Tijdens de langste droogte in de moderne geschiedenis van Californië, een paar UO-onderzoekers trokken de bossen van de Sierra Nevada in om te onderzoeken hoe de bossamenstelling de watervoorziening beïnvloedt en welke veranderingen kunnen optreden als klimaatverandering de ecologische samenstelling van bossen verandert.

Wat ze vonden is een manier om de relatie tussen bomen en bodems te gebruiken om verschuivingen in water- en koolstofniveaus in deze bergbossen en stroomgebieden te voorspellen. Door hun bevindingen te combineren met historische gegevens, ze suggereren een mogelijke toename van 10 tot 60 procent in regionaal waterverlies, aangezien klimaatverandering boomsoorten ertoe aanzet om naar verschillende hoogten te migreren.

UO-postdoctoraal onderzoeker Toby Maxwell van het Instituut voor Ecologie en Evolutie en Lucas Silva, een professor in milieustudies en geografie, leidde de studie, die werd gedaan in samenwerking met bodemwetenschapper Will Horwath van de Universiteit van Californië, Davy. De studie verscheen in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"De droogte in Californië zou naar verwachting veranderingen veroorzaken in bergachtige boslandschappen en we waren geïnteresseerd om te proberen te begrijpen hoe deze veranderingen de cyclus van twee belangrijke natuurlijke hulpbronnen zouden kunnen beïnvloeden - water en koolstof, " zei Maxwell, hoofdauteur van de studie. "We ontdekten dat het samenspel van boomsoorten en bodemeigenschappen nuttig is voor een beter begrip van koolstof-waterrelaties en voor het voorspellen van veranderingen in de manier waarop water door deze bossen beweegt."

De onderzoekers richtten zich op bossamenstelling omdat bomen een centrale rol spelen in de beweging en beschikbaarheid van water. Dit gebeurt voornamelijk door transpiratie, een proces waarbij vocht van bomen in de atmosfeer terechtkomt.

Als een boom meer water van de bodem naar de atmosfeer transporteert, er zal minder water in rivieren en reservoirs stromen. Maar de exacte aard van de rol van elke boom en wat dat betekent voor het water- en koolstofgehalte varieert sterk op basis van een aantal biologische en omgevingsfactoren.

Deze factoren veranderen voortdurend, onderzoekers zeiden, omdat bossen mee veranderen met het klimaat, omdat planten en bomen reageren op stijgende temperaturen en fluctuerende neerslagpatronen. In de Siërra Nevada, er zijn jarenlange gegevens waaruit blijkt dat bepaalde soorten bomen op grotere hoogten beginnen te groeien naarmate de klimaattrends van de staat heter en droger worden.

"Langetermijnmonitoringplots in de Sierra Nevada laten zien dat loofbomen zich uitbreiden naar grotere hoogten, "Zei Silva. "Een van de belangrijkste reacties op klimaatverandering in bergachtige omgevingen is de migratie van bomen bergopwaarts."

Aangezien deze stroomgebieden van bossen water leveren aan maar liefst 20 miljoen mensen in Californië, verschuivingen in deze bossen - en het water dat door hun stroomgebieden stroomt - kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor de staat.

"Een van de belangrijkste redenen waarom ik geïnteresseerd was om te onderzoeken wat veranderingen in bossamenstelling zouden kunnen betekenen voor water- en koolstofcycli, is vanwege de implicaties voor natuurlijke hulpbronnen en deze landschappen, ' zei Maxwell.

Maxwell was ook geïnteresseerd in het gebruik van zijn onderzoek om een ​​gebied met grote onzekerheid in de werking van bossen te onderzoeken:het samenspel van bodem- en boomsoorten.

Vanaf drie verschillende hoogtes in de Sierra Nevada, van granieten hellingen buiten Lake Tahoe tot de vulkanische flanken van Mount Lassen, ze verzamelden 225 monsters van bodem- en plantenstrooisel en 345 bladmonsters van negen soorten bomen om de efficiëntie van het watergebruik te meten - een index die laat zien hoeveel water verloren gaat via transpiratie in verhouding tot de hoeveelheid koolstofdioxide die ze uit de lucht halen - over verschillende landschappen.

"Ik heb mijn tweede doctoraat behaald in maalinstallaties, " grapte Maxwell, die de hulp inriep van een koffiemolen en zuuroplossingen om zich een weg te banen door de vroege stadia van het extraheren van cellulose uit honderden bladeren en dennennaalden.

Een van de eerste waarnemingen was een raadselachtige:de gegevens toonden aan dat bomen op locaties met de meeste neerslag het meest waterstress hadden - wat betekent dat de bomen water rantsoeneren omdat ze voelden dat het een schaarse hulpbron was. Dat lijkt contra-intuïtief, gezien de aanzienlijke regenval in de regio waar deze bomen stonden, zei Maxwell.

Toen de onderzoekers dieper in de gegevens groeven en de bodem onderzochten, ontdekten ze dat de grond niet veel water vasthield, transpiratie beperken. Dit was een van hun eerste belangrijke ontdekkingen om te begrijpen hoe bodem en soorten op elkaar inwerken om te beïnvloeden hoe water van het land naar de lucht beweegt.

Ze gingen door met het sorteren van enorme hoeveelheden gegevens om informatie te extraheren over hoe elke boomsoort water transporteert en hoe dat verandert op basis van de grond waarin ze zijn geworteld.

"In het begin waren het nogal luidruchtige gegevens. Het was echt die interactie tussen bomen en bodemontwikkeling die leidde tot zinvolle afhaalrestaurants, " zei Silva. "Als je alleen naar bomen kijkt, je ziet een heleboel datapunten, zonder duidelijke trend. Als je eenmaal hun interacties met bodem en atmosferische veranderingen in overweging neemt, het heeft echt zin."

Door de interacties te onderzoeken, ze waren in staat om hun gecompliceerde dataset om te zetten in gecondenseerde bevindingen die helpen bepalen welke combinaties van bomen en grond verschillende niveaus van transpiratie produceren.

"We ontdekten dat de hoeveelheid waterverlies sterk varieert tussen verschillende boomsoorten en dat verschillende soorten bodem die invloed reguleren, ' zei Maxwell.

Silva heeft toegevoegd, "Als je die twee samenvoegt, je kunt gaan van begrijpen wat er op bladniveau gebeurt naar begrijpen wat het betekent voor het landschap."

De bevindingen moeten nuttig zijn voor bosbeheerders en beleidsmakers bij het nadenken over hoe ze bossen en natuurlijke hulpbronnen strategisch kunnen beheren, zeiden Maxwell en Silva. De informatie moet ook helpen bij het modelleren van hoe klimaatverandering landschappen zal beïnvloeden.

Maxwell is van plan dit onderzoek voort te zetten in Silva's Soil-Plant-Atmosphere Research Lab aan de UO via een nieuw toegekende subsidie ​​van het National Geographic Committee for Research and Exploration. De nieuwe studie, "De klimaatparadox:de veerkracht en kwetsbaarheid van de bossen van Montane in kaart brengen, " zal nieuwe locaties uit bossen in heel Oregon bevatten.

De onderzoekers zijn van plan om regionale kaarten van watergebruik en koolstofvastlegging te genereren in samenwerking met wetenschappers van het Infographics Lab van de UO-afdeling Geografie.