Field investigation of potential terrestrial groundwater-dependent ecosystems within Australia’s Great Artesian Basin

Abstract

Quantitative field methods were used to refine eco-hydrogeological conceptual models of terrestrial groundwater dependent ecosystems (GDEs) in the Great Artesian Basin (GAB), Queensland, Australia. There are few studies which report on the effectiveness of published methods to ground truth the occurrence of assumed GDEs, particularly in areas subject to coal seam gas development. Using a combination of methods, a field investigation was completed at four sites in vegetation communities dominated by river red gum (Eucalyptus camaldulensis) in areas overlying the GAB. Multiple lines of evidence determined the predominant source of water utilised by large trees at each locality to assess if the terrestrial ecosystems were dependent on the presence of groundwater. Methods included soil coring to observe tree rooting depth and underlying hydrogeological conditions, matching of soil moisture with leaf water potential, and analysis of naturally occurring stable isotopes of hydrogen and oxygen found in tree xylem, soil moisture and groundwater. Results indicate that despite study locations being conceptually mapped as GDEs, trees located within at least three of the four assessed sites were predominantly utilising shallow sources of soil moisture located above the regional water-table aquifer. Also, rooting depths of targeted tree species were consistently much shallower (maximum depth 7.6 mbgl) than what is commonly reported in literature (12–22.6 mbgl). The findings highlight the importance of ground-truthing to refine the eco-hydrogeological conceptual models of GDEs using a combination of methods to create a holistic understanding of water sources for terrestrial vegetation communities in areas vulnerable to groundwater abstraction.

Résumé

Des méthodes quantitatives de terrain ont été utilisées pour ajuster le modèle hydrogéologique conceptuel des écosystèmes terrestres inféodés aux eaux souterraines (ETIEs) dans le Grand Bassin Artésien (GBA) du Queensland, Australie. Peu d’études font état de l’efficacité des méthodes publiées visant à vérifier sur le terrain l’existence d’écosystèmes terrestres présumés IEs, en particulier dans les zones confrontées à la mise en exploitation du gaz de houille. En recourant à des méthodes combinées, des investigations de terrain ont été menées sur quatre sites, au sein de groupements végétaux dominés par le gommier rouge des rivières (Eucalyptus camaldulensis), dans des zones qui s’étendent à travers le GBA. Des éléments de preuve multiples ont déterminé la ressource en eau principalement utilisée par les arbres de grande taille de chaque localisation, de manière à évaluer si les écosystèmes terrestres sont inféodés à la présence d’eaux souterraines. Les méthodes comprenaient le carottage du sol en vue d’observer la profondeur des racines de l’arbre et les conditions hydrogéologiques sous-jacentes, la concordance de l’humidité du sol avec le potentiel en eau des feuilles, et l’analyse des isotopes stables de l’hydrogène et de l’oxygène naturellement présents dans le xylème de l’arbre, l’humidité du sol et les eaux souterraines. Les résultats montrent que, bien que les localisations étudiées soient cartographiées comme IEs, les arbres situés dans au moins trois des quatre sites évalués utilisaient de manière prédominante les ressources superficielles d’humidité du sol localisées au-dessus de la surface piézométrique de l’aquifère régional. Ainsi, la profondeur d’enracinement des espèces d’arbre ciblés était immanquablement beaucoup moins importante—profondeur maximale de 7.6 m sous le niveau du sol (sns)—que ce qui est. rapporté communément dans la littérature (12–22.6 msns). Les résultats soulignent l’importance de la vérification de terrain pour affiner les modèles conceptuels éco-hydrogéologiques des ETIEs, grâce à une combinaison de méthodes qui permet une compréhension holistique des ressources en eau pour les populations végétales terrestres, dans les zones exposées à une exploitation d’eau souterraine.

Resumen

Se utilizaron métodos cuantitativos de campo para mejorar los modelos conceptuales eco-hidrogeológicos de los ecosistemas terrestres dependientes de las aguas subterráneas (GDEs) en la Great Artesian Basin (GAB), Queensland, Australia. Existen pocos estudios que informen sobre la eficacia de los métodos publicados para fundamentar la verdad sobre la ocurrencia de los GDEs, particularmente en áreas sujetas al desarrollo del gas de la veta de carbón. Utilizando una combinación de métodos, se completó una investigación de campo en cuatro sitios en comunidades de vegetación dominadas por eucaliptos rojos (Eucalyptus camaldulensis) en áreas que dominan el GAB. Múltiples líneas de evidencia determinaron la fuente predominante de agua utilizada por los grandes árboles en cada localidad para evaluar si los ecosistemas terrestres dependían de la presencia de agua subterránea. Los métodos incluían la extracción de testigos del suelo para observar la profundidad de las raíces de los árboles y las condiciones hidrogeológicas subyacentes, la comparación de la humedad del suelo con el potencial de agua de las hojas y el análisis de los isótopos estables naturales de hidrógeno y oxígeno que se encuentran en el xilema de los árboles, la humedad del suelo y el agua subterránea. Los resultados indican que, a pesar de que las ubicaciones del estudio se han cartografiado conceptualmente como GDEs, los árboles ubicados en al menos tres de los cuatro sitios evaluados utilizaban predominantemente fuentes poco profundas de humedad del suelo situadas por encima del acuífero freático regional. Además, las profundidades de enraizamiento de las especies de árboles objetivo fueron consistentemente mucho más bajas (profundidad máxima 7.6 mbnt) que lo que se reporta comúnmente en la literatura (12–22.6 mbnt). Los resultados ponen de relieve la importancia de la comprobación de campo para mejorar los modelos eco-hidrogeológicos conceptuales de los GDEs utilizando una combinación de métodos para crear una comprensión holística de las fuentes de agua para las comunidades de vegetación terrestre en áreas vulnerables a la extracción de agua subterránea.

摘要

在澳大利亚昆士兰州的大自流盆地,采用定量化的野外方法对依赖地下水的陆地生态系统的生态水文地质概念模型进行了改进。对已出版方法的有效性来确定假设依赖地下水的生态系统是否存在的研究不多见,特别是在受煤层气开发影响的地区。在大自流盆地上覆区域,运用多种方法,完成了以河红树胶(Eucalyptus camaldulensis)为主的植被群落的四个样点的野外调查。多方面的证据确定了每个地方的树木依赖的主要水源,以此来评估陆地生态系统是否依赖于地下水作为主要水源。采用的方法包括:土壤取芯以观测树木生根深度及下伏水文地质条件;土壤水分与叶水势的匹配;树木木质部,土壤水分和地下水中天然存在的稳定氢氧同位素分析。结果表明,尽管研究地点在概念上被描述为依赖地下水的生态系统,但四个评估地点中至少有三个地点内的树木主要利用位于区域地下含水层上方的浅层土壤水分作为水分来源。而且,目标树种的生根深度始终比通常文献中报道的(12–22.6 mbgl)浅得多(最大深度为7.6 mbgl)。研究结果强调了现场验证的重要性,即利用各种方法的组合来完善依赖地下水型生态系统的生态水文地质概念模型,从而为易受地下水开采影响地区的陆生植被群落建立对水源的整体认识。

Resumo

Métodos quantitativos de campo foram utilizados para refinar modelos conceituas ecohidrogeológicos de ecossistemas terrestres dependentes de aguas subterrâneas (EDAS) na Grande Bacia Artesiana (GBA), Queensland, Austrália. Existem poucos estudos que relatam a eficiência de métodos publicados para fundamentar a verdade sobre a ocorrência de EDAS assumidos, particularmente em áreas sujeitas ao desenvolvimento de gás de carvão mineral. Usando uma combinação de métodos, uma investigação de campo foi concluída em quatro locais em comunidades de vegetação dominadas por eucalipto (Eucalyptus camaldulensis) em áreas sobrepostas ao GBA. Várias linhas de evidencia determinaram a fonte predominante de água utilizada por grandes árvores em cada localidade para avaliar se os ecossistemas terrestres eram dependentes da presença de águas subterrâneas. Os métodos incluíram a amostragem de solo para observar a profundidade do enraizamento das árvores e as condições hidrogeológicas subjacentes, correspondência da umidade do solo com o potencial de água nas folhas e análise de isótopos estáveis de oxigênio e hidrogênio de ocorrência natural, encontrados no xilema da árvore, umidade do solo e na água subterrânea. Os resultados indicam que apesar de os locais de estudo serem conceitualmente mapeados como EDAS, as árvores localizadas em pelo menos três dos quatro locais avaliados utilizavam predominantemente fontes rasas de umidade do solo localizadas acima do lençol freático do aquífero regional. Além disso, as profundidades de enraizamento das espécies de árvore alvo eram consistentemente muito mais rasas (profundidade máxima de 7.6 m) do que é comumente reportado na literatura (12–22.6 m). As descobertas destacam a importância de verdades terrestres para refinar os modelos conceituais ecohidrogeológicos dos EDAS usando uma combinação de métodos para criar uma compreensão holística das fontes de água para comunidades de vegetação terrestre em áreas vulneráveis à captação de águas subterrâneas.