Прекарайте време в някоя от големите гори на света и ще започнете да виждате дърветата като огромни стълбове, държащи небето нагоре, докато са здраво закотвени в земята. Това е колкото факт, толкова и сантимент. Дърветата наистина свързват земята с небето, като обменят енергия и материя между почвата и атмосферата. Изследователите вярват, че разбирането на тази връзка може да предостави както богат научен поглед върху екосистемите, така и практически приложения, които се справят с предизвикателства като опазване и управление на водните ресурси.
Неотдавнашно проучване, ръководено от Марк Мейс от Калифорнийския университет в Санта Барбара, изследва как моделите в загубата на вода от дърветата в атмосферата, проследени със сателитни изображения, са свързани с запасите от подземни води. Резултатите потвърждават идеите в ландшафтен мащаб, които учените са предложили въз основа на десетилетия на изследвания в лаборатории и оранжерии. Нещо повече, техниките се поддават на точен, ефективен начин за наблюдение на ресурсите на подземните води на големи площи. Констатациите се появяват в списание Hydrological Processes.
При цялото си разнообразие повечето растения имат много прост план за игра. Използвайки енергия от слънчевата светлина, те комбинират вода от земята с въглероден диоксид от въздуха, за да произвеждат захари и кислород. По време на фотосинтезата растенията отварят малки пори в листата си, за да поемат CO2, което също позволява на водата да излезе. Този процес на загуба на вода се нарича евапотранспирация - съкратено изпаряване на почвата и транспирация на растенията - и по същество това е транзакционна цена за транспортиране на съставките за фотосинтеза до листата, където се случва процесът.
Точно както изпаряващата се пот охлажда собствените ни тела, така и евапотранспирацията от дърветата охлажда гората. С правилното разбиране и технология учените могат да използват данни за термични изображения от спътници, както и пилотирани и безпилотни самолети, за да разберат връзката между растенията и подземните води: по-ниските температури корелират с повече евапотранспирация.
"Основната хипотеза на тази статия е, че можете да използвате връзките между употребата на растителна вода [както] измерена чрез данни от [сателитни] изображения, и климатичните данни, включително температурата на въздуха и валежите, за да прецените наличието и промените в подземните водни ресурси", каза Мейс, земен учен и експерт по дистанционно наблюдение, базиран в Института за изследване на Земята (ERI) на университета.
Майс и колегите му се фокусираха върху флората на сухите реки - тези в пустините и средиземноморския климат. В тези региони много растения са развили адаптации, които минимизират загубата на вода, като бавен растеж, задържане на вода или жизнени цикли на бум и спад. Въпреки това, растенията, които доминират в речните канали - видове като явор, памук и върби - са еволюирали, за да се възползват от излишните подпочвени води, които местообитанието предлага в сравнение с околния пейзаж.
"Вместо да забавя използването на водата, когато водата стане оскъдна, тази растителност ще се изпие до смърт", каза Мейс. Това го прави добър прозорец в условия под повърхността.
Екипът използва сателитно базирано термично изображение, за да разгледа температурите през коридора на река Сан Педро в южна Аризона. В дните без облаци спътниците могат да събират данни за повърхностните температури с висока разделителна способност върху големи площи земя. Чрез сравняване на температурите по реката с тези в близките, по-рядко растителни райони, изследователите успяха да определят степента на евапотранспирация по различни части на реката в различно време. Те открили, че тя корелира с температурата на въздуха в богати на вода среди и с валежите в среди с недостиг на вода.
Констатациите подкрепят последните постижения в нашето разбиране за използването на растителна вода. Колкото по-горещ и по-сух е въздухът, толкова по-силно издърпва вода от листата и толкова повече вода използва растението. Следователно Мейс и колегите му очакват да видят, че евапотранспирацията варира в зависимост от температурата на въздуха, стига потокът да има изобилие от подпочвени води, от които растенията могат да черпят.
От друга страна, където подземните води са оскъдни, растенията ще затворят отворите на листата си, за да избегнат загуба на вода; по-важно е да избягвате изсушаването, отколкото да се възползвате от допълнителното слънце в топъл ден. В резултат на това евапотранспирацията ще корелира много по-силно с валежите и потока, което увеличава снабдяването с вода на дърветата чрез техните корени.
Учените демонстрираха предвидимия ефект на евапотранспирацията при понижаване на повърхностните температури в лабораторни и малки полеви експерименти. Това обаче е първото проучване, което демонстрира въздействието му върху големи площи. Технологията, която направи това възможно, узря едва през последните пет години.
„Този метод за дистанционно наблюдение показва голямо обещание за идентифициране на съответните климатични спрямо други контроли върху растежа и здравето на дърветата, дори в рамките на тесни ивици растителност покрай реките“, каза съавторът Майкъл Сингър, изследовател в ERI и водещ изследовател на проектът, който финансира работата на Мейс.
Всъщност тези екосистеми са жизненоважни за югозападната част на САЩ "Въпреки че заемат около 2% от ландшафта, над 90% от биоразнообразието в югозападната част разчита на тези екосистеми", каза съавторът Памела Наглер, изследване учен от Югозападния биологичен научен център на Геоложката служба на САЩ.
Същите техники, използвани в статията, могат да бъдат приложени към постоянното предизвикателство за мониторинг на подземните води. Всъщност тази идея помогна за мотивирането на изследването на първо място. „Много е трудно да се следи наличието на подземни води и промените в ресурсите на подземните води в наистина местни мащаби, които имат значение“, каза Мейс. „Говорим за земеделски ниви или речни коридори надолу по течението от нови жилищни комплекси.“
Мониторинговите кладенци са ефективни, но предоставят информация само за една точка на картата. Нещо повече, те са скъпи за пробиване и поддръжка. Кулите с флюс могат да измерват обмена на газове между повърхността и атмосферата, включително водни пари. Но те имат подобни недостатъци като кладенците по отношение на цената и мащаба. Учените и заинтересованите страни искат надеждни, рентабилни методи за наблюдение на водоносни хоризонти, които осигуряват широко покритие в същото време с висока разделителна способност. Това е трудна задача.
Въпреки че може да не е толкова прецизен като кладенец, дистанционното термично изображение от самолети и сателити може да отметне всички тези квадратчета. Той предлага широко покритие и висока разделителна способност, използвайки съществуващата инфраструктура. И въпреки че работи само по протежение на коридорите на потоците, „неограничено количество земеделска земя и човешки селища на сухи места се оказват там, където е водата, по пътеките на потоците“, каза Мейс.
Идеята е да се търсят промени във взаимоотношенията на евапотранспирацията с климатичните променливи във времето. Тези промени ще сигнализират за превключване между богати на вода и бедни на вода условия. „Откриването на този сигнал върху големи площи може да бъде ценен ранен предупредителен знак за изчерпване на подземните водни ресурси“, каза Мейс. Техниката може да информира мониторинга и прагматичното вземане на решения относно използването на подземните води.
Това проучване е част от по-голям проект на Министерството на отбраната (DOD), целящ да разбере колко уязвими са крайречните местообитания към сушите на базите на DOD в сухите райони на САЩ "Ние използваме множество методи, за да разберем кога и защо тези растенията са подложени на стрес поради липса на вода“, каза Сингър, водещ учен на проекта. „[Надяваме се] това ново познание може да подпомогне управлението на тези чувствителни екологични биоми, особено във военни бази в сухи райони, където тези девствени местообитания поддържат множество застрашени и застрашени видове.“
Mayes добави: „Това, което идва надолу по тръбата, е цял комплекс от работа, разглеждаща реакциите на екосистемата към недостига на вода и водния стрес в пространството и времето, която информира начините, по които разбираме реакцията на екосистемата и също така подобряваме мониторинга.“
