Klimata izmaiņu ietekme uz pazemes un augsnes ūdens režīmu

Projekta nosaukums: Klimata izmaiņu ietekme uz pazemes un augsnes ūdens režīmu
Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/3/19/524
Projekta īstenošanas termiņš: 2020.gada 1.jūnijs līdz 2023.gada 31.maijs
Projekta kopējais finansējums: 133,805 EUR, no kura 5% jeb 6,690 EUR Latvijas Universitātes finansējums.

Projekta mērķis: raksturot klimata mainības ietekmi mežos uz slapjām minerālaugsnēm, īpaši, analizējot ekstremālo laikapstākļu paliekošo ietekmi uz meža augšanas apstākļiem. Paplašināt kopējo izpratni par mijiedarbību starp klimatu un augsnes aerāciju mežos, ko ietekmē pazemes ūdeņu pieplūde.

Projekta rezultāti:

Pētījumā tiks realizēta augsnes ūdens un aerācijas režīma lauka novērojumu kampaņa, kā arī veikti kontrolēti eksperimenti laboratorijas apstākļos, lai raksturotu meteoroloģisko apstākļu un ekosistēmas dinamikas ietekmi uz augsnes ūdens režīmu. Novērojumi tiks papildināti ar dendrohronoloģisko un ilgtermiņa pazemes ūdens līmeņa novērojumu datu analīzi.

Iegūtie eksperimentālie rezultāti būs pamats augsnes ūdens režīma, meteoroloģisko faktoru un meža ekosistēmas mijiedarbības matemātiskajai modelēšanai.

Pētījuma rezultāti ļaus novērtēt vai pastāv nelineāra atgriezeniskā saite starp augsnes ūdens režīmu un meža ekosistēmas dinamiku? Vai ekosistēmas dinamika ietekmē augsnes ūdens režīmu un apgriezti. Pētījuma rezultāti sniegs jaunu ieskatu Latvijas mežu ekosistēmas dinamikā klimata mainības apstākļos, veidojot zinātnisku bāzi ilgtspējīgai meža resursu apsaimniekošanai.

Laika posmā no 01.06.2020. līdz 31.08.2020. (pirmais pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata periodā galvenais darba uzsvars bija precīzu lauka pētījuma īstenošanas vietu – meža nogabalu – identificēšana. Potenciālie izpētes meža nogabali tika identificēti veicot kamerālu kartogrāfisko un tālizpētes materiālu analīzi, un apsekošanu lauka apstākļos, veicot augsnes zondējumus un pārmitru apstākļu indikator sugu identificēšanu. Rezultāta ir izvēlēti trīs meža nogabali – divi Auces apkārtnē un viens Jelgavas apkārtnē, kur tiks īstenoti pētījumi.

Paralēli tika organizēta pētījuma īstenošanai nepieciešamo materiālu un aprīkojuma iegāde: augsnes ūdens satura un potenciāla sensori, augsnes gāzu analizators, kalibrācijas gāzes, kā arī materiāli augsnes un ūdens gāzu režīma izpētei lauka apstākļos.

Izveidoti un pārbaudīti prototipi augsnes gāzu sastāva un augsnes elpošanas mērījumu veikšanai lauka apstākļos: filtri augsnes gāzu paraugu ievākšanai un gāzes apmaiņas kamera.

Laika posmā no 01.09.2020. līdz 30.11.2020. (otrais pārskata periods) veiktās darbības: 

Pārskata periodā, saskaņojot ar mežu apsaimniekošanas aģentūru "Meža pētīšanas stacija", trijos meža nogabalos Auces un Ozolnieku novados tika ierīkoti novērojumu posteņi. Katrā novērojumu postenī tika ierīkoti divi ar automātiskām zondēm aprīkoti gruntsūdens līmeņa monitoringa urbumi; uzstādīti automātiski augsnes ūdens satura un ūdens potenciāla sensori, kā arī ierīkoti divi augsnes gāzes vai ūdens paraugu ievākšanas filtra un divas pastāvīgas augsnes elpošanas mērīšanas kameras. Lauka aprīkojuma uzstādīšanas gaitā ievākti arī augsnes cilmieža paraugi analīzēm laboratorijā. 

Dalība zinātnes popularizācijas pasākumā - “LU Jauno tehnoloģiju un inovāciju diena”. Vairāk informācijas: https://www.lu.lv/par-mums/lu-mediji/zinas/zina/t/61818/ 

Dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON)  2020.gada 25. un 26. septembrī (divu dienu tiešsaistes mobilitātes aktivitāte). 

Laika posmā no 01.12.2020. līdz 28.02.2021. (trešais pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata periodā turpinās lauka pētījumi – iesāktā lauka novērojumu kampaņa trijos meža nogabalos Auces un Ozolnieku novados ierīkotajos novērojumu posteņos. Novērojumi tiek veikti ar automātiskām zondēm aprīkotajos gruntsūdens līmeņa monitoringa urbumos. Nogabalos uzstādīti automātiski augsnes ūdens satura un ūdens potenciāla sensori un augsnes elpošanas kameras, kas regulāri tiek novērotas. Ir veikti pirmie izmēģinājumi reljefa analīzei mitruma indeksu aprēķināšanai parauglaukumiem.

Veiktas zinātniskās literatūras studijas par analogu kontrolēto eksperimenta realizāciju. Uzsākta laboratorijas eksperimenta īstenošanas plānošana un eksperimentam nepieciešamo materiālu iegāde. Eksperimenta mērķis ir kontrolētos apstākļos demonstrēt, ka īslaicīgu pārmitru apstākļu veidošanās var ilgtermiņā samazināt evapotranspirāciju, novedot pie pārmitro apstākļu saglabāšanās.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON), kā arī dalība IAEA organizētajās tiešsaistes apmācībās “Virtual Regional Training Course on Isotope Hydrology” virtuālas mobilitātes ietvaros.

Laika posmā no 01.03.2021. līdz 31.05.2021. (ceturtais pārskata periods) veiktās darbības: 

Auces un Ozolnieku novados ierīkotajos parauglaukumos turpinās lauka pētījumi – novērojumi tiek veikti ar automātiskām zondēm aprīkotajos gruntsūdens līmeņa monitoringa urbumos. Paralēli, reizi mēnesī tiek veikti manuāli augsnes ūdenī izšķīdušā skābekļa, elektrovadītspējas, dzelzs, pH mērījumi, kā arī augsnes elpošanas mērījumi ar vaļējās kameras metodi. 

Pirmie modelēšanas rezultāti par klimata ekstrēmu ietekmi uz augsnes ūdens režīmu pārmitrajos mežos tika prezentēti ISMC (International Soil Modeling Consortian) virtuālajā konferencē, kas notika no 18. līdz 22. maijam. ISMC apvieno pasaules vadošos augsnes un ar to saistīto procesu modelētājus un kalpo par starptautisku saderības platformu. 

Sadarbībā ar LU Bioloģijas fakultātes profesoru Ģedertu Ieviņu ir pabeigta laboratorijas kontrolētā eksperimenta plānošana un eksperimentam nepieciešamo materiālu iegāde, kā arī ir uzsākta iekārtas veidošana. Eksperimenta mērķis ir kontrolētos apstākļos demonstrēt, ka īslaicīgu pārmitru apstākļu veidošanās var ilgtermiņā samazināt evapotranspirāciju. 

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON), kā arī dalība IAEA organizētajās tiešsaistes apmācībās “Virtual Regional Training Course on Isotope Hydrology” virtuālas mobilitātes ietvaros. 

Pārskata periodā noslēdzās dalība tiešsaistes seminārā “Write Up Your Paper”. Semināra ietvaros tika sagatavots zinātniskās publikācijas manuskripts, ko paredzēts iesniegt publicēšanai tuvākā mēneša laikā.

Laika posmā no 01.06.2021. līdz 31.08.2021. (piektais pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata periodā LU Dabaszinātņu centra pētniecības siltumnīcā tika uzsākts un realizēts kontrolētais eksperiments ar mērķi testēt demonstrēt, ka īslaicīgi pārmitri apstākļi var atstāt ilgtermiņa ietekmi, kas izpaužas, piemēram, kā mazākā evapotranspirāciju, salīdzinājumā ar normālie apstākļiem.

Paralēli, ierīkotajos parauglaukumos, turpinās lauka pētījumi – novērojumi tiek veikti ar automātiskām zondēm aprīkotajos gruntsūdens līmeņa monitoringa urbumos, kā arī novērots augsnes ūdens potenciālais un saturs. Katru mēnesi vienu reizi tiek veikti manuāli gruntsūdens izšķīdušā skābekļa, elektrovadītspējas, dzelzs, sārmainības un pH mērījumi, kā arī augsnes elpošanas mērījumi ar vaļējās kameras metodi.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON).

Nozīmīgu pētījuma daļu plānots īstenot izmantojot augsnes ūdens modelēšanas programmu Hydrus-1D, tāpēc no 31.augusta līdz 1.septembrim tika pilnveidotas prasmes strādāt ar šo programmu tās izstrādātāju organizētajos tiešsaistes kursos.

Pārskata periodā publicēšanai tika kopā ar līdzautoriem izstrādātu divu zinātnisko rakstu manuskripti, kas daļēji izstrādāti pēcdoktorantūras projekta ietvaros. Prestižajā zinātniskajā žurnālā Earth System Science Data tika pieņemta publikācija “Long-term phenological data set of multi-taxonomic groups, agrarian activities and abiotic parameters from Latvia, northern Europe”. Savukārt žurnālā Environmental Earth Sciences pieņemta publikācija “Nitrate vulnerability of karst aquifers and associated groundwater-dependent ecosystems in the Baltic region”.

Laika posmā no 01.09.2021. līdz 30.11.2021. (sestais pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata periodā tika analizēt un apkopoti LU Dabaszinātņu centra pētniecības siltumnīcā veiktā eksperimentā rezultāti. Eksperimenta gaitā modeļa sugas saldās kukurūzas stādi tika audzēti atšķirīgos augsnes ūdens režīma apstākļos, fiksējot augsne ūdens režīmu, stādu izmēru un fenoloģisko attīstības fāzi. Tika novērota pārmitro apstākļu negatīvā ietekmē uz augšanas ātrumu. Tomēr nākamajā eksperimenta fāzē tika novērot jaunu adventiņos sakņu veidošanās augiem pārmitros apstākļos – sakņu sistēmas adaptācija ar ūdeni piesātinātajiem augsnes apstākļiem. Sakņu sistēmai adaptējoties pārmitrajiem apstākļiem, šo stādu augšanas ātrums atkal palielinājās. Tādējādi tik apstiprināta ka mainīga mitruma režīm augšanas apstākļos izšķirošā loma ir sakņu sistēmas spējai pielāgoties jaunajai situācijai. Iegūtie rezultāti ir iesniegti publicēšanai zinātniskajā žurnālā International Journal of Agriculture and Biology.

Paralēli, ierīkotajos meža parauglaukumos, turpinās lauka pētījumi – novērojumi tiek veikti ar automātiskām zondēm aprīkotajos gruntsūdens līmeņa monitoringa urbumos, kā arī novērots augsnes ūdens potenciālais un saturs. Pārskata periodā tika nomainīta iepriekš bojātā datu ierakstu iekārtā vienā no parauglaukumiem.

Ir veikti pirmie augsnes ūdens matemātiskās modelēšana izmēģinājumi ar programmu Hydrus-1D. Iegūtie rezultāti apstiprina sākotnējo hipotēzi, ka noteiktos apstākļos mežu augsnes ūdens režīms var atrasties vienā no diviem meta stabiliem stāvokļiem – sausā (labi areāta augsne) vai slapjā (ar ūdeni piesātināta augsne). Augsnes ūdens režīma modelēšanas rezultāti tika prezentēti stenda referātā “The positive water balance feedback in hydric temperate forests” klātienē 48. Starptautiskās hidroģeologu savienības kongresā Briselē, Beļģijā IAH2021 Inspiring groundwater, no 2021.gada no 6. līdz 10. septembrim.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON).

Laika posmā no 01.12.2021. līdz 28.02.2022. (septītais pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata period, sākoties ziemas sezonai, vienu reizi tika veikti novērojumi parauglaukumos, kur turpina darboties iepriekš uzstādītās automātisko novērojumu zondes. Ārpakalpojuma ietvaros ir veiktas ievākto grunts paraugu granulometriskā sastāva, organiskās vielas saturu un cietu daļiņu blīvuma analīzes, kas tālāk ir izmantos grunts hidroloģisko parametru noteikšanai. Laboratorijā sakņu fragmenti konstatēti pat 2m dziļumā ievāktos grunts paraugos, sniedzot empīrisku pamatu sakņu zonas dziļam noteikšanai augsnes ūdens modeļos.

Pārskata periodā notika darbs pie datu kopu sagatavošanas augsnes ūdens modelēšanai, īpaši pievēršot uzmanību literatūras studijām un atbilstošu matemātisku aproksimāciju ieviešanai par sakņu dziļuma sadalījumu, lapu laukuma indeksu un augsnes hidroloģiskie parametriem. No ES Copernicuss portāla, pētījuma teritorijai tikai iegūti un sagatavoti tālākai izmantošana dati par lapu laukuma indeksu un normalizēto veģetācijas indeksu periodam no 2014. līdz 2020.gadam. Dati tiks izmantoti kā empīriskais pamats lapu laukuma indeksa sezonalitātes raksturošanai augsnes ūdens modelī.

Zinātnisks raksts par vēsturiskajām pazemes ūdens sausuma epizodēm Baltijas reģionā ir pieņemts publicēšanai prestižajā brīvpieejas žurnālā Journal of Hydrology: Regional Studies. Raksts izstrādāts sadarbībā ar citiem saistītiem zinātniskiem projektiem: https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.101049 .

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON).

Laika posmā no 01.03.2022. līdz 31.maijam (astotais pārskata periods) veiktās darbības:

Pētījuma zinātniskie rezultāti prezentēti arī starptautiskajā zinātniskajā konferencē EGU 2022 referātā ar nosaukumu “Memory effect of soil water regime in wet forests, Norther Europe, Latvia” (https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU22/EGU22-8604.html ). Pārskata periodā zināntniskajā žurnālā Journal of Maps “Bedrock surface topography of Latvia” (https://doi.org/10.1080/17445647.2022.2067011 ) publicēta zinātniskā publikācija, kuras izstrādē starp citiem pētniekiem kā līdzautors piedalījās arī pēcdoktorants.

Turpinot pētījumu ir pilnveidots parauglaukumu augsnes ūdens režīma modelis, iestrādājot reālistiskas, novērojumos un zinātniskās literatūras studijās balstītas, parametru vērtības. Pavasara sezonā pētījuma parauglaukumos tika ievākti koku gadskārtu gredzenu paraugi. Paraugu analīze ļaus novērtēt vai modelētās augsnes ūdens režīmā starp gadu atšķirības atspoguļojas koku gadskārtās, paverot iespēju apstiprināt vai noliegt pētījumā izvirzīto hipotēzi.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON).

Laika posmā no 01.06.2022. līdz 31.08.2022. (devītais pārskata periods) veiktās darbības:

Pētījuma rezultāti prezentēti divās starptautiskajās konferencēs, Igaunijā. Jūlija sākumā stenda referāts “Nitrate vulnerability of carbonate aquifers in the Baltic region inferred from a case study of petrifying springs in the Kazu leja, Latvia” tika prezentēts 10. Starptautiskajā ekosistēmu uzvedības simpozijā (10th International Symposium on Ecosystem Behavior) BIOGEOMON 2022, Tartu. Savukārt augustā referāts “Run-on contribution to the soil water balance to the temperate forests” tika prezentēts 31. Ziemeļvalstu hidroloģijas konferencē (XXXI Nordic Hydrological Conference 2022) Tallinā.

Jūnija sākumā pēcdoktorants piedalījās arī 32. Eiropas dendroekoloģijas lauka nedēļā (32nd European Dendroecological Fieldweek), kas notika Vācijā un, ko organizē nozares vadošie zinātnieki no Šveices Meža, sniega un ainavu pētījumu federālā institūta (Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research WSL). Šis kurss sniedza nozīmīgas zināšanas un praktisku pieredzi dendrohronoloģisko pētījumu īstenošanai, rezultātu apstrādei un interpretācijai.

Turpinot pētījumu ir uzsākts darbs pie zinātniskās publikācijas manuskripta sagatavošanas, aprakstot lauka pētījumos iegūtos rezultātus. Sadarbībā ar LU Bioloģijas fakultātes pētniekiem tiek veikti ievākto koku gadskārtu paraugu mērījumi hronoloģijas sastādīšanai. Iegūtie hronoloģijas dati tiks salīdzināti ar modelēšanas ceļā rekonstruēto augsnes ūdens režīma variācijām. Vienlaikus turpinās augsnes ūdens un gāzu novērojumi meža parauglaukumos. Pārskata periodā veiktas iestrādes augsnes ūdens režīma pētījumu tālākai attīstībai pēc projekta noslēguma.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON).

Laika posmā no 01.09.2022. līdz 30.11.2022. (10 pārskata periods) veiktās darbības:

Pārskata periodā galvenā uzmanība tika pievērsta ūdens atdeves līknes mērījumiem augsnes un grunts paraugiem, kas ievākti pētījuma parauglaukumos. Ūdens atdeves līkne raksturo, cik cieši grunts piesaista ūdeni kā funkciju no grunts kopējā ūdens satura. Tā raksturo faktisko augiem pieejamā ūdens maksimālo saturu augsnē. Ūdens atdeves līkne ir viens no būtiskākajiem augsnes parametriem, kas nosaka ūdens plūsmas starp augsni, veģetāciju un atmosfēru. Mērījumi tika veikti izmantojot pavisam jaunu par Latvijas Universitātes līdzekļiem iegādāto iekārtu Hyprop2. Iegūtie rezultāti ļaus būtiski uzlabot parauglaukumu augsnes ūdens režīma modeļus, atbilstoši faktiskajiem apstākļiem, tādējādi iegūstot precīzākus rezultātus.

Sadarbībā ar LU Bioloģijas fakultātes pētniekiem tiek turpināta ievākto koku gadskārtu paraugu hronoloģijas sastādīšana, kas ļaus pārbaudīt pētījumā izvirzītās hipotēzes salīdzinot faktisko gadskārtu pieaugumu ar modelēto augsnes ūdens režīmu. Paralēli turpinās arī augsnes ūdens un gāzu novērojumi meža parauglaukumos.

Turpinās dalība starptautiskā sadarbības tīklā kā Latvijas pārstāvim COST akcijā CA19120 "WATer isotopeS in the critical zONe: from groundwater recharge to plant transpiration" (WATSON). Sadarbības tīkla ietvaros notiek intensīvs darbs pie pārskata raksta izstrādes par stabilo izotopu metožu pielietojumu ūdens plūsmu pētījumos kritiskajā zonā. Pēcdoktorants strādā pie nodaļas par ezeriem un mitrzemē. Publikācijas izstrādei tika apmeklēts divu dienu (29. – 30. septembris) darba seminārs Florencē, Itālijā.

Laika posmā no 01.12.2022. līdz 28.02.2023. (11. pārskata periods) veiktās darbības:

Tuvojoties projekta noslēguma fāzei, pārskata periodā ir noslēgta augsnes hidroloģisko īpašību laboratorijas mērījumu kampaņa, kā arī lauka mērījumu kampaņa, un daļēji novākts lauka mērījumu aprīkojums, katrā no parauglaukumiem atstājot pa viena gruntsūdens līmeņa zondei. Notiek iegūto novērojumu datu implementācija modelī.

Iegūti rudenī veikto dendrohronoloģisko mērījumu rezultāti par vienu no trim parauglaukumiem, kas iestrādāti modeļa aprēķinos.

Izstrādātas visu trīs parauglaukumu augsnes ūdens modeļu bāzes versijas un veikti scenāriju aprēķini, kā arī uzsākts darbs pie attiecīgās zinātniskās publikācijas sagatavošanas. Izstrādāti un iesniegti trīs kopsavilkumi starptautiskajām konferencēm.

Laika posmā no 01.03.2023. līdz 31.05.2023. (12. pārskata periods) veiktās darbības:

Projekta noslēdzošajā pārskata periodā sagatavots un iesniegts zinātniskas publikācijas manuskripts žurnālam Journal of Hydrology, kur apkopoti pētījuma rezultāti. Ir publicētas paplašinātās tēzes par kontrolētos apstākļos veiktā pētījuma rezultātiem par atšķirīgu augsnes ūdens režīmu ietekmi uz modeļa sugas – kukurūzas Zea mays – attīstību. Papildus ir publicēts arī zinātniskais rakstus, kas izstrādāts sinerģijā ar citiem pētniecības projektiem par gruntsūdens līmeņa modelēšanu izmantojot impulsa atbildes funkciju. Pētījuma ietvaros iegūtā datu kopa ir sagatavot publicēšanai zinātnisko datu repozitorijā Zenodo.org, un tiks publicēta līdz ar atbilstošā zinātniskās raksta publicēšanu.

Pētījumu virziena tālāka lietišķa attīstība citu projektu ietvaros tika plānot darba seminārā Somijā, kur piedalījās partneri no Latvijas, Vācijas un Somijas.

Latvijas Universitātes portālā tika publicēts populārzinātnisks raksts par klimata pārmaiņu ietekmi uz gruntsūdeņiem Latvijā, ko tālāk pārpublicēja arī Delfi CAMPUS portāls. Kā arī par pētījumu tika stāstīts atvērtā lekcijā VI Latvijas Ģeogrāfijas kongresā "Es esmu ģeogrāfs", 2023.gada 24.martā "Īsumā par ūdeni augsnē: augsnes hidroloģiskās īpašības un kāpēc tās ir svarīgas?". Projekta rezultāti tik prezentēti Latvijas Universitātes 81. starptautiskajā zinātniskajā konferencē un EGU Ģenerālajā asamblejā.

Pēcdoktorantūras pētījuma projekts ir noslēdzies un tā mērķi un uzdevumi ir sasniegti.