Lima tahun yang lalu, sebuah percobaan dimulai di ETH Hönggerberg: Para peneliti mendirikan laboratorium luar ruangan di hutan dekat kampus. Mereka menggunakan sensor yang diposisikan di pohon, tanah dan dalam aliran untuk mempelajari dinamika air dan “paradoks air tua”. Berita ETH menyertai kepala percobaan, Marius Floriancic.
Marius Floriancic berlari dengan cepat di sepanjang jalan yang sempit dan terisi dengan baik, menuju lebih dalam dan lebih dalam ke hutan. Ini adalah Kamis pagi yang keren dan lembab di akhir April; Hujan deras malam sebelumnya dan air kadang -kadang masih menetes dari puncak pohon di atas. Setelah beberapa menit, jalan setapak mengarah ke tempat terbuka yang diisi dengan beberapa beech dan spruces yang menjulang. Namun, lebih sedikit pohon yang menarik perhatian di sini, dan lebih banyak elektronik dan teknologi yang diikat ke batang pohon atau didirikan di lantai hutan. Kabel berwarna menggantungkan cabang, menghubungkan sensor ke baterai yang dapat diisi ulang yang diselipkan dalam casing tahan air.
“Ini adalah jantung dari eksperimen hidrologi kami di 'Waldlabor',” jelas peneliti bermata cerah, tidak dapat menyembunyikan kegembiraannya dengan taman bermain ilmiah yang telah ia bangun dengan kelompoknya selama lima tahun terakhir. “Dari kantor saya di kampus Hönggerberg, saya bisa berada di sini dalam waktu sekitar lima menit,” kata Floriancic, asisten peneliti senior di ETH Institute of Environmental Engineering, yang merupakan bagian dari Departemen Teknik Sipil, Lingkungan dan Geomatic.
Baik sarjana dan pascasarjana dapat menuju ke hutan kapan pun mereka suka untuk melakukan pengukuran atau melakukan percobaan baru. “Tidak ada hal lain seperti ini di dunia. Di tempat lain, Anda perlu melakukan perjalanan beberapa jam antara universitas dan situs eksperimental berbasis hutan.” Dalam pengertian ini, “Waldlabor” juga merupakan anugerah, memungkinkan untuk pendidikan paling langsung di ETH, yang merupakan sesuatu yang Paola Passalacqua, profesor hidrologi dan ilmu sistem sungai yang masuk, selanjutnya akan memperkuat di masa depan.
Sidik jari air tua
Peneliti mengungkapkan beberapa “cangkir hisap” yang digali ke dalam tanah di samping pohon beech. “Serangkaian pengukuran yang dilakukan dengan inilah yang paling dibanggakan lab kami.” Menggunakan tekanan negatif, cangkir menarik air dari kedalaman 10, 20, 40 dan 80 sentimeter. Pada saat yang sama, sampel air mengalir diambil dari berbagai kedalaman tanah, menggunakan apa yang disebut “sampler aliran bebas”.
Selama lima tahun terakhir, sampel air tanah ini telah dianalisis untuk isotop stabil setiap minggu, memberikan wawasan kepada para peneliti tentang usia, asal dan proses hidrologi yang terlibat. Hasilnya menunjukkan bahwa air memiliki “sidik jari” yang berbeda. Data memberikan substansi pada teori yang dikenal di kalangan hidrologi sebagai “paradoks air tua”: sampel tanah mengandung dominan “air tua”, yang telah disimpan selama berbulan -bulan atau bertahun -tahun, dan hanya jumlah “air baru” yang sangat rendah dari curah hujan yang lebih baru.
Serangkaian pengukuran dari sampel yang diambil antara April 2020 dan April 2023 menunjukkan: bahkan pada kedalaman tanah sepuluh sentimeter, hanya sepertiga dari air yang disimpan lebih muda dari tiga minggu. “Hidrologi tanah di hutan telah lama menjadi kotak hitam,” kata Floriancic. “Serangkaian pengukuran seperti ini karena ini penting untuk seluruh komunitas penelitian.” Semua data dari lima tahun terakhir akan diterbitkan dan tersedia secara bebas untuk para peneliti.
Lima tahun “Waldlabor”
Sejak 2020, para peneliti benar-benar mengambil denyut nadi hutan antara Zurich-Höngg dan Affoltern.
Beberapa kelompok melakukan penelitian tentang pertanyaan ekologi hutan, biologi dan hidrologi di “Waldlabor”, yang membentang lebih dari 1,5 kilometer persegi, dan berbagi pengetahuan mereka tentang pengelolaan hutan yang berkelanjutan. “” Waldlabor “dirancang untuk bertahan selama 100 tahun. Ini didanai oleh organisasi nirlaba yang anggotanya termasuk fasilitas penelitian ETH Zurich dan Institut Federal Swiss untuk Forest, Snow dan Landscape Research WSL; baik pemilik hutan (Zurich dari Zurich dan Kanton Zurich; Waldzurich (Zurich dari Zurich dari Forest of Forest dan Canton Zurich; Waldzurich (Zurich dari Zurich of Forest of Forest of Zurever) Forole; Staf Kehutanan).
Tur berpemandu secara teratur ditawarkan untuk kelas kelompok, ahli, dan sekolah. Pada tanggal 28 Juni 2025, Waldlabor akan menjadi tuan rumah “Walderlebnistag” (“Hari Hutan Umum”).
Cari tahu lebih lanjut di: www.waldlabor.ch/
Aliran Holderbach mengalir sekitar 200 meter di bawah tempat terbuka, dengan semua lisimeter, stasiun cuaca dan sensor tanah dan tekanan. Tim Floriancic memasang autosampler di sana, di bank, yang mengumpulkan sampel air setiap enam jam. Sekali lagi, di sini, sampel dianalisis untuk isotop stabil.
“Kita dapat mengamati paradoks air lama di sini juga,” insinyur lingkungan menjelaskan. Bahkan setelah badai petir yang berat, bagian utama air di aliran Holderbach lebih tua dari satu bulan. Dan selama setahun, hanya 14 persen dari limpasan lebih muda dari satu bulan. Sisanya berasal dari tanah, di mana air telah disimpan setidaknya selama sebulan.
Dalam kemitraan dengan rekan kerja dari University of Natural Resources and Life Sciences (Boku) di Wina, Floriancic mempelajari sampel air yang dikumpulkan dari 32 tangkapan alpine. Hasilnya: rata -rata 93 persen air limpasan di sungai Alpine lebih tua dari satu bulan. Hanya sejumlah kecil yang berasal dari curah hujan baru -baru ini dan pencairan salju.
“Sementara pori -pori di tanah dipenuhi dengan air tua, air baru dengan cepat mengalir lebih dalam dan masuk ke air tanah melalui lubang yang disebabkan oleh cacing atau akar,” jelas Floriancic. Pengetahuan ini dapat meningkatkan perencanaan mitigasi banjir.
Musim dingin presipitasi rendah sangat menghancurkan
Floriancic menunjukkan kepada kita saluran berbentuk spiral yang dipasang di sepanjang batang beech dengan lakban hitam. Pada akhirnya, selang terhubung ke wadah plastik transparan. “Banyak hal di sini sangat” DIY “karena peralatan pengukur standar sering tidak ada untuk penelitian semacam ini.”
Pengaturan ini mengumpulkan air yang mengalir dari puncak pohon, di sepanjang batang dan turun ke tanah. Hasilnya jelas: Isi ulang air tanah secara signifikan lebih tinggi di musim dingin daripada di musim panas karena kehilangan penguapan lebih rendah dan ada kekurangan tutupan kanopi hutan. Lantai hutan terutama menerima pasokan airnya di musim dingin, terutama pada kedalaman antara 10 dan 80 sentimeter. Ini terlepas dari kenyataan bahwa, rata -rata, 60 persen curah hujan terjadi di musim panas. Musim dingin presipitasi rendah sangat merepotkan pohon karena tanah tidak dapat menyimpan cukup air untuk mengatasi hari-hari musim panas.
Namun, bukan hanya kanopi hutan yang penting dalam hal hidrologi hutan – lapisan serasah juga signifikan. Sementara itu berkontribusi besar untuk menciptakan iklim mikro yang lembab di hutan, itu juga menyebabkan lebih sedikit air untuk mencapai tanah, tergantung pada kondisinya.
Untuk membuktikan efek ini, para peneliti mengelilingi beberapa bidang tanah persegi dengan bingkai logam dan masing -masing dipasang dengan sensor bawah tanah. Beberapa kotak ditutupi dengan beberapa sentimeter bahan organik, seperti daun, jarum dan kerucut. Di tempat lain, tanah dibiarkan terbuka. “Ahli hidrologi telah lama berasumsi bahwa sekitar tiga hingga empat persen curah hujan dipertahankan di lapisan serasah, dan karena itu lapisan ini sebagian besar dapat diabaikan,” jelas Floriancic. Pengukurannya, bagaimanapun, melukiskan gambaran yang berbeda: sekitar 18 persen curah hujan disimpan di lapisan serasah dan kayu mati.
Akibatnya, ketika memperhitungkan sekitar 20 persen curah hujan yang menguap ke atmosfer setelah ditangkap oleh daun pohon -pohon, hanya 600 mililiter dari setiap 1.000 yang benar -benar mencapai tanah. “Ini berarti bahwa lantai hutan secara signifikan lebih kering dari yang sudah lama kita duga.”
Mengukur potensi air dengan “bom Scholander”
Tim Floriancic memasang sensor aliran getah pada beberapa batang pohon untuk lebih memahami bagaimana pohon mengambil dan mengangkut air. Mereka memasukkan dua sensor yang saling berhubungan ke batang pohon untuk mengukur gradien suhu, yang kemudian dapat digunakan untuk menghitung aliran air di bagasi.
Pada saat yang sama, dendrometer terus -menerus mengukur keliling pohon dan mencatat ketika mengembang karena penyerapan air, atau kontrak karena transpirasi. Bahkan ada semacam lemari asap laboratorium di hutan untuk tes tambahan. Tersembunyi di dalam kotak abu -abu tertutup yang dirantai ke pohon adalah “bom tekanan scholander” – sepotong peralatan pengukur berat yang terhubung ke silinder oksigen. Para peneliti menggunakan ini untuk menentukan potensi air daun, yang memungkinkan mereka menarik kesimpulan tentang stres kekeringan di pohon.
“Beeches and Spruces adalah karakter yang sangat berbeda,” kata Floriancic. Beech cukup boros dengan air dan menjaga stomata di atas daunnya terbuka lebih lama untuk fotosintesis. Sedangkan spruces menutup stomata mereka sebelumnya ketika ada tekanan kekeringan untuk menghemat air. Tetapi, sebagai hasilnya, mereka secara otomatis kurang fotosintesis. Namun, ini sangat penting untuk pertumbuhan dan vitalitas pohon.
Floriancic menunjuk ke empat silinder kuning yang mencuat dari tanah di depan pohon cemara yang tinggi. Dia berjongkok dan mengangkat salah satu selimut. Akar terletak di bawah yang terungkap dengan sangat hati -hati oleh perusahaan spesialis. Dilengkapi dengan sensor aliran getah dan dendrometer. Data yang dikumpulkan harus membantu untuk lebih memahami dinamika air di akar.
Pada bulan Januari, salah satu mahasiswa PhD Floriancic, Stefano Martinetti, menerbitkan temuan pertama dari pengukuran ini: ketika tanah menjadi lebih kering, pohon menyerap lebih sedikit air melalui akar mereka di dekat permukaan, dan mereka mengaktifkan akar yang lebih dalam sebagai gantinya. Terlebih lagi, sekali lagi ada bukti paradoks air lama di isotop air.
“Bahkan di musim panas yang sangat basah dan hujan, kami sebagian besar menemukan air musim dingin tua di akar dan cabang,” kata Floriancic. Air musim panas terutama menguap dari permukaan dan diambil oleh rumput dan semak, yang akarnya lebih dangkal.
Kualitas tanah adalah kunci penyimpanan air
Floriancic mengatakan bahwa publik sangat tertarik dengan penelitian lokal ini. Seringkali bukan hanya siswa yang dia pandu di sekitar hutan, tetapi juga rimbawan. “Meskipun kami pada dasarnya melakukan penelitian dasar di sini.”
Salah satu pertanyaan pertama yang biasanya ditanyakan oleh rimbawan adalah pohon mana yang paling mampu bertahan di masa depan, mengingat dampak krisis iklim. Untuk ini, Floriancic menjawab bahwa penelitian belum memberikan jawaban yang jelas; Temuan penelitian masih terbatas mengenai prospek masa depan untuk spesies pohon yang berbeda.
Namun demikian, ia sudah dapat berbagi beberapa temuan yang relevan dari pengalaman praktis yang diperoleh selama lima tahun terakhir penelitian: “Kualitas dan struktur tanah adalah kunci penyimpanan air. Semakin banyak bahan organik di tanah, semakin tinggi kapasitas penyimpanan airnya.”
Dalam hal ini, memiliki kayu mati sebanyak mungkin di hutan tidak hanya penting untuk keanekaragaman hayati, tetapi juga untuk anggaran air. Seperti yang ditunjukkan oleh satu pengukuran metodis siswa, ini mempertahankan banyak kelembaban.
Selain itu, menggabungkan berbagai spesies pohon bermanfaat untuk anggaran air, karena akarnya mencapai air tanah pada kedalaman yang berbeda, yang berarti ada lebih sedikit persaingan di antara mereka. Dengan kata lain: hutan yang lebih beragam adalah hutan yang lebih tahan terhadap iklim. Untuk sekali ini, ini bukan paradoks, melainkan manfaat tambahan yang jelas dari tingkat keanekaragaman hayati yang tinggi.
Referensi
Floriancic MG, Allen St & Kirchner JW. Fraksi air muda dan baru di perairan tanah dan lereng bukit; Dalam: Hidrologi dan Ilmu Sistem Bumi, Volume 28, Edisi 18, 2024. DOI: https://doi.org/10.5194/hess-28-4295-2024.
Martinetti, S, Molnar, P, Carminati, A, Floriancic, MG. Berbeda dengan hidraulik pabrik tanah beech dan spruce dengan menghubungkan penyerapan air akar dengan dinamika transpirasi. Dalam: Fisiologi Pohon, Volume 45, Edisi 1, 2025. DOI: https://doi.org/10.1093/treephys/tpae158
Situs Situs Eksperimental Hutan Waldlab untuk menemukan semua temuan yang diterbitkan dari percobaan hidrologi yang dilakukan di Laboratorium Hutan.
