Breng tijd door in een van 's werelds grootste bossen en je zult de bomen gaan zien als immense pilaren die de hemel omhoog houden terwijl ze stevig verankerd zijn in de aarde. Het is evenzeer een feit als sentiment. Bomen verbinden de grond echt met de lucht door energie en materie uit te wisselen tussen de grond en de atmosfeer. Onderzoekers zijn van mening dat het begrijpen van dit verband zowel een schat aan wetenschappelijk inzicht in ecosystemen als praktische toepassingen kan bieden die uitdagingen zoals het behoud en beheer van waterbronnen aanpakken.

Een recente studie onder leiding van Marc Mayes van UC Santa Barbara onderzoekt hoe patronen in het waterverlies van bomen naar de atmosfeer, gevolgd met satellietbeelden, heeft betrekking op de grondwatervoorziening. De resultaten valideren op landschapsbrede schaal ideeën die wetenschappers hebben voorgesteld op basis van tientallen jaren onderzoek in laboratoria en kassen. Bovendien, de technieken lenen zich voor een nauwkeurige, efficiënte manier om grondwatervoorraden over grote gebieden te monitoren. De bevindingen verschijnen in het tijdschrift Hydrologische processen .

Voor al hun diversiteit, de meeste planten hebben een heel eenvoudig spelplan. Met behulp van energie uit zonlicht, ze combineren water uit de grond met koolstofdioxide uit de lucht om suikers en zuurstof te produceren. Tijdens fotosynthese, planten openen kleine poriën in hun bladeren om CO . op te nemen ₂ , waardoor ook water kan ontsnappen. Dit proces van waterverlies wordt evapotranspiratie genoemd - een afkorting voor bodemverdamping en planttranspiratie - en het zijn in wezen transactiekosten voor het transporteren van de ingrediënten voor fotosynthese naar de bladeren waar het proces plaatsvindt.

Net zoals verdampend zweet ons eigen lichaam afkoelt, de verdamping van de bomen koelt het bos af. Met de juiste kennis en technologie, wetenschappers kunnen warmtebeeldgegevens van satellieten en bemande en onbemande vliegtuigen gebruiken om de relatie tussen planten en grondwater te begrijpen:koelere temperaturen correleren met meer verdamping.

"De kernhypothese van dit artikel is dat je relaties tussen plantwatergebruik kunt gebruiken [zoals] gemeten door [satelliet]beeldgegevens, en klimaatgegevens inclusief luchttemperatuur en regenval, om de beschikbaarheid te meten, en veranderingen in, grondwatervoorraden, " zei Mayes, een aardwetenschapper en teledetectie-expert aan het Earth Research Institute (ERI) van de universiteit.

Mayes en zijn collega's concentreerden zich op de flora van droge rivieren - die in woestijnen en mediterrane klimaten. In deze regio's, veel planten hebben aanpassingen ontwikkeld die waterverlies minimaliseren, zoals langzame groei, waterretentie of boom-bust levenscycli. Echter, planten die rivierkanalen domineren - soorten zoals plataan, cottonwood en wilgen - ontwikkeld om te profiteren van het overtollige grondwater dat de habitat biedt ten opzichte van het omringende landschap.

"In plaats van het waterverbruik te vertragen wanneer water schaars wordt, deze vegetatie zal zich in principe dooddrinken, "Zei Mayes. Dit maakt het een goed venster op de omstandigheden onder het oppervlak.

Het team gebruikte op satelliet gebaseerde thermische beeldvorming om de temperaturen in de San Pedro River-corridor in het zuiden van Arizona te bekijken. Op wolkenvrije dagen kunnen de satellieten gegevens verzamelen over oppervlaktetemperaturen met hoge resolutie over grote delen van het land. Door de temperaturen langs de rivier te vergelijken met die in de buurt, meer schaars begroeide gebieden, de onderzoekers konden de mate van verdamping langs verschillende delen van de rivier op verschillende tijdstippen bepalen. Ze ontdekten dat het correleerde met de luchttemperatuur in waterrijke omgevingen en met regenval in waterarme omgevingen.

De bevindingen ondersteunen recente vooruitgang in ons begrip van het gebruik van plantenwater. Hoe warmer en droger de lucht, hoe sterker het water uit de bladeren trekt, en hoe meer water de plant verbruikt. Bijgevolg, Mayes en zijn collega's verwachtten dat de verdamping zal variëren met de luchttemperatuur, zolang de stroom overvloedig grondwater heeft waar de planten op kunnen putten.

Anderzijds, waar grondwater schaars is, planten zullen de openingen op hun bladeren sluiten om waterverlies te voorkomen; het is belangrijker om uitdroging te voorkomen dan te profiteren van de extra zonneschijn op een warme dag. Als resultaat, verdamping zal veel sterker correleren met regen en stroom, waardoor de toevoer van water naar bomen via hun wortels toeneemt.

Wetenschappers hadden het voorspelbare effect van verdamping bij het verlagen van de oppervlaktetemperatuur aangetoond in laboratorium- en kleine veldexperimenten. Echter, dit is de eerste studie die de impact ervan over grote gebieden aantoont. De technologie die dit mogelijk maakte, is pas in de afgelopen vijf jaar volwassen geworden.

"Deze teledetectiemethode is veelbelovend voor het identificeren van de relevante klimatologische versus andere controles op boomgroei en gezondheid, zelfs binnen smalle vegetatiestroken langs rivieren, " zei co-auteur Michael Singer, een onderzoeker bij ERI en hoofdonderzoeker van het project dat het werk van Mayes financierde.

In feite, deze ecosystemen zijn van vitaal belang voor de zuidwestelijke V.S. "Ondanks dat ze ongeveer 2% van het landschap in beslag nemen, meer dan 90% van de biodiversiteit in het zuidwesten is afhankelijk van deze ecosystemen, " zei co-auteur Pamela Nagler, een onderzoeker bij het Southwest Biological Science Center van de U.S. Geological Survey.

Dezelfde technieken die in het artikel worden gebruikt, kunnen worden toegepast op de eeuwige uitdaging van grondwatermonitoring. In feite, dit idee hielp in de eerste plaats de studie te motiveren. "Het is erg moeilijk om de beschikbaarheid van grondwater en veranderingen in grondwatervoorraden te volgen op de echt lokale schaal die er toe doet, "Zei Mayes. "We hebben het over boerenakkers of riviercorridors stroomafwaarts van nieuwe woonwijken."

Peilbuizen zijn effectief, maar geef slechts informatie over één punt op de kaart. Bovendien, ze zijn duur om te boren en te onderhouden. Fluxtorens kunnen de uitwisseling van gassen tussen het oppervlak en de atmosfeer meten, inclusief waterdamp. Maar ze hebben vergelijkbare nadelen als putten in termen van kosten en schaal. Wetenschappers en belanghebbenden willen betrouwbare, kosteneffectieve methoden voor het bewaken van watervoerende lagen die een brede dekking bieden en tegelijkertijd een hoge resolutie bieden. Het is een hele opdracht.

Hoewel het misschien niet zo precies is als een put, thermische beeldvorming op afstand van vliegtuigen en satellieten kan al deze vakjes aanvinken. Het biedt een brede dekking en hoge resolutie met behulp van bestaande infrastructuur. En hoewel het alleen werkt langs stroomgangen, "een buitensporige hoeveelheid landbouwgrond en menselijke nederzettingen op droge plaatsen komt terecht waar het water is, langs stroompaden, ' zei Mayes.

Het idee is om te zoeken naar verschuivingen in de relaties tussen verdamping en klimaatvariabelen in de tijd. Deze veranderingen zullen een omschakeling betekenen tussen waterrijke en waterarme omstandigheden. "Het detecteren van dat signaal over grote gebieden kan een waardevol vroeg waarschuwingssignaal zijn voor uitputting van de grondwatervoorraden, "Zei Mayes. De techniek zou kunnen helpen bij de monitoring en pragmatische besluitvorming over grondwatergebruik.

Deze studie maakt deel uit van een groter project van het Department of Defense (DOD) dat erop gericht is te begrijpen hoe kwetsbaar rivierhabitats zijn voor droogte op DOD-bases in droge gebieden van de VS. "We gebruiken meerdere methoden om te begrijpen wanneer en waarom deze planten gestrest raken door gebrek aan water, " zei zanger, hoofdwetenschapper van het project. "[We hopen] dat deze nieuwe kennis het beheer van deze gevoelige ecologische biomen kan ondersteunen, met name op militaire bases in droge gebieden, waar deze ongerepte habitats talrijke bedreigde en bedreigde soorten ondersteunen."

Mayes heeft toegevoegd, "Wat naar beneden komt, is een heel ensemble van werk dat kijkt naar de reacties van ecosystemen op waterschaarste en waterstress in ruimte en tijd, die informatie geeft over manieren waarop we zowel de reactie van ecosystemen begrijpen als de monitoring verbeteren."