verbracht, zu untersuchen, wie sich der Klimawandel auf den Stickstoffabfluss und die daraus resultierenden Risiken für die Wasserqualität auswirkt. Eine der größten Fragen für diejenigen, die daran arbeiten, schwerwiegende Beeinträchtigungen der Wasserqualität zu verstehen und zu verhindern, ist die Frage, wie sich Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf die Fähigkeit der Stickstoffverschmutzung auswirken, in gefährdete Wasserstraßen zu gelangen.

„Die komplexen Boden- und Wassersysteme, durch die Stickstoff wandert, die chemischen Umwandlungen, die er dabei durchläuft, und die verschiedenen Arten, in denen Temperatur- und Niederschlagsänderungen diese Prozesse beeinflussen, machen das Nährstoffmanagement zu einer großen Herausforderung“, erklärte Zhao.

Durchschnittliche und extreme Niederschläge beeinflussen beispielsweise, wie viel Stickstoff vom Land in die Wasserstraßen gelangt und wie lange es dauert, bis der Stickstoff Seen oder Küstengebiete erreicht, wo er schließlich gefährliche Bedingungen verursachen kann. Die Temperatur hat auch indirekten Einfluss darauf, wie viel Stickstoff in die Gewässer gelangt, da steigende Temperaturen die Verdunstung erhöhen und verhindern, dass Stickstoff in die Bäche gelangt. Darüber hinaus beeinflusst die Temperatur, wie Stickstoff mit dem mikrobiellen Leben im Boden und im Sediment interagiert, wodurch es möglicherweise dort eingeschlossen wird oder seinen Verlauf verändert.

„Obwohl die Auswirkungen der durch den Klimawandel verursachten Verschiebungen der Niederschlagsmuster untersucht wurden, wurde die Auswirkung von Temperaturerhöhungen auf die Bewegung von Stickstoff in Flüsse aufgrund fehlender Daten bisher nicht auf kontinentaler Ebene quantifiziert“, fügte Zhao hinzu.

Zhao, Michalak und ihre Carnegie-Kollegen Julian Merder und Tristan Ballard analysierten mehrere Jahrzehnte an Daten zur Verfolgung der Stickstoffbewegung durch Flusssysteme auf dem gesamten Festland der Vereinigten Staaten und nutzten sie, um zukünftige Flugbahnen der Stickstoffbewegung unter Klimawandelszenarien zu projizieren. Sie stellten fest, dass steigende Temperaturen wahrscheinlich die Menge an überschüssigem Stickstoff, der in die Flüsse gespült wird, im Großteil der USA ausgleichen oder sogar verringern werden, trotz eines vorhergesagten Anstiegs der Niederschläge.

Diese Erkenntnisse stehen im Widerspruch zu den letzten Jahrzehnten, als der Niederschlag der dominierende Faktor gegenüber der Temperatur war, um die Menge an Stickstoff zu bestimmen, die sich in US-amerikanischen Wasserstraßen ansammelte. Zhao, Michalak und ihre Kollegen sagen, dass diese Arbeit eine entscheidende Grundlage für zukünftige Forschungen zum Zusammenspiel zwischen dem Stickstoffkreislauf und dem Klimawandel bildet.

„Unsere Forschung veranschaulicht die komplexen und manchmal überraschenden Auswirkungen des Klimawandels auf die dynamischen Systeme unseres Planeten“, schloss Michalak. „Die Entschlüsselung der verschiedenen Faktoren, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserqualität verändern, wird Landwirten, Landverwaltern und politischen Entscheidungsträgern helfen, die bestmöglichen Strategien zu verfolgen, um sicherzustellen, dass wir die Wasserqualität schützen und gleichzeitig eine nachhaltige Nahrungsmittelproduktion und Wasserversorgung gewährleisten.“