thh hhhhhhhh ahhhhh bhhhhhhhhh ihhhhhhhhhhhhhhhh ehhhh … · 2017-04-28 · thh hhhhhhhh ahhhhh...

31
T H A B I E S R F B 2 INQUIRY B 2 I T T S G C RESEARCH DISCOVERY B 2 E T A G E C EDUCATION OUTREACH B 2 T S A P A L Peter Troch – University of Arizona

Upload: others

Post on 11-Jun-2020

20 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Thh Hhhhh hhh Ahhhhh Bhhhhhhh hh

Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhh Rhhhhhhh

Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2

INQUIRY

B2 Ihhhhhhhh

Th Thhhhh Shhhhhhhhh

Ghhhh Chhhhhhhhh

RESEARCH h

DISCOVERY

B2 Ehhhhhhhhhhh

Th Ahhhhhh Ghhhhh

Ehhhhhhhhhhhh Chhhhh

EDUCATION h

OUTREACH

Bhhhhhhhh 2

Th Shhhh Ahhhhhh hhh

hhh Phhhhh Ah Lhhhh

Peter Troch – University of Arizona

Page 2: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Whhhh hhhhhhh

hhhhhh

Bhhhhhhhh 2 hh h hhhhhhhhhhh Ehhhh hhhhhhh hhhhhhhh

Phhhhhh hhhhhhh hhh hhhh hhhhhhh hhhhhhh hh hhhhh hhhhhh

UA hh hhhhhhhh h hhhhhhh hhhhhhh hh hhhhhh hhh hhh

hhhhhhhh

Shhhhhh hhhhhh hhhhhhhhhhh hhhhhh hhhhh hhhhhhhhhhhh

Thhhhhhh hhhhhh hhhhhhhhhhhh hhhhhh hhhhhhhhh hhhhhhhhhhhhh

Page 3: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY
Page 4: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Th hhhhh hh h hhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhhh

hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhh hhhhh Ehhhhh

hhh hhhhhh hhhhhhhh hhh hhh hhhhh hh hhh

hhhhhhhhh

Bhhhhhhhh 2

Chhh Mhhhhhh

Page 5: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Th hhhhh hh h hhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhhh

hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhh hhhhh Ehhhhh

hhh hhhhhh hhhhhhhh hhh hhh hhhhh hh hhh

hhhhhhhhh

Chhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhhh

hhhhh hhh Ehhhh hhh hhh hhhhhh

Bhhhhhhhh 2

Chhh Mhhhhhh

Page 6: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Th hhhhh hh h hhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhhh

hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhh hhhhh Ehhhhh

hhh hhhhhh hhhhhhhh hhh hhh hhhhh hh hhh

hhhhhhhhh

Chhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhhh

hhhhh hhh Ehhhh hhh hhh hhhhhh

Bh hh hhhhhhhh hhhh hhh Ehhhh hhhhhhhhh hhh hhhhhhhh

hh hhhhhhhhh hhhhhhhhhhh hhh hhh hhhhhh h hhh hhh

hhhhhhh

Bhhhhhhhh 2

Chhh Mhhhhhh

Page 7: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Th hhhhh hh h hhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhhh

hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh hhhhhhhh hhhhh Ehhhhh

hhh hhhhhh hhhhhhhh hhh hhh hhhhh hh hhh

hhhhhhhhh

Chhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhhh

hhhhh hhh Ehhhh hhh hhh hhhhhh

Bh hh hhhhhhhh hhhh hhh Ehhhh hhhhhhhhh hhh hhhhhhhh

hh hhhhhhhhh hhhhhhhhhhh hhh hhh hhhhhh h hhh hhh

hhhhhhh

Dhhhhhh hhhhhh hhhhhhh hh Ehhhh hhhhhhh hhhhhhhh hhh

hhhhhhhhhh hhh hhh hh hhhhhhhhhhhhh hhhhhhhhh hhh

hhh hhhhhhh

Bhhhhhhhh 2

Chhh Mhhhhhh

Page 8: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Ghhhhh Chhhhh hhh Whhhh Chhhh

Dhhhhhhh

Rhhhhh Thhhhhhhhhh

Rhhhhhh Rhhhhhhh

Changing Climate Changing Land Surface

Breshears et al., PNAS, 20

Page 9: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

• Hhh hhhh hhhhh hhhhhh hhh hhhhhhhh hh

hhhhh

• Hhh hhhh hhhh hhhhhhh hhhhh hhhhh

hhhhhhhhh

PPT (mm y-1)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

AN

PP

(g m

-2)

0

200

400

600

800

1000

1200

Removal of resource limitations

Site-level

Overall

Precipitationchange

a

Huxman et al., (2004) Nature

Ghhhhh Chhhhh hhh Whhhh Chhhh

Dhhhhhhh

Weltzin et al., (2001) BioScience

Page 10: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Design of the Institutional ExperimentA Biosphere2-CUAHSI co-production

EhhhhShhhhhh Ehhhhhhhhhhh Fhhhhhhh

Page 11: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

EhhhhShhhhhh Ehhhhhhhhhhh Fhhhhhhh

Thhhh hhhh hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhhh hhhhhhhhhh

Phhhhhh hhhhhhh hhh hhhh hhhhhhh hhhhhhh

Hhhhhhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhh

hhhhhhhhhhhh

Ihhhhhhhhhhh hhhhhhh hhhhh h30hh15hh

Bhhh hhhhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh h10 hhhhhh hhhhhhhhhhhh

Page 12: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

EhhhhShhhhhh Ehhhhhhhhhhh Fhhhhhhh

Thhhh hhhh hhhhhhhhh hhh hhhhhhhhhhhhh hhhhhhhhhh

Phhhhhh hhhhhhh hhh hhhh hhhhhhh hhhhhhh

Hhhhhhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhhhhhhhhh hhhhhhhh

hhhhhhhhhhhh

Ihhhhhhhhhhh hhhhhhh hhhhh h30hh15hh

Bhhh hhhhhhhhhhh hhh hhhhhhhhh h10 hhhhhh hhhhhhhhhhhh

Page 13: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Ohh Chhhhhhhh

h Mhhhh

Biosphere 2

Hillslope hydrology

Microbial and plantcolonization

Biogeo-weathering &ecosystem dynamics

Surface/subsurface water flow paths & connectivity

Huxman et al., EOS, 2009

Page 14: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Design Considerations

• C1: Relevance of the results to the semi-arid setting of the Biosphere2 facility

• C2: Spatially variable moisture regimes, including convergence• C3: Lateral connectivity of processes through transient subsurface

flow• C4: Ensuring sufficient water available in the root zone• C5: Temporal dynamics and response to climatic variation• C6: Avoiding significant overland flow• C7: Minimize the imposed structure and maximize the emergent

structure• C8: Simplicity and elegance• C9: Technical feasibility

Hopp et al., HESS, in prep

Page 15: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Zero-order catchment

Hopp et al., HESS, in prep

Page 16: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Parsimonious hydrologic modeling

Hopp et al., HESS, in prep

Page 17: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Detailed hydrologic modeling

Hopp et al., HESS, in prep

Page 18: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Engineering Design

Page 19: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Linking hydrology and geochemistry

Dontsova et al., in prep

Page 20: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Hydro-geochemical modeling

Tran

spor

t (H

YD

RU

S)

(adv

ectio

n, d

ispe

rsio

n, d

iffus

ion)

(sat

urat

ed /

unsa

tura

ted)

-aqueous speciation-kinetic mineral dissolution/precipitation-ion exchange-surface complexation

Geochemical Reactions(CrunchFlow)

reaction-induced porosity& permeability feedback

velocitywater sat.

Sharon Desilets

Page 21: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Subsurface weathering and precipitation

49

51

53

55

57

59

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000

Volu

me

% o

f pri

mar

y m

iner

als

Volu

me

% o

f sec

onda

ry m

iner

als

Time, days

0.05 mm/h

5 mm/h

0.26 mm/h

0.41 mm/h

49

51

53

55

57

59

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000

Volu

me

% o

f pri

mar

y m

iner

als

Volu

me

% o

f sec

onda

ry m

iner

als

Time, days

0.1 m2/g

1.7 m2/g

3.2 m2/g

49

51

53

55

57

59

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000

Volu

me

% o

f pri

mar

y m

iner

als

Volu

me

% o

f sec

onda

ry m

iner

als

Time, days

0.05 mm/h

5 mm/h

0.26 mm/h

0.41 mm/h

49

51

53

55

57

59

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800 1000

Volu

me

% o

f pri

mar

y m

iner

als

Volu

me

% o

f sec

onda

ry m

iner

als

Time, days

0.1 m2/g

1.7 m2/g

3.2 m2/g

Flow velocity Surface area

Page 22: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Subsurface weathering and precipitation

Primary Mineral Fraction Secondary Mineral Fraction

A: 168 days (3 years equivalent)B: 560 days (10 years equivalent)C: 1000 days (18 years equivalent)

V=0.0026 m/h V=0.0026 m/h

Dontsova et al., in prep

Page 23: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

tRIBS-VEGGIE Model

H λE

Qout

Qin

R

Satm

Valeriy Ivanov

Page 24: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Fully vegetated (1996-2007)

Mean root moisture

STD of root moisture

Mean ANPP

Ivanov et al., in prep.

Page 25: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

CV vs mean SM: Bare soil – Vegetated

Ivanov et al., in prep.

Page 26: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

SM spatial variability vs mean SMInitial state #2

Transition of the dominant factors that contribute to soil water heterogeneity

Su

bsu

rface

flo

w

do

min

ate

s

Evap

otr

an

spir

ati

on

d

om

inate

s

Cap

illa

rity

an

d

evap

otr

an

spir

ati

on

Ivanov et al., in prep.

Page 27: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Temporal design: replicates vs treatmentR

eplicationC

limate change

Phase 1: bare soil

Phase 2: model organisms

Phase 3: biological perturbation

Phase 4: different climate regimes

Huxman et al., EOS, 2009

Page 28: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Development of coupled systems model

Goal: To develop a predictive, modular system for hypothesisgeneration and prediction, coupling subsurface & surfacehydrology, sediment transport, ecosystem dynamics, and bio-geochemical processes.Motivation: Numerical modeling must be part of B2 “learningcycle” and is necessary for developing quantitative tools forbetter prediction of real-world landscape processes.

Jon Pelletier

Page 29: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Similar initiatives in other biomes

Scott Saleska: NSF PIRE PI and coordinator

Page 30: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Acknowledgements

• Thanks to many, many people!!

– B2Science and SAHRA team– Hydrologic Synthesis team (UIUC)– Workshop participants– CUAHSI

• Read more about Biosphere 2 EarthScience:

– www.b2science.org– EOS brief report to appear in April

• Input and feedback welcome: [email protected]

Page 31: Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh … · 2017-04-28 · Thh Hhhhhhhh Ahhhhh Bhhhhhhhhh Ihhhhhhhhhhhhhhhh Ehhhh Shhhhhhhhhhhh R h Fhhhhhhh hh Bhhhhhhhh 2. INQUIRY

Thanks for your attention!

QUESTIONS?