Du jardin dans votre arrière-cour à votre bassin versant local à l'ensemble de l'Amérique du Nord, des changements structurels ont lieu dans le sol sous les pieds - et les preuves suggèrent que cela se produit plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant, altérer la qualité et la disponibilité de l'eau aux États-Unis.

"Les ressources en eau sont régies par les propriétés du sol juste sous la surface de la Terre, " a déclaré Pamela Sullivan, professeur adjoint de géographie et de sciences de l'atmosphère à l'Université du Kansas. "Pendant longtemps, nous pensions que les propriétés de ces sols changeaient lentement. Mais de nombreuses preuves apparaissent qu'ils réagissent plus rapidement au changement climatique et aux différents types d'utilisation des terres. Ils réagissent rapidement parce que le biote dans le sol réagit - à la fois les plantes et les microbes - et comme ils le font, ils modifient les propriétés du sol. Mais nous n'avons pas de bonnes mesures de la façon dont cela se produit ou la capacité de modéliser les interactions et les rétroactions qui détermineront les ressources en eau à l'avenir. »

Maintenant, Sullivan dirige des travaux sous un prix de 738 $, 562 subvention de la National Science Foundation pour développer de nouveaux modèles mathématiques pour analyser les causes de ces altérations observées dans la structure du sol - la disposition des particules et des pores du sol - et pour examiner les réponses plante-sol-eau à diverses conditions environnementales.

"Ce travail s'intéresse à la fois à la biogéochimie du sol et à la façon dont elle modifie la structure du sol, " a déclaré Sullivan. " Quiconque se soucie de ce à quoi ressembleront les ressources en eau à l'avenir s'en souciera. Les projections, les décisions de gestion et la compréhension de la dynamique des crues peuvent être influencées par la structure du sol. Si nous ne comprenons pas cela, nous ne ferons pas un bon travail pour comprendre comment cela influence l'eau."

Le chercheur de la KU a déclaré que la relation entre le sol et l'eau était définie par la matrice de minéraux et de matière organique du sol et les espaces entre, appelé porosité. Ces propriétés subissent des changements que la nouvelle subvention NSF examinera en passant au crible de vastes quantités de données.

« Les changements dans les régimes de précipitations entraînent des changements dans le système lui-même, " a déclaré Sullivan. "Cela change la façon dont le carbone organique circule dans le système. La structure change pour favoriser l'infiltration de l'eau ou favoriser le ruissellement, c'est-à-dire l'eau qui coule à la surface du sol. Plus nous avons d'écoulement terrestre, qui s'accompagne de plus d'érosion et d'inondations plus importantes. »

Cette recherche embrasse ce que l'on appelle l'approche de la « zone critique » de la science, impliquant des scientifiques d'un large éventail de disciplines, des écologistes, pédologues et ingénieurs aux hydrologues, qui pensent de manière holistique à la « peau vivante » de la Terre, du sommet de la canopée jusqu'aux profondeurs des eaux souterraines en circulation.

Sharon Billings, professeur d'écologie et de biologie évolutive à la KU et scientifique principal au Kansas Biological Survey, est co-chercheur principal. Daniel Hirmas, anciennement à la KU et maintenant à l'Université de Californie Riverside, Li Li de la Pennsylvania State University et Alejandro Flores de la Boise State University sont également co-chercheurs.

Le travail de subvention financera quatre chercheurs postdoctoraux et la formation de 10 chercheurs de premier cycle qui aideront à développer une nouvelle série de modèles pour inclure des éléments biologiques, interactions physiques et chimiques des sols locaux aux États-Unis

"C'est beaucoup de calcul et de construction de modèles, ", a déclaré Sullivan. "Comment prenons-nous des données, inférons-nous des relations et intégrons-nous des modèles à différentes échelles?"

En effet, la recherche s'attaquera aux changements de la structure du sol à des échelles aussi fines qu'une parcelle de terre et aussi grandes que l'ensemble du continent nord-américain.

« Quand nous pensons aux sols à une échelle fine, nous sommes en mesure de comprendre beaucoup plus de mécanismes, ou qu'est-ce qui conduit quoi, " a déclaré Sullivan. " C'est important parce que nous pouvons être plus détaillés et vraiment comprendre comment les changements dans le fonctionnement des microbes ou des racines peuvent contrôler le cycle du carbone et agit comme une colle pour aider à former la structure du sol, et ensuite ce que cela signifie pour la quantité d'eau qui peut être stockée et déplacée. Quand nous allons à l'échelle des bassins versants, nous incluons beaucoup plus de dynamiques en termes de façon dont l'eau s'écoule en descente et quels sont les changements spatiaux en termes de végétation qui pourraient amplifier l'effet des changements induits par le climat dans la structure du sol. Mais vous perdez la fine échelle en termes de processus. Lorsque nous passons aux échelles continentales, nous prenons ces relations que nous connaissons déjà - comme à certaines altitudes et dans certaines conditions, nous nous attendons à ce que cela se produise - au lieu de détailler chaque processus individuel en termes de sol. Tous les processus fonctionnent à toutes les échelles, mais certains sont plus importants que d'autres dans la conduite de ce que vous regardez. Nous essayons de déterminer si quelque chose comme la topographie est la chose la plus importante ou si le cycle du carbone par les microbes est la chose la plus importante à toutes les échelles ? »

Le travail produira de nouveaux outils de modélisation pour évaluer la durabilité environnementale au fil du temps et améliorer la capacité de prédire la dynamique terre-atmosphère, stockage de l'eau souterraine, les fluctuations de la nappe phréatique et les inondations. Plus loin, la recherche produira des outils accessibles à la communauté pour examiner comment le sol, les rétroactions hydrologiques et biogéochimiques régissent les flux de nutriments.

Sullivan a déclaré qu'une partie du travail aiderait à déterminer si la structure du sol forme un système de rétroaction positive avec le climat qui exacerbe ou diminue la gravité du changement climatique.

"Des preuves récentes publiées dans le journal La nature par co-PI Hirmas et ses collègues montre que sous des climats plus humides, nous avons une réduction globale de la porosité et de la capacité de déplacer l'eau, " dit-elle. " Comme les climats se dessèchent, on constate une augmentation de la porosité et de la capacité à puiser de l'eau. Lorsqu'un système devient plus humide ou plus sec, les porosités des sols changent, et la façon dont le sol se déplace et stocke l'eau change également. La question que nous abordons dans ce projet est, « Quelle rétroaction cela donne-t-il au climat lui-même ? » Finalement, lorsque la terre interagit avec l'atmosphère, ce qui est échangé, c'est la distribution de l'eau.