I perioder med låg nederbörd, var och hur fördelas det begränsade tillgängliga vattnet, och vilka möjligheter finns för att förbättra retentionen i marken och landskapet? Dörthe Tetzlaff och hennes team från Leibniz-Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) har upptäckt att växtlighet har ett stort inflytande på detta. Forskarna undersöker lagringen, vattenfördelning och kvalitet i landskapet. Med exemplet med den torkkänsliga Demnitzer Mühlenfließ i Brandenburg, ett delavrinningsområde till Spree, de kvantifierade synliga och osynliga vattenflöden under och strax efter torkan 2018.

Den årliga nederbörden i Brandenburg är 560 liter per kvadratmeter. Detta gör Brandenburg till en region med den lägsta nederbörden i Tyskland. År 2018 fanns det 390 liter vatten per kvadratmeter, vilket är cirka 40 procent mindre nederbörd än vanligt.

Även under "normala" klimatförhållanden, cirka 90 procent av nederbörden släpps tillbaka till atmosfären och rinner inte ut i grundvatten eller floder. Grundvattennivåerna i området idag visar att de minskade vattennivåerna på grund av nederbördshinder från 2018 inte kunde återställas till normala förhållanden mellan växtsäsongerna.

Markanvändning avgörande för vattenresurshantering

Dörthe Tetzlaff är forskare vid IGB och professor i ekohydrologi vid Humboldt-universitetet i Berlin. Hon och hennes team undersökte hur processen med avdunstning och grundvattentillförsel skiljer sig åt under olika jordar och markanvändningar.

"På grund av den nuvarande klimatkrisen med ökande torka, vi behöver veta hur mycket vatten olika växter använder. Som forskare, vi frågar oss:Kan vi tillämpa hållbar markanvändning för att kontrollera vattenförbrukningen och göra hela landskap mer motståndskraftiga mot extrema klimat? Dessa fynd är grunden för att möta kraven på livsmedelsproduktion och vattenförsörjning, säger Dörthe Tetzlaff och förklarar sin motivation för sitt forskningsämne.

Skogsmarken är torrare än gräsmarken

I Demnitzer Mühlenfließ, teamet undersökte två platser med markanvändning som är typisk för regionen:en blandskogsplats med sandjordar och en djup rotzon; och gräsmark med lerjordar och en grundare rotzon. Skogsmarken var mycket torrare, vilket beror på markens och växternas egenskaper.

Till exempel, under torkan, den översta metern av sandjorden i skogen innehöll endast 37 liter per m ² , och under gräsmark fanns hela 146 liter vatten per m ² . Skogens trädtoppar/lövtak skyddade en del av regnet som avdunstade direkt från bladen och aldrig nådde marken. Dessutom, den sandiga skogsmarken orsakade snabbare vattenflöde genom marken och minskad vattenlagring. Nederbörden trängde djupare ner i jorden, men återupptogs av träden under växtsäsongen innan den nådde grundvattnet.

Under gräsmarken, vattnet laddade kontinuerligt grundvattnet. Marken skulle kunna lagra mer vatten. Eftersom växterna bara tog vatten från den övre jorden, detta ledde till "äldre" jordvatten.

"Vi kunde visa hur dåligt landskapen i Brandenburg lagrar nederbörd, begränsa torkamotståndet. Den typ av skog vi undersökte är typisk för den nordeuropeiska slätten. Det var tråkigt att se att även en naturlig blandskog lider mycket av torka. För ekonomiskt utnyttjade skogar som domineras av barrträd, situationen är ännu värre. Faktiskt, barrträdsdödligheten i Brandenburg är nu uppenbar, säger Lukas Kleine, doktorand i Tetzlaffs team.

"Planteringsvatten" — Hur jordbruket kan dra nytta av forskningsresultaten

Forskarna arbetar tillsammans med jord- och skogsbrukssektorn för att omsätta sina forskningsresultat i praktiken. En av deras viktigaste partners är Benedikt Bösel, ägare till Gut &Bösel. Jordbruksföretaget Gut &Bösel testar och utvecklar multifunktionella koncept för markanvändning för regenerativt jordbruk och skogsbruk och bekräftar IGB -forskarnas iakttagelser:"Regenerering av vår jord och markhälsa är vår generations största och viktigaste uppgift. För detta gör vi behöver innovativa lösningar inom jord- och skogsbruk för att bekämpa orsakerna till våra problem istället för att bara bota symptomen. Endast på detta sätt kan vi agera i enlighet med ekosystemens komplexitet. Vi försöker utveckla dessa lösningar baserat på resultaten av Prof. Tetzlaffs team, bland andra".

"Vi ser att efter de ytterligare torra säsongerna 2019 och hittills under 2020, grundvattennivåerna kommer att fortsätta sjunka. Vegetationen har fortfarande inte kunnat återhämta sig på grund av den låga nederbörden under vintermånaderna. Tyvärr är vi långt ifrån "normala" förhållanden. För att förbättra motståndskraften hos Brandenburgs ekosystem mot torka och andra klimatförändringar, åtgärder måste genomföras som främjar grundvattentillförseln och skapar jordar som kan lagra mer vatten. Våra resultat understryker vegetationens centrala roll i utvecklingen av sådana strategier, säger Dörthe Tetzlaff.

Vatten i landskapet:Blått och grönt vatten

Forskare skiljer mellan det så kallade blå vattnet, som fyller sjöar, floder och akviferer och är omedelbart tillgänglig för vattenförsörjning; och det gröna vattnet, som är direkt påverkad av vegetation och återförs till atmosfären genom avdunstning och transpiration efter att ha absorberats av växter. Dörthe Tetzlaff och hennes team undersöker växelverkan mellan blått och grönt vattenflöde. De analyserar vad som händer i den kritiska zonen och vilken inverkan växtlighet har på den övergripande vattenregimen.

Den kritiska zonen – den tunna, jordens dynamiska och livsuppehållande hud

Jordskiktet som sträcker sig mellan baldakinen, jorden och grundvattnet kallas den kritiska zonen. Länge var det en 'svart låda'; särskilt, växternas roll i distributionen av vatten har försummats, eftersom vetenskapen har fokuserat på de blåa vattenflödena.'

I den här studien, forskarna undersökte vattenflödena i den kritiska zonen med stabila isotoper i vattnet. Stabila isotoper i vatten kan användas som "markörer" för att bestämma flödesvägar, vattnets ålder och ursprung. För en övergripande förståelse, det är inte bara de absoluta mängderna vattenflöden i landskapet som är viktiga, men också hur lång tid vattnet lagras på plats och vilka flödesvägar det tar. När denna information integreras med data om vegetationsdynamik, spårbaserad modellering kan avslöja några av de viktigaste processerna i det ekohydrologiska systemet, som var och i vilken takt växter drar vatten från jorden.