Экогидрология

Концептуальная модель, описывающая механизмы ослабления стока воды на бобровом водно-болотном угодье с незамкнутой поймой

Экогидрология (от греческого οἶκος , oikos , «дом (владение)»; ὕδωρ , hydōr , «вода»; и -λογία , -logia ) — междисциплинарная научная область, изучающая взаимодействие между водой и экологическими системами . Это считается разделом гидрологии с экологической направленностью. Эти взаимодействия могут происходить в водоемах , таких как реки и озера, или на суше, в лесах , пустынях и других наземных экосистемах. Области исследований в области экогидрологии включают транспирацию и использование воды растениями, адаптацию организмов к водной среде, влияние растительности и донных растений на поток и функционирование рек, а также обратные связи между экологическими процессами, почвенной углеродной губкой и гидрологическим циклом .

Ключевые понятия

Гидрологический цикл описывает непрерывное движение воды на над поверхности Земли, и под ней. Этот поток изменяется экосистемами во многих точках. Транспирация растений обеспечивает большую часть поступления воды в атмосферу. На воду влияет растительный покров, когда она течет по поверхности суши, а русла рек могут формироваться растительностью внутри них. Экогидрология развивалась в рамках гидрологической программы ЮНЕСКО . Международной

Экогидрологи изучают как наземные, так и водные системы. В наземных экосистемах (таких как леса, пустыни и саванны) взаимодействие между растительностью, поверхностью земли, вадозной зоной и грунтовыми водами являются основным направлением. В водных экосистемах (таких как реки, ручьи, озера и водно-болотные угодья) особое внимание уделяется тому, как химия воды, геоморфология и гидрология влияют на их структуру и функции.

Принципы

Общие предположения экологической гидрологии заключаются в уменьшении деградации экосистем с использованием концепций, объединяющих наземные и водные процессы в разных масштабах. Принципы экогидрологии выражаются в трех последовательных компонентах:

1. Гидрологический (структура): Количественная оценка гидрологического цикла бассейна должна служить образцом для функциональной интеграции гидрологических и биологических процессов. Эта перспектива включает в себя вопросы масштаба, динамики воды и температуры, а также иерархических взаимодействий между биотическими и абиотическими факторами.
2. бассейна Экологический (цель): Интегрированные процессы в масштабе речного бассейна можно направлять таким образом, чтобы повысить пропускную способность и его экосистемные услуги . Этот компонент касается аспектов устойчивости и устойчивости экосистем.
3. Экологическая инженерия (Метод): Таким образом, регулирование гидрологических и экологических процессов, основанное на интегративном системном подходе, является новым инструментом интегрированного управления водным бассейном. Этот метод объединяет гидрологическую структуру и экологические цели для улучшения качества воды и экосистемных услуг с использованием таких инженерных методов, как строительство дамб, биоманипуляция, лесовосстановление и другие стратегии управления.

Их выражение в виде проверяемых гипотез (Zalewski et al., 1997) можно рассматривать как:

• H1: Гидрологические процессы в целом регулируют биоту
• H2: Биота может стать инструментом регулирования гидрологических процессов
• H3: Эти два типа правил (H1 и H2) могут быть интегрированы с гидротехнической инфраструктурой для достижения устойчивых водных и экосистемных услуг.

Экологическую гидрологию в конкретной системе можно оценить, ответив на несколько основных вопросов. Откуда берется вода и куда она уходит? Это определяется как путь потока воды, поступающей в оцениваемый водосбор. Как долго вода остается в определенном потоке или водоеме? Это определяется как время пребывания, в течение которого можно наблюдать скорость поступления, выхода или сохранения воды. Какие реакции и изменения претерпевает вода в ходе этих процессов? Это определяется как биогеохимические реакции, которые могут изменить растворенные вещества, питательные вещества или соединения в воде. Чтобы получить ответы на эти вопросы, используется множество методов для наблюдения и проверки водоразделов. А именно, гидрографы, экологические и закачиваемые трассеры или уравнения, такие как закон Дарси . Эти три фактора являются интерактивными и взаимозависимыми. Связь водораздела часто определяет, как эти характеристики будут взаимодействовать. По мере возникновения сезонных или масштабных потоков изменения в связности водораздела влияют на путь потока, время пребывания и биогеохимические реакции. Места высокой реакционной активности в конкретном месте или времени называются горячими точками или горячими моментами (Pedroli, 1990) (Wand et al., 2015) (Krause et al., 2017) (Fisher et al., 2004) (Trauth et al., 2015) (Krause et al., 2017) (Fisher et al., 2004) (Trauth et al., 2015) др., 2014) (Ковино, 2016).

Растительность и водный стресс

Фундаментальная концепция экогидрологии заключается в том, что развитие углеродной губки почвы и физиология растений напрямую связаны с наличием воды. Там, где достаточно воды, например, в тропических лесах , рост растений в большей степени зависит от наличия питательных веществ . Однако в полузасушливых районах, таких как африканские саванны , тип и распространение растительности напрямую зависят от количества воды, которое растения могут извлечь из почвы. Когда в почве недостаточно влаги , возникает состояние водного стресса. Растения, испытывающие водный стресс, уменьшают как транспирацию, так и фотосинтез посредством ряда реакций, включая закрытие устьиц . Это уменьшение пологого леса, потока воды в пологе и потока углекислого газа может повлиять на окружающий климат и погоду.

Недостаточная влажность почвы вызывает стресс у растений, а наличие воды является одним из двух наиболее важных факторов (вторым является температура), определяющих распространение видов . Сильные ветры, низкая относительная влажность воздуха, низкий уровень углекислого газа, высокая температура и высокая освещенность — все это усугубляет недостаток влаги в почве. Влагообеспеченность почвы также снижается при низкой температуре почвы. Одной из первых реакций на недостаточное обеспечение влагой является снижение тургорного давления ; Расширение и рост клеток немедленно подавляются, и неоплодотворенные побеги вскоре увядают.

Концепция дефицита воды, разработанная Стокером в 1920-х годах, является полезным показателем баланса в растении между поглощением и потерей воды. Незначительный дефицит воды является нормальным явлением и не ухудшает функционирование растения. в то время как больший дефицит нарушает нормальные процессы растений.

Увеличение водного стресса в корнеобитаемой среде (почвенной углеродной губке) всего на пять атмосфер влияет на рост, транспирацию и внутренний водный баланс сеянцев. Это поражает сеянцы ели европейской больше, чем сеянцев березы , осины или сосны обыкновенной . Снижение чистой скорости ассимиляции у ели больше, чем у других видов, и из этих видов только ель не демонстрирует увеличения эффективности использования воды по мере того, как почва становится более сухой. Два хвойных растения — ель обыкновенная и сосна обыкновенная — демонстрируют большую разницу в водном потенциале между листьями и субстратом, чем лиственные породы. Скорость транспирации у ели европейской снижается меньше, чем у трех других видов, поскольку водный стресс в почве увеличивается до 5 атмосфер в контролируемых условиях. В полевых условиях хвоя ели европейской из полностью набухшего состояния теряет в три раза больше воды, чем листья березы и осины, и в два раза больше, чем сосна обыкновенная, до видимого закрытия устьиц (хотя существуют некоторые трудности с определением точной точки закрытие). Таким образом, ассимиляция может продолжаться дольше у ели, чем у сосны, когда водный стресс растений высок, хотя ель, вероятно, будет первой, у которой «кончится вода».

Динамика влажности почвы

Влажность почвы — это общий термин, описывающий количество воды, присутствующей в вадозной зоне или ненасыщенной части почвы под землей. Поскольку растения зависят от этой воды для осуществления важнейших биологических процессов, влажность почвы является неотъемлемой частью изучения экогидрологии. Влажность почвы обычно характеризуют содержанием воды . $\theta$, или насыщенность , $S$. Эти термины связаны пористостью , $n$, через уравнение $\theta =nS$. Изменения влажности почвы с течением времени известны как динамика влажности почвы.

Недавние глобальные исследования с использованием водоустойчивых изотопов показывают, что не вся почвенная влага одинаково доступна для пополнения подземных вод или транспирации растений.

Доступную растениям воду на песчаных почвах можно увеличить за счет присутствия сепиолитовой глины.

Спираль питательных веществ и здоровье водоразделов

Спираль питательных веществ описывает способ объединения биологических и физических процессов для контроля транспорта питательных веществ или контроля питательных веществ. Вода движется вниз по течению, обменивая питательные вещества через восходящие потоки, богатые питательными веществами, и нисходящие потоки, богатые кислородом. Вместо одного непрерывного или постепенного обмена питательные вещества циркулируют в участках вдоль русла реки. Общая длина спирали (S) состоит из длины поглощения (Sw) и длины оборота (Sp и Sc). Sw — это средняя длина пути, на который растворенное питательное вещество транспортируется вниз по течению, прежде чем снова попасть в него. Этот путь можно представить как воображаемую спираль. На спиральное движение питательных веществ может влиять стадия течения из-за более высокого или низкого фракционного взаимодействия воды со руслом, где происходит круговорот питательных веществ. Низкое взаимодействие питательных веществ на высокой стадии и высокое взаимодействие питательных веществ на низкой стадии. (

Водоразделы могут иметь повышенную или пониженную способность к круговороту питательных веществ внутри своей общей системы в зависимости от их уровня, расхода и скорости. Однако человечество также оказало значительное влияние в этой области, что во многих случаях привело к общему ухудшению состояния водосборной системы. «Сельское хозяйство, урбанизация и добыча ресурсов резко увеличили нагрузку питательными веществами и изменили доставку и производство растворенного органического вещества (РОВ). За последние 60 лет человеческая деятельность увеличила глобальную фиксацию азота более чем вдвое и нагрузку фосфора в четыре раза. в то же время землепользование человеком напрямую нарушило половину поверхности суши в мире, фундаментально изменив способность экосистем буферизовать или перерабатывать [или циклически] эти питательные вещества».

Временные и пространственные соображения

Экогидрологическая теория также придает большое значение рассмотрению временных (времени) и пространственных (пространства) отношений. Гидрология, в частности время выпадения осадков , может быть решающим фактором в том, как экосистема развивается с течением времени. Например, в средиземноморских ландшафтах сухое лето и влажная зима. Если растительность имеет летний вегетационный период, она часто испытывает водный дефицит, хотя общее количество осадков в течение года может быть умеренным. Экосистемы в этих регионах, как правило, развивались так, чтобы поддерживать травы с высоким водопотреблением зимой, когда доступность воды высока, и деревья, адаптированные к засухе, летом, когда ее мало.

Экогидрология также занимается изучением гидрологических факторов, лежащих в основе пространственного распределения растений. Оптимальное расположение и пространственная организация растений по крайней мере частично определяются наличием воды. В экосистемах с низкой влажностью почвы деревья обычно располагаются дальше друг от друга, чем в хорошо орошаемых районах.

Основные уравнения и модели

Водный баланс в точке

Фундаментальное уравнение экогидрологии — это водный баланс в определенной точке ландшафта. Водный баланс гласит, что количество воды, поступающей в почву, должно быть равно количеству воды, выходящей из почвы, плюс изменение количества воды, запасенной в почве. Водный баланс имеет четыре основные составляющие: инфильтрация осадков в почву, эвапотранспирация , просачивание воды в более глубокие участки почвы, недоступные для растений, и сток с поверхности земли. Он описывается следующим уравнением:

$nZ_{r}{\frac {ds(t)}{dt}}=R(t)-I(t)-Q[s(t),t]-E[s(t)]-L[s(t)]$

Члены в левой части уравнения описывают общее количество воды, содержащейся в зоне укоренения – углеродной губке почвы. Эта вода, доступная растительности, имеет объем, равный пористости почвы ( $n$), умноженный на его насыщенность ( $s$) и глубину залегания корней растения ( $Z_{r}$). Дифференциальное уравнение $ds(t)/dt$ описывает, как насыщенность почвы меняется с течением времени. Члены в правой части описывают интенсивность осадков ( $R$), перехват ( $I$), сток ( $Q$), суммарное испарение ( $E$) и утечка ( $L$). Обычно они выражаются в миллиметрах в день (мм/сут). Сток, испарение и утечка сильно зависят от насыщенности почвы в данный момент времени.

Для решения уравнения необходимо знать скорость эвапотранспирации как функцию влажности почвы. Модель, обычно используемая для его описания, утверждает, что испарение выше определенного уровня насыщения будет зависеть только от климатических факторов, таких как доступность солнечного света. Когда влажность почвы опускается ниже этой точки, она начинает контролировать эвапотранспирацию, и она снижается до тех пор, пока почва не достигнет точки, когда растительность больше не может извлекать больше воды. Этот уровень почвы обычно называют « точкой постоянного увядания ». Использование этого термина может привести к путанице, поскольку многие виды растений на самом деле не « вянут ».

Числа Дамкелера

Число Дамкелера — это безразмерное соотношение, которое предсказывает, будет ли продолжительность нахождения конкретного питательного вещества или растворенного вещества в определенном резервуаре или потоке воды достаточной для возникновения конкретной реакции.

$Da={\frac {T_{transport}}{T_{reaction}}}$

Где T — время либо транспорта, либо реакции. Время транспортировки можно заменить на T воздействия, чтобы определить, может ли реакция реально произойти в зависимости от того, в течение какой части времени транспортировки реагент будет подвергаться воздействию правильных условий для реакции. Число Дамкелера больше 1 означает, что реакция успевает прореагировать полностью, тогда как обратное верно для числа Дамкелера меньше 1.

Закон Дарси

Закон Дарси – это уравнение, описывающее течение жидкости через пористую среду. Закон был сформулирован Генри Дарси в начале 1800-х годов, когда ему было поручено доставить воду через водоносный горизонт в город Дижон, Франция. Чтобы вывести уравнение, Генри провел различные эксперименты с течением воды через пласты песка.

$Q=-KA{\frac {H}{L}}$

Где Q — расход, измеренный в м. ³ /сек. К – гидравлическая проводимость (м/с). A — площадь поперечного сечения, по которой проходит вода (м2). Где H — изменение высоты по мере постепенного удаления водоносного горизонта (м). Где L — длина водоносного горизонта или расстояние, которое проходит вода (м).

Гидрограф

Гидрографы — это модели, используемые для анализа расхода воды в определенной точке реки. Их обычно используют после дождя или наводнения, чтобы показать, как изменился поток воды. Он измеряется в Объем ⁄ Время .

Гидрограф имеет три основные оси. Это Время, Разряд и Осадки.

Водный баланс

Это общее уравнение применяет закон сохранения массы к водным системам и используется для расчета оттока/притока воды в закрытых системах.

P = R + ET + ΔS

Где P — осадки. R – поток воды. ЭТ – эвапотранспирация. ΔS – изменение при хранении.

См. также

• Проводимость купола
• Устьичная проводимость
• Транспирация

Ссылки

• Гарсиа-Сантос, Г.; Брейнзель, Луизиана; Долман, Эй Джей (2009). «Моделирование проводимости полога во влажных и сухих условиях в субтропическом облачном лесу». Журнал «Сельскохозяйственная и лесная метеорология» . 149 (10): 1565–1572. Бибкод : 2009AgFM..149.1565G . doi : 10.1016/j.agrformet.2009.03.008 .
• Экогидрология в горном облачном лесу в национальном парке Гарахонай, Ла Гомера (Канарские острова, Испания). Гарсиа-Сантос, Г. (2007), докторская диссертация, Амстердам: Университет VU. http://dare.ubvu.vu.nl/handle/1871/12697
• «Руководство по комплексному управлению водоразделом – фитотехнология и экогидрология», Залевски, М. (2002) (ред.). Серия «Управление пресной водой» Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде, № 5. 188 стр., ISBN   92-807-2059-7 .
• «Экогидрология. Новая парадигма устойчивого использования водных ресурсов», Залевски М., Янауер Г.А. и Йоланкай Г., 1997. Технический документ МГП ЮНЕСКО по гидрологии № 7.; Проекты МГП-V 2.3/2.4, ЮНЕСКО, Париж, 60 стр.
• Экогидрология: дарвиновское выражение формы и функции растительности , Питер С. Иглсон, 2002. [1]
• Экогидрология - почему гидрологи должны заботиться , Рэндалл Дж. Хант и Дуглас А. Уилкокс, 2003, Грунтовые воды, Том. 41, № 3, с. 289.
• Экогидрология: гидрологический взгляд на динамику климата, почвы и растительности , Игнасио Родригес-Итурбе, 2000, Water Resources Research, Vol. 36, № 1, с. 3–9.
• Экогидрология экосистем, контролируемых водой: влага почвы и динамика растений , Игнасио Родригес-Итурбе, Amilcare Porporato, 2005. ISBN   0-521-81943-1
• «Эколого-гидрологическая обратная связь в лесных водно-болотных угодьях», Скотт Т. Аллен, 2016 г. https://scholar.google.com/scholar?oi=bibs&cluster=4526486741413113314&btnI=1&hl=en
• Экогидрология засушливых земель , Паоло Д'Одорико, Амилкаре Порпорато, 2006 г. ISBN   1-4020-4261-2 [2]
• Экогидрология наземных экосистем , Паоло Д'Одорико, Франческо Лайо, Амилькаре Порпорато, Лука Ридольфи, Андреа Ринальдо и Игнасио Родригес-Итурбе, Bioscience, 60(11): 898–907, 2010 [3] .
• Определение экогидрологии , Уильям Наттл, 2004 г. [4]
• «Взгляд на экогидрологию с точки зрения эколога», Дэвид Д. Бреширс, 2005, Бюллетень Экологического общества Америки 86: 296–300. [5]
• Экогидрология - международный журнал, публикующий научные статьи. Главный редактор: Кейт Сметтем, заместители редактора: Дэвид Д. Бреширс, Хан Долман и Джеймс Майкл Уоддингтон [6]
• Экогидрология и гидробиология - Международный научный журнал по экогидрологии и водной экологии (ISSN 1642-3593). Редакторы: Мацей Залевски, Дэвид М. Харпер, Ричард Д. Робартс [7]. Архивировано 6 мая 2008 г. в Wayback Machine.
• Гарсиа-Сантос, Г.; Марзол, М.В.; Ашан, Г. (2004). «Динамика воды в лавровом горном облачном лесу в национальном парке Гарахонай (Канарские острова, Испания)» . Гидрол. Система Земли. Наука . 8 (6): 1065–1075. Бибкод : 2004HESS....8.1065G . CiteSeerX   10.1.1.371.8976 . дои : 10.5194/hess-8-1065-2004 . S2CID   17091521 .
• Эбботт, Бенджамин В. и др. «Использование вывода с использованием нескольких индикаторов для выхода за рамки экогидрологии одного бассейна». Обзоры наук о Земле, том. 160, сентябрь 2016 г., стр. 19–42. DOI.org (перекрестная ссылка), doi:10.1016/j.earscirev.2016.06.014.
• Ковино, Тим. «Гидрологическая связанность как основа для понимания биогеохимических потоков через водоразделы и речные сети». Геоморфология, вып. 277, январь 2017 г., стр. 133–44. DOI.org (перекрестная ссылка), doi:10.1016/j.geomorph.2016.09.030.
• Фишер, Стюарт Г. и др. «Горизонты в биогеохимии потоков: пути прогресса». Экологическое общество Америки, том. 85, нет. 9 сентября 2004 г., https://doi.org/10.1890/03-0244 .
• Краузе, Стефан и др. «Экогидрологические границы как горячие точки экосистемных процессов». Журналы АГУ, вып. 53, нет. 8 апреля 2017 г., https://doi.org/10.1002/2016WR019516 .
• Педроли, Бас. «Экогидрологические параметры, указывающие на различные типы неглубоких подземных вод». Журнал гидрологии, том. 120, нет. 1–4, декабрь 1990 г., стр. 381–404.
• Траут, Нико и др. «Гипороговый транспорт и биогеохимические реакции в водо-перекатных системах при меняющихся условиях потока грунтовых вод». Журналы АГУ, вып. 119, нет. 5 мая 2014 г., https://doi.org/10.1002/2013JG002586 .
• Ван, Ликсин и др. «Динамические взаимодействия экогидрологических и биогеохимических процессов в водоограниченных системах». Экологическое общество Америки, август 2015 г., https://doi.org/10.1890/ES15-00122.1 .