Från trädgården på din bakgård till din lokala vattendelare till hela Nordamerika, strukturella förändringar äger rum i jorden under fötterna – och bevis tyder på att det sker snabbare än man tidigare trott, förändra vattenkvaliteten och tillgängligheten i hela USA

"Vattenresurser styrs av egenskaperna hos jorden precis under jordens yta, sa Pamela Sullivan, biträdande professor i geografi och atmosfärisk vetenskap vid University of Kansas. "Under en lång tid, vi trodde att egenskaperna hos dessa jordar förändras i långsam takt. Men många bevis kommer fram för att de reagerar på klimatförändringar och olika typer av markanvändning snabbare. De reagerar snabbt eftersom biota i jorden reagerar – både växter och mikrober – och som de gör, de förändrar markens egenskaper. Men vi har inga bra mått på hur det händer eller förmågan att i modeller lägga in de interaktioner och återkopplingar som kommer att avgöra vattenresurserna i framtiden."

Nu, Sullivan leder arbete under $738, 562 anslag från National Science Foundation för att utveckla nya matematiska modeller för att analysera orsakerna till dessa observerade förändringar i markstrukturen – arrangemanget av jordpartiklar och porer – och för att undersöka växt-jord-vatten-svar på varierande miljöförhållanden.

"Detta arbete tittar på både biogeokemin i jorden och hur den förändrar markens struktur, ", sade Sullivan. "Vem som helst som bryr sig om vilka vattenresurser kommer att vara i framtiden kommer att bry sig om detta. Prognoser och förvaltningsbeslut och förståelse för översvämningsdynamik kan påverkas av markens struktur. Om vi ​​inte förstår det, vi kommer inte att göra ett bra jobb med att förstå hur det påverkar vatten."

KU-forskaren sa att förhållandet mellan jord och vatten definierades av jordens matris av mineraler och organiskt material och utrymmena mellan, kallas porositet. Dessa fastigheter genomgår förändringar som det nya NSF-anslaget kommer att undersöka genom att sålla stora mängder data.

"Förändringar i nederbördsmönster driver förändringar i själva systemet, ”, sade Sullivan. ”Det förändrar hur organiskt kol cirkulerar genom systemet. Strukturen ändras för att gynna infiltration av vatten eller gynna avrinning - vatten som rinner över landytan. Ju mer landflöde vi har, som kommer med mer erosion och större översvämningshändelser."

Denna forskning omfattar vad som kallas "Critical Zone"-metoden till vetenskap, involverar forskare från ett brett spektrum av discipliner från ekologer, pedologer och ingenjörer till hydrologer, som holistiskt tänker på jordens "levande hud" - från toppen av baldakinen ner till djupen av cirkulerande grundvatten.

Sharon Billings, KU professor i ekologi och evolutionsbiologi och senior forskare vid Kansas Biological Survey, är en co-primär utredare. Daniel Hirmas, tidigare vid KU och nu vid University of California Riverside, Li Li från Pennsylvania State University och Alejandro Flores från Boise State University är också medutredare.

Bidragsarbetet kommer att finansiera fyra postdoktorer och utbildning av 10 forskare på grundutbildningen som kommer att hjälpa till att utveckla en ny serie modeller som inkluderar biologiska, fysiska och kemiska interaktioner från lokala jordar i USA

"Det är mycket siffror och modellbygge, "Sade Sullivan. "Hur tar vi data och härleder relationer och integrerar modeller i olika skalor?"

Verkligen, forskningen kommer att ta itu med förändringar i jordväven i skalor så fina som en tomt och lika stora som hela kontinenten Nordamerika.

"När vi tänker på jordar i en fin skala kan vi förstå mycket mer av mekanismerna, eller vad som driver vad, ", sa Sullivan. "Det är viktigt eftersom vi kan vara mer detaljerade och verkligen förstå hur förändringar i hur mikrober eller rötter fungerar kan styra hur kol cirkulerar och fungerar som ett lim för att bilda markstruktur, och sedan vad det betyder för mängden vatten som kan lagras och flyttas. När vi går till vattendelare skalor, vi inkluderar mycket mer dynamik när det gäller hur vatten rinner nedför och vilka rumsliga förändringar i termer av vegetation som kan förstärka effekten av klimatdrivna förändringar i markens väv. Men man tappar den fina skalan vad gäller processer. När vi flyttar till kontinentala skalor, vi tar dessa relationer som vi redan känner till – som på vissa höjder och under vissa förhållanden förväntar vi oss att detta ska hända – istället för att detaljera varje enskild process i termer av jord. Alla processer fungerar i alla skalor, men vissa är viktigare än andra för att köra det du tittar på. Vi försöker ta reda på om något som topografi är det viktigaste - eller är mikrobers cirkulation av kol det viktigaste på alla skalor?"

Arbetet kommer att ta fram nya modelleringsverktyg för att bedöma miljömässig hållbarhet över tid och förbättra förmågan att förutsäga land-atmosfärens dynamik, lagring av vatten under ytan, vattenståndsfluktuationer och översvämningshändelser. Ytterligare, forskningen kommer att ge lokalt tillgängliga verktyg för att undersöka hur mark, hydrologiska och biogeokemiska återkopplingar styr näringsflöden.

Sullivan sa att en del av arbetet skulle hjälpa till att avgöra om markstrukturen bildar ett positivt återkopplingssystem med klimatet som förvärrar eller minskar svårighetsgraden av klimatförändringarna.

"Närare bevis publicerade i tidskriften Natur av co-PI Hirmas och kollegor visar att under fuktigare klimat har vi en total minskning av porositet och förmåga att flytta vatten, " sa hon. "När klimatet torkar, vi ser en ökning av porositeten och förmågan att dra in vatten. När ett system blir fuktigare eller torrare, markens porositet förändras, och hur jorden rör sig och lagrar vatten förändras också. Frågan vi tar upp i detta projekt är, "Vilken feedback ger det till själva klimatet?" I sista hand, när land samverkar med atmosfären, det som byts ut är distributionen av vatten."