Ross förbereder vattenprover efter ett regnfall. Dessa noggrant märkta prover kommer att hjälpa till att berätta historien om hur vattnet rör sig under och efter en regnstorm eller snösmältning. Kredit:Janelle Laing.
Strax före en regnstorm, Cody Ross kan springa ut till en lantbruksforskningsplats som en del av sitt examensarbete. Han måste få in lite färg i en injektionsbrunn. Punkten? Att utvärdera vägen som vatten följer från fältet under och efter regnstormen.
Ross, medlem av Watershed Systems Research Program vid University of Manitoba, mäter vattenflödet i en del av marken som kallas vadoszonen. Även om namnet kan få dig att minnas skrämmande avsnitt av "Twilight Zone, " den vadosa zonen är bara den mättade nivån av jord precis under ytan. Den kan vara bara några centimeter till över en meter djup. Och den vadosa zonen är där viktiga saker händer i jorden.
Den vadosa zonen är komplex. Inom det, sandpartiklar är enorma i jämförelse med lerpartiklar, påverkar vattenflödet. Det är därför du kan se vatten sippra genom sand snabbt på en strand. Friska jordar har också en bra mängd organiskt material från ruttnande växter eller insekter. Till sist, det finns små porer, fylld med luft eller lagrat vatten. Växtrötter växer ner i jorden för att samla upp vatten och näring. Mikroskopiska mikrober lever där nere, såväl som större djur som daggmaskar och nematoder.
Ross arbete är viktigt eftersom hur vatten rör sig över, genom, och runt alla dessa jordpartiklar, organiskt material, porer, mikrober, och rötterna är viktiga. Det är något odlare skulle vilja veta - särskilt på platser där nederbörden är sällsynt. Det sydöstra kanadensiska präriområdet, där Ross forskar, har en säsongsmässigt torr miljö.
"Att studera vattenrörelser hjälper oss att bättre förstå tillgången på vatten i tider av knapphet (torka) och överflöd (översvämningar), " säger Ross. "Det hjälper oss också att förstå hur våra handlingar påverkar tillgängligheten och kvaliteten på vattenresurserna." i tur och ordning, kan påverka politiska beslut.
Ross applicerar fluorescerande färgämne nära forskningsbrunnarna innan en vårstorm. Färgämnet hjälper till att spåra vattnets väg genom miljön. Kredit:Halya Petzold
Tidigare arbete med vattenrörelser i den vadosa zonen har gjorts i kuperade områden i USA, eller i västra kanadensiska prärien. Precis som du inte kan förvänta dig att ett avsnitt av Twilight Zone är detsamma som ett annat, du kan inte förvänta dig att en jord i en region agerar som en i en annan. Det kan till och med finnas skillnader på samma gårdsfält, beroende på mängden organiskt material, sammansättning av jordpartiklar, och andra funktioner. Jordarna i sydöstra kanadensiska prärien, jämfört med västerländska, har mer organiskt material i sig. Den ökningen av organiskt material hjälper jorden att behålla fukt på sommaren och hösten. Det påverkar dräneringspotentialen. Organiskt material påverkar också hur länge marken är frusen vinter och vår.
Skillnaderna i landets topografi är betydande, för. Föreställ dig att du åker pulka nedför en sluttning i Vermont... och föreställ dig nu att du försöker pulka i de platta områdena i sydöstra kanadensiska prärierna. Gravitationen kommer inte att hjälpa dig mycket där. Detsamma gäller för vatten.
Vattenrörelser i marken påverkas också av dess kemiska egenskaper. Lerpartiklar av jord har faktiskt en negativ laddning. Detta innebär att jordar med högre lerhalt kan hålla fast vid vatten bättre än sandjordar. Organiskt material kan absorbera och frigöra vatten, för.
Ross använde andra forskares matematiska formler - och utvecklade några egna - för att förutsäga hur vattnet rörde sig under regnstormar och tider då snösmältningen. Färgen han injicerade i brunnarna hjälpte honom att avgöra om vattnet han samlade in från vattendrag var "nytt" från regnhändelsen, eller "gammal" från tidigare lagring.
"Forskning inriktad på vattnets ålder har betydelse i många tillämpningar, " säger Ross. "Vi vill veta om vatten som går till en bäck kom direkt från fältet, eller följde en alternativ väg. Ändrar den alternativa vägen vattenkvaliteten? Saknar det leveransen till kanalen?" Alla dessa frågor kan leda till användbara prediktiva verktyg.
Färg hälls i en brunn under ytan för att spåra vattnets rörelse under snösmältningen. Även om färgämnet knappt verkar märkbart, dess fotavtryck kommer att synas under labbanalys. Kredit:Halya Petzold
"Som i de flesta discipliner, användningen av matematik har en enorm nytta, " säger Ross. "Vi använde matematiska uttryck för att hjälpa oss tolka hur vatten rör sig i marken. Möjligheten att använda matematiska modeller på detta sätt är mycket kraftfull. Det är ofta billigare än fysiska observationer, särskilt under omständigheter där forskningen är inriktad på stora eller otillgängliga regioner."
Ross forskning fann att, till skillnad från andra områden, det var en betydande mängd gammalt vatten som flyttade till bäckarna. "Tidigare forskning utförd i prärierna har pekat på nytt vatten som mer dominerande, " säger Ross. "Detta var inte fallet i vår studie."
Även om du inte kan kontrollera om du kommer att ha en torka - eller en översvämning - är det viktigt att studera vattenrörelser i marken. "Att ha en bättre förståelse för hur vatten rör sig genom landskapet ger insikt för beslut om vattenförvaltning, ", säger Ross. "Att förstå de relativa bidragen från gamla och nya vattenkällor kan påverka förvaltningsbeslut relaterade till översvämningar och vattenkvalitet."
Framtida forskning för att bygga vidare på Ross arbete kan fokusera på alternativa platser, för att se hur vanliga Ross fynd är. "Studier fokuserade på hur markanvändning och klimatförändringar påverkar vattenrörelsen i marken i det sydöstra kanadensiska präriområdet skulle vara fördelaktigt, ", tillägger Ross.
