Проведите время в любом из великих лесов мира, и вы начнете видеть деревья как огромные столбы, поддерживающие небеса и прочно закрепленные на земле. Это столько же фактов, сколько и чувств. Деревья действительно связывают землю с небом, обмениваясь энергией и веществом между почвой и атмосферой. Исследователи считают, что понимание этой связи может обеспечить как богатую научную информацию об экосистемах, так и практические приложения для решения таких проблем, как сохранение и управление водными ресурсами.
Недавнее исследование, проведенное под руководством Марка Мэйса из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, исследует, как закономерности потери воды деревьями в атмосферу, отслеживаемые с помощью спутниковых изображений, связаны с запасами грунтовых вод. Результаты подтверждают в масштабах всего ландшафта идеи, предложенные учеными на основе десятилетий исследований в лабораториях и теплицах. Более того, эти методы позволяют точно и эффективно контролировать ресурсы подземных вод на больших площадях. Результаты опубликованы в журнале Hydrological Processes..
При всем своем разнообразии большинство растений имеют очень простой план игры. Используя энергию солнечного света, они объединяют воду из земли с углекислым газом из воздуха для производства сахаров и кислорода. Во время фотосинтеза растения открывают небольшие поры в своих листьях, чтобы поглощать CO2, что также позволяет воде выходить. Этот процесс потери воды называется эвапотранспирацией - сокращение от испарения почвы и транспирации растений - и, по сути, это транзакционные издержки транспортировки ингредиентов для фотосинтеза к листьям, где происходит процесс..
Так же, как испаряющийся пот охлаждает наше тело, эвапотранспирация деревьев охлаждает лес. При должном понимании и наличии технологий ученые могут использовать тепловизионные изображения со спутников, а также пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, чтобы понять взаимосвязь между растениями и грунтовыми водами: более низкие температуры коррелируют с большей эвапотранспирацией.
"Основная гипотеза этой статьи заключается в том, что вы можете использовать взаимосвязь между водопотреблением растений, [измеренным] по данным [спутниковых] изображений, и климатическими данными, включая температуру воздуха и осадки, для оценки доступности и изменений в ресурсах подземных вод», - сказал Мэйс, ученый-геолог и эксперт по дистанционному зондированию из университетского Института исследования Земли (ERI).
Мейс и его коллеги сосредоточились на флоре рек засушливых земель - в пустынях и средиземноморском климате. В этих регионах многие растения развили приспособления, которые сводят к минимуму потерю воды, такие как медленный рост, задержка воды или жизненные циклы подъема-спада. Однако растения, которые преобладают в руслах рек, такие как платан, тополь и ивы, эволюционировали, чтобы использовать избыток грунтовых вод, которые среда обитания предлагает по сравнению с окружающим ландшафтом.
«Вместо того, чтобы замедлять потребление воды, когда воды становится мало, эта растительность в основном напивается до смерти», - сказал Мэйс. Это делает его хорошим окном в условия под поверхностью.
Команда использовала спутниковую тепловизионную съемку для наблюдения за температурой в коридоре реки Сан-Педро в южной Аризоне. В безоблачные дни спутники могут собирать данные о температуре поверхности с высоким разрешением на больших участках земли. Сравнив температуру вдоль реки с температурой в близлежащих районах с более редкой растительностью, исследователи смогли определить степень эвапотранспирации в разных частях реки в разное время. Они обнаружили, что она коррелирует с температурой воздуха в богатых водой районах и с количеством осадков в районах с дефицитом воды.
Выводы подтверждают последние достижения в нашем понимании использования воды растениями. Чем жарче и суше воздух, тем сильнее он вытягивает воду из листьев, и тем больше воды использует растение. Следовательно, Мэйс и его коллеги ожидали, что эвапотранспирация будет зависеть от температуры воздуха, если в ручье достаточно грунтовых вод, из которых растения могут черпать воду.
С другой стороны, там, где мало грунтовых вод, растения закроют отверстия на листьях, чтобы избежать потери воды; более важно избегать высыхания, чем пользоваться дополнительным солнечным светом в теплый день. В результате эвапотранспирация будет гораздо сильнее коррелировать с осадками и речным стоком, что увеличивает поступление воды к деревьям через их корни.
Ученые продемонстрировали предсказуемый эффект эвапотранспирации в снижении температуры поверхности в лабораторных и небольших полевых экспериментах. Однако это первое исследование, демонстрирующее его влияние на большие территории. Технология, которая сделала это возможным, созрела только за последние пять лет.
«Этот метод дистанционного зондирования показывает большие перспективы для определения соответствующих климатических факторов по сравнению с другими факторами контроля над ростом и здоровьем деревьев даже в узких полосах растительности вдоль рек», - сказал соавтор Майкл Сингер, исследователь ERI и ведущий исследователь. проект, который финансировал работу Мэйса.
На самом деле, эти экосистемы жизненно важны для юго-запада США. «Несмотря на то, что они занимают около 2% ландшафта, более 90% биоразнообразия на юго-западе зависят от этих экосистем», - сказала соавтор исследования Памела Наглер. ученый из Юго-западного биологического научного центра Геологической службы США.
Те же методы, которые используются в статье, могут быть применены к извечной проблеме мониторинга подземных вод. На самом деле, эта идея помогла мотивировать исследование в первую очередь. «Очень сложно отслеживать доступность подземных вод и изменения в ресурсах подземных вод в действительно важных локальных масштабах», - сказал Мэйес. «Мы говорим о фермерских полях или речных коридорах ниже по течению от новых жилых комплексов».
Мониторинговые скважины эффективны, но предоставляют информацию только для одной точки на карте. Более того, они дороги в бурении и обслуживании. Башни потока могут измерять обмен газами между поверхностью и атмосферой, включая водяной пар. Но они имеют те же недостатки, что и колодцы, с точки зрения стоимости и масштаба. Ученым и заинтересованным сторонам нужны надежные и экономичные методы мониторинга водоносных горизонтов, обеспечивающие широкий охват и в то же время высокое разрешение. Это трудная задача.
Хотя это может быть не так точно, дистанционное тепловидение с самолетов и спутников может поставить все эти галочки. Он предлагает широкий охват и высокое разрешение, используя существующую инфраструктуру. И хотя это работает только в коридорах ручьев, «необычайное количество сельскохозяйственных земель и населенных пунктов в засушливых местах оказывается там, где есть вода, вдоль русел ручьев», - сказал Мейс..
Идея состоит в том, чтобы искать сдвиги в отношениях эвапотранспирации к климатическим переменным с течением времени. Эти изменения будут сигнализировать о переключении между богатыми водой и бедными водой условиями. «Обнаружение этого сигнала на больших площадях может быть ценным ранним предупреждением об истощении ресурсов подземных вод», - сказал Мэйс. Этот метод может помочь в мониторинге и принятии прагматичных решений по использованию подземных вод.
Это исследование является частью более крупного проекта Министерства обороны (DOD), направленного на понимание того, насколько уязвимы речные среды обитания к засухам на базах DOD в засушливых районах США. «Мы используем несколько методов, чтобы понять, когда и почему эти растения испытывают стресс из-за нехватки воды», - сказал Сингер, ведущий ученый проекта. «[Мы надеемся] эти новые знания могут помочь в управлении этими чувствительными экологическими биомами, особенно на военных базах в засушливых районах, где эти нетронутые места обитания поддерживают многочисленные исчезающие и находящиеся под угрозой исчезновения виды».
Мейес добавил: «То, что идет по трубе, - это целый комплекс работ, посвященных реакции экосистем на нехватку воды и водный стресс в пространстве и времени, которые информируют нас о том, как мы понимаем реакцию экосистемы, а также улучшаем мониторинг».