بدون آب، جنگل ها توانایی خود را برای جذب CO2 از دست می دهند

نوشته نیکلاس مارتین، هروه کوچارد، ایزابل مارشو، جولین لامور، گفتگو

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

برای زنده ماندن در دوره‌های خشکسالی، درختان فتوسنتز را متوقف می‌کنند، فرآیندی که بسیار پر آب است. به ازای هر مولکول CO2 جذب شده توسط برگ درخت، به طور متوسط ​​حدود 400 مولکول آب آزاد می شود. پس از آن ممکن است کل جنگل ها بیشتر از آنچه که می گیرند CO2 منتشر کنند.

با توجه به اینکه خشکسالی ها به طور فزاینده ای مکرر می شوند و جنگل ها نقشی کلیدی در سیاست های کاهش تغییرات آب و هوایی ایفا می کنند، نگران کننده است. اگرچه تعیین کمیت CO2 جذب شده توسط جنگل های جهان همچنان یک کار دشوار است، تخمین زده می شود که آنها حدود یک چهارم CO2 منتشر شده از فعالیت های انسانی را جذب کنند.

با این حال، وقتی با کمبود شدید آب مواجه می‌شویم، جنگل‌ها می‌توانند به عنوان غرق‌کننده کربن عمل نکنند. برای درک دلیل، باید به برگ درختان نگاه کنیم.

برگ درختان نقطه اصلی ورود CO2 به اکوسیستم جنگلی است. آنها به عنوان کارخانه های شیمیایی عمل می کنند و انرژی خورشیدی را برای تبدیل CO2 موجود در هوا به قند (یعنی فتوسنتز) جذب می کنند. این قندها نیازهای انرژی گیاه را تامین می کنند. آنها همچنین درختان را قادر می سازند رشد کنند و با انجام این کار، CO2 بیشتری را که توسط فعالیت های انسانی ساطع می شود ذخیره کنند.

سطح برگ ها تا حدی با روزنه ها پوشیده شده است، شکاف های ریز که می توانند باز و بسته شوند. از طریق این منافذ است که CO2 وارد درخت می شود. این حرکت CO2 به هیچ انرژی از درخت نیاز ندارد. این به طور طبیعی از جایی که CO2 فراوانتر است - جو - تا جایی که کمتر است، در این مورد داخل برگ رخ می دهد.

با این حال، باز شدن روزنه فقط اجازه ورود CO2 را نمی دهد. همچنین منجر به از دست دادن آب برای درخت می شود، زیرا سلول های داخل برگ ها حاوی بخار آب بسیار بیشتری نسبت به جو هستند، حتی در مرطوب ترین مناطق. این به تعرق درخت معروف است. به طور متوسط، به ازای هر مولکول CO2 که توسط یک استوما جذب می شود، حدود 400 مولکول آب در همان زمان خارج می شود.

تعرق روزنه برای رشد و متابولیسم گیاه ضروری است. در طول فصل رشد، بسته به اندازه درخت، می‌تواند به چند صد لیتر آب - معادل چند وان حمام - در روز و برای یک هکتار (2.5 جریب) جنگل، چند ده هزار لیتر در روز باشد. این مقادیر زیاد آب توسط ریشه های درخت از خاک گرفته می شود.

برای انتقال آب از ریشه به برگ، گیاهان به یک سیستم هیدرولیک کارآمد نیاز دارند. نیروی محرکه این شبکه حمل و نقل که بر خلاف گرانش کار می کند، تبخیر آب در روزنه است. این کششی ایجاد می کند که به لطف انسجام قوی بین مولکول های آب، ستون های آب را مانند نی غول پیکر به سمت بالا می کشد.

این اصل در پایان قرن نوزدهم توسط گیاه شناس ایرلندی هنری هوراتیو دیکسون فرموله شد و به این ترتیب «پیوستگی تنش» نامیده شد. این توضیح می دهد که چگونه تعرق یک مکانیسم منفعل است که نیازی به صرف انرژی از طرف درخت ندارد.

با این حال نیروی مورد نیاز برای بالا بردن آب به بالای درختان بسیار زیاد است. تصور کنید که آب از طریق نی به طول چند ده متر کشیده می شود، اما این نی پر از موانع است: دیواره رگ ها، سلول ها ... نتیجه؟ نیروی لازم برای بالا بردن آب به بالای درخت معادل نیرویی است که برای پمپاژ آب از چاهی به عمق چند صد متری لازم است!

در این شرایط شدید، آب در حالتی قرار دارد که به آن حالت «دیگر پایدار» می‌گویند، به این معنی که می‌تواند ناگهان به گاز تبدیل شود. این به عنوان کاویتاسیون شناخته می شود. هنگامی که کاویتاسیون رخ می دهد، حباب های هوا در این شبکه تولید می کند که به سیستم هیدرولیک درخت معروف است. سپس آمبولی های گازی از جریان آب جلوگیری می کند و باعث از کار افتادن سیستم هیدرولیک می شود. برگ ها و سایر بافت های درخت کم کم آب می شوند تا زمانی که به طور غیرقابل برگشتی خشک شوند.

کاویتاسیون یک پدیده برگشت ناپذیر است که در طول خشکسالی شدید رخ می دهد و اغلب با کمبود بارندگی همراه با امواج گرما مرتبط است. در چنین شرایطی، با خشک شدن خاک، استخراج آب از خاک دشوارتر می شود. این به عنوان خشکسالی خاک شناخته می شود. در عین حال، با گرم شدن جو، هوا خشک‌تر می‌شود و تبخیر از برگ‌ها تسریع می‌شود و باعث افزایش تنش روی گیاه و تسریع تخلیه رطوبت خاک می‌شود. این به عنوان خشکسالی جوی شناخته می شود.

بنابراین، در طول دوره‌های خشکسالی، درختان با یک دوراهی مواجه می‌شوند: آیا روزنه‌های خود را برای تسهیل فتوسنتز لازم برای متابولیسم و ​​رشد درخت باز کنند یا برای حفظ آب و محافظت از سیستم هیدرولیک خود در برابر آسیب‌های غیرقابل برگشت، آنها را ببندند.

تکامل درختان در طول زمان زمین شناسی منجر به ظهور رفتاری شده است که این معضل را حل می کند. روزنه ها به صورت دینامیکی در عرض چند دقیقه باز و بسته می شوند تا از دست دادن آب در زمانی که شرایط برای فتوسنتز نامطلوب است، مانند زمانی که سطح نور کاهش می یابد، به حداقل برسد. در شرایط خشکی، همه گیاهان آوندی روزنه های خود را می بندند.

در همین حال، جنگل ها همچنان به انتشار CO2 ادامه می دهند. اول، آنها CO2 را از طریق مصرف قندهای تولید شده توسط فتوسنتز و مورد نیاز برای متابولیسم خود آزاد می کنند. دوم، درختانی که در اثر خشکسالی می میرند، کربنی را که در طول عمر خود ذخیره کرده اند در جو آزاد می کنند. این دو عامل می‌توانند باعث شوند که جنگل به عنوان یک مخزن کربن باقی بماند و به منبع کربن تبدیل شود، واژگونی که می‌تواند توسط انواع خاصی از شیوه‌های جنگل‌داری، به‌ویژه آن‌هایی که مبتنی بر مداخله در مقیاس بزرگ هستند، تشدید شود.

با این حال، بسته به آسیب پذیری سیستم رسانای آب آن نسبت به آمبولی، تحمل به خشکی می تواند از درختی به درخت دیگر و از گونه ای به گونه دیگر متفاوت باشد. بسته شدن روزنه برای استفاده حداکثری از آب موجود، با در نظر گرفتن توانایی گونه برای مقاومت در برابر آمبولی تکامل یافته است.

درختی با سیستم هیدرولیکی آسیب پذیرتر، مانند توس، تمایل دارد روزنه های خود را زودتر از درختانی با سیستم هیدرولیک مقاوم تر، مانند بلوط، ببندد. در واقع، همه درختان در آستانه آمبولی عمل می کنند، حتی مقاوم ترین درختانی که در مناطق بسیار خشک زندگی می کنند. در نتیجه، تمام جنگل های جهان در برابر افزایش خشکسالی های ناشی از تغییرات آب و هوایی آسیب پذیر هستند.

در واقع، زمانی که خشکسالی از شرایط مرجع که درختان با آن سازگار هستند فراتر رود، اثرات فیزیولوژیکی بسیار مهم می شود، زیرا، حتی پس از بسته شدن روزنه ها، از دست دادن آب باقیمانده از طریق کوتیکول برگ ها و ساقه ها ادامه می یابد. این می تواند منجر به ریزش برگ، آمبولی در سیستم عروقی و خشک شدن جوانه ها شود و در نهایت منجر به مرگ درخت شود.

بنابراین، برای درک و پیش‌بینی توانایی جنگل‌ها برای عمل به عنوان غرق‌کننده کربن، باید بفهمیم و پیش‌بینی کنیم که چگونه آب در طول زمان و مکان تغییر می‌کند.

گاهی اوقات استدلال شده است که تغییرات آب و هوایی و افزایش غلظت CO2 جوی بر روی پوشش گیاهی اثر بارور کننده ای دارد، بر اساس یک منطق به ظاهر غیرقابل انکار: CO2 بیشتر به معنای فتوسنتز بیشتر، رشد بیشتر و غرق کربن بزرگتر است. با این حال، این واقعیت را نادیده می گیرد که تغییرات آب و هوایی همچنین به معنای خشکسالی های شدیدتر و مکرر است که درختان را از "ارز" خود محروم می کند.

و حتی اگر درختان آب کافی داشته باشند، CO2 بیشتر فتوسنتز را افزایش می دهد، اما باز شدن روزنه را نیز کاهش می دهد، زیرا هرچه CO2 در هوا بیشتر باشد، می تواند با دهانه کوچکتر جذب شود. این برای گیاه مفید است، زیرا آب را حفظ می کند، اما در مقیاس بزرگ، تعرق و در نتیجه بازیافت آب باران توسط جنگل ها را کاهش می دهد. بنابراین آبی که توسط درختان منتقل می شود برای پایداری شرایط آب و هوایی در سراسر قاره ها حیاتی است.

به عنوان مثال، تخمین زده می شود که تا 50 درصد از بارندگی در غرب آمازون از آبی است که توسط بخش شرقی حوضه آمازون منتقل شده و توسط بادهای تجاری حمل می شود. بنابراین بسته شدن روزنه ها در شرق ممکن است بارندگی را در غرب کاهش دهد. و این اثرات ضربه ای می تواند ثبات این معروف "ریه سبز" را به خطر بیندازد.

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.