Undersøgelsen bruger fjernmåling til at overvåge grundvandet langs flodkorridorer i sydvest

Tilbring tid i enhver af verdens store skove, og du vil begynde at se træerne som enorme søjler, der holder himlen højt, mens de er solidt forankret i jorden. Det er lige så meget fakta som følelse. Træer forbinder virkelig jorden med himlen ved at udveksle energi og stof mellem jorden og atmosfæren. Forskere mener, at forståelsen af ​​denne sammenhæng kan give både et væld af videnskabelig indsigt i økosystemer og praktiske anvendelser, der adresserer udfordringer såsom bevarelse og forvaltning af vandressourcer.

En nylig undersøgelse ledet af UC Santa Barbaras Marc Mayes undersøger, hvordan mønstre i trævandtab til atmosfæren, spores med satellitbilleder, vedrører grundvandsforsyning. Resultaterne validerer ideer i landskabsmæssig skala, som forskere har foreslået baseret på årtiers forskning i laboratorier og drivhuse. Hvad mere er, teknikkerne egner sig til en nøjagtig, effektiv måde at overvåge grundvandsressourcer over store områder. Resultaterne fremgår af journalen Hydrologiske processer .

På trods af al deres mangfoldighed, de fleste planter har en meget enkel spilplan. Ved at bruge energi fra sollys, de kombinerer vand fra jorden med kuldioxid fra luften for at producere sukker og ilt. Under fotosyntesen, planter åbner små porer i deres blade for at optage CO ₂ , som også tillader vand at slippe ud. Denne proces med vandtab kaldes evapotranspiration - en forkortelse for jordfordampning og plantetranspiration - og det er i bund og grund en transaktionsomkostning ved at transportere ingredienserne til fotosyntese til bladene, hvor processen finder sted.

Ligesom fordampende sved køler vores egen krop ned, evapotranspirationen fra træerne køler skoven ned. Med den rette forståelse og teknologi, videnskabsmænd kan bruge termiske billeddata fra satellitter samt bemandede og ubemandede fly til at forstå forholdet mellem planter og grundvand:køligere temperaturer korrelerer med mere fordampning.

"Kernehypotesen i dette papir er, at du kan bruge relationer mellem plantevandsforbrug [som] målt ved [satellit] billeddata, og klimadata, herunder lufttemperatur og nedbør, at måle tilgængeligheden af, og ændringer i, grundvandsressourcer, " sagde Mayes, en jordforsker og fjernmålingsekspert baseret på universitetets Earth Research Institute (ERI).

Mayes og hans kolleger fokuserede på floraen af ​​tørlandsfloder - dem i ørkener og middelhavsklimaer. I hele disse regioner, mange planter har udviklet tilpasninger, der minimerer vandtab, som langsom vækst, vandretention eller bom-bust livscyklusser. Imidlertid, planter, der dominerer flodkanaler - arter som platan, bomuldstræ og piletræer – udviklet til at drage fordel af det overskydende grundvand habitatet tilbyder i forhold til det omgivende landskab.

"I stedet for at bremse dets vandforbrug, når vandet bliver knapt, denne vegetation vil dybest set drikke sig ihjel, " sagde Mayes. Dette gør det til et godt vindue til forhold under overfladen.

Holdet brugte satellitbaseret termisk billeddannelse til at se på temperaturer på tværs af San Pedro-flodens korridor i det sydlige Arizona. På skyfri dage kan satellitterne indsamle data om overfladetemperaturer i høj opløsning over store landområder. Ved at sammenligne temperaturerne langs floden med dem i nærheden, mere tyndt bevoksede områder, forskerne var i stand til at bestemme omfanget af evapotranspiration langs forskellige dele af floden på forskellige tidspunkter. De fandt ud af, at det korrelerede med lufttemperaturen i vandrige miljøer og med nedbør i miljøer med knaphed på vand.

Resultaterne understøtter de seneste fremskridt i vores forståelse af brugen af ​​plantevand. Jo varmere og tørrere luften er, jo stærkere det trækker vand fra bladene, og jo mere vand planten bruger. Følgelig, Mayes og hans kolleger forventede at se evapotranspiration variere med lufttemperaturen, så længe åen har rigeligt grundvand, som planterne kan trække på.

På den anden side, hvor der er mangel på grundvand, planter vil lukke åbningerne på deres blade for at undgå vandtab; det er vigtigere at undgå udtørring end at drage fordel af det ekstra solskin på en varm dag. Som resultat, evapotranspiration vil korrelere meget stærkere med nedbør og strømning, hvilket øger tilførslen af ​​vand til træer gennem deres rødder.

Forskere havde demonstreret den forudsigelige effekt af evapotranspiration i at sænke overfladetemperaturer i laboratorie- og små felteksperimenter. Imidlertid, dette er den første undersøgelse, der viser dens indvirkning på store områder. Teknologien, der gjorde dette muligt, er kun blevet modnet inden for de seneste fem år.

"Denne fjernmålingsmetode viser et stort løfte for at identificere de relevante klimatiske kontra andre kontroller på trævækst og sundhed, selv inden for smalle bånd af vegetation langs floder, " sagde medforfatter Michael Singer, en forsker ved ERI og ledende efterforsker på det projekt, der finansierede Mayes' arbejde.

Faktisk, disse økosystemer er meget vigtige for det sydvestlige USA. "På trods af at de fylder omkring 2% af landskabet, over 90% af biodiversiteten i sydvest afhænger af disse økosystemer, " sagde medforfatter Pamela Nagler, en forsker ved U.S. Geological Survey's Southwest Biological Science Center.

De samme teknikker, der blev brugt i papiret, kunne anvendes på den flerårige udfordring med grundvandsovervågning. Faktisk, denne idé var med til at motivere undersøgelsen i første omgang. "Det er meget svært at overvåge grundvandstilgængeligheden og ændringer i grundvandsressourcerne på den virkelig lokale skala, der betyder noget, " sagde Mayes. "Vi taler om landmænds marker eller flodkorridorer nedstrøms for nye boligbyggerier."

Overvågningsbrønde er effektive, men giv kun oplysninger om ét punkt på kortet. Hvad mere er, de er dyre at bore og vedligeholde. Fluxtårne ​​kan måle udvekslingen af ​​gasser mellem overfladen og atmosfæren, inklusive vanddamp. Men de har lignende ulemper som brønde med hensyn til omkostninger og skala. Forskere og interessenter ønsker pålidelige, omkostningseffektive metoder til at overvåge grundvandsmagasiner, der giver bred dækning samtidig med høj opløsning. Det er en stor ordre.

Selvom det måske ikke er helt så præcist som en brønd, fjerntermisk billeddannelse fra fly og satellitter kan afkrydse alle disse felter. Det giver bred dækning og høj opløsning ved hjælp af eksisterende infrastruktur. Og selvom det kun virker langs vandløbskorridorer, "en uforholdsmæssig mængde landbrugsjord og menneskelige bosættelser på tørre steder ender med at være, hvor vandet er, langs vandløbsstier, " sagde Mayes.

Ideen er at lede efter skift i forholdet mellem evapotranspiration og klimavariabler over tid. Disse ændringer vil signalere et skift mellem vandrige og vandfattige forhold. "At opdage dette signal over store områder kan være et værdifuldt tidligt advarselstegn på udtømning af grundvandsressourcer, " sagde Mayes. Teknikken kunne informere overvågning og pragmatisk beslutningstagning om grundvandsbrug.

Denne undersøgelse er en del af et større Department of Defense (DOD) projekt, der har til formål at forstå, hvor sårbare flodhabitater er over for tørke på DOD-baser i tørre områder i USA "Vi bruger flere metoder til at forstå, hvornår og hvorfor disse planter bliver stressede pga. mangel på vand, " sagde Singer, projektets ledende videnskabsmand. "[Vi håber] denne nye viden kan understøtte håndteringen af ​​disse følsomme økologiske biomer, især på militærbaser i tørre områder, hvor disse uberørte levesteder understøtter adskillige truede og truede arter."

Mayes tilføjede, "Det, der kommer ned ad røret, er et helt ensemble af arbejde, der ser på økosystemers reaktioner på vandknaphed og vandstress på tværs af rum og tid, som informerer om måder, hvorpå vi både forstår økosystemrespons og også forbedrer overvågningen."