Onderzoek: Huidige modellen schatten toekomstige impact van klimaatverandering op dode zones in de Chesapeake Bay mogelijk te hoog in

Een uitzonderlijk dichte algengroei langs de noordelijke oever van de York River. Deze bloei wordt veroorzaakt door een overvloed aan voedingsstoffen die de baai binnendringen en draagt bij aan dode zones die het zeeleven verstikken.

Een studie geleid door wetenschappers van de Batten School van William & Mary en VIMS heeft verrassende variabiliteit aangetoond in de resultaten van verschillende modelleringmethoden voor het voorspellen van toekomstige hypoxische, of laagzuurstof, condities, bekend als dode zones in de Chesapeake Bay. De bevindingen suggereren dat de huidige benaderingen die worden gebruikt om milieudoelstellingen vast te stellen, de toekomstige hypoxie mogelijk overschatten doordat ze niet volledig rekening houden met de milieuvariabiliteit die wordt veroorzaakt door klimaatverandering.

Hypoxische omstandigheden ontstaan in de Chesapeake Bay na de introductie van overtollige voedingsstoffen uit vervuilde afvoer, die bijdragen aan de groei van van nature voorkomende algen. De afbraak van deze algen verwijdert zuurstof uit het omringende water, waardoor dode zones ontstaan die het zeeleven verstikken. De jaarlijkse omvang van deze dode zones wordt gemonitord als een belangrijke indicator voor de gezondheid van de baai, en het Chesapeake Bay Program (CBP), de regionale samenwerking die verantwoordelijk is voor de herstelinspanningen van de baai, gebruikt computermodellen gebaseerd op klimaatprojecties om toekomstige voedingsstoffenbeheerdoelen vast te stellen.

Gepubliceerd in Scientific Reports, gebruikte de studie op land- en oceaan gebaseerde klimaatprojecties en historische data om de eerste continue simulatie van milieucijfers binnen de Chesapeake Bay en zijn stroomgebied van 1980 tot 2065 uit te voeren, wat meer dan 40 dagen aan supercomputerinspanningen vereiste. Het doel van de onderzoekers was om de continue methodologie te vergelijken met de minder rekencapaciteit vereisende delta- en tijdslice-methoden.

De delta-methode is de meest gebruikte aanpak voor het ontwikkelen van toekomstige projecties van estuariene omstandigheden in de regio en wordt gebruikt door regelgevende instanties en het CBP om vastgestelde waterkwaliteitsdoelen te bereiken. Deze methode combineert historische gegevens en klimaatprojecties om milieuveranderingen binnen de baai te voorspellen.

Echter, het baseert zijn voorspellingen op het gemiddelde verschil tussen historische weerspatronen en toekomstige projecties om de uitgebreide berekeningen die door de continue methode vereist zijn, te vermijden. Alternatief past de tijdslice-methode dezelfde toekomstige omstandigheden toe, zoals luchttemperatuur en neerslag, die in de continue methode werden gebruikt, in aanvulling op dezelfde basisgegevens die in de delta-aanpak werden gebruikt, maar vermijdt het simuleren van de tussenliggende jaren om tijd te besparen.

De resultaten toonden vergelijkbare stijgingen in het gemiddelde jaarlijkse hypoxische volume voor de tijdslice- en continue methoden, met respectievelijk 9% en 11%. De delta-methode verdubbelde echter deze resultaten, met een stijging van 19%.

“De resultaten waren verrassend en ze roepen vragen op over de betrouwbaarheid van toekomstige scenario’s die de delta-methodologie gebruiken,” zei Kyle Hinson, die de studie leidde terwijl hij zijn Ph.D. behaalde aan W&M’s Batten School of Coastal & Marine Sciences en nu postdoctoraal onderzoeker is aan het Pacific Northwest Laboratory.

“Er zijn veel processen die de toekomstige hypoxie binnen een estuarium zoals de Chesapeake Bay kunnen beïnvloeden, en we vonden grote verschillen in de manier waarop deze werden meegenomen tussen de delta- en continue benaderingen.”

Het grootste verschil tussen de twee methoden was de manier waarop neerslag werd getoond dat invloed had op de voedingsstoffenafvoer naar de baai. Omdat het toekomstige neerslagpatronen baseert op historische patronen, slaagde de delta-methode er niet in om nauwkeurig rekening te houden met veranderingen in de toekomstige neerslag die door klimaatverandering worden veroorzaakt.

Hoewel de totale hoeveelheid neerslag naar verwachting zal toenemen, en dat totaal in alle experimenten is meegenomen, vertegenwoordigde de continue methode nauwkeuriger de voorspellingen van zwaardere individuele regenbuien met langere droge periodes ertussen. De delta-methode verspreidde de neerslag gelijkmatiger.

“De delta-methode geeft ons dit resultaat omdat het verwacht dat de bodem iets natter blijft, wat de cyclus binnen de bodem beïnvloedt en in dit scenario leidt tot meer nitraat dat de baai binnendringt,” zei Hinson. “Het toegevoegde nitraat stimuleert de algengroei, die uiteindelijk sterven, naar de bodem zinken en worden geconsumeerd door bacteriën die de zuurstofniveaus verlagen.”

Hinson’s co-auteur en Ph.D.-adviseur Marjorie Friedrichs merkte op dat de resultaten van de studie enkele gangbare veronderstellingen over de impact van klimaatverandering uitdagen. “Belangrijk is dat de continue methode ook een afname van de zoetwaterafvoer naar de baai liet zien ondanks de toegenomen neerslagtotalen,” zei Friedrichs. “Dit kan tegenintuïtief lijken, maar de evapotranspiratie veroorzaakt door stijgende temperaturen weegt zwaarder dan de toegenomen neerslag.”

Toekomstige dode zones verminderen

Hoewel alle methodologieën een toename van het volume hypoxisch water in de Chesapeake Bay voorspellen als gevolg van klimaatverandering, toont eerder onderzoek aan dat deze toename meer dan kan worden gecompenseerd door de hoeveelheid voedingsstoffen die het stroomgebied binnenkomen te verminderen.

In 2010 stelde de Amerikaanse Environmental Protection Agency de Chesapeake Bay Total Maximum Daily Load (TMDL) vast, die limieten stelt aan de hoeveelheden verschillende verontreinigende stoffen die de baai binnenkomen om de waterkwaliteitsnormen te handhaven. Daarnaast hebben de zes staten binnen het stroomgebied van de baai en Washington, D.C., hun eigen plannen en mijlpalen vastgesteld om de doelen voor het verminderen van voedingsstofvervuiling vastgelegd onder het Chesapeake Clean Water Blueprint tegen 2025 te bereiken.

Hoewel het niet waarschijnlijk lijkt dat deze doelen tegen de deadline van 2025 zullen worden gehaald, is er aanzienlijke vooruitgang geboekt. Volgens een andere studie gepubliceerd door Hinson en zijn collega’s in het tijdschrift Biogeosciences in 2023, zal het behalen van de vastgestelde doelen voor het verminderen van voedingsstoffen in de Chesapeake Bay de jaarlijkse hypoxie met ongeveer 50% verminderen in vergelijking met de niveaus die in de jaren ’90 werden gezien.

“De doelstellingen voor het verminderen van voedingsstoffen die voor de baai zijn vastgesteld, hielden geen rekening met de effecten van klimaatverandering. Maar als we deze doelen niet hadden vastgesteld, zou de situatie veel erger zijn,” zei Friedrichs. “Een beter begrip van alle processen die een rol spelen is echt belangrijk voor de beheerders die verantwoordelijk zijn voor het vaststellen van nieuwe waterkwaliteitsdoelen.”

De processen die hypoxie beïnvloeden, hebben niet alleen invloed op het zeeleven, ze spelen ook een rol in de koolstofcyclus. Toenemende algengroei trekt meer koolstof aan, die uiteindelijk naar de bodem zinkt en ofwel in de baai blijft of naar de open oceaan wordt geëxporteerd. Nauwkeurig modelleren van de omstandigheden in kustestuaria wordt steeds belangrijker voor het vaststellen van betrouwbare mondiale koolstofbegrotingen.

“De gezondheid van de Chesapeake Bay is om zoveel redenen belangrijk, en ons onderzoek helpt de modellen te verfijnen die worden gebruikt om onze impact op het ecosysteem te beheren,” zei Hinson. “Het goede nieuws is dat als we onze vooruitgang voortzetten en de doelen bereiken die we al hebben gesteld, we de toename van hypoxie door klimaatverandering meer dan zullen compenseren.”

Hinson en Friedrichs werkten samen aan deze studie met Pierre St-Laurent, senior onderzoeker aan W&M’s Batten School & VIMS; Raymond Najjar en Maria Herrmann, beiden van de Pennsylvania State University; Zihao Bian van de Nanjing Normal University; en Hanqin Tian van Boston College.