Экогидрология - Ecohydrology

Экогидрология (из Греческий οἶκος, ойкос, "семья)"; ὕδωρ, Hydōr, "воды"; и -λογία, -логия ) - это междисциплинарная научная область, изучающая взаимодействие между водой и экологические системы. Считается субдисциплиной гидрология, с экологической направленностью. Эти взаимодействия могут происходить внутри водоемы, например, реки и озера, или на суше, в леса, пустыни, и другие наземные экосистемы. Области исследований в экогидрологии включают: испарение и использование воды растениями, адаптация организмов к их водной среде, влияние растительность и бентосный растений на поток и функционирование, а также обратную связь между экологическими процессами и гидрологический цикл.

Ключевые идеи

В гидрологический цикл описывает непрерывное движение воды, над, и под землей. Этот поток изменяется экосистемами во многих точках. Транспирация растений обеспечивает основной поток воды в атмосферу. На воду влияет растительный покров, поскольку он течет по поверхности земли, в то время как русла рек могут быть сформированы растительностью внутри них. Экогидрология была разработана в рамках Международная гидрологическая программа из ЮНЕСКО.

Экогидрологи изучают как наземные, так и водные системы. В наземных экосистемах (таких как леса, пустыни и саванны) взаимодействие между растительностью, поверхностью земли, вадозная зона, а грунтовые воды являются основным направлением. В водных экосистемах (таких как реки, ручьи, озера и водно-болотные угодья) акцент делается на том, как химический состав воды, геоморфология, а гидрология влияет на их структуру и функции.

Принципы

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

1. Гидрологический (основа): количественная оценка гидрологического цикла бассейна должна быть шаблоном для функциональной интеграции гидрологических и биологических процессов. Эта перспектива включает проблему масштаба, динамики воды и температуры, а также иерархических взаимодействий между биотическими и абиотическими факторами.
2. Экологический (целевой показатель): интегрированными процессами в масштабе речного бассейна можно управлять таким образом, чтобы усилить грузоподъемность и это экосистемные услуги. Этот компонент касается аспектов устойчивости и сопротивления экосистемы.
3. Экологическая инженерия (метод): регулирование гидрологических и экологических процессов, основанное на интегративном системном подходе, таким образом, является новым инструментом для интегрированного управления водными бассейнами. Этот метод объединяет гидрологические рамки и экологические цели для улучшения качества воды и экосистемных услуг с использованием инженерных методов, таких как дамбы, биоманипуляции, лесовозобновление и другие стратегии управления.

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

• H1: Гидрологические процессы обычно регулируют биота
• H2: Биота может служить 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 (Abbott et al., 2016). Откуда и куда уходит вода? Это определяется как путь потока воды, поступающей в оцениваемый водораздел. Как долго вода остается в определенном потоке или бассейне с водой? Это определяется как время пребывания, в течение которого можно наблюдать скорость поступления, выхода или хранения воды. Какие реакции и изменения претерпевает вода в результате этих процессов? Это определяется как биогеохимические реакции, которые могут изменить растворенные вещества, питательные вещества или соединения в воде. Чтобы найти ответы на эти вопросы, используются многие методы для наблюдения и проверки водоразделов. А именно, гидрографы, индикаторы окружающей среды и закаченные индикаторы или уравнения, такие как закон Дарси. Эти три фактора интерактивны и взаимозависимы. Связность водораздела часто определяет, как эти черты будут взаимодействовать. Когда возникают сезонные потоки или потоки масштаба события, изменения связности водораздела влияют на путь потока, время пребывания и биогеохимические реакции. Места с высокой реакционной активностью в определенном 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., др., 2014) (Ковино, 2016).

Растительный и водный стресс

Фундаментальная концепция экогидрологии заключается в том, что физиология растений напрямую связана с доступностью воды. Где много воды, как в тропические леса, рост растений больше зависит от доступность питательных веществ. Однако в полузасушливый области, такие как африканские саванны, тип и распределение растительности напрямую связаны с количеством воды, которое растения могут извлечь из почвы. Когда недостаточно почвенная вода имеется водный стресс. Растения под водный стресс уменьшают их испарение и фотосинтез через ряд ответов, в том числе закрытие их устьица. Это уменьшение навес лес, поток воды в пологе и поток двуокиси углерода могут влиять на окружающий климат и погоду.

Недостаточная влажность почвы вызывает стресс у растений, а доступность воды - один из двух наиболее важных факторов (второй - температура), которые определяют распространение видов. Сильный ветер, низкая относительная влажность воздуха, низкий уровень углекислого газа, высокая температура и высокая температура. сияние все усугубляют недостаточность влажности почвы. Доступность почвы также снижается при низкой температуре почвы. Одна из первых реакций на недостаточное увлажнение - уменьшение тургорное давление; размножение и рост клеток немедленно подавляются, и неподготовленный всходы скоро увянут.

Концепция дефицита воды, разработанная Штокером в 1920-х годах,^[1][2][3] является полезным показателем баланса в растении между поглощением и потерей воды. Незначительный дефицит воды является нормальным явлением и не влияет на работу растения,^[4] в то время как большие дефициты нарушают нормальные процессы в растении.

Повышение уровня влажности в среде для укоренения до 5 атмосфер влияет на рост, транспирацию и внутренний водный баланс сеянцев, причем в большей степени у ели обыкновенной, чем у растений. береза, осина, или же Сосна обыкновенная.^[5] Уменьшение чистой скорости ассимиляции у ели больше, чем у других видов, и из этих видов только ель не показывает повышения эффективности водопользования по мере того, как почва становится суше. У двух хвойных деревьев разница в водном потенциале между листьями и субстратом больше, чем у лиственных пород.^[5] Скорость транспирации у ели обыкновенной снижается меньше, чем у трех других видов, поскольку водный стресс почвы увеличивается до 5 атмосфер в контролируемой среде. В полевых условиях хвоя ели обыкновенной теряет в три раза больше воды из полностью набухшего состояния, чем листья березы и осины, и в два раза больше, чем сосна обыкновенная, до очевидного закрытия. устьица (хотя есть некоторые трудности с определением точной точки закрытия).^[6] Поэтому ассимиляция у ели может продолжаться дольше, чем у сосны, когда водный стресс у растений высок, хотя ель, вероятно, будет первой, у которой «закончится вода».

Динамика влажности почвы

Влажность почвы общий термин, описывающий количество воды, присутствующей в вадозная зона, или ненасыщенная часть почвы под землей. Поскольку растения зависят от этой воды для выполнения важнейших биологических процессов, влажность почвы является неотъемлемой частью изучения экогидрологии. Влажность почвы обычно описывается как содержание воды, ${ displaystyle theta}$, или же насыщенность, ${ displaystyle S}$. Эти термины связаны пористость, ${ displaystyle n}$, через уравнение ${ displaystyle theta = nS}$. Изменения влажности почвы с течением времени известны как динамика влажности почвы.

Недавние глобальные исследования с использованием стабильных изотопов воды показывают, что не вся влажность почвы одинаково доступна для подпитка подземных вод или для транспирации растений.^[7][8]

Временные и пространственные соображения

Экогидрологическая теория также придает большое значение рассмотрению временных (время) и пространственных (пространственных) отношений. Гидрология, в частности сроки проведения осадки события, могут быть решающим фактором в развитии экосистемы с течением времени. Например, Средиземноморье пейзажи переживают сухое лето и влажную зиму. Если растительность имеет летний вегетационный период, она часто испытывает недостаток воды, даже если общее количество осадков в течение года может быть умеренным. Экосистемы в этих регионах, как правило, развивались для поддержки трав с высоким водопотреблением зимой, когда водообеспеченность высока, и засуха -адаптированы деревья летом, когда невысоко.

Экогидрология также занимается гидрологическими факторами пространственного распределения растений. Оптимальное расположение и пространственная организация растений, по крайней мере, частично определяется доступностью воды. В экосистемах с низкой влажностью почвы деревья обычно расположены дальше друг от друга, чем в хорошо обводненных территориях.

Основные уравнения и модели

Водный баланс в точке

Основным уравнением экогидрологии является водный баланс в точке пейзажа. Согласно водному балансу количество воды, поступающей в почву, должно быть равно количеству воды, покидающей почву, плюс изменение количества воды, хранящейся в почве. Водный баланс состоит из четырех основных компонентов: проникновение осадков в почву, эвапотранспирация, просачивание воды в более глубокие участки почвы, недоступные для растений, и сток с поверхности земли. Он описывается следующим уравнением:

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

Члены в левой части уравнения описывают общее количество воды, содержащейся в зоне укоренения. Эта доступная для растений вода имеет объем, равный пористости почвы (${ displaystyle n}$), умноженное на насыщенность (${ displaystyle s}$) и глубина корней растения (${ displaystyle Z_ {r}}$). В дифференциальное уравнение ${ displaystyle ds (t) / dt}$ описывает, как насыщенность почвы изменяется с течением времени. Члены в правой части описывают количество осадков (${ displaystyle R}$), перехват (${ displaystyle I}$), сток (${ displaystyle Q}$), эвапотранспирация (${ displaystyle E}$) и утечка (${ displaystyle L}$). Обычно они указываются в миллиметрах в день (мм / сут). Сток, испарение и утечка во многом зависят от насыщенности почвы в данный момент времени.

Чтобы решить уравнение, необходимо знать скорость эвапотранспирации в зависимости от влажности почвы. Модель, обычно используемая для его описания, гласит, что выше определенного уровня насыщения испарение будет зависеть только от климатических факторов, таких как доступный солнечный свет. Оказавшись ниже этой точки, влажность почвы накладывает контроль на эвапотранспирацию, и она уменьшается, пока почва не достигнет точки, когда растительность больше не может извлекать больше воды. Этот уровень почвы обычно называют "постоянная точка увядания ". Этот термин сбивает с толку, потому что на самом деле многие виды растений этого не делают"увядать ".

Число Дамкохлера

Число Дамкохлера представляет собой безразмерное соотношение, которое предсказывает, будет ли время, в течение которого конкретное питательное вещество или растворенное вещество находится в определенном бассейне или потоке воды, достаточным для возникновения конкретной реакции.

Da =^{Т транспорт}⁄_{Т реакция}

Где Т - время переноса или реакции. Время транспортировки можно заменить на воздействие T, чтобы определить, может ли реакция реально произойти, в зависимости от того, в течение какого времени транспортировки реагент будет подвергаться воздействию правильных условий для реакции. Число Дамкохлера больше 1 означает, что реакция успевает полностью отреагировать, тогда как противоположное верно для числа Дамколера меньше 1.

Смотрите также

• Проводимость навеса
• Устьичная проводимость
• Транспирация

Рекомендации

• García-Santos, G .; Bruijnzeel, L.A .; Долман, А.Дж. (2009). «Моделирование проводимости полога во влажных и сухих условиях в субтропическом облачном лесу». Журнал Сельскохозяйственная и лесная метеорология. 149 (10): 1565–1572. Дои: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 водосбором - фитотехнология и экогидрология», Залевски, М. (2002) (Ред). Серия «Управление пресноводными ресурсами» Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде № 5. 188pp, ISBN  92-807-2059-7.
• «Экогидрология. Новая парадигма устойчивого использования водных ресурсов», Залевски, М., Янауэр, Г.А. И Джоланкай, Г. 1997. Технический документ ЮНЕСКО МГП по гидрологии № 7 .; IHP - V Projects 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 г., Грунтовые воды, т. 41, № 3, стр. 289.
• Экогидрология: гидрологическая перспектива динамики климата, почвы и растительности, Игнасио Родригес-Итурбе, 2000, Исследование водных ресурсов, Том. 36, № 1, стр. 3–9.
• Экогидрология водных экосистем: влажность почвы и динамика растений, Игнасио Родригес-Итурбе, Amilcare Porporato, 2005. ISBN  0-521-81943-1
• «Эколого-гидрологическая обратная связь в лесных болотах», Скотт Т. Аллен, 2016 г. https://scholar.google.com/scholar?oi=bibs&cluster=4526486741413113314&btnI=1&hl=en
• Экогидрология засушливых земель, Паоло Д'Одорико, Amilcare Porporato, 2006. ISBN  1-4020-4261-2 [2]
• Экогидрология наземных экосистем, Паоло Д'Одорико, Франческо Лайо, Амилкаре Порпорато, Лука Ридольфи, Андреа Ринальдо и Игнасио Родригес-Итурбе, Bioscience, 60 (11): 898–907, 2010 [3].
• Определение экогидрологии, Уильям Наттл, 2004. [4]
• «Взгляд эколога на экогидрологию», Дэвид Д. Бреширс, 2005 г., Бюллетень Экологического общества Америки 86: 296–300. [5]
• Экогидрология - международный журнал, публикующий научные статьи. Главный редактор: Кейт Сметтем, младшие редакторы: Дэвид Д. Бреширс, Хан Долман и Джеймс Майкл Уоддингтон [6]
• Ecohydrology & Hydrobiology - Международный научный журнал по экогидрологии и водной экологии (ISSN 1642-3593). Редакторы: Мацей Залевски, Дэвид М. Харпер, Ричард Д. Робартс [7]
• García-Santos, G .; Марзол, М. В .; Ашан, Г. (2004). «Динамика воды в лавровом горном облачном лесу в национальном парке Гарахонай (Канарские острова, Испания)». Hydrol. Earth Syst. Наука. 8 (6): 1065–1075. CiteSeerX  10.1.1.371.8976. Дои:10.5194 / hess-8-1065-2004.
• Эбботт, Бенджамин В. и др. «Использование вывода с использованием нескольких индикаторов для выхода за рамки экогидрологии одного водосбора». Earth-Science Reviews, vol. 160, сентябрь 2016 г., стр. 19–42. DOI.org (Crossref), DOI: 10.1016 / j.earscirev.2016.06.014.
• Ковино, Тим. «Гидрологическая связь как основа для понимания биогеохимических потоков через водоразделы и вдоль речных сетей». Геоморфология, т. 277, январь 2017 г., стр. 133–44. DOI.org (Crossref), DOI: 10.1016 / j.geomorph.2016.09.030.
• Фишер, Стюарт Г. и др. «Горизонты биогеохимии потоков: пути к прогрессу». Экологическое общество Америки, т. 85, нет. 9 сентября 2004 г., https://doi.org/10.1890/03-0244.
• Краузе, Стефан и др. «Экогидрологические интерфейсы как горячие точки экосистемных процессов». Журналы AGU, Vol. 53, нет. 8 апреля 2017 г., https://doi.org/10.1002/2016WR019516.
• Pedroli, Bas. «Экогидрологические параметры, указывающие на разные типы неглубоких подземных вод». Журнал гидрологии, вып. 120, нет. 1–4, декабрь 1990 г., стр. 381–404.
• Траут, Нико и др. «Гипорический перенос и биогеохимические реакции в водоемах с перекатами в различных условиях потока грунтовых вод». Журналы AGU, Vol. 119, нет. 5 мая 2014 г., https://doi.org/10.1002/2013JG002586.
• Ван, Ликсин и др. «Динамическое взаимодействие экогидрологических и биогеохимических процессов в водно-ограниченных системах». Экологическое общество Америки, август 2015 г., https://doi.org/10.1890/ES15-00122.1.