作者哈里森·塔索夫，加州大学圣巴巴拉分校 郁郁葱葱的植被沿着维珍河的路径延伸，就像一条绿色的丝带穿过犹他州华盛顿县的沙漠
信用:MARC MAYES 在世界上任何一个大森林里呆上一段时间，你会开始看到树木作为巨大的支柱，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联系起来
研究人员认为，理解这种联系可以为生态系统提供丰富的科学见解，并为解决水资源保护和管理等挑战提供实际应用
加州大学圣巴巴拉分校的马克·梅斯(Marc Mayes)最近领导的一项研究调查了卫星图像跟踪的树木向大气中失水的模式与地下水供应之间的关系
这些结果证实了科学家基于几十年的实验室和温室研究提出的大范围的观点
更重要的是，这些技术为大面积监测地下水资源提供了一种准确、有效的方法
该发现发表在《水文过程》杂志上
尽管种类繁多，大多数植物都有一个非常简单的游戏计划
他们利用太阳光的能量，将地面的水和空气中的二氧化碳结合，产生糖和氧气
在光合作用过程中，植物在叶子上打开小孔吸收二氧化碳，这也允许水分逸出
这种水分流失的过程被称为蒸散——是土壤蒸发和植物蒸腾的缩写——它本质上是将光合作用的成分转移到发生这一过程的叶子上的交易成本
就像蒸发的汗水冷却了我们的身体一样，树木散发的热量也冷却了森林
有了正确的理解和技术，科学家可以利用卫星以及载人和无人飞机的热图像数据来理解植物和地下水之间的关系:较冷的温度与更多的蒸散量相关
“这篇论文的核心假设是，你可以利用卫星图像数据测量的植物用水和包括气温和降雨量在内的气候数据之间的关系，来衡量地下水资源的可用性和变化，”ERI大学地球研究所的地球科学家和遥感专家梅斯说
梅斯和他的同事们专注于干旱河流的植物群——那些在沙漠和地中海气候中的河流
在这些地区，许多植物进化出了最大限度减少水分流失的适应性，如缓慢生长、保水或繁荣-萧条生命周期
然而，主导河道的植物——如梧桐、杨木和柳树——进化来利用栖息地相对于周围景观提供的多余地下水
梅斯说:“当水变得稀缺时，这种植物基本上不会减缓其用水量，而是会把自己喝死。”
这使得它成为观察地表以下情况的一个好窗口
该小组使用基于卫星的热成像来观察亚利桑那州南部圣佩德罗河走廊的温度
在无云的日子里，卫星可以高分辨率收集大面积陆地的表面温度数据
通过将沿河的温度与附近植被更稀疏的地区的温度进行比较，研究人员能够确定不同时间沿河不同部分的蒸散量
他们发现，它与富水环境中的气温和缺水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理解的最新进展
空气越热越干燥，它从叶子中吸取的水分就越多，植物使用的水分也就越多
因此，梅斯和他的同事预计，只要溪流中有丰富的地下水可供植物吸收，蒸散量就会随着气温而变化
另一方面，在地下水缺乏的地方，植物会关闭叶子上的开口，以避免水分流失；在温暖的日子里，避免变干比利用额外的阳光更重要
因此，蒸散量与降雨量和河流流量的相关性更强，这增加了树木根部的水供应
科学家已经在实验室和小型野外实验中证明了蒸散对降低地表温度的可预测效果
然而，这是第一项证明其对大面积影响的研究
使这成为可能的技术只是在过去五年内才成熟
“这种遥感方法显示出很大的希望，可以识别相关的气候和其他对树木生长和健康的控制，即使是在河边狭窄的植被带内，”合著者迈克尔·辛格说，他是ERI的一名研究员，也是资助梅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
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“尽管占据了大约2%的景观，但西南地区90%以上的生物多样性依赖于这些生态系统，”合著者帕梅拉·纳格勒说，他是美国大学的一名研究科学家
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地质调查局西南生物科学中心
论文中使用的相同技术可以应用于地下水监测的长期挑战
事实上，这个想法首先帮助激发了这项研究
“很难在真正重要的地方尺度上监测地下水的可利用性和地下水资源的变化，”梅斯说
“我们谈论的是新住宅区下游的农田或河流走廊
" 监测井是有效的，但只提供地图上一点的信息
此外，它们的钻探和维护成本很高
通量塔可以测量地表和大气之间的气体交换，包括水蒸气
但是就成本和规模而言，它们与油井有相似的缺点
科学家和利益相关者希望有可靠、经济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
这是一项艰巨的任务
虽然它可能不如井那么精确，但是来自飞机和卫星的远程热成像可以检查所有这些盒子
它利用现有基础设施提供广泛的覆盖范围和高分辨率
梅斯说，尽管它只在河流走廊上有效，“干旱地区过多的农业用地和人类居住区最终都在水所在的地方，沿着河流的路径。”
这个想法是寻找蒸散量与气候变量之间的关系随时间的变化
这些变化将标志着水资源丰富和水资源贫乏之间的转换
梅斯说:“在大范围内探测到这一信号可能是地下水资源枯竭的一个有价值的早期预警信号。”
该技术可为地下水使用的监测和务实决策提供信息
这项研究是一个更大的国防部项目的一部分，该项目旨在了解美国干旱地区的国防部基地的河流栖息地对干旱的脆弱性
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该项目的首席科学家辛格说:“我们正在使用多种方法来了解这些植物因缺水而变得紧张的时间和原因。”
“[我们希望]这一新知识能够支持对这些敏感的生态生物群落的管理，特别是在干旱地区的军事基地，在那里，这些原始生境供养着许多受威胁和濒临灭绝的物种
" 梅斯补充道，“接下来的是一整套研究工作，着眼于生态系统对水资源短缺和水资源压力在空间和时间上的反应，这为我们理解生态系统的反应和改善监测提供了信息
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