پیش‌بینی تاثیر تغییرات اقلیمی بر چرخه رشد گیاهان

جشن روز موش خرما: پیش‌بینی بهار و تغییرات فصلی

در تاریخ ۲ فوریه ۱۸۸۷، ساکنان پونکسوتاونی در پنسیلوانیا برای مشاوره درباره ورود بهار به یک جاندار بزرگ مراجعه کردند و این رویداد به عنوان اولین جشن رسمی روز موش خرما شناخته می‌شود. به گفته راب گورالنیک، سرپرست اطلاعات تنوع زیستی در موزه تاریخ طبیعی فلوریدا، توانایی ما برای پیش‌بینی زمان‌بندی فصول از آن زمان چندان بهبود نیافته است. او می‌گوید: “ما نمی‌توانیم پیش‌بینی‌های دقیقی برای اینکه آیا بهار سال آینده زودتر یا دیرتر می‌رسد، انجام دهیم، به اندازه‌ای که می‌توانیم پیش‌بینی‌های مربوط به آب و هوا را انجام دهیم.”

الگوهای آب و هوایی تأثیر زیادی بر زمان آغاز و پایان یک فصل دارند، اما نحوه واکنش گیاهان و جانوران به این الگوها که به آن فنولوژی گفته می‌شود، نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. هواشناسان می‌توانند پیش‌بینی‌های دمایی قابل اعتمادی را ماه‌ها قبل انجام دهند، اما وقتی صحبت از پیش‌بینی زمان رشد برگ‌ها در یک گونه درخت می‌شود، دانشمندان اغلب در برابر این سؤال بی‌جواب می‌مانند. وقتی عوامل پیچیده‌ای مانند تغییرات اقلیمی به این معادله اضافه می‌شود، انجام چنین پیش‌بینی‌هایی حتی دشوارتر می‌شود.

تحقیقات جدید در پیش‌بینی فصول

یک مطالعه جدید که در نشریه Communications Earth & Environment منتشر شده، قرار است پیش‌بینی‌های فصلی را کمی آسان‌تر و بسیار قابل اعتمادتر کند. نویسندگان این تحقیق روش‌های موجود برای پیش‌بینی فنولوژی را بهبود بخشیدند و اندازه‌گیری سرعت گرم شدن یک منطقه در بهار را به آن اضافه کردند. این بهبود به نویسندگان این امکان را داد که پیش‌بینی کنند زمان تولید برگ و گل در طول یک دوره بیش از ۱۵۰ سال چگونه تغییر خواهد کرد. گونه‌های گیاهی در ایالات متحده اکنون سه تا چهار هفته زودتر از ۱۵۰ سال پیش گل می‌دهند.

این پیشرفت با کشف مجدد گزارشی قدیمی از قرن نوزدهم آغاز شد که شامل هزاران مشاهدات فنولوژیکی دقیق از گیاهان و جانوران در سرتاسر شرق ایالات متحده بود. این مشاهدات نمایانگر اولین تلاش سازمان‌یافته تحت مؤسسه اسمیتسونیان برای نظارت بر چرخه‌های زیستی در ایالات متحده با جمع‌آوری‌های داوطلبانه بود و به عنوان اولین پروژه علم شهروندی مبتنی بر فنولوژی در کشور شناخته می‌شود.

تست دقت معادلات

با استفاده از این الگوهای تاریخی به عنوان نقطه شروع، نویسندگان دقت معادلات خود را آزمایش کردند. با توجه به اینکه گیاهان در دهه ۱۸۵۰ در زمان مشخصی برگ و گل تولید می‌کردند، آن‌ها پیش‌بینی کردند که زمان این الگوها ۱۷ سال بعد چگونه تغییر کرده است. آن‌ها نتایج خود را با مشاهدات مدرن مقایسه کردند تا ببینند چقدر با هم مطابقت دارند. ترزا کریمینز، مدیر شبکه ملی فنولوژی ایالات متحده و یکی از نویسندگان این مطالعه، در حین کار بر روی فصلی از کتابی درباره فنولوژی به این گزارش برخورد کرد. او می‌گوید: “من این سند قدیمی را پیدا کردم و متوجه شدم که داده‌های واقعی در آن وجود دارد. بیشتر گزارش‌های دیگری که به آن‌ها اشاره شده بود، فقط خلاصه‌هایی بودند.”

این گزارش نتیجه یک شبکه علم شهروندی کوتاه‌مدت بود که توسط مؤسسه اسمیتسونیان برای نظارت بر شرایط فصلی تأسیس شده و در دو جلد توسط دفتر ثبت اختراعات ایالات متحده منتشر شد. انتشار جلد دوم که شامل داده‌های مربوط به گیاهان و جانوران بود، به دلیل حجم زیادی از اسناد رسمی که باید در طول جنگ داخلی چاپ می‌شد، به تأخیر افتاد. وقتی بالاخره به چاپ رسید، نیمه دوم گزارش شامل اطلاعاتی درباره زمان تولید برگ، گل و میوه در ده‌ها گیاه از میشیگان تا فلوریدا و به غرب تا کالیفرنیا بود.

تغییرات فنولوژیکی و تأثیرات آن

گورالنیک می‌گوید: “این قدیمی‌ترین مجموعه داده‌ای است که ما داریم و در آن به فنولوژی در مقیاس وسیع نگاه می‌کنیم و تغییر بین آن زمان و اکنون چشمگیر است.” برای آزمایش معادلات خود، نویسندگان با مقایسه چرخه‌های رشد تاریخی با مشاهدات انجام شده در دهه گذشته برای ۱۸ گونه گیاهی آغاز کردند. آن‌ها انتظار تفاوت‌هایی بین دو دوره زمانی به دلیل تغییرات اقلیمی را داشتند، اما برای میزان تغییرات پیش‌بینی نشده بودند. کریمینز می‌گوید: “تمام ۱۸ گونه رشد برگ و فنولوژی گل‌دهی خود را جلوتر بردند. به طور متوسط، این اتفاق بیش از سه هفته زودتر از گذشته رخ می‌دهد. برخی از گونه‌ها بیش از یک ماه زودتر گل می‌دهند.”

این واقعیت که گرمایش جهانی منجر به بهارهای زودتر و تابستان‌های طولانی‌تر شده است، به خوبی ثابت شده، اما به دلیل کمبود داده‌های تاریخی، به ندرت تأییدیه‌ای که چنین دامنه وسیعی از زمان را پوشش دهد، به دست می‌آید.

تأثیر گرمایش بهاری بر زمان تولید برگ و گل در گیاهان

در طول 175 سال گذشته، همه مناطق یا گونه‌ها در شرق ایالات متحده تغییرات یکسانی را تجربه نکرده‌اند. به عنوان مثال، پدیده‌شناسی در شمال‌شرق ایالات متحده به میزان بیشتری نسبت به جنوب‌شرق پیشرفت کرده است. معادلاتی که به طور معمول برای پیش‌بینی رشد برگ و زمان گل‌دهی استفاده می‌شوند، نتوانسته‌اند این الگوهای غیرمعمول و سایر الگوهای به ظاهر غیرقابل توضیح را در نظر بگیرند.

به طور معمول، دانشمندان از دو متغیر کلی برای پیش‌بینی پدیده‌شناسی استفاده می‌کنند: مکان گیاه و میزان هوای گرمی که برای فعال شدن نیاز دارد. این روش معمولاً برای گونه‌های فردی در یک منطقه محدود خوب عمل می‌کند، اما در پیش‌بینی تغییرات کلی، مانند ورود بهار برای یک جنگل کامل، کمتر مؤثر است. این محدودیت معمولاً به تنوع زیاد درون و بین گونه‌ها نسبت داده می‌شود. به عنوان مثال، یک درخت افرا به طور متفاوتی نسبت به یک درخت بلوط واکنش نشان می‌دهد و یک بلوط در یک منطقه به طور متفاوتی نسبت به فردی از همان گونه در منطقه‌ای دیگر پاسخ می‌دهد.

تغییرات اقلیمی چالش دیگری ایجاد می‌کند. “نه تنها در بین گونه‌ها تنوع وجود دارد، بلکه در عرض‌های جغرافیایی نیز در نرخ گرمایش جهانی تفاوت وجود دارد. اقلیم در عرض‌های بالاتر سریع‌تر گرم می‌شود”، گفت لیندسی کمپبل، نویسنده همکار و استاد یار در آزمایشگاه پزشکی حشره‌شناسی دانشگاه فلوریدا.

اما حتی زمانی که دانشمندان این گرمایش نابرابر را در نظر می‌گیرند، الگوهای دیگری وجود دارد که تا کنون توضیحی برای آن‌ها پیدا نشده است. به عنوان مثال، افراهای قرمز از جمله اولین گیاهانی هستند که در شرق آمریکای شمالی فعال می‌شوند. در اواخر زمستان و اوایل بهار، افراهای بدون برگ گل‌های قرمزی را به بیرون می‌فرستند که در میان درختان دیگر که عاری از برگ و خوابیده‌اند، مانند سیگنال فلر به چشم می‌آید. آزالیاهای صورتی رویکردی متعادل‌تر دارند و برگ‌ها و گل‌های آن‌ها در اواسط بهار ظاهر می‌شوند. اما در برخی شرایط، این توالی می‌تواند معکوس شود و گیاهانی که معمولاً به عنوان گل‌دهنده‌های دیرتر شناخته می‌شوند، مانند آزالیاهای صورتی، می‌توانند قبل از گیاهانی که به عنوان گل‌دهنده‌های زودتر شناخته می‌شوند، مانند افراها، گل دهند.

گورالنیک مشکوک بود که یک قطعه گمشده از پازل وجود دارد که اگر پیدا شود، می‌تواند به درک این الگوها کمک کند. علاوه بر مکان و نیازهای گرما، او یک اندازه‌گیری برای سرعت گرمایش، یعنی نرخ افزایش دما در بهار، اضافه کرد. مناطق نزدیک به آب‌های بزرگ معمولاً دارای سرعت گرمایش کمتری هستند، زیرا آب زمان بیشتری برای گرم شدن نسبت به هوا نیاز دارد. همچنین، از آنجایی که آب گرما را بیشتر از هوا نگه می‌دارد، این مناطق معمولاً زمستان‌های گرمتری دارند.

او چند طرح ابتدایی کشید و از کریمینز و کمپبل خواست تا ایده را اصلاح کنند و مدلی برای چگونگی تأثیر سرعت گرمایش و نیازهای گرما بر پدیده‌شناسی توسعه دهند. برای آزمایش این ایده، دو کارآموز موزه، میکائیلا کیز و کارولین دیویس، داده‌های تاریخی گزارش اسمیتسونیان را دیجیتالی کردند. ارین گرادی، نویسنده همکار و دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دپارتمان زیست‌شناسی دانشگاه فلوریدا، مشاهدات مدرن را که توسط دانشمندان شهروند جمع‌آوری و به صورت عمومی از طریق iNaturalist و شبکه پدیده‌شناسی ملی در دسترس است، گردآوری کرد. پس از انجام محاسبات، نتایج آن‌ها تأیید شد. با اضافه شدن سرعت گرمایش، پیش‌بینی‌های آن‌ها به طور دقیقی با الگوهای داده‌هایشان هم‌راستا شد. این همچنین توضیحی برای الگوهایی که تا آن زمان غیرقابل حل به نظر می‌رسیدند، مانند پیشی گرفتن گیاهان گل‌دهنده دیرتر از گل‌دهنده‌های زودتر، ارائه داد.

اگرچه آن‌ها معمولاً دیر گل می‌دهند، اما یک آزالیا صورتی در منطقه‌ای که دماهای بهاری به سرعت افزایش می‌یابد، می‌تواند قبل از یک افرا که در منطقه‌ای با افزایش دما کندتر رشد می‌کند، گل تولید کند. افزایش دقت در پیش‌بینی چرخه‌ها در اکوسیستم‌ها ممکن است به حفاظت‌کنندگان محیط زیست کمک کند تا بهتر برنامه‌ریزی کنند. گورالنیک گفت: “با ادامه افزایش دماهای جهانی به دلیل تغییرات اقلیمی، گونه‌ها نه تنها زمان فعالیت‌های خود را تغییر می‌دهند، بلکه این فعالیت‌ها را در مکان‌های مختلف نیز انجام می‌دهند.” او افزود: “من همیشه در مورد اینکه آیا می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که جهان در آینده نزدیک چگونه خواهد بود، شک داشتم، اما فکر می‌کنم با دیدگاه جامع‌تری که داریم و با درک بهتر فرآیندهای زیرین، در حال بهتر شدن هستیم. این کار به ما کمک می‌کند تا تنوعی که هنوز داریم را مدیریت کنیم.”