Under den längsta torkan i Kaliforniens moderna historia, ett par UO-forskare gick in i skogen i Sierra Nevada för att undersöka hur skogens sammansättning påverkar vattenförsörjningen och vilka förändringar som kan komma när klimatförändringar förändrar skogarnas ekologiska sammansättning.

Vad de hittade är ett sätt att använda förhållandet mellan träd och jordar för att förutsäga förändringar i vatten- och kolnivåer i dessa bergsskogar och vattendelar. Genom att kombinera sina fynd med historiska data, de föreslår en möjlig ökning på 10 till 60 procent av regional vattenförlust eftersom klimatförändringarna driver trädarter att migrera till olika höjder.

UO:s postdoktor Toby Maxwell från Institute of Ecology and Evolution och Lucas Silva, professor i miljöstudier och geografi, ledde studien, som gjordes i samarbete med markforskaren Will Horwath vid University of California, Davis. Studien dök upp i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Torkan i Kalifornien förväntades orsaka förändringar i bergskoglandskap och vi var intresserade av att försöka förstå hur dessa förändringar kan påverka cyklingen av två viktiga naturresurser - vatten och kol, sa Maxwell, studiens huvudförfattare. "Vi fann att samspelet mellan trädarter och markegenskaper är användbart för att bättre förstå förhållandet mellan kol och vatten och för att förutsäga förändringar i hur vatten rör sig genom dessa skogar."

Forskarna fokuserade på skogssammansättning eftersom träd spelar en avgörande roll för rörelse och tillgänglighet av vatten. Detta sker främst genom transpiration, en process där fukt flyttas från träd till atmosfären.

Om ett träd transporterar mer vatten från jorden till atmosfären, mindre vatten kommer att rinna ut i floder och magasin. Men den exakta karaktären av varje träds roll och vad det betyder för vatten- och kolnivåer varierar kraftigt baserat på ett antal biologiska och miljömässiga faktorer.

Dessa faktorer förändras ständigt, forskare sa, eftersom skogarna förändras parallellt med klimatet när växter och träd reagerar på stigande temperaturer och fluktuerande nederbördsmönster. I Sierra Nevada, det finns år av data som visar att vissa typer av träd börjar växa på högre höjder när statens klimattrender blir varmare och torrare.

"Långtidsövervakningsområden över Sierra Nevada visar expansion av lövträd mot högre höjder, ", sa Silva. "En av de viktigaste svaren på klimatförändringar i bergsmiljöer är trädvandring uppför.

Med tanke på att dessa skogsvattendelar ger vatten till så många som 20 miljoner människor i Kalifornien, förändringar i dessa skogar – och vattnet som rinner genom deras vattendelar – kan få betydande konsekvenser för staten.

"En av de främsta anledningarna till att jag var intresserad av att undersöka vad förändringar i skogens sammansättning kan innebära för vatten och kolkretslopp är på grund av konsekvenserna för naturresurser och dessa landskap, " sa Maxwell.

Maxwell var också intresserad av att använda sin forskning för att undersöka ett område med stor osäkerhet i hur skogar fungerar:samspelet mellan jord och trädarter.

Från tre olika höjder i Sierra Nevada, från granitsluttningar utanför Lake Tahoe till de vulkaniska flankerna av Mount Lassen, de samlade 225 prover av jord- och växtskräp och 345 lövprover från nio trädslag för att mäta vattenanvändningseffektivitet-ett index som visar hur mycket vatten som går förlorat via transpiration i förhållande till mängden koldioxid de tar bort från luften-över olika landskap.

"Jag tog min andra doktorsexamen i slipväxter, " skämtade Maxwell, som rekryterade hjälp av en kaffekvarn och syralösningar för att arbeta sig igenom de tidiga stadierna av utvinning av cellulosa från hundratals löv och tallbarr.

En av de första observationerna var en förbryllande:Data visade att träd på platser med de högsta nederbörden var de mest vattenbelastade-vilket betyder att träden ransonerade vatten eftersom de kände att det var en knapp resurs. Det verkar kontraintuitivt, med tanke på den betydande nederbörden i regionen där dessa träd fanns, Sa Maxwell.

När forskarna grävde djupare i data och undersökte jorden, de upptäckte att marken inte höll kvar mycket vatten, begränsa transpirationen. Detta var en av deras första viktiga upptäckter för att förstå hur jord och arter interagerar för att påverka hur vatten rör sig från marken till luften.

De fortsatte att sortera enorma mängder data för att extrahera information om hur varje trädslag transporterar vatten och hur det förändras baserat på jorden de är rotade i.

"Det var ganska bullriga data till en början. Det var verkligen interaktionen mellan träd och markutveckling som ledde till meningsfulla takeaways, " sa Silva. "Om du bara tittar på träd, du ser ett gäng datapunkter, utan tydlig trend. När du väl tänker på deras interaktioner med mark och atmosfärsförändringar, det är verkligen meningsfullt. "

Genom att undersöka interaktionerna, de kunde förvandla sin komplicerade datauppsättning till förtätade fynd som hjälper till att peka ut vilka kombinationer av träd och jord som producerar olika nivåer av transpiration.

"Vi fann att mängden vattenförlust varierar kraftigt mellan olika trädslag och att olika typer av mark reglerar som påverkar, " sa Maxwell.

Silva lade till, "När du sätter ihop de två, du kan gå från att förstå vad som händer på lövnivå till att förstå vad det betyder för landskapet."

Resultaten bör vara till hjälp för skogsförvaltare och beslutsfattare när de tänker igenom hur man strategiskt hanterar skogar och naturresurser, sa Maxwell och Silva. Informationen bör också hjälpa till i modelleringen av hur klimatförändringar kommer att påverka landskap.

Maxwell planerar att fortsätta denna forskning i Silvas forskningsmiljö för mark-växt-atmosfär vid UO genom ett nyligen beviljat bidrag från National Geographic Committee for Research and Exploration. Den nya studien, "Klimatparadoxen:Kartläggning av motståndskraft och sårbarhet i bergskogar, " kommer att införliva nya platser från skogar över Oregon.

Forskarna planerar att generera regionala kartor över vattenanvändning och kolbindning i ett samarbete med forskare vid Infographics Lab vid UO:s institution för geografi.