Старая вода, новые открытия: Исследование «парадокса старой воды» в лесном эксперименте
Исследователи из ETH Zurich проводят уникальный эксперимент в «Лесной лаборатории» («Waldlabor»), расположенной всего в пяти минутах от кампуса. За пять лет они оснастили участок леса датчиками для изучения гидрологии почвы и деревьев.
Отпечатки старой воды
Ключевой метод — еженедельный анализ стабильных изотопов в пробах почвенной воды, отобранных с глубин 10, 20, 40 и 80 см с помощью «присосок». Данные подтверждают теорию «парадокса старой воды»:
- Даже на глубине 10 см лишь треть хранящейся воды моложе трех недель.
- Основная масса воды в почве — «старая», хранившаяся месяцы или годы.
- В ручье Хольдербах, протекающем ниже, даже после сильной грозы большая часть воды старше одного месяца. За год лишь 14% стока моложе месяца.
- Исследование 32 альпийских водосборов показало, что в среднем 93% речного стока старше одного месяца.
Объяснение: новая вода быстро просачивается вглубь через ходы червей и корней, в то время как поры почвы остаются заполненными старой водой. Это знание может помочь в планировании мер по снижению паводковой опасности.
Влияние сезонов и лесной подстилки
Измерения показывают, что пополнение запасов почвенной воды значительно выше зимой, чем летом, из-за меньших потерь на испарение и отсутствия листвы. Поэтому малоснежные зимы особенно опасны для деревьев.
Важную роль играет лесная подстилка (слой опада):
- Ранее считалось, что она задерживает 3–4% осадков.
- Измерения в «Вальдлабора» показывают, что в подстилке и валежнике задерживается около 18% осадков.
- С учетом испарения с крон (около 20%) до почвы доходит только 600 мл из каждых 1000 мл осадков. Это означает, что лесная почва значительно суше, чем предполагалось.
Как деревья используют воду
Для изучения водного обмена деревьев используются:
- Датчики сокодвижения и дендрометры на стволах.
- «Бомба Шоландера» для измерения водного потенциала листьев и оценки засухового стресса.
- Датчики, установленные на аккуратно обнаженных корнях.
Наблюдения:
- Буки и ели по-разному реагируют на засуху: буки дольше держат устьица открытыми, а ели раньше закрывают их для экономии воды, но при этом меньше фотосинтезируют.
- При высыхании почвы деревья меньше поглощают воду поверхностными корнями и активизируют более глубокие.
- Даже в дождливое лето в корнях и ветвях преобладает «старая» зимняя вода. Летняя вода в основном испаряется или поглощается травами и кустарниками с мелкими корнями.
Практические выводы для лесного хозяйства
Исследования носят фундаментальный характер, но уже есть практические выводы:
- Качество почвы — ключевой фактор для хранения воды: чем больше органики, тем выше влагоемкость.
- Валежник важен не только для биоразнообразия, но и для водного баланса, так как хорошо удерживает влагу.
- Смешанные леса с разными видами деревьев, чьи корни используют воду с разных глубин, более устойчивы к климатическим изменениям. Разнообразие повышает климатическую устойчивость леса.
Все данные пятилетних наблюдений будут опубликованы в открытом доступе. Исследования опубликованы в журналах Hydrology and Earth System Sciences и Tree Physiology.