پیش‌بینی آثار خشکسالی زیست‌بوم‌ها با بررسی الگوهای تنفس گیاهان

به گزارش گروه علم و آموزش ایرنا از تارنمای خبری استنفورد دیلی، تحقیقات جدید گروه اکوهیدرولوژی سنجش از دور استنفورد در آمریکا که اخیرا در مجله نیچر منتشر شد، دقت الگوهایی را که تأثیر خشکسالی بر زیست بوم ها را از طریق الگوهای تنفسی گیاهان بررسی می‌کنند، بهبود بخشیده است.

خشکسالی در سراسر جهان در حال افزایش است. بر اساس گزارش سال ۲۰۲۲ سازمان ملل، سالانه بیش از ۲۹ میلیون هکتار زمین به دلیل خشکسالی و بیابان زایی نابود می شوند. در این میان درک بهتر نقش گیاهان در خشکسالی برای برنامه ریزی واکنش سازگاری با این پدیده حیاتی است.

در مقاله ای که به سرپرستی منگ ژائو، محقق پسادکتری در علوم سیستم زمین تهیه شده، از داده های ماهواره ای مربوط به ذخیره آب و داده های بارش برای تهیه یک نقشه جامع از تعادل آب استفاده شده است. داده‌های ذخایر آب از پروژه بازیابی گرانش و آزمایش اقلیم "گریس" (GRACE) و گریس فو (GRACE-FO) و داده‌های بارش از پروژه اقلیم شناسی بارش جهانی (GPCP) به دست آمده است.

با استفاده از این داده‌های جدید و دقیق‌تر، ژائو به همراه همکارانش از دانشگاه کالیفرنیا در ایروین و دانشگاه ایالتی اوهایو توانستند تغییرات توده آب ناشی از تبخیر و تعریق گیاهان را ردیابی کنند. این کار به آنها امکان داد نشانه های تغییرات تلفات آب در گیاهان در یک منطقه معین را برآورد کنند.

گیاهان از طریق تبخیر و تعریق، آب را از خاک جذب می کنند و بخار آب را از طریق منافذ موجود روی برگ ها در جو زمین منتشر می کنند. این منافذ مانند دهانه های ریز روی برگ های گیاه عمل می کنند. بر اساس این مقاله، واکنش گیاهان به خشکسالی می تواند شرایط زمین های تحت تنش آبی را تشدید کند یا از آنها محافظت کند. در زمان خشکسالی، کاهش رطوبت خاک ممکن است دسترسی گیاهان را به آب محدود کند. با این حال، ممکن است این منافذ به دلیل کاهش رطوبت هوا تحت فشار قرار گیرند تا بیشتر باز شوند و در نتیجه باعث افزایش تلفات آب شوند.

این یافته‌ها نشان می‌دهد تلفات آب از طریق گیاهان در تقریباً نیمی از ماه‌های خشک سال در سراسر جهان افزایش می‌یابد، این در حالی است که آب در دسترس کمتری در خاک وجود دارد. محققان به این نتیجه رسیدند که تأثیر نیاز بالای جو برای آب در فصل خشکسالی به طور کلی به افزایش تلفات آب از طریق گیاهان در طول خشکسالی کمک می کند.  

ژائو و همکارانش دریافتند ۴۴ درصد گیاهان در فصل خشکسالی، آب بیشتری را از طریق تبخیر و تعریق از دست می دهند که این میزان دو برابر برآوردهای فعلی الگوی سیستم های زمینی (CMIP۶) به میزان ۲۵ درصد است.  

ژائو و همکارانش در این مقاله نوشتند: این تخمین کم به‌ویژه در اقلیم های نسبتاً خشک‌تر و مناطق دارای زیست توده پایین‌تر، بیشتر مشاهده می شود.

بر اساس این مقاله، اشتباه در الگوهای موجود سیستم زمین ممکن است ناشی از دست کم گرفتن سهم رطوبت لایه‌های عمیق‌تر خاک باشد که می‌تواند توسط گیاهان جذب شود، باوجود اینکه مقدار آب در نزدیکی لایه‌های بالای خاک به دلیل خشکسالی کمتر است. یک دلیل احتمالی دیگر، درک نادرست از واکنش زیست شناختی گیاه به فصل خشکسالی است.

محققان در این مقاله نوشتند: رویکرد سنتی، فرآیندهای فیزیولوژیکی مرتبط با هیدرولیک گیاهی را نادیده می‌گیرد. برای مناطق دارای زیست توده محدود، تلفات مستقیم آب موجود در خاک ناشی از تبخیر از زمین می تواند قابل توجه باشد، اما این موضوع در الگوهای موجود دست کم گرفته شده است.

بر اساس مقاله ای که در استنفورد نیوز منتشر شده، پیامد این تحقیق این است که تأثیر خشکسالی در زیست بوم ها با تلفات آب از طریق تبخیر و تعریق گیاهان بیشتر از آنچه در گذشته پیش بینی شده بود، تشدید می شود. کاهش سریع آب در خاک در اثر تبخیر و تعریق ممکن است طی چند هفته به خشکسالی های ناگهانی ختم شود. این نکته را با این الگوی بهبود یافته بهتر می توان پیش بینی کرد.

این مقاله نشان می‌دهد که چگونه مناطقی که در حال حاضر دچار خشکسالی هستند، ممکن است خشکسالی‌های ناگهانی شدیدتری را نسبت به آنچه الگوهای کنونی نشان می دهند، تجربه کنند، زیرا گیاهان آب موجود در خاک را تهی می کنند.

این تحقیق همچنین می‌تواند شناختی در مورد بهبود الگوهای موجود در اختیار دانشمندان قرار دهد. 

محققان در نتیجه گیری خود شکاف های دانشی موجود در درک دانشمندان از رطوبت، ساختار، هدایت هیدرولیکی خاک و واکنش گیاه به تنش های خشکی را ترسیم کردند. آنها گفتند در آینده، الگوهای سیستم‌های زمین را می‌توان برای پیش‌بینی بهتر میزان تبخیر و تعریق در مناطقی که مورد مطالعه قرار نگرفته است، بهبود بخشید. در این مناطق آثار خشکسالی به دلیل بحث عدالت زیست‌محیطی تشدید شده است.

ژائو گفت: فکر می‌کنم کار ما می‌تواند به بهبود دانش در مورد مناطقی که تحت تنش آبی هستند، کمک کند. با استفاده از داده‌های مستند مانند تصویربرداری ماهواره‌ای، می‌توان الگوهای جدید را به سرعت تهیه کرد؛ بدون آنکه نیاز به شروع جمع‌آوری داده‌ها باشد.

بازیابی گرانش و آزمایش اقلیم (Gravity Recovery and Climate Experiment) که به اختصار گریس (GRACE) نامیده می‌شود، پروژه مشترک ناسا و مرکز هوافضای آلمان بود که دو ماهواره آن از زمان پرتاب در مارس ۲۰۰۲ تا پایان مأموریت در اکتبر ۲۰۱۷ به اندازه‌گیری دقیق ناهنجاری گرانشی در میدان گرانش زمین می‌پرداختند.  گریس با اندازه‌گیری ناهنجاری‌های گرانش نشان داد که چه اجرامی پیرامون زمین پراکنده شده و تغییرات آنها در طول زمان چقدر است. داده‌های ماهواره‌های گریس ابزاری مهم در مطالعه اقیانوس‌ها،  زمین‌شناسی و اقلیم‌شناسی به‌شمار می‌رود.