چگونه گیاهان بودجه آبی خود را مدیریت می‌کنند؟

1

همه می‌دانیم که گیاهان برای بقا به آب نیاز دارند، اما چیزی که کمتر مشخص است، این است که آن‌ها چطور آب را مدیریت می‌کنند. از جنگل‌ها گرفته تا علفزارها، گیاهان راهکارهای شگفت‌انگیزی برای مقابله با کمبود آب توسعه داده‌اند.

برخی گیاهان آب را با سرعت زیاد مصرف می‌کنند، در حالی که برخی دیگر آن را با دقت جیره‌بندی می‌کنند. درختان کائوپوک در آمازون رفتار متفاوتی نسبت به چمن‌های سخت‌جان دشت‌های آمریکا دارند.

نبود روش مقایسه‌ای تا پیش از این

تا به امروز، دانشمندان ابزار آسانی برای مقایسه این استراتژی‌ها در اکوسیستم‌های مختلف یا بررسی تغییر آن‌ها در پاسخ به تغییرات محیطی نداشتند.

کم‌آبی و رفتار گیاهان

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا و دانشگاه ایالتی سن‌دیگو راهکاری برای فهم این رفتارها ارائه داده‌اند. آن‌ها مدلی ساختند که با استفاده از داده‌های رطوبت خاک، چگونگی واکنش گیاهان به کم‌آبی را تحلیل می‌کند.

مدل جهانی برای تحلیل اکوسیستم‌ها

این مدل روی مجموعه داده‌ای جهانی پیاده‌سازی شد که اکوسیستم‌های سراسر سیاره را پوشش می‌دهد. نتایج نشان دادند که دو عامل کلیدی رفتار گیاهان را تعیین می‌کند:

• میزان خشکی محیط
• تراکم پوشش گیاهی

«زمانی که گیاهان با کمبود آب مواجه می‌شوند، علفزارها مانند ولخرج‌ها رفتار می‌کنند (آب را با شدت مصرف می‌کنند تا تمام شود)، در حالی که جنگل‌ها مانند حسابداران محتاط عمل می‌کنند (استفاده از آب را زودتر کاهش می‌دهند تا فاجعه پیشگیری شود)»
— پروفسور کلی کیلور، دانشگاه UCSB

این پژوهش همچنین به ضعف مدل‌های پیشین اشاره می‌کند. بسیاری از آن‌ها، سرعت از دست رفتن آب در دوره خشکسالی را بیش‌ازحد تخمین می‌زنند. این موضوع تأثیر چشمگیری بر مدل‌های اقلیمی، کشاورزی و برنامه‌ریزی منابع آبی دارد.

راهی هوشمندانه‌تر برای تحلیل خاک

گیاهان در واکنش به کم‌آبی رفتارهای متنوعی دارند. این تنوع به بقاء آن‌ها کمک می‌کند، اما در عین حال، تشخیص الگوهای کلی را برای دانشمندان دشوار کرده است.

کشف بینش جدید از تغییرات رطوبت خاک

نویسنده اصلی مقاله، برین مورگان، متوجه نکته‌ای شد که دیگران از آن غافل بودند: تغییرات رطوبت خاک در طول زمان می‌تواند کلید درک رفتار گیاهان باشد.

تا پیش از این، مدل‌های تحلیل خشک‌شدن خاک بیشتر به سادگی محاسبات توجه داشتند، نه به بازتاب دقیق رفتار گیاهان. اغلب این مدل‌ها رابطه میان گیاه و خاک را خطی در نظر می‌گرفتند: ورودی ساده، خروجی ساده.

«اما در داده‌ها عدم‌خطی بودن وجود دارد.»
— دکتر ریوکو آراکی، دانشجوی دکتری مشترک UCSB و SDSU

توسعه مدل غیرخطی جدید

برای حل این مسئله، آراکی رهبری توسعه مدلی غیرخطی را بر عهده گرفت که نشان می‌دهد خاک پس از بارندگی چگونه خشک می‌شود – نه صرفاً به‌صورت یک منحنی ریاضی، بلکه به شکلی که منعکس‌کننده تصمیمات پرریسک یا محافظه‌کارانه گیاهان در مواجهه با کم‌آبی باشد.

چگونه گیاهان بودجه آبی خود را خرج می‌کنند

با استفاده از این مدل، تیم تحقیقاتی داده‌های رطوبت خاک را از شبکه‌ای جهانی از سنسورها تحلیل کردند. آن‌ها بخش‌هایی از داده را انتخاب کردند که خاک در حال خشک شدن بود و مدل را روی این دوره‌ها اعمال کردند.

تشخیص رفتار گیاهان از شکل منحنی خشک‌شدن خاک

با بررسی شیب و شکل هر منحنی، می‌شد فهمید گیاهان چقدر پرریسک یا محتاطانه عمل می‌کنند. علفزارها و مناطق خشک معمولاً رفتار تهاجمی‌تری در مصرف آب نشان می‌دادند، در حالی که جنگل‌ها و مناطق مرطوب، محافظه‌کارانه‌تر بودند.

«اگر آب را به‌عنوان ارز اکوسیستم‌های پوشیده از گیاهان در نظر بگیریم، چمن‌ها مانند کسانی هستند که می‌گویند «فقط یک‌بار زندگی می‌کنی»، در حالی که درختان برای دوران بازنشستگی سرمایه‌گذاری می‌کنند. آن‌ها در بازی بلندمدت هستند.»
— برین مورگان

رفتارهای پرریسک در برابر برنامه‌ریزی محتاطانه

موضوع فقط آب نیست، بلکه استراتژی است. چمن‌ها اغلب چرخه زندگی کوتاه‌تری دارند و ممکن است فقط یک فرصت برای رشد داشته باشند. درختان برعکس، برای سال‌ها و دهه‌ها رشد می‌کنند و نمی‌توانند به ساختار آبرسانی خود آسیب بزنند.

«علفزارها مانند دونده‌های سرعتی هستند که تا لحظه آخر همه توان خود را خرج می‌کنند، در حالی که جنگل‌ها مانند دونده‌های ماراتن هستند که با دقت پیش می‌روند و در زمان مناسب سرعت خود را کم می‌کنند تا به خط پایان برسند.»
— پروفسور کیلور

البته به گفته مورگان، در هر اکوسیستم نیز می‌توان طیفی از رفتارهای تهاجمی تا محافظه‌کارانه را مشاهده کرد.

رفتارهای تطبیقی گیاهان

پس از شناسایی تفاوت‌های رفتاری بین اکوسیستم‌ها، پژوهشگران بررسی کردند که رفتار گیاهان چگونه درون یک اکوسیستم تغییر می‌کند.

سازگاری گیاهان با شرایط سخت‌تر

تیم تحقیقاتی متوجه شد زمانی که شرایط خشک‌تر می‌شود یا نیاز به آب افزایش می‌یابد، گیاهان استراتژی خود را تغییر می‌دهند و تهاجمی‌تر می‌شوند. برای نمونه، در بیابان موهاوی که بارندگی بسیار فصلی است، رفتار گیاهان می‌تواند در طول سال به‌شدت تغییر کند.

تا کنون، دانشمندان معمولاً مصرف آب را یا در آزمایشگاه از نزدیک بررسی می‌کردند، یا با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای از دور. این مدل جدید شکاف میان این دو رویکرد را پر می‌کند.

«روش برین در استفاده از اندازه‌گیری‌های میدانی در مقیاس جهانی، بسیار هوشمندانه است.»
— آراکی

این دیدگاه میانی به پژوهشگران کمک کرد تا الگوهایی را شناسایی کنند که پیش‌تر پنهان مانده بودند.

ساخت مدل‌های اقلیمی بهتر

رطوبت خاک نقش مهمی در مدل‌های کربن و اقلیم جهانی دارد، اما این مدل‌ها معمولاً جزئیات رفتار گیاهان را نادیده می‌گیرند.

«عدم قطعیت در برآورد چرخه جهانی کربن، به‌شدت وابسته به واکنش پوشش گیاهی به محدودیت رطوبت خاک است.»
— مورگان

گامی به‌سوی پیش‌بینی‌های دقیق‌تر

مدل‌های بهتر، به پیش‌بینی‌های بهتر منجر می‌شوند. مورگان پیشنهادی به ناسا ارائه داده تا این پارامتر غیرخطی جدید را در مدل‌های موجود سیستم زمین وارد کند. او همچنین علاقه‌مند است بداند که این استراتژی‌های گیاهی چگونه در طول زمان بر کل سیستم بازخورد ایجاد می‌کنند.

دینامیک رطوبت خاک در مقیاس‌های بزرگ

آراکی روی مقیاس‌پذیری تمرکز دارد. رطوبت خاک یکنواخت نیست و حتی در فاصله‌های کوتاه به‌طور قابل توجهی تغییر می‌کند. این مسئله ساخت مدل‌های دقیق در مقیاس‌های بزرگ را دشوار می‌کند.

«در واقعیت، ما با توپوگرافی، پوشش گیاهی و نوع خاک سروکار داریم، بنابراین نمی‌توانیم از آمار ساده استفاده کنیم.»
— آراکی

«درک چگونگی مقیاس‌پذیری مقادیر رطوبت خاک، مسئله‌ای است که هیدرولوژیست‌ها سال‌هاست با آن درگیرند.»
— مورگان

چالش فعلی، یافتن راهی برای ثبت این دینامیک‌هاست – از یک نقطه اندازه‌گیری منفرد تا کل یک حوزه آبخیز.

منبع مقاله

این مطالعه کامل در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شده است.