Van de tuin in je achtertuin tot je plaatselijke stroomgebied tot heel Noord-Amerika, structurele veranderingen vinden plaats in de bodem onder de voeten - en er zijn aanwijzingen dat dit sneller gaat dan eerder werd gedacht, het veranderen van de waterkwaliteit en -beschikbaarheid in de V.S.

"Watervoorraden worden bepaald door eigenschappen van de bodem net onder het aardoppervlak, " zei Pamela Sullivan, assistent-professor geografie en atmosferische wetenschappen aan de Universiteit van Kansas. "Voor een lange tijd, we dachten dat de eigenschappen van deze bodems langzaam veranderen. Maar er komt veel bewijs aan het licht dat ze sneller reageren op klimaatverandering en verschillende soorten landgebruik. Ze reageren snel omdat biota in de bodem reageert - zowel planten als microben - en terwijl ze dat doen, ze veranderen de eigenschappen van de bodem. Maar we hebben geen goede metingen van hoe dat gebeurt of de mogelijkheid om de interacties en feedback die de watervoorraden in de toekomst zullen bepalen in modellen te verwerken."

Nutsvoorzieningen, Sullivan leidt werk onder een $ 738, 562 subsidie ​​van de National Science Foundation om nieuwe wiskundige modellen te ontwikkelen om de oorzaken van deze waargenomen veranderingen in de bodemstructuur te analyseren - de rangschikking van bodemdeeltjes en poriën - en om de reacties van plant-bodem-water op verschillende omgevingscondities te onderzoeken.

"Dit werk kijkt naar zowel de biogeochemie van de bodem als hoe het de bodemstructuur verandert, Sullivan zei. "Iedereen die geeft om hoe de watervoorraden er in de toekomst uit zullen zien, zal zich hier druk om maken. Projecties en managementbeslissingen en inzicht in de overstromingsdynamiek kunnen worden beïnvloed door de structuur van de bodem. Als we dat niet begrijpen, we zullen niet goed begrijpen hoe het water beïnvloedt."

De KU-onderzoeker zei dat de relatie tussen bodem en water wordt bepaald door de bodemmatrix van mineralen en organisch materiaal en de ruimtes tussen, porositeit genoemd. Deze eigenschappen ondergaan veranderingen die de nieuwe NSF-subsidie ​​zal onderzoeken door enorme hoeveelheden gegevens te filteren.

"Veranderingen in neerslagpatronen leiden tot veranderingen in het systeem zelf, " Sullivan zei. "Het verandert de manier waarop organische koolstof door het systeem kringelt. De structuur verandert om infiltratie van water te bevorderen of afvloeiing te bevorderen - water dat over het landoppervlak stroomt. Hoe meer overlandstroom we hebben, dat gaat gepaard met meer erosie en grotere overstromingen."

Dit onderzoek omvat wat de 'Critical Zone'-benadering van wetenschap wordt genoemd, waarbij wetenschappers uit een breed scala aan disciplines betrokken zijn, van ecologen, pedologen en ingenieurs tot hydrologen, die holistisch denken over de "levende huid" van de aarde - van de top van het bladerdak tot aan de diepten van circulerend grondwater.

Sharon Billings, KU hoogleraar ecologie &evolutionaire biologie en senior wetenschapper bij de Kansas Biological Survey, is co-hoofdonderzoeker. Daniël Hirmas, voorheen aan de KU en nu aan de University of California Riverside, Li Li van de Pennsylvania State University en Alejandro Flores van de Boise State University zijn ook co-onderzoekers.

Het subsidiewerk zal vier postdoctorale wetenschappers financieren en de opleiding van 10 niet-gegradueerde onderzoekers die zullen helpen bij het ontwikkelen van een nieuwe reeks modellen om biologische, fysische en chemische interacties van lokale bodems in de V.S.

"Het is veel rekenwerk en modelbouw, Sullivan zei. "Hoe nemen we gegevens en leiden we relaties af en integreren we modellen op verschillende schalen?"

Inderdaad, het onderzoek zal veranderingen in het weefsel van de bodem aanpakken op schalen zo fijn als één stuk land en zo groot als het hele continent van Noord-Amerika.

"Als we op kleine schaal over bodems nadenken, kunnen we veel meer van de mechanismen begrijpen, of wat drijft wat, " Sullivan zei. "Het is belangrijk omdat we gedetailleerder kunnen zijn en echt kunnen begrijpen hoe veranderingen in de manier waarop microben of wortels functioneren, de manier waarop koolstofcycli kunnen controleren en als een lijm kunnen werken om de bodemstructuur te helpen vormen, en wat dat betekent voor de hoeveelheid water die kan worden opgeslagen en verplaatst. Wanneer we naar de waterscheidingsschalen gaan, we nemen veel meer dynamiek op in termen van hoe water naar beneden stroomt en wat zijn de ruimtelijke veranderingen in termen van vegetatie die het effect van klimaatgedreven veranderingen in het bodemweefsel kunnen versterken. Maar je verliest de fijne schaal qua processen. Als we naar continentale schalen gaan, we nemen deze relaties die we al kennen - zoals op bepaalde hoogten en onder bepaalde omstandigheden verwachten we dat dit zal gebeuren - in plaats van elk afzonderlijk proces in termen van bodem te detailleren. Alle processen zijn actief op alle schalen, maar sommige zijn belangrijker dan andere bij het besturen van waar u naar kijkt. We proberen erachter te komen of zoiets als topografie het belangrijkste is - of is het fietsen van koolstof door microben het belangrijkste op alle schalen?"

Het werk zal nieuwe modelleringsinstrumenten opleveren om de duurzaamheid van het milieu in de loop van de tijd te beoordelen en het vermogen om de dynamiek van land-atmosfeer te voorspellen, te verbeteren, ondergrondse wateropslag, schommelingen in het grondwaterpeil en overstromingen. Verder, het onderzoek zal voor de gemeenschap toegankelijke instrumenten opleveren om te onderzoeken hoe bodem, hydrologische en biogeochemische terugkoppelingen bepalen nutriëntenfluxen.

Sullivan zei dat een deel van het werk zou helpen bepalen of de bodemstructuur een positief feedbacksysteem vormt met het klimaat dat de ernst van klimaatverandering verergert of vermindert.

"Recent bewijs gepubliceerd in het tijdschrift" Natuur door co-PI Hirmas en collega's laat zien dat we onder nattere klimaten een algehele vermindering van de porositeit en het vermogen om water te verplaatsen hebben, "zei ze. "Terwijl de klimaten opdrogen, we zien een toename van de porositeit en het vermogen om water aan te trekken. Naarmate een systeem natter of droger wordt, bodemporositeiten veranderen, en de manier waarop de bodem beweegt en water opslaat, verandert ook. De vraag die we in dit project aanpakken is:'Welke feedback geeft dat aan het klimaat zelf?' uiteindelijk, wanneer land in wisselwerking staat met de atmosfeer, wat wordt uitgewisseld is de distributie van water."