Je zou verwachten dat planten die hopen te gedijen in Californië's boom-of-bust regencyclus, ervoor zouden kiezen om hun wortels te vestigen op een plek waar veel water ondergronds kan worden opgeslagen om droogtejaren te doorstaan.

Maar enkele van de meest succesvolle plantengemeenschappen in de staat - en waarschijnlijk in mediterrane klimaten wereldwijd - die worden gekenmerkt door natte winters en droge zomers, hebben een andere benadering gekozen. Ze hebben geleerd te gedijen in gebieden met een ondergrondse wateropslagcapaciteit die nauwelijks groot genoeg is om het water vast te houden dat zelfs in magere jaren valt.

Verrassend genoeg, deze planten doen het goed in zowel laagwater als regenachtige jaren, juist omdat de bodem en verweerde rots onder de grond zo weinig water opslaan in verhouding tot de geleverde regen.

"Het belangrijkste punt van onze studie is dat, op veel plaatsen aan de noordkust, de opslagcapaciteit is klein in verhouding tot hoeveel het regent, " zei Jesse Hahm, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en een van de twee eerste auteurs van de studie. "Omdat de capaciteit van de ondergrond om water op te slaan tijdens het natte seizoen klein is, het regent nog steeds genoeg, zelfs in de droge jaren, om de watervoorraad aan te vullen. De beperkte ondergrondse opslagcapaciteit is het belangrijkste mechanisme dat de planten en de beschikbaarheid van water in de zomer loskoppelt van grote schommelingen bij winterse regenval."

Als resultaat, deze planten zijn veel veerkrachtiger in droge jaren, zoals blijkt uit de relatief ongeschonden noordkust van Californië tijdens recente droogtes die honderden miljoenen bomen in de Sierra Nevada hebben gedood.

"Omdat het ondergrondse water zelfs in droge jaren wordt aangevuld, in de zomer voelen deze planten evenveel watertoevoer onder de grond, hoeveel regen er ook viel in de winter, " zei Hahm. "Ze weten niet echt of het veel of weinig heeft geregend, omdat ze elke zomer dezelfde hoeveelheid water onder de grond hebben opgeslagen."

Aan de andere kant, planten die tegenwoordig groeien op grond die net zoveel water kan opnemen als de winterregens kunnen bieden, zijn gastheerplanten die te maken zullen krijgen met het steeds droger wordende klimaat van de staat, waardoor ze gevaar lopen als het klimaat verandert. Dit kan een probleem zijn voor plantengemeenschappen in Sierra Nevada die minder afhankelijk zijn van een aanhoudende sneeuwlaag en in toenemende mate van opgeslagen ondergronds water om de droge zomer door te komen.

Hahm en David Dralle, de andere eerste auteur en een voormalige afgestudeerde student van Berkeley die een assistent-professor is aan de Sacramento State University, hun bevindingen beschrijven, samen met hun collega's, in een paper dat onlangs is geaccepteerd door het tijdschrift Geofysische onderzoeksbrieven en nu online.

Rotsvocht

Terwijl de meeste mensen denken dat planten alleen afhankelijk zijn van water dat in de bovengrond is opgeslagen, William Dietrich van Berkeley, hoogleraar aard- en planetaire wetenschappen, en pas afgestudeerde Daniella Rempe, een assistent-professor aan de Universiteit van Texas, Austin, onlangs ontdekt dat water dat is opgeslagen in gebroken en verweerd gesteente onder de grond een even grote of grotere rol speelt. Wat Dietrich en Rempe 'rotsvocht' noemen, kan een aanzienlijk deel uitmaken van waar planten jaarlijks van afhankelijk zijn.

Een belangrijke implicatie van de nieuwe studie, Dietrich zegt, is dat wereldwijde klimaatmodellen rotsvocht in hun berekeningen moeten opnemen om de effecten van droogte of zware regenval nauwkeurig weer te geven en te voorspellen. In recente jaren, door droogte of hitte gedode bomen hebben geleid tot catastrofale bosbranden in Californië, Spanje, Griekenland, Australië en veel regio's met een droge, Mediterraans klimaat.

"Begrijpen hoe water diep in het verweerde gesteente wordt opgeslagen en hoe variaties in die watervoorziening en in regenval de watervoorziening van planten in die zone beïnvloeden, is uiterst belangrijk in een seizoensgebonden droog klimaat, ' zei Hahm.

In hun studie hebben de onderzoekers keken naar 26 sites over de hele staat. Allen waren onder de sneeuwgordel, zodat de winterregen, die ondergronds werd opgeslagen, de dominante waterbron voor de planten was tijdens het droge zomerseizoen. Met behulp van regenvalgegevens en stroomgegevens van de U.S. Geological Survey om de hoeveelheid water te berekenen die jaarlijks ondergronds wordt opgeslagen, ze konden de ondergrondse opslagcapaciteit van de bodem en het verweerde gesteente inschatten.

Van de 26 locaties slechts zeven - allemaal in de Northern Coast Ranges - hadden een beperkte ondergrondse wateropslagcapaciteit en deden het goed tijdens de recente langdurige droogte van de staat, tussen 2011 en 2016. Deze locaties varieerden van gras en eiken savanne en chaparral tot dichte Douglas-sparrenbossen, maar ze werden allemaal gekenmerkt door een lage ondergrondse opslag in verhouding tot de gemiddelde jaarlijkse regenval in het gebied, die vaak hoog is. Het overtollige water dat de ondergrond in de winter niet kon opslaan, liep door de grond en brak gesteente en kwam in de beken terecht.

De andere websites, inclusief de meeste locaties in Zuid-Californië, geleden door de droogte, met afstervende vegetatie en minder gezond, minder groene planten. Ze werden allemaal gekenmerkt door ondergrondse opslag die voldoende is om de meeste neerslag die jaarlijks valt op te vangen, maar dat was uitgeput in jaren van droogte.

Met behulp van satellietbeelden om de productiviteit en gezondheid van de vegetatie op elke locatie te meten, de onderzoekers concludeerden dat de locaties met een hoge relatieve opslagcapaciteit degenen waren die het meest varieerden tussen natte en droge jaren in hoe groen de planten waren. Locaties met een lage ondergrondse opslagcapaciteit in verhouding tot de gemiddelde jaarlijkse neerslag deden het beter, even groen en gezond blijven in zowel droge als natte jaren.

Hahm merkte op dat veel planten in de Sierra Nevada afhankelijk zijn van de sneeuwlaag om hun dorst te lessen tijdens typische regenloze zomers. Maar als de temperatuur stijgt met de opwarming van de aarde, winterneerslag zal steeds meer als regen optreden.

"Op een manier, dit is een kijkje in de toekomst, " zei Hahm. "Als het klimaat warmer wordt, en naarmate de hoogte van de sneeuwgrens in deze bergketens toeneemt, steeds meer plaatsen zullen overschakelen van afhankelijk zijn van sneeuw naar afhankelijk van water dat is opgeslagen in de ondergrond. Om te begrijpen hoe deze beperking van de opslagcapaciteit van invloed zal zijn op fabrieken in de staat in hooggebergtegebieden, moet meer worden onderzocht."

De inzichten over rotsvocht kwamen voort uit een langetermijnproject in het Angelo Coast Range Reserve in Noord-Californië, onderdeel van het UC Natural Reserve System, waar wetenschappers van het Eel River Critical Zone Observatory water uit de lucht door de vegetatie volgden, bodem en gesteente in de stromen en via verdamping en transpiratie terug in de atmosfeer om de levenscyclus van water in het milieu in kaart te brengen. Primaire financiering voor het observatorium, die Dietrich regisseert, komt van de National Science Foundation (EAR 1331940).