چرا همه گیاهان آب را به یک شکل مدیریت نمی‌کنند؟

1

اگر تا به حال فراموش کرده باشید چند روزی به گلدان‌های خانه‌تان آب بدهید، احتمالاً متوجه شده‌اید که گل‌ها خیلی زود سر و ته می‌شوند، چمن‌ها خشک می‌شوند اما درختان… همچنان سرحال باقی می‌مانند.

این مسئله به این دلیل است که همه گیاهان به یک شکل با آب رفتار نمی‌کنند. برخی از آن‌ها آزادانه آب مصرف می‌کنند، برخی دیگر در مصرف آب صرفه‌جویی می‌کنند و هرکدام در شرایط خشک به روش متفاوتی واکنش نشان می‌دهند.

با این حال، بسیاری از مدل‌های آب و هوایی در سال‌های گذشته این تفاوت‌ها را در نظر نمی‌گرفتند و بر اساس فرض‌های ساده‌ای ساخته می‌شدند که همه گیاهان را یکسان در نظر می‌گرفتند. اما این موضوع در حال تغییر است. پژوهشی تازه نشان می‌دهد که اگر رفتار گیاهان هم در این معادله لحاظ شود، می‌توان پیش‌بینی‌های دقیق‌تری از آب‌ و هوا و مصرف آب داشت.

مدل آب و هوایی جدید با درک بهتر از گیاهان

پژوهشی از دانشگاه کالیفرنیا و سن دیه‌گو

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا (UCSB) و دانشگاه ایالتی سن دیه‌گو (SDSU) مدلی طراحی کرده‌اند که به شکل دقیق‌تری بررسی می‌کند پس از بارش باران، خاک چگونه خشک می‌شود.

این مدل نشان می‌دهد که گیاهان در برابر تنش آبی (آب کم) رفتاری خطی و یکنواخت ندارند. بلکه واکنش‌های آن‌ها پیچیده و تطبیق‌پذیر است. موضوعی که به گفته پژوهشگران می‌تواند باعث بهبود پیش‌بینی‌های آب و هوا، کشاورزی و مدیریت منابع آبی شود.

کِلی کیلر، استاد دانشکده علوم محیط زیست و مدیریت برن در UCSB و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید:

«ما متوجه شدیم که گیاهان در برابر کم‌آبی واکنش خطی و ساده ندارند، بلکه الگوهای رفتاری پویا از خود نشان می‌دهند که مشخص می‌کند آیا آن‌ها ‘آب‌دوست’ هستند یا ‘آب‌پس‌انداز’.»

آب باران به کجا می‌رود؟

بعد از بارندگی، آب در چند مسیر پخش می‌شود:

• بخشی از آن رواناب شده و وارد رودخانه‌ها می‌شود.
• مقداری از آن به عمق زمین نفوذ می‌کند.
• بخش دیگر دوباره به هوا بازمی‌گردد؛ یا از سطح خاک تبخیر می‌شود، یا از طریق گیاهان بالا رفته و از برگ‌ها در فرآیندی به نام تعرق (Transpiration) خارج می‌شود.

این فرآیند تبخیر و تعرق (Evapotranspiration) نقش مهمی در تعیین سرعت خشک شدن خاک دارد و بر رشد محصولات کشاورزی، خطر آتش‌سوزی جنگل‌ها و پیش‌بینی‌های آب‌ و هوایی تأثیر می‌گذارد.

تا همین اواخر، دانشمندان اطلاعات دقیق و گسترده‌ای از نحوه خشک شدن خاک در مقیاس‌های وسیع در اختیار نداشتند. بنابراین مدل‌های آن‌ها عمدتاً بر اساس میزان بارندگی و جریان رودخانه‌ها ساخته می‌شد.

ریوکو آراکی، نویسنده اصلی این پژوهش و دانشجوی دکترا در UCSB و SDSU می‌گوید:

«با اینکه رطوبت خاک یکی از اجزای اصلی رفتار هیدرولوژیکی است، متناقضانه اغلب مدل‌ها از داده‌های رطوبت خاک استفاده نمی‌کنند.»

واکنش متفاوت گیاهان در برابر کم‌آبی

فرض اشتباه بیشتر مدل‌های قدیمی

حتی مدل‌های پیشرفته‌تر نیز تاکنون فرض می‌کردند که همه گیاهان در مواجهه با کم‌آبی، به یک شکل و در یک سرعت، مصرف آب خود را کاهش می‌دهند.

آراکی در این باره می‌گوید:

«در این مدل‌ها، همه گیاهان — چه درخت، چه چمن، چه تابستان و چه زمستان، چه کوچک و چه بزرگ — یکسان در نظر گرفته می‌شدند.»

اما این فرض یک بخش مهم از واقعیت را نادیده می‌گیرد؛ این‌که گیاهان در شرایط تنش آبی، هر کدام رفتار مخصوص به خود را دارند.

با حذف این تفاوت‌ها، مدل‌ها در واقع سرنخ‌های ارزشمندی را از دست می‌دهند. از همین رو آراکی و همکارانش این سؤال را مطرح کردند: آیا مدل غیرخطی (nonlinear) که پاسخ‌های پیچیده‌تر گیاهان را در نظر بگیرد، می‌تواند اطلاعات بهتری ارائه دهد؟

مدل رطوبت خاک هوشمندتر

از مدل خطی به مدل غیرخطی

تیم تحقیقاتی کار خود را با یک مدل خطی استاندارد بر اساس زمان و سطح رطوبت خاک آغاز کرد. سپس یک فاکتور غیرخطی به آن افزودند که بتواند نحوه تغییر مصرف آب گیاهان در شرایط مختلف را شبیه‌سازی کند.

نکته متمایز این پروژه، استفاده از داده‌های ماهواره‌ای NASA بود. این گروه از داده‌های ماهواره SMAP (Soil Moisture Active Passive) استفاده کردند که رطوبت خاک را در سراسر جهان به وسیله سنسورهای مایکروویو اندازه‌گیری می‌کند.

این کار به آن‌ها اجازه داد مدل خود را در شرایط واقعی آزمایش و ارزیابی کنند.

نتیجه هم موفقیت‌آمیز بود. مدل غیرخطی، عملکرد بهتری نسبت به دو مدل خطی پرکاربرد داشت. مدل‌های قدیمی معمولاً سرعت خشک شدن خاک را بیش از حد برآورد می‌کردند، که می‌تواند منجر به پیش‌بینی‌های اشتباه، به‌ویژه در مناطقی با محدودیت منابع آبی شود.

البته، برخی پژوهشگران معتقدند پیچیدگی بیشتر این مدل جدید، ارزش زحمت آن را ندارد.

آراکی در پاسخ می‌گوید:

«هرچند مدل غیرخطی پیچیده‌تر است، اما داده‌ها را بهتر تطبیق می‌دهد و رفتارهای بیشتری از سیستم را در بر می‌گیرد. این مدل راهی برای بررسی سازگاری‌های گیاهان در اختیار ما می‌گذارد.»

پایش رفتار گیاهان از فضا

چرا این مدل اهمیت دارد؟

هیچ روش آسانی برای بررسی نحوه مدیریت استرس آبی توسط تک‌تک گیاهان وجود ندارد. نمی‌توان وارد یک جنگل شد و دید که آیا یک درخت، مصرف آبش را کاهش داده یا در خاک خشک همچنان به رشد ادامه می‌دهد.

برین مورگان، یکی از نویسندگان این پژوهش و پژوهشگر کنونی در MIT می‌گوید:

«سؤال این است که گیاهان در دوره کم‌آبی، تا زمانی که کمی آب دارند، به رشد ادامه می‌دهند یا کلاً فرآیند تعرق را متوقف می‌کنند تا از آسیب به بافت‌هایشان جلوگیری کنند؟»

همین‌جاست که مدل جدید ارزش خود را نشان می‌دهد. این مدل یک پنجره وسیع به رفتار گیاهان در مقیاس کلان باز می‌کند. همچنین نشان می‌دهد در زیر سطح زمین، اتفاقات بیشتری از آنچه مدل‌های قدیمی تصور می‌کردند در جریان است.

چرا این موضوع برای ما مهم است؟

برای کشاورزان، باغداران و حتی افرادی که به تغییرات اقلیمی و کمبود منابع آب علاقه دارند، این‌گونه تحقیقات می‌تواند ابزارهای دقیق‌تر و پیش‌بینی‌های هوشمندانه‌تری در اختیار بگذارد.

چرا که در نهایت، دانستن این‌که یک درخت چطور از دوران خشکسالی جان سالم به در می‌برد، می‌تواند به ما کمک کند برای آینده، بهتر آماده شویم.