Jong water herlaadt aquiferen terwijl oud water gewassen voedt, blijkt uit onderzoek

Gemiddelde seizoensleeftijden van water opgeslagen in de bodem gedurende het groeiseizoen op drie monsterlocaties binnen het Horsebarn Hill-gebied, afkomstig uit de bovenste 20 cm laag, de onderliggende 20–40 cm laag boven de grondwaterstand, en de grondwaterlaag.

Ondergrondse wateraanvulling onder gematigde landbouwvelden kan komen van zeer recente neerslag, slechts één tot twee weken oud, terwijl het water dat daadwerkelijk door gewassen wordt opgenomen, afkomstig is van veel oudere bronnen.

Deze bevinding, gepubliceerd in Water Resources Research, daagt de conventionele modellen van waterbeweging in de ondergrond uit en suggereert dat onze aannames over hoe meststoffen, voedingsstoffen en vocht door de bodem bewegen, herzien moeten worden.

Het waterrijke ondergrond van landbouwgrond

Ph.D. onderzoeker Joshua Snarski van de Universiteit van Connecticut en zijn collega’s onderzochten de leeftijd van het water dat het grondwatersysteem binnen het Horsebarn Hill-gebied binnendringt tijdens het groeiseizoen. Dit was gebaseerd op bodemvochtigheidsniveaus en de isotopische samenstelling van het grondwater; de laatste wordt gebruikt voor datering, aangezien watermoleculen die zuurstof-18 bevatten (een zwaardere vorm van zuurstof) langzamer verdampen en door de watercyclus bewegen dan die met zuurstof-16, waardoor wetenschappers kunnen traceren hoe lang het water ondergronds is geweest.

Het team ontdekte dat neerslag die tijdens het groeiseizoen valt, door de vadose zone kan sijpelen (de niet-verzadigde laag van bodem en gesteente boven de grondwaterstand, waar zowel lucht als water aanwezig zijn in de poriën) en het aquifer in een kwestie van dagen tot weken kan aanvullen.

De studie merkt op dat dit jonge water de bodem snel passeert of erdoorheen beweegt, en sneller in diepere grondwaterreserves komt dan doorgaans wordt aangenomen. Dit is een interessant resultaat, gezien het feit dat hydrologische modellen doorgaans veronderstellen dat aanvulwegen relatief langzaam zijn, waarbij neerslag geleidelijk door bodemlagen infiltreert en mengt met ouder water, en uiteindelijk over maanden tot jaren het aquifer bereikt. Maar dit onderzoek toont aan dat in een gematigd landbouwgebied een aanzienlijk deel van de aanvulling eigenlijk heel jong is.

De auteurs suggereren dat mechanismen zoals preferentiële stroming—waarbij water langs snelle paden zoals scheuren, macro-poriën of wortelkanalen beweegt—kunnen toelaten dat de regen een groot deel van de bodemstructuur omzeilt en snel het grondwater bereikt.

In tegenstelling tot het jonge water dat het aquifer bereikt, wordt het water dat door gewassen via hun wortels wordt opgenomen, onttrokken aan oudere waterreserves en bevat het voedingsstoffen die langer in de bodem aanwezig zijn geweest. Bijgevolg benadrukt de studie een dichotomie: snelle aanvulling van grondwater door verse neerslag versus langzamere opname door planten van ouder, in de bodem opgeslagen water.

Herzien van stromingspaden

Dit is belangrijk omdat het suggereert dat de timing en paden van waterstromen onder landbouwgrond complexer zijn dan veel hydrologische en landbouwmodellen aannemen, vooral als het gaat om de beweging van voedingsstoffen, gebruik van meststoffen en risico op grondwaterverontreiniging. Bijvoorbeeld, modellen die aannemen dat bodemwater en voedingsstoffen zich met een uniforme, langzame snelheid bewegen, kunnen verkeerd inschatten hoe snel neerslag kan infiltreren en daardoor meststoffen of verontreinigingen naar beneden kan transporteren.

Voor het beheer van meststoffen is dit van groot belang, aangezien als neerslag snel aquifers aanvult, de meststoffen die op landbouwgrond worden aangebracht mogelijk ook sneller in dieper grondwater worden gespoeld dan verwacht, vooral als ze kort voor zware regenval worden aangebracht.

Daarentegen benadrukt het feit dat planten afhankelijk zijn van ouder bodemwater, dat de beschikbaarheid van vocht in de wortelzone niet altijd samenvalt met de meest verse neerslag. Boeren en waterbeheerders moeten daarom zowel snel bewegende aanvulstromen als de langzamere bodemvochtpaden die gewassen ondersteunen, in overweging nemen.

Bovendien is er een kritische balans voor de groei van vegetatie; langere verblijftijden voor water en voedingsstoffen binnen de wortelzone kunnen de plantengroei ondersteunen, terwijl water en voedingsstoffen die snel voorbij de wortelzone worden getransporteerd, de productiviteit van planten kunnen verminderen en direct kunnen bijdragen aan grondwatervervuiling, de ontwikkeling van eutrofische omstandigheden in oppervlaktewater (wat leidt tot overmatige algengroei die zuurstof in het water uitput en het aquatische leven schaadt), en contaminatie van drinkwater.

De research benadrukt ook het belang van de vadose zone tussen het bodemoppervlak en het grondwater eronder. Verschillen in bodemtextuur, scheuren en wortelkanalen kunnen snelle stromingspaden creëren die water en voedingsstoffen ongelijkmatig door de grond laten bewegen. Modellen die deze laag als een uniforme spons beschouwen, kunnen deze complexe realiteiten over het hoofd zien.

Agriculture aanpassen aan klimaatverandering

Hoewel de studie zich richtte op een enkel gematigd landbouwgebied, kunnen de resultaten bredere relevantie hebben, aangezien veel landbouwgronden in vergelijkbare klimaten hetzelfde afwijkende gedrag in waterstromen kunnen vertonen.

Naarmate klimaatverandering de neerslagpatronen verandert, waardoor intense stormen gebruikelijker worden of seizoensgebonden verdelingen veranderen, kan het risico van snelle grondwateraanvulling (en mogelijk transport van verontreinigingen) toenemen. Dit inzicht is cruciaal voor de duurzaamheid van de voedselvoorziening, omdat het van invloed is op hoe betrouwbaar gewassen toegang kunnen krijgen tot water en voedingsstoffen, en hoe veerkrachtig landbouwsystemen zijn voor veranderende neerslagpatronen.

De onderzoekers pleiten voor een realistischere weergave van waterstromen in de vadose zone in modellen, vooral die gebruikt worden voor landbouwplanning, grondwaterbeheer en voorspelling van nutriëntenuitspoeling. Het verbeteren van ons begrip van hoe snelle stromen (via macro-poriën of preferentiële paden) mengen met langzamere stromen (door de bodemstructuur) kan de voorspellingen van de kwetsbaarheid van grondwater, nutriëntenvervoer en de watervoorziening van gewassen verbeteren.

Deze bevindingen bieden meer dan alleen een nieuw begrip van water onder landbouwgrond—ze wijzen op kansen voor slimmere, duurzamere landbouw. Door de afzonderlijke paden van jong en oud water te herkennen, kunnen boeren en waterbeheerders irrigatie, meststofgebruik en gewasplanning beter afstemmen op de natuurlijke waterstroom ondergronds. Deze kennis kan helpen om een betrouwbaardere watervoorziening en nutriëntenvoorziening voor gewassen te waarborgen, grondwatervoorraden te beschermen en de veerkracht van landbouwgrond tegen veranderende neerslagpatronen te versterken, wat een hoopvolle weg biedt voor duurzame voedselproductie in de toekomst.