Voorspellen hoe toenemende CO2 in de atmosfeer de hydrologische cyclus zal beïnvloeden, van extreme weersvoorspellingen tot langetermijnprognoses voor landbouw en watervoorraden, is van cruciaal belang voor zowel het dagelijks leven als de toekomst van de planeet. Algemeen wordt aangenomen dat hydrologische veranderingen worden veroorzaakt door neerslag- en stralingsveranderingen veroorzaakt door klimaatverandering, en dat als het landoppervlak zich aanpast, stijgende temperaturen en minder neerslag zullen de planeet droger maken.

Onderzoekers van Columbia Engineering hebben ontdekt dat, Integendeel, vegetatie een dominante rol speelt in de watercyclus van de aarde en dat planten de toenemende druk op de continentale watervoorraden in de toekomst zullen reguleren en domineren. De studie, onder leiding van Pierre Gentine, universitair hoofddocent aarde- en milieutechniek aan Columbia Engineering en aan het Earth Institute, wordt vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Onze bevinding dat vegetatie een sleutelrol speelt in de toekomst in de hydrologische respons op het land en waterstress is van het grootste belang om toekomstige droogte en watervoorraden goed te voorspellen, " zegt Gentine, wiens onderzoek zich richt op de relatie tussen hydrologie en atmosferische wetenschap, land/atmosfeer interactie, en de impact ervan op klimaatverandering. "Dit zou een echte game-changer kunnen zijn voor het begrijpen van veranderingen in continentale waterstress in de toekomst."

Gentine's team is de eerste die de reactie van vegetatie isoleert van de totale complexe reactie van de opwarming van de aarde, die variabelen voor de waterkringloop omvat zoals verdamping (het water dat van het oppervlak verdampt, zowel van planten als kale grond) bodemvocht, en afvoer. Door de vegetatiereactie op de wereldwijde stijging van CO2 te ontwarren van de atmosferische (broeikasgas)reactie, ze waren in staat om het te kwantificeren en ontdekten dat de vegetatie eigenlijk de dominante factor is die toekomstige waterstress verklaart.

"Planten zijn echt de thermostaat van de wereld, " zegt Léo Lemordant, Gentine's promovendus en hoofdauteur van het artikel. "Ze zijn in het midden van het water, energie, en koolstofkringlopen. Terwijl ze koolstof uit de atmosfeer opnemen om te gedijen, ze geven water af dat ze uit de bodem halen. Dat doen, ze koelen ook het oppervlak af, controle over de temperatuur die we allemaal voelen. Nu weten we dat vooral planten - niet alleen neerslag of temperatuur - ons zullen vertellen of we in een drogere of nattere wereld zullen leven."

Voor de studie, Gentine en Lemordant namen aardse systeemmodellen met ontkoppelde oppervlakte- (vegetatiefysiologie) en atmosferische (stralings) CO2-responsen en gebruikten een multi-model statistische analyse van CMIP5, de meest actuele reeks gecoördineerde klimaatmodelexperimenten opgezet als een internationaal samenwerkingsproject voor het International Panel on Climate Change. Ze gebruikten drie runs:een controlerun met CO2 op bladniveau en in de atmosfeer, een run waarbij alleen de vegetatie reageert op een stijging van CO2, en een run waarbij alleen de atmosfeer reageert op de CO2-toename.

Hun resultaten toonden aan dat veranderingen in de belangrijkste variabelen van waterstress sterk worden gewijzigd door fysiologische effecten van de vegetatie als reactie op verhoogde CO2 op bladniveau, illustreren hoe diep de fysiologische effecten als gevolg van toenemende atmosferische CO2 invloed hebben op de watercyclus. De CO2-fysiologische respons speelt een dominante rol bij verdamping en heeft een groot effect op de lange termijn afvoer en bodemvocht in vergelijking met stralings- of neerslagveranderingen als gevolg van verhoogde atmosferische CO2.

Deze studie benadrukt de sleutelrol van vegetatie bij het beheersen van de toekomstige hydrologische respons op het land en benadrukt dat de continentale koolstof- en watercycli nauw met elkaar verbonden zijn over land en moeten worden bestudeerd als een onderling verbonden systeem. Het benadrukt ook dat hydrologen moeten samenwerken met ecologen en klimaatwetenschappers om toekomstige watervoorraden beter te kunnen voorspellen.

"De fysiologische effecten van de biosfeer en gerelateerde interacties tussen de biosfeer en de atmosfeer zijn de sleutel tot het voorspellen van toekomstige continentale waterstress zoals weergegeven door verdamping, langdurige afvoer, bodemvocht, of bladoppervlak index, " zegt Gentine. "Op zijn beurt, vegetatie waterstress reguleert grotendeels de opname van koolstof op het land, verder benadrukkend hoe nauw de toekomstige koolstof- en watercycli zijn gekoppeld, zodat ze niet afzonderlijk kunnen worden geëvalueerd."

Gentine en Lemordant zijn van plan om de verschillende fysiologische effecten verder te ontwarren. "De vegetatiereactie is zelf inderdaad complex, " Gentine zegt, "en we willen de impact van biomassagroei versus stomatale respons ontleden. Er zijn ook implicaties voor extreme hittegolfgebeurtenissen waaraan we momenteel werken."

"Dit werk benadrukt een belangrijke behoefte om verder te bestuderen hoe planten zullen reageren op stijgende koolstofdioxide in de atmosfeer, " zegt James Randerson, hoogleraar aardsysteemwetenschap, Universiteit van Californië, Irvine, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Planten kunnen een groot effect hebben op het klimaat op het land, en we moeten beter begrijpen hoe ze zullen reageren op kooldioxide, opwarming, en andere vormen van wereldwijde verandering."