Растения по-разному распоряжаются водой: травы — транжиры, леса — бюджетники

от

Даже малыши знают, что растениям нужна вода. Это, пожалуй, первое, что мы узнаём об этих зелёных организмах. Но стратегии использования этого ресурса у разных растений значительно различаются. Деревья капок в Амазонии и свитчграсс на американских равнинах используют воду совершенно по-разному.

Учёные из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Государственного университета Сан-Диего разработали метрику для выявления этих стратегий на основе данных о влажности почвы

Они применили модель к глобальному набору данных об уровне влажности почвы. Результаты, опубликованные в журнале Nature Ecology & Evolution, показывают, что засушливость и плотность растительности определяют подходы растений к управлению водными ресурсами.

Когда растения сталкиваются с нехваткой воды, луга ведут себя как транжиры (агрессивно используют воду, пока она не закончится). В отличие от них, леса действуют более осмотрительно (сокращают использование воды заранее, чтобы избежать катастрофы), — говорит старший автор Келли Кейлор, профессор в Школе экологических наук и менеджмента при Университете Калифорнии в Санта-Барбаре.

Исследование было поддержано грантом от Фонда семьи Зегар, предоставленным Университету Калифорнии в Санта-Барбаре.

Понимание этих динамик может помочь в управлении водными ресурсами, ведении сельского хозяйства и повышении климатической устойчивости

Растения выработали множество способов реагирования на водный стресс, что отражает разнообразие растительного мира и экосистем, в которых они обитают. Но исследователи не могли найти закономерности в этих стратегиях поведения в разных типах экосистем.

Ведущий автор Брин Морган понял, что взаимосвязь между растительностью и влажностью почвы может пролить свет на поведение растений. Биологи, географы и учёные-землеведы хотят понять, как почва высыхает. Этот процесс влияет на продуктивность экосистем, климатические тенденции и глобальные процессы, такие как углеродный и водный циклы.

Стандартные модели высыхания почвы больше фокусируются на числовой простоте, чем на динамике транспирации растений. Они рассматривают взаимодействие между растениями и влажностью почвы как простую линейную зависимость. Но в данных есть нелинейность, — говорит соавтор Рёко Араки, совместная докторант в Университете Калифорнии в Санта-Барбаре и Государственном университете Сан-Диего.

Чтобы восполнить этот пробел, Араки разработала нелинейную модель, описывающую, как почва высыхает после дождя. В результате получилась более точная структура, учитывающая факторы, которыми пренебрегают линейные модели.

Новый нелинейный параметр в модели отражает, насколько велик риск, на который готовы пойти растения в условиях ограничения воды

Теперь исследователи могут глубже изучить эти стратегии поведения. Мы хотели узнать, каково стереотипное поведение этих типов растительности, — сказала ведущий автор Брин Морган, постдокторант в Массачусетском технологическом институте, которая возглавляла исследование в качестве докторанта в Университете Калифорнии в Санта-Барбаре.

Морган и её соавторы применили новую модель к данным о влажности почвы из глобальной сети приборов in-situ. Они определили периоды, когда почва высыхала, и подстроили свою модель к каждому эпизоду индивидуально. Анализируя наклон и форму кривой, они могли исследовать поведение разных типов растительности.

Растения в лугах и засушливых регионах в целом используют более агрессивные стратегии, обнаружили авторы. В то же время растения в более влажных и древесных районах, таких как леса и редколесья, склонны к более консервативным стратегиям.

Если вода — это валюта растительных экосистем, то травы ведут себя как «живи быстро, умри молодым», в то время как деревья инвестируют в будущее, — говорит Морган.

Травы и травянистые растения часто завершают свой жизненный цикл за один год, поэтому им мало пользы от осторожности при нехватке воды. Между тем деревьям необходимо придерживаться более осторожной стратегии, поэтому они принимают меры предосторожности, чтобы не повредить свои сосудистые ткани.

Вы можете также сравнить растительные сообщества с разными видами спортсменов. Луга — как спринтеры, которые выкладываются на полную, пока не достигнут предела, — объясняет Кейлор. — Леса — как марафонцы, которые рассчитывают свои силы и стратегически замедляются, чтобы финишировать в более длинной гонке.

Это общее поведение, — добавляет Морган, — но, конечно, в рамках одной экосистемы мы наблюдаем диапазон стратегий — от агрессивных до консервативных.

Понимая, как различаются стратегии использования воды между типами растительности, авторы обратили внимание на изменчивость внутри экосистем. Один за другим они изучили, как меняются стратегии использования воды в лугах, саваннах и редколесьях при изменении условий.

Команда обнаружила, что по мере того, как территория становится суше или увеличивается спрос на воду со стороны других растений, растения в этой области переходят к более агрессивным стратегиям использования воды. Например, растения в сильно сезонной зоне, такой как пустыня Мохаве, будут резко менять свои стратегии в течение года. Это, в свою очередь, влияет на характер экосистемы.

До сих пор учёные изучали стратегии использования воды либо в лабораторных условиях в очень мелком масштабе, либо в ландшафтном масштабе с помощью дистанционного зондирования. Подход Брин использует измерения in-situ в глобальном масштабе, — говорит Араки. Эта комбинация позволила выявить закономерности, которые ранее были скрыты.

Влажность почвы присутствует в более крупных моделях земных систем, но часто без учёта особенностей поведения растений. Неопределённость в оценках глобального углеродного цикла действительно чувствительна к тому, как растительность реагирует на ограничение влажности почвы, — говорит Морган. Понимание динамики между растениями и влажностью почвы должно улучшить эти модели.

Морган планирует исследовать, как влажность почвы и использование воды растениями влияют на водный и углеродный циклы Земли. Она также планирует продолжить изучение того, как эта переменная меняется с течением времени, и задействованных петель обратной связи.

Араки сосредоточила своё внимание на вопросах экстраполяции. Влажность почвы сильно различается на ландшафте, что затрудняет масштабирование измерений вверх или вниз. Геостатистические подходы потерпели неудачу, потому что ландшафты не являются ни гладкими, ни полностью случайными.

Понимание того, как масштабируются сами значения влажности почвы, уже давно интересует гидрологов, — добавила Морган. Так что поиск продолжается — законов или моделей поведения, которые могут объяснить, как это свойство масштабируется от точки до водораздела.

Модели всегда являются упрощением системы, которую они описывают, — инструментами для изучения взаимосвязей. Всегда есть компромиссы, — признали авторы, — и иногда учёным приходится упускать некоторые детали, чтобы создать что-то полезное. Но даже малыши могут сказать, что есть разница между лесом и лугом, и, наконец, у нас есть модель, которая учитывает это.

Предоставлено Университетом Калифорнии в Санта-Барбаре.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте