vrijdag 2 december 2016

Verbeterde voedselproductie (5): hydraulische herverdeling van water door bomen

Bomen hebben allerlei functies waar veel mensen zich niet van bewust zijn. Een bijzondere is de herverdeling van bodemvocht, zowel tijdens natte periodes, als tijdens droge periodes. Hoe dat werkt, daar gaat deze blog over.

Hoe werkt deze hydraulische herverdeling?

De meeste mensen zijn er bekend mee dat bomen het vermogen hebben om water op te zuigen waar het beschikbaar is en dit vervolgens naar de bladeren te transporteren, waar het kan verdampen. In natte tijden wordt meer water uit de bovenste bodemlagen opgezogen, en in drogere tijden wordt meer water uit dieper gelegen lagen gezogen, waar nog steeds water beschikbaar is.
Onderzoek laat echter zien dat door het verschil in zuigspanning tussen verschillende lagen in de bodem, water in natte tijden niet alleen wordt opgezogen door de wortels in de natte bodemlagen om te worden gebruikt door de plant, maar ook kan worden getransporteerd naar diepere, drogere bodemlagen waar het wordt afgegeven aan deze bodemlaag. De wortels van de bomen helpen dus om het water her te verdelen over de bodem, zodat er een snellere infiltratie van water plaats kan vinden.
Daarnaast vindt in droge tijden precies het omgekeerde plaats: het water wordt vanuit diepere lagen door de bomen opgezogen en gebruikt door de bladeren, maar ook getransporteerd naar ondiepe lagen, waar het gebruikt kan worden door andere planten.

5 typen hydraulische herverdeling

In totaal worden er op dit moment 5 verschillende typen van hydraulische herverdeling (in het Engels Hydraulic Redistribution (HR) genoemd) onderscheiden:
- HL: Hydraulische lift: het verticale transport van bodemvocht vanuit diepere lagen naar de oppervlakte
- LR: Laterale herverdeling: het horizontale transport van bodemvocht vanuit nattere naar drogere bodemzones
- DHR: (downward) hydrologische herverdeling naar beneden: in natte tijden wordt water vanuit de hoger gelegen lagen opgezogen en in diepere bodemlagen afgegeven.
- FU: water afkomstig van mist die wordt opgenomen door de bladeren en naar beneden getransporteerd
- TD: in extreem droge omstandigheden kan het water ook vanuit de plant zelf naar diepere nog drogere lagen worden gezogen.

Bron: https://www.researchgate.net/profile/Ivan_Prieto3/publication/221752819/figure/fig1/AS:267425649303596@1440770651792/Figure-1-Scheme-of-different-types-of-hydraulic-redistribution-HR-Hydraulic-lift-HL.png


Het proces van hydraulische herverdeling levert een belangrijke bijdrage aan het ecosysteem:
- Het maakt infiltratie van neerslag sneller de bodem in kan trekken dan het de bodem in infiltreert
Watertypen-onderzoek laat zien dat water via HR veel sneller naar diepere lagen in de bodem kan worden getransporteerd, dan als het via infiltratie zou gaan. Onderstaande figuur laat zien dat het infiltratiefront tot wel 3 keer zo snel de bodem in kan trekken.
Zeker als klimaatverandering meer onregelmatige regenval brengt, waarbij zo snel mogelijke infiltratie van groot belang is, kan hydraulische herverdeling ervoor zorgen dat er meer water door de bodem kan worden opgenomen dan er anders zou kunnen infiltreren.
Tevens kan hiermee worden voorkomen dat schijngrondwaterstanden optreden: de wortels doorbreken een aanwezige kleilaag en maken dat het geinfiltreerde regen water hier niet op blijft staan, maar via de wortels naar diepere lagen wordt getransporteerd. Waterlogging wordt daarmee verminderd.
Hiermee kan op deze manier een extra ondergrondse watervoorraad worden gecreeerd voor droge tijden (Hultine et al. - 2004)
Bron: schulze et al - 1998; https://www.researchgate.net/publication/225113692_Downward_flux_of_water_through_roots_ie_inverse_
hydraulic_lift_in_dry_Kalahari_sands

- Het levert veel water op voor de planten zelf
Berekeningen aan de impact van hydraulische herverdeling laten zien dat de bijdrage die dit proces kan leveren significant kan zijn: tussen de 2 en de 100% van de dagelijkse verdamping kan door hydraulische herverdeling worden verkregen.

Bron: Neumann et al. 2010 - https://www.researchgate.net/publication/253145519_The_Magnitude_of_Hydraulic_Redistribution_by_Plants_A_
Laboratory_Investigation_of_Biological_and_Physical_Mechanisms

Bron: Neumann et al. 2010 - https://www.researchgate.net/publication/253145519_The_Magnitude_of_Hydraulic_Redistribution_by_Plants_A_
Laboratory_Investigation_of_Biological_and_Physical_Mechanisms

- Het maakt dat de bodem veel minder uitdroogt in droge tijden
HR is een puur bodemkundig proces. Het werk op basis van de zuigspanning in de bodem, waarbij de wortels als de verbindingskanalen fungeren. In drogere tijden kan water van diepere lagen naar hoger gelegen lagen worden getransporteerd, waardoor de bovenste laag veel minder uitdroogt, zoals onderstaande figuur laat zien.

Bron: https://www.researchgate.net/profile/Ivan_Prieto3/publication/221752819/figure/fig4/AS:267670838837266@1440829109288/Figure-2-Daily-patterns-of-soil-water-potential-under-Retama-sphaerocarpa-shrubs-at-30.png
Hiermee wordt de ondiep wortelende vegetatie die de bodem bedekt (en dus beschermd tegen erosie) voorzien van vocht ( Dawson 1993, Ryel et al. 2002). Maar ook wordt dit vocht aan schimmelnetwerken geleverd, waardoor ook de bodemvruchtbaarheid op peil kan worden gehouden (Querejeta et al., 2007).
Hierom wordt hydraulische herverdeling ook wel bio irrigatie genoemd.

- het verlengt het regenseizoen omdat de luchtvochtigheid hoger blijft en het kan daardoor langer blijven regenen
Verschillende studies naar HR laten zien dat na het regenseizoen de bodem minder sterk uitdroogt en dat evapotranspiratie langer door kan gaan. Zo heeft een artikel uit 2005 (Lee et al - 2005) heeft laten zien dat de droogte in de Amazone veel minder sterk was, vanwege een vergrootte waterbeschikbaarheid door HR. Richards en Caldwell (1987) lieten zien dat de hoeveelheid water die naar boven werd getransporteerd een substatiele bijdrage was aan de dagelijkse verdamping.
Aangezien het regenseizoen afhangt van de luchtvochtigheid kan dus een verlenging van de verdampingsperiode ook resulteren in een verlenging van het regenseizoen.

Op dit moment is het van meer dan 100 planten, bomen, gras en struiken soorten in alle klimaatzones op onze planeet bekend dat ze aan hydraulische herverdeling doen. Beter inzicht verkrijgen vereist echter veel onderzoek wat duur is en tijd vergt.
Om dit te kunnen doorvertalen naar grootschalige toepassing is op dit moment een belangrijke onderzoeksvraag: welke planten zijn in staat om aan HR te kunnen doen?
Hierin is nog veel onduidelijk. De huidige hypothese is echter wel dat de dikte van de suberine laag op de worteleinden van  groot belang is bij het al dan niet in staat zijn om HR te kunnen uitvoeren. Wat het verband tussen suberine, wortellengte en HR is, is echter nog niet wetenschappelijk uitgezocht.

Bovenstaande argumenten laten zien dat hydraulische herverdeling (HR) een proces is wat nog maar beperkt wordt begrepen, maar tegelijkertijd al wel van groot belang blijkt te zijn.
Daarnaast heeft HR de potentie om de onregelmatige neerslag, die vaker voor zal komen als gevolg van klimaatverandering, sneller in de bodem te bergen en langere periodes van droogtes het hoofd te bieden. Daarmee is HR een factor die kan helpen bij mitigatie van klimaatverandering.

Geen opmerkingen: