Ekohidroloji - Ecohydrology

Ekohidroloji (kimden Yunan οἶκος, Oikos, "ev halkı)"; ὕδωρ, hidr, "Su"; ve -λογία, -logia ) su ve su arasındaki etkileşimi inceleyen disiplinler arası bir bilimsel alandır. ekolojik sistemler. Alt disiplin olarak kabul edilir hidroloji, ekolojik bir odaklanma ile. Bu etkileşimler içinde yer alabilir su kütleleri nehirler ve göller gibi veya karada, ormanlar, çöller ve diğer karasal ekosistemler. Ekohidrolojide araştırma alanları şunları içerir: terleme ve bitki suyu kullanımı, organizmaların su ortamlarına adaptasyonu, bitki örtüsü ve Bentik akış akışı ve işlevi üzerine bitkiler ve ekolojik süreçler ile hidrolojik döngü.

Anahtar kavramlar

Hidrolojik döngü Suyun sürekli hareketini açıklar, yukarıda ve yeryüzünde yüzeyin altında. Bu akış, ekosistemler tarafından birçok noktada değiştirilir. Bitkilerden terleme, suyun büyük bir kısmının atmosfere akışını sağlar. Su, kara yüzeyinden akarken bitki örtüsünden etkilenirken, nehir kanalları içlerindeki bitki örtüsü tarafından şekillendirilebilir. Ekohidroloji, Uluslararası Hidrolojik Program nın-nin UNESCO.

Ekohidrologlar hem karasal hem de su sistemlerini inceler. Karasal ekosistemlerde (ormanlar, çöller ve savanalar gibi), bitki örtüsü, kara yüzeyi, vadoz bölgesi, ve yeraltı suyu ana odak noktasıdır. Su ekosistemlerinde (nehirler, akarsular, göller ve sulak alanlar gibi) su kimyasının nasıl olduğuna vurgu yapılır. jeomorfoloji ve hidroloji yapılarını ve işlevlerini etkiler.

Prensipler

Ekolojik hidrolojinin genel varsayımları, ölçekler arasında karasal ve sucul süreçleri bütünleştiren kavramları kullanarak ekosistem bozulmasını azaltmaktır. Ekohidrolojinin ilkeleri üç ardışık bileşenle ifade edilir:

1. Hidrolojik (Çerçeve): Bir havzanın hidrolojik döngüsünün nicelendirilmesi, hidrolojik ve biyolojik süreçlerin fonksiyonel entegrasyonu için bir şablon olmalıdır. Bu bakış açısı, ölçek, su ve sıcaklık dinamikleri ve biyotik ve abiyotik faktörler arasındaki hiyerarşik etkileşimleri içerir.
2. Ekolojik (Hedef): Nehir havzası ölçeğindeki entegre süreçler, havzanın ekonomisini geliştirecek şekilde yönlendirilebilir. Taşıma kapasitesi ve Onun ekosistem servisleri. Bu bileşen, ekosistem direnci ve direncinin yönleriyle ilgilenir.
3. Ekolojik Mühendislik (Yöntem): Hidrolojik ve ekolojik süreçlerin bütünleştirici bir sistem yaklaşımına dayalı olarak düzenlenmesi, bu nedenle Entegre Su Havzası Yönetimi için yeni bir araçtır. Bu yöntem su kalitesi ve ekosistem hizmetlerini iyileştirmek için hidrolojik çerçeveyi ve ekolojik hedefleri, setler, biyo-popülasyon, ağaçlandırma ve diğer yönetim stratejileri gibi mühendislik yöntemlerini kullanarak bütünleştirir.

Test edilebilir hipotezler olarak ifadeleri (Zalewski ve diğerleri, 1997) şu şekilde görülebilir:

• H1: Hidrolojik süreçler genellikle düzenler biota
• H2: Biota, hidrolojik süreçleri düzenlemek için bir araç olarak şekillendirilebilir
• H3: Bu iki tür düzenleme (H1 ve H2), sürdürülebilir su ve ekosistem hizmetlerine ulaşmak için hidro-teknik altyapı ile entegre edilebilir.

Belirli bir sistemdeki ekolojik hidroloji, birkaç temel soruyu yanıtlayarak değerlendirilebilir (Abbott ve diğerleri, 2016). Su nereden geliyor ve nereye gidiyor? Bu, değerlendirilmekte olan havzaya giren suyun aldığı akış yolu olarak tanımlanır. Su belirli bir akışta veya su havuzunda ne kadar kalır? Bu, suyun girdiği, çıktığı veya depolandığı hızın gözlemlenebildiği kalma süresi olarak tanımlanır. Su bu süreçlerde hangi reaksiyonlara ve değişikliklere uğrar? Bu, sudaki çözünen maddeleri, besinleri veya bileşikleri değiştirme potansiyeline sahip biyojeokimyasal reaksiyonlar olarak tanımlanır. Bu soruların cevapları için su havzalarını gözlemlemek ve test etmek için birçok yöntem kullanılır. Yani hidrograflar, çevresel ve enjekte edilmiş izleyiciler veya Darcy Yasası gibi denklemler. Bu üç faktör etkileşimli ve birbirine bağlıdır. Bir havzanın bağlanabilirliği, genellikle bu özelliklerin nasıl etkileşime gireceğini tanımlar. Mevsimsel veya olay ölçekli akışlar meydana geldikçe, bir havzanın bağlanabilirliğindeki değişiklikler akış yolunu, kalma süresini ve biyojeokimyasal reaksiyonları etkiler. Belirli bir yer veya zamandaki yüksek reaksiyon aktivitesi olan yerlere sıcak noktalar veya sıcak anlar denir (Pedroli, 1990) (Wand ve diğerleri, 2015) (Krause ve diğerleri, 2017) (Fisher ve diğerleri, 2004) (Trauth et al. al., 2014) (Covino, 2016).

Bitki örtüsü ve su stresi

Ekohidrolojideki temel bir kavram, bitki fizyolojisinin doğrudan su mevcudiyeti ile bağlantılı olmasıdır. Olduğu gibi bol su olan yerde yağmur ormanları, bitki büyümesi daha bağımlı besin bulunabilirliği. Ancak yarı kurak Afrika gibi bölgeler savanalar bitki türü ve dağılımı, bitkilerin topraktan çıkarabileceği su miktarı ile doğrudan ilişkilidir. Yetersiz olduğunda toprak suyu mevcutsa, su stresli bir durum oluşur. Altındaki bitkiler su stresi hem terlemeyi azaltır hem de fotosentez bir dizi yanıtla stoma. Bu azalma gölgelik orman, gölgelik su akışı ve karbondioksit akışı çevredeki iklimi ve havayı etkileyebilir.

Yetersiz toprak nemi bitkilerde stres yaratır ve su mevcudiyeti, belirleyen en önemli iki faktörden biridir (sıcaklık diğeridir). tür dağılımı. Sert rüzgarlar, düşük atmosferik bağıl nem, düşük karbondioksit, yüksek sıcaklık ve yüksek ışıma hepsi toprak nem yetersizliğini şiddetlendirir. Düşük toprak sıcaklığında toprak nem mevcudiyeti de azalır. Yetersiz nem beslemesine verilen en erken yanıtlardan biri, turgor basıncı; hücre genişlemesi ve büyümesi hemen engellenir ve şişirilmemiş vurur yakında solgun.

1920'lerde Stocker tarafından geliştirilen su açığı kavramı,^[1][2][3] bitkideki su alımı ve kaybı arasındaki dengenin yararlı bir indeksidir. Hafif su açıkları normaldir ve bitkinin işleyişini bozmaz,^[4] daha büyük açıklar normal tesis süreçlerini bozar.

Köklendirme ortamındaki nem stresindeki 5 atmosfer kadar küçük bir artış, fidelerde büyümeyi, terlemeyi ve iç su dengesini etkiler, Norveç ladininde olduğundan çok daha fazladır. huş ağacı, titrek kavak veya İskoç çamı.^[5] Net asimilasyon oranındaki azalma, ladinlerde diğer türlere göre daha fazladır ve bu türlerden sadece ladin, toprak kurudukça su kullanım veriminde artış göstermez. İki iğne yapraklı ağaç, yaprak ve alt tabaka arasındaki su potansiyeli açısından sert ağaçlara göre daha büyük farklılıklar gösterir.^[5] Kontrollü ortamlarda toprak suyu stresi 5 atmosfere kadar çıktığı için Norveç ladininde terleme hızı diğer üç türe göre daha az azalmaktadır. Tarla koşullarında, Norveç ladin iğneleri, tamamen kabarık durumdan, huş ağacı ve kavak yapraklarına göre üç kat daha fazla su kaybeder ve İskoç çamının iki katı kadar su kaybeder. stoma (kesin kapanma noktasını belirlemede bazı zorluklar olsa da).^[6] Bu nedenle asimilasyon, bitki su stresi yüksek olduğunda çamda asimilasyondan daha uzun süre devam edebilir, ancak muhtemelen “suyu tükenen” ilk ladin olacaktır.

Toprak nem dinamikleri

Toprak nemi içinde bulunan su miktarını tanımlayan genel bir terimdir. vadoz bölgesi veya zeminin altındaki doymamış kısım. Bitkiler, kritik biyolojik süreçleri gerçekleştirmek için bu suya bağımlı olduklarından, toprak nemi ekohidroloji çalışmasının ayrılmaz bir parçasıdır. Toprak nemi genellikle şu şekilde tanımlanır: su içeriği, ${ displaystyle theta}$veya doyma, ${ displaystyle S}$. Bu terimler ile ilgilidir gözeneklilik, ${ displaystyle n}$denklem aracılığıyla ${ displaystyle theta = nS}$. Zamanla toprak nemindeki değişiklikler, toprak nem dinamikleri olarak bilinir.

Suya dayanıklı izotopları kullanan son küresel araştırmalar, tüm toprak neminin eşit olarak mevcut olmadığını göstermektedir. yenilenebilir yeraltı suları veya bitki terlemesi için.^[7][8]

Zamansal ve mekansal düşünceler

Ekohidrolojik teori aynı zamanda zamansal (zaman) ve mekansal (uzay) ilişkilere de önem verir. Hidroloji, özellikle zamanlaması yağış olaylar, bir ekosistemin zaman içinde gelişmesinde kritik bir faktör olabilir. Örneğin, Akdeniz manzaralar kuru yazlar ve yağışlı kışlar yaşar. Bitki örtüsünün yaz büyüme mevsimi varsa, yıl boyunca toplam yağış ılımlı olsa da, genellikle su stresi yaşar. Bu bölgelerdeki ekosistemler, tipik olarak su mevcudiyetinin yüksek olduğu kış aylarında yüksek su talepli otları desteklemek için gelişmiştir ve kuraklık - Düşük olduğu yaz aylarında uyumlu ağaçlar.

Ekohidroloji, bitkilerin mekansal dağılımının arkasındaki hidrolojik faktörlerle de ilgilenir. Bitkilerin optimum aralığı ve mekansal organizasyonu, en azından kısmen su mevcudiyeti ile belirlenir. Düşük toprak nemine sahip ekosistemlerde, ağaçlar tipik olarak iyi sulanan alanlardan daha uzakta bulunur.

Temel denklemler ve modeller

Bir noktada su dengesi

Ekohidrolojide temel bir denklem, su dengesi manzaranın bir noktasında. Su dengesi, toprağa giren su miktarının topraktan çıkan su miktarı artı toprakta depolanan su miktarındaki değişime eşit olması gerektiğini belirtir. Su dengesinin dört ana bileşeni vardır: süzülme toprağa yağış, evapotranspirasyon bitkinin erişemeyeceği toprağın daha derin kısımlarına su sızması ve akış zemin yüzeyinden. Aşağıdaki denklemle açıklanmaktadır:

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

Denklemin sol tarafındaki terimler, köklenme bölgesinde bulunan toplam su miktarını tanımlar. Bitki örtüsüne ulaşabilen bu su, toprağın gözenekliliğine eşit bir hacme sahiptir (${ displaystyle n}$) ile çarpılır doyma (${ displaystyle s}$) ve bitkinin köklerinin derinliği (${ displaystyle Z_ {r}}$). diferansiyel denklem ${ displaystyle ds (t) / dt}$ toprak doygunluğunun zamanla nasıl değiştiğini açıklar. Sağ taraftaki terimler yağış oranlarını tanımlamaktadır (${ displaystyle R}$), kesişme (${ displaystyle I}$), akış (${ displaystyle Q}$), evapotranspirasyon (${ displaystyle E}$) ve sızıntı (${ displaystyle L}$). Bunlar tipik olarak günde milimetre (mm / d) cinsinden verilir. Akma, buharlaşma ve sızıntı, belirli bir zamandaki toprak doygunluğuna büyük ölçüde bağlıdır.

Denklemi çözmek için toprak neminin bir fonksiyonu olarak evapotranspirasyon oranı bilinmelidir. Genellikle bunu tanımlamak için kullanılan model, belirli bir doygunluğun üzerinde buharlaşmanın yalnızca mevcut güneş ışığı gibi iklim faktörlerine bağlı olacağını belirtir. Bu noktanın altına bir kez, toprak nemi evapotranspirasyonu kontrol altına alır ve toprak, bitki örtüsünün artık su çekemeyeceği noktaya gelene kadar azalır. Bu toprak seviyesi genellikle "kalıcı solma noktası ". Bu terim kafa karıştırıcı çünkü birçok bitki türü aslında böyle değil"solgunluk ".

Damkohler Numarası

Damkohler sayısı, belirli bir besin veya çözünen maddenin belirli bir havuzda veya su akışında olduğu sürenin, belirli bir reaksiyonun meydana gelmesi için yeterli süre olup olmayacağını tahmin eden birimsiz bir orandır.

Da =^{T taşıma}⁄_{T reaksiyonu}

T, nakil veya reaksiyonun zamanıdır. Taşıma süresi, reaksiyonun taşıma süresinin ne kadarında reaksiyona girmek için doğru koşullara maruz kalacağına bağlı olarak bir reaksiyonun gerçekçi bir şekilde meydana gelip gelmeyeceğini belirlemek için T maruziyetinin yerini alabilir. 1'den büyük bir Damkohler sayısı, reaksiyonun tamamen tepki verme zamanı olduğunu gösterirken, 1'den küçük bir Damkohler sayısı için bunun tersi geçerlidir.

Ayrıca bakınız

• Kanopi iletkenliği
• Stomatal iletkenlik
• Terleme

Referanslar

• Garcia-Santos, G .; Bruijnzeel, L.A .; Dolman, A.J. (2009). "Subtropikal bulut ormanında ıslak ve kuru koşullar altında gölgelik iletkenliğini modelleme". Tarım ve Orman Meteorolojisi Dergisi. 149 (10): 1565–1572. doi:10.1016 / j.agrformet.2009.03.008.
• La Gomera'daki (Kanarya Adaları, İspanya) Garajonay Ulusal Parkı'ndaki dağ bulutu ormanındaki ekohidroloji. García-Santos, G. (2007), Doktora Tezi, Amsterdam: VU Üniversitesi. http://dare.ubvu.vu.nl/handle/1871/12697
• Zalewski, M. (2002) (Ed) "Havzanın Entegre Yönetimi için Yönergeler - Fitoteknoloji ve Ekohidroloji". Birleşmiş Milletler Çevre Programı Tatlı Su Yönetimi Serisi No. 5. 188pp, ISBN  92-807-2059-7.
• "Ecohydrology. Sucul kaynakların sürdürülebilir kullanımı için yeni bir paradigma", Zalewski, M., Janauer, G.A. & Jolankai, G. 1997. UNESCO IHP Teknik Dokümanı, Hidroloji No. 7 .; IHP - V Projeleri 2.3 / 2.4, UNESCO Paris, 60 s.
• Ekokidroloji: Bitki Örtüsü Biçimi ve İşlevinin Darwinci İfadesi, Peter S. Eagleson, 2002. [1]
• Ekokidroloji - hidrologlar neden ilgilenmeli?Randall J Hunt ve Douglas A Wilcox, 2003, Ground Water, Cilt. 41, No. 3, s. 289.
• Ekokidroloji: İklim-toprak-bitki örtüsü dinamiklerinin hidrolojik perspektifi, Ignacio Rodríguez-Iturbe, 2000, Water Resources Research, Cilt. 36, 1 numara, sf. 3–9.
• Su Kontrollü Ekosistemlerin Ekohidrolojisi: Toprak Nemi ve Bitki Dinamiği, Ignacio Rodríguez-Iturbe, Amilcare Porporato, 2005. ISBN  0-521-81943-1
• "Ormanlık sulak alanlarda ekolojik-hidrolojik geri bildirim", Scott T Allen 2016 https://scholar.google.com/scholar?oi=bibs&cluster=4526486741413113314&btnI=1&hl=en
• Kurak Arazi Ekhidrolojisi, Paolo D'Odorico, Amilcare Porporato, 2006. ISBN  1-4020-4261-2 [2]
• Karasal ekosistemlerin ekohidrolojisi, Paolo D'Odorico, Francesco Laio, Amilcare Porporato, Luca Ridolfi, Andrea Rinaldo ve Ignacio Rodriguez-Iturbe, Bioscience, 60 (11): 898–907, 2010 [3].
• Eko-hidroloji tanımlıWilliam Nuttle, 2004. [4]
• "Bir ekolojistin ekohidroloji perspektifi", David D. Breshears, 2005, Amerika Ekoloji Derneği Bülteni 86: 296–300. [5]
• Ecohydrology - Bilimsel makaleler yayınlayan Uluslararası Bir Dergi. Baş Editör: Keith Smettem, Yardımcı Editörler: David D Breshears, Han Dolman ve James Michael Waddington [6]
• Ecohydrology & Hydrobiology - Ekohidroloji ve su ekolojisi üzerine uluslararası bilimsel dergi (ISSN 1642-3593). Editörler: Maciej Zalewski, David M. Harper, Richard D. Robarts [7]
• Garcia-Santos, G .; Marzol, M. V .; Aschan, G. (2004). "Garajonay Ulusal Parkı'ndaki (Kanarya Adaları, İspanya) defne dağ bulutu ormanındaki su dinamikleri". Hydrol. Earth Syst. Sci. 8 (6): 1065–1075. CiteSeerX  10.1.1.371.8976. doi:10.5194 / hess-8-1065-2004.
• Abbott, Benjamin W., vd. "Tek Havza Ekohidrolojisinin ötesine geçmek için Çoklu İzleyici Çıkarımını Kullanma." Earth-Science Reviews, cilt. 160, Eylül 2016, s. 19–42. DOI.org (Crossref), doi: 10.1016 / j.earscirev.2016.06.014.
• Covino, Tim. "Su Havzaları ve Akarsu Ağları boyunca Biyojeokimyasal Akıyı Anlamak için Bir Çerçeve Olarak Hidrolojik Bağlantı." Jeomorfoloji, cilt. 277, Ocak 2017, s. 133–44. DOI.org (Crossref), doi: 10.1016 / j.geomorph.2016.09.030.
• Fisher, Stuart G., vd. "Akım Biyojeokimyasında Ufuklar: İlerlenecek Akış Yolları." Amerika Ekolojik Topluluğu, cilt. 85, hayır. 9 Eylül 2004 https://doi.org/10.1890/03-0244.
• Krause, Stefan, vd. "Ekosistem Süreçlerinin Sıcak Noktaları Olarak Ekolojik Arayüzler." AGU Journals, cilt. 53, hayır. 8 Nisan 2017, https://doi.org/10.1002/2016WR019516.
• Pedroli, Bas. "Farklı Sığ Yeraltı Suyu Türlerini Gösteren Ekolojik Parametreler." Journal of Hydrology, cilt. 120, hayır. 1–4, Aralık 1990, sayfa 381–404.
• Trauth, Nico, vd. "Değişen Ortam Yeraltı Suyu Akışı Koşulları Altında Havuzlu Sistemlerde Hiporeik Taşınma ve Biyojeokimyasal Reaksiyonlar." AGU Journals, cilt. 119, hayır. 5, Mayıs 2014, https://doi.org/10.1002/2013JG002586.
• Wang, Lixin, vd. "Suyla Sınırlandırılmış Sistemlerde Ekolojik ve Biyojeokimyasal Süreçlerin Dinamik Etkileşimleri." The Ecological Society of America, Ağustos 2015, https://doi.org/10.1890/ES15-00122.1.