一个植根于我们研究

在世界上任何一个大森林里呆上一段时间，你就会开始看到树木是巨大的柱子，支撑着天空，同时牢牢地固定在地球上。这既是事实，也是感情。树木确实通过在土壤和大气之间交换能量和物质将地面和天空连接起来。研究人员相信，了解这种联系可以提供丰富的科学见解，对生态系统和实际应用，解决挑战，如水资源保护和管理。

加州大学圣巴巴拉分校的马克·梅耶斯最近领导了一项研究，通过卫星图像追踪，研究树木在大气中的水分流失模式与地下水供应之间的关系。这些结果在景观范围内验证了科学家们基于几十年的实验室和温室研究提出的想法。更重要的是，这些技术有助于精确、有效地监测大面积的地下水资源。这一发现发表在《水文过程》杂志上。

尽管植物种类繁多，但大多数植物都有一个非常简单的游戏计划。利用来自阳光的能量，它们将地下的水与空气中的二氧化碳结合，产生糖和氧气。在光合作用过程中，植物会打开叶片上的小孔吸收二氧化碳，这也会让水分逸出。这种水分流失的过程被称为蒸散——土壤蒸发和植物蒸腾的简称——本质上是将光合作用的成分运输到发生这一过程的叶片的交易成本。

就像蒸发的汗水使我们的身体降温一样，树木的蒸发作用也使森林降温。通过适当的理解和技术，科学家可以利用来自卫星以及载人和无人驾驶飞机的热图像数据来理解植物和地下水之间的关系:较低的温度与更多的蒸散有关。

“本文的核心假设是,您可以使用植物用水之间的关系[是]来衡量卫星图像数据,包括气温和降雨和气候数据,来评估的可用性,和变化,地下水资源,”梅耶斯说,一个大学的地球科学家和基于遥感专家地球研究所(ERI)。

梅耶斯和他的同事们把重点放在了干旱河流的植物群上——那些位于沙漠和地中海气候中的河流。在这些区域，许多植物已经进化出了减少水分流失的适应能力，比如生长缓慢、水分保持或生命周期的兴衰交替。然而，主导河道的植物——像梧桐树、杨树和柳树——进化得能够利用栖息地相对于周围景观提供的过剩地下水。

梅耶斯说:“当水变得稀缺时，这种植物不会减缓用水，它基本上会把自己喝死。”这使它成为观察地表下情况的一个很好的窗口。

研究小组利用基于卫星的热成像技术观察了亚利桑那州南部圣佩德罗河走廊的温度。在无云的日子里，卫星可以在大面积陆地上以高分辨率收集地表温度的数据。通过比较河流沿岸和附近植被稀少地区的温度，研究人员能够确定河流不同部分在不同时间的蒸散量。他们发现，在水资源丰富的环境中，它与空气温度和水资源匮乏的环境中的降雨量相关。

这些发现支持了我们对植物水分利用了解的最新进展。空气越热、越干燥，从叶子中吸收水分的能力就越强，植物消耗的水分也就越多。因此，梅斯和他的同事预计，只要溪流中有丰富的地下水供植物利用，蒸发蒸腾量就会随气温变化。

另一方面，在地下水缺乏的地方，植物会关闭叶片上的开口以避免水分流失;避免晒干比在温暖的日子里利用额外的阳光更重要。因此，蒸散量将与降雨和水流密切相关，而降雨和水流会增加树木根系对水分的供应。

科学家已经在实验室和小型实地实验中证明了蒸散在降低地表温度方面的可预测作用。然而，这是第一个证明其对大范围地区影响的研究。使这成为可能的技术在过去五年才成熟。

“这种遥感方法显示出了很大的希望，可以确定相关的气候和其他控制树木生长和健康的因素，即使是在沿河的狭窄植被带内，”ERI的研究员、合作作者迈克尔·辛格(Michael Singer)说。他是资助梅耶斯工作的项目的首席研究员。

事实上，这些生态系统对美国西南部至关重要。“尽管只占地貌面积的2%，但西南部超过90%的生物多样性依赖于这些生态系统，”合著者、美国地质调查局西南生物科学中心的研究科学家帕梅拉·纳格勒说。

本文中使用的技术也可以应用于地下水监测的长期挑战。事实上，这个想法一开始就帮助激发了这项研究。梅耶斯说:“在真正重要的地方尺度上，要监测地下水的可用性和地下水资源的变化是非常困难的。”“我们说的是新住宅开发项目下游的农田或河流走廊。”

监测井是有效的，但只提供地图上一个点的信息。更重要的是，钻井和维护它们的成本很高。通量塔可以测量地表和大气之间的气体交换，包括水蒸气。但在成本和规模方面，它们与油井有着相似的缺点。科学家和利益攸关方希望采用可靠、经济有效的方法来监测含水层，既能提供广泛的覆盖范围，又能提供高分辨率。这是一个艰巨的任务。

虽然它可能不像井那么精确，但来自飞机和卫星的远程热成像可以验证所有这些假设。它利用现有的基础设施提供了广泛的覆盖范围和高分辨率。梅耶斯说，虽然这种方法只适用于河流走廊，但“干旱地区过多的农业用地和人类定居点最终都变成了河流路径上有水的地方。”

其目的是寻找随时间变化的蒸散量与气候变量之间关系的变化。这些变化将标志着富水和贫水条件之间的转变。梅耶斯说:“在大范围内探测到这种信号，可能是地下水资源枯竭的早期预警信号。”这项技术可以为地下水使用的监测和实际决策提供信息。

这项研究是一个较大的一部分国防部(DOD)项目旨在了解脆弱河流的栖息地在国防部基地旱地干旱地区的美国“我们使用多种方法理解何时和为什么这些植物成为强调由于缺乏水,”歌手说,项目的首席科学家。“(我们希望)这一新的知识可以支持这些敏感生态群落的管理，特别是在干旱地区的军事基地，在那里，这些原始栖息地支持着许多受威胁和濒危物种。”

梅耶斯补充说:“接下来我们要做的是跨时间和空间研究生态系统对水资源短缺和水资源压力的反应，这为我们理解生态系统的反应和改善监测提供了途径。”

该研究的其他重要贡献者包括加州大学圣巴巴拉分校环境研究所(ERI)主任凯利·凯勒;Dar Roberts，地理学教授和ERI科学家，陆地生态系统专家;约翰·斯特拉，纽约州立大学环境科学与林业学院教授。这项研究是根据美国国防部的战略环境研究和发展计划进行的。