Vegetation spelar en viktig roll för att reglera procentandelen nederbörd som når marken för att ge näring till växternas rotsystem både i krontaket och undervegetationen, vilket följaktligen stöder överlevnaden för hela skogens ekosystem. Vatten kommer till marken via flera mekanismer, inklusive genomströmning (vatten som faller direkt genom baldakinen) eller stamflöde (vatten som rinner ner i stjälkar och stammar), medan en del fångas upp av baldakinens blad och inte når marknivån.
Ny forskning, publicerad i Water Resources Research , har fokuserat på hällpunkter, platser där vatten som rinner under grenarna lossnar. Dessa särskiljs från de stora dropparna som faller från löv, så kallade dropppunkter.
En hällpunkt bildas när regndropparna, som till en början fångas upp av löv eller den övre halvan av grenen, flyter till undersidan av grenar, smälter samman med andra droppar för att bilda en bäck, men faller innan de blir en del av stamflödet.
Att bäcken lossnar kan ske där flera grenar konvergerar eller där en enda gren ändras i vinkel, vilket leder till en flytpunkt. Dessa är viktiga eftersom de avsevärt ökar vattnet som tas emot från baldakinen till skogsbotten på fasta punkter, och stöder därmed förbättrad infiltration av vatten till marken.
Volymen vatten som tas emot vid hällpunkterna påverkas av ett antal faktorer, såsom grenarnas struktur, bladyta (bladning) och mängden nederbörd. De större vattendroppar som förekommer vid dessa punkter har mer kinetisk energi än normalt regn, vilket innebär att de skapar mer uttalade sänkningar i jorden vid sammanstötningen, vilket ökar infiltrationseffektiviteten.
Undersöker banksia-skogar i västra Australien, Ashvanth Kunadi, en Ph.D. forskare vid University of Western Australia och kollegor kombinerade fältdata med nederbördssimuleringsexperiment för att bestämma rollen av hällpunkter i skogsmarker som får begränsad nederbörd, liknande de i andra Medelhavsregioner (varma torra somrar och milda våta vintrar). Egenskaper i denna studie har faktiskt också observerats på fikonträd, amerikansk bok och ek.
Ashvanth förklarade att det initiala intresset för ämnet kom när han satt under ett fikonträd under en regnskur, märkte att vatten som rann under en gren "ständigt lossnade vid en viss punkt och pölen under den punkten växte."
"Detta väckte mitt intresse. Det råder vattenbrist i sydvästra västra Australien, och vi är mycket beroende av grundvatten. Om träd, istället för att bara stoppa regn, faktiskt kanaliserar mer vatten till marken under dem, så är vår uppfattning om deras påverkan skulle förändras i grunden."
Ashvanth fortsatte med att ytterligare detaljera betydelsen av denna forskning, "Jag skulle säga att mängden och den rumsliga fördelningen av regn som faller från himlen förändras i grunden av närvaron av ett trädkrona. Vi har inte en bra förståelse för 1) var en viss volym vatten kommer att gå och 2) varför Hällpunkter är en inkörsport till att förstå vattenflödet på ett träd.
"Bortsett från den stora ambitionen kan områden där nederbördsflöden är koncentrerade (som vid hällpunkter) 1) skapa biologiska hotspots (vatten är en förutsättning för liv), 2) avgränsa platser med förbättrad och djupare infiltration, och 3) kan representera en betydande andel av det totala flödet av nederbörd som når marken (så om du ignorerar flödet underskattar du mängden vatten som ditt system får och det felet sprider sig längre in i analysen)."
Teamet placerade regnmätare under 16 misstänkta hällpunkter för de två samdominerande banksia-arterna i skogarna:Banksia menziesii och Banksia attenuata, och ytterligare sex under grenar där villkoren inte uppfylldes för att skapa en flytpunkt ('negativ' test), över en tvåårsperiod. Dessutom studerades fem Banksia menziesii-grenar (fyra med misstänkta hällpunkter och en "negativ") under kontrollerade förhållanden i en nederbördssimuleringsuppsättning.
Denna nederbördssimulering visade sig vara särskilt utmanande att upprätthålla alla variabler, som Ashvanth avslöjar, "Det fanns så många saker att hålla reda på:är grenvinkeln stabil, är grenen svajig, finns det tillräckligt med vatten i regnsimulatorn, är tryckkonstanten, har jag tagit bilder och filmat intressanta fenomen, har jag avlövat löven ordentligt?
"Utöver detta var grenarna inte utformade för att skäras från stammen, så om solen är ute är det bättre att grenen är våt eller så är den död. Följaktligen, från ungefär 08.00 till 22.00. Jag skulle bara göra regnsimuleringar … det var helt galet men helt värt det."
Banksia-löven har en stor yta, hög styvhet och en vinkel som underlättar kanalisering av vatten ner på stjälkarna, snarare än att droppa av bladen. De fann att regnuppsamlingen från hällpunkter var 1,5 till 15 gånger så stor som den omgivande nederbörden och genomströmningen, och var vanligtvis större än stamflödet.
Från nederbördssimuleringsexperimenten fastställde forskarna att en gren med hög lövtäckning upplevde större vattenflöde vid hällpunkten. Detta flöde var mindre känsligt för förändringar i grenvinkeln. Flux från en helt bladad gren verkade okänsliga för vinkelförändringar, men när en tredjedel av löven togs bort påverkades uppdelningen av vatten mellan stamflöde och hällpunkter avsevärt av förändringar i grenvinkel.
Även om ingen avgörande optimal grenvinkel för flytpunktsinitiering hittades i detta experiment, avslöjar Ashvanth att detta är ett pågående arbete för forskargruppen. "En av de negativa testpunkterna, där vi trodde att de nödvändiga otillräckliga förhållandena förelåg hade en mycket liten grenvinkel (~ <5°) förändring. Men detta var tillräckligt för att orsaka en flytpunkt. Det betyder dock inte någon 5° förändring kommer att orsaka en flytpunkt.
"Vi arbetar för närvarande på ett annat dokument där vi gör idealiserade experiment för att svara på den exakta frågan. Vi har använt PVC-rör för att ta bort heterogeniteten som finns på ytan av naturligt förekommande grenar och sedan fått vatten att rinna på dess yta för att se vad som händer. Det finns också en hel del cool teoretisk utveckling där så håll definitivt utkik efter det."
Vid mätning av vattenhalten i marken direkt under hällpunkterna fann forskargruppen att 20–30 % av den säsongsbetonade nederbördsvolymen infiltrerats till ett djup av 1 m här, jämfört med bara 5 % i kontrolltestområden borta från hällpunkter. Detta gör hällpunkter till viktiga zoner för återuppladdning och lagring av grundvatten i skogens ekosystem, även om en hällpunkt på undersökningsplatsen identifierades per ~30 m 2 , som matchar fördelningen av banksiaträd, vilket är en hällpunkt per träd i genomsnitt.
Denna speciella studieplats i västra Australien är viktig eftersom den ligger över en betydande källa till grundvatten som försörjer befolkningen i Perth. Därför är hällpunkternas förmåga att potentiellt fylla på grundvattenförsörjningen på denna plats (och på andra via andra träd globalt) avgörande för att stödja förvaltning av vattenresurser både för skogar och mänskligheten.
"Som art strävar vi ständigt efter att bättre förstå oss själva och den naturliga världen omkring oss", avslutar Ashvanth.
"Vi konceptualiserar vår förståelse av världen som system, och dessa system är nödvändiga förenklingar av den oändligt komplexa världen. Ett av dessa system är vattnets kretslopp, och avlyssning tror vi är potentiellt den minst förstådda delen av vattnets kretslopp. Om vi kan förutsäga och förstå flytpunktsbeteende, kan vi komma närmare att ta reda på flödet av vatten på träd så att vi får en bättre uppfattning om avlyssningssystemet och i slutändan jordens vattenkretslopp."
Mer information: Ashvath S. Kunadi et al, Introducing Pour Points:Characteristics and Hydrologic Significance of a Rainfall-Concentrating Mechanism in a Water-Limited Woodland Ecosystem, Water Resources Research (2024). DOI:10.1029/2023WR035458
Journalinformation: Vattenresursforskning
© 2024 Science X Network
