Un Américain sur 10 dépend du fleuve Colorado pour se baigner et boire. Les températures record de l'automne dernier ont réduit le manteau neigeux du Colorado en hiver 2018 à 66% de la normale, suscitant des inquiétudes concernant les pénuries d'eau en aval et laissant les gestionnaires de l'eau craindre une répétition.

La diminution du manteau neigeux n'est pas tout ce qui affecte les réserves d'eau. Dans de nombreux sites de l'Ouest où le Service fédéral de conservation des ressources naturelles mesure la quantité d'eau contenue dans la neige, cet équivalent neige-eau était inférieur à la moitié des valeurs médianes de 1981 à 2010. Dans le même temps, la neige fond près des sources du fleuve Colorado près d'un mois plus tôt qu'il y a 25 ans. Cette fonte précoce à elle seule a provoqué des changements dans les communautés végétales qui fonctionnent pour absorber les nutriments, traiter les polluants, et filtrer les sédiments au fur et à mesure que l'eau se déplace en aval - augmentant les chances que la qualité de l'eau, pas seulement l'approvisionnement en eau, sera mis en danger par le réchauffement de l'atmosphère.

L'expert en sciences hydrologiques et géochimiste Bhavna Arora fait partie d'une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie qui étudie les changements de ces communautés végétales dans une zone de recherche le long du bassin versant de l'East River, près des sources supérieures du fleuve Colorado. Les études de l'équipe, dans le cadre du programme Watershed Function Scientific Focus Area (SFA), sont utiles pour prédire comment les perturbations des bassins versants montagneux - comme les inondations, la sécheresse, changement du manteau neigeux et fonte des neiges plus tôt - impact sur la livraison d'eau en aval, nutriments, carbone, et métaux.

Q. Est-ce que quelque chose vous préoccupe au sujet de ce que votre équipe observe dans le bassin hydrographique de l'East River ?

R. La neige fond en moyenne 26 jours plus tôt qu'il y a 25 ans - un phénomène qui a forcé un changement radical dans les communautés végétales dans et autour du fleuve Colorado supérieur. Lorsque la neige fond bien plus tôt que prévu, les nitrates produits naturellement sous la neige peuvent être libérés beaucoup plus tôt dans le bassin versant. Les plantes régionales qui fonctionnaient historiquement de manière synchrone au sein de l'écosystème pour absorber les nutriments de l'eau contenue dans la fonte des neiges ont été remplacées ou risquent d'être remplacées par des plantes plus résistantes à la sécheresse qui ne sont peut-être pas aussi aptes à absorber l'azote.

A l'East River, Colorado, site de captage qui est le banc d'essai du projet, une communauté d'arbustes aux racines profondes a remplacé les herbes et les fleurs sauvages, qui absorbent rapidement l'azote et d'autres éléments de l'eau dans la fonte des neiges. Il n'est pas encore clair si ces nouvelles plantes peuvent rapidement assumer les rôles de leurs prédécesseurs et empêcher les nitrates ou d'autres éléments d'entrer dans la rivière et de se déplacer en aval.

En un peu moins de deux ans depuis que notre équipe a commencé à y étudier, nous avons assisté à une fonte des neiges plus précoce accompagnée de la diminution du manteau neigeux qui est devenu si familier dans des régions entières de l'ouest montagneux. Nous voulions quantifier l'influence des changements dans le moment de la fonte des neiges et la profondeur du manteau neigeux sur les flux d'azote et la phénologie des plantes sur notre site d'étude.

Nous utilisons la télédétection et des puits qui pénètrent profondément dans le substrat rocheux pour surveiller en permanence la végétation, températures saisonnières du sol, Disponibilité de l'eau, et la chimie dans le sol et le sous-sol sur le site d'East River. Nos observations et simulations informatiques montrent qu'un pic de nitrates plus précoce et plus important se produit avec une fonte des neiges précoce par rapport à un scénario normal de fonte des neiges. Nous avons également constaté que les différences d'épaisseur du manteau neigeux modifient le tampon nutritif sous la neige et la concentration d'ammoniac. Dans les deux scénarios de fonte précoce et de diminution du manteau neigeux, les arbustes ont remplacé les graminées et les fleurs sauvages comme végétation dominante.

Bien qu'il reste encore beaucoup d'études à faire, c'est un excellent exemple de la complexité de la nature.

Q :Ces observations sont-elles synonymes de problèmes pour l'eau qui finit en eau d'irrigation pour les cultures ou en eau potable pour les résidents en aval ?

R. Les bassins versants d'amont comme l'East River représentent une section de la rivière qui n'a pas été touchée par les changements d'utilisation des terres tels que l'agriculture. Ce qui est troublant, ce ne sont pas les concentrations que nous observons sur ces sites de recherche vierges, mais ce que cela signifie pour l'eau lorsqu'elle se déplace en aval. Les pics de nitrates après une longue, les sécheresses prolongées sont particulièrement préoccupantes car les risques d'excès de nitrates pour la santé humaine sont bien connus et méritent notre attention. Des précipitations intenses comme celles que nous avons connues entraînent un excès de nitrates lessivés dans la rivière, ce qui pourrait mettre en danger les approvisionnements en eau en aval.

Sans enquêter sur de nombreux autres sites sur plusieurs années, il est bien trop tôt pour dire dans quelle mesure l'augmentation de la concentration de nitrates dans les bassins versants d'amont pourrait avoir un impact sur le ruissellement à mesure qu'il se déplace vers l'aval. Mais il est raisonnable de croire qu'il le pourrait. Prenez les régions agricoles, par exemple. Historiquement, nous avons ajouté de l'azote aux sols des terres agricoles comme engrais. Par conséquent, il y a eu une accumulation de nitrates dans les eaux souterraines et d'émissions d'oxyde nitreux dans l'air dans les principales régions agricoles. Donc, tandis que l'excès de nitrates dans l'eau à proximité de notre site de recherche éloigné pourrait ne pas constituer une menace importante pour la santé humaine, nous ne pouvons pas être sûrs qu'il en soit de même en aval dans les eaux à l'intérieur et autour des terres qui sont intensivement utilisées.

Q. Nous avons commencé par discuter de la sécheresse et de la chaleur record dans le Colorado et dans l'ouest des États-Unis. Si les températures estivales et le manque de précipitations sont une indication, il semble peu probable que nous puissions nous attendre à ce que l'automne et l'hiver soient plus conformes à la norme historique. Ces schémas erratiques sont-ils préoccupants ?

A. Le moment de la fonte des neiges est essentiel à la croissance des plantes et à la durée de la saison de croissance, établissant le point de départ pour le moment où les plantes sortent de leur dormance hivernale et commencent à pousser. Le moment exact de la fonte des neiges est également essentiel pour notre travail car il représente l'une des périodes les plus importantes et les plus dynamiques de l'année - une période où il y a beaucoup à étudier et à comprendre.

Les modélisateurs géochimiques comme moi bénéficient d'un accès à des données de qualité sur les modèles de neige, Température, humidité, et d'autres facteurs susceptibles de provoquer des changements dans les bassins versants montagneux. Depuis des décennies, les hydrologues pourraient programmer leurs observations sur le terrain en fonction du moment relativement prévisible de la fonte des neiges et de l'épaisseur du manteau neigeux en fonction des modèles historiques. La cohérence relative des précipitations et de la température nous permet également de prédire la réponse future du bassin versant à ces facteurs en fonction des tendances précédentes, en plus des observations actuelles.

D'énormes fluctuations dans l'accumulation et la fonte de la neige nous ont obligés à développer un réseau de capteurs qui mesurent de manière autonome la température et l'eau du sol et capturent en continu des vidéos de la surface de la neige. De cette façon, nous pouvons « observer » le début de la fonte des neiges grâce aux changements d'eau et de température et prédire la plage de dates probable des conditions sans neige une semaine ou deux à l'avance. Alors on mobilise nos équipes et nos équipements et on se lance !

Avec les changements dans les communautés végétales dus à la fonte précoce des neiges, nous ne savons pas encore dans quelle mesure ces nouvelles communautés végétales travailleront ensemble pour absorber l'azote et d'autres nutriments. Étant donné que ces nouvelles communautés végétales peuvent prendre des années à s'établir, nous devons utiliser des modèles informatiques pour prédire ce qui pourrait arriver. Avec le décalage du moment de la fonte des neiges par rapport aux tendances historiques - et en évolution même d'une année à l'autre, il devient encore plus difficile de prédire ce que les changements de température et de précipitations signifieront pour l'approvisionnement en eau dans deux ans, beaucoup moins 10 ou 50 ans.

Notre meilleur espoir est de construire les meilleurs modèles informatiques possibles qui peuvent explorer numériquement tous ces facteurs (moment de la fonte des neiges, la sécheresse, moussons, les espèces végétales, etc.) combinés, et tester ces modèles avec des données de terrain. De cette façon, nous espérons prédire la quantité et la qualité futures de notre eau à mesure qu'elle s'écoule en aval et qu'elle aura un impact sur les utilisateurs et les écosystèmes très éloignés de son origine dans le cours supérieur du fleuve Colorado.