محاولة لفهم تدفق الماء على الشجرة.. طريقة جديدة لإدارة موارد المياه في الغابات

يلعب الغطاء النباتي دورًا حيويًا في تنظيم نسبة هطول الأمطار التي تصل إلى الأرض لتغذية الأنظمة الجذرية للنباتات في كل من المظلة والشجيرات، مما يدعم بالتالي بقاء النظام البيئي للغابات بأكمله.

يصل الماء إلى الأرض عبر آليات متعددة، بما في ذلك المجرى (سقوط الماء مباشرة من خلال المظلة) أو التدفق الجذعي (المياه المتدفقة أسفل السيقان والجذوع)، في حين يتم اعتراض بعضها بواسطة أوراق المظلة ولا يصل إلى مستوى الأرض.

بحث جديد، منشور في مجلة أبحاث الموارد المائية، على نقاط الانسكاب، وهي المواقع التي تنفصل فيها المياه المتدفقة تحت الفروع، وتتميز هذه عن القطرات الكبيرة المتساقطة من الأوراق، والمعروفة باسم نقاط التنقيط.

تتشكل نقطة التدفق عندما تتدفق قطرات المطر، التي تم اعتراضها في البداية عن طريق الأوراق أو النصف العلوي من الفرع، إلى الجانب السفلي من الفروع، وتتجمع مع قطرات أخرى لتشكل نهرًا، ولكنها تسقط قبل أن تصبح جزءًا من التدفق الجذعي.

تعزيز تسرب المياه إلى الأرض

يمكن أن يحدث انفصال النهر عندما تتلاقى فروع متعددة أو عندما يتغير فرع واحد في الزاوية، مما يؤدي إلى نقطة صب، وهذه الأمور مهمة لأنها تزيد بشكل كبير من المياه الواردة من المظلة إلى أرضية الغابة في نقاط ثابتة، وبالتالي تدعم تعزيز تسرب المياه إلى الأرض.

يتأثر حجم المياه الواردة عند نقاط الصب بعدد من العوامل، مثل بنية الفروع ومساحة سطح الورقة (ترقيم الأوراق) وحجم هطول الأمطار .

تتمتع قطرات الماء الكبيرة التي تحدث في هذه النقاط بطاقة حركية أكبر من هطول الأمطار العادية، مما يعني أنها تخلق انخفاضات أكثر وضوحًا في التربة عند الاصطدام، وبالتالي زيادة كفاءة التسرب.

التحقيق في غابات بانكسيا في غرب أستراليا، أشفانث كونادي،  قام باحث الدكتوراة في جامعة غرب أستراليا، وزملاؤه بدمج البيانات الميدانية مع تجارب محاكاة هطول الأمطار لتحديد دور نقاط التدفق في الغابات التي تتلقى أمطارًا محدودة، مماثلة لتلك الموجودة في مناطق البحر الأبيض المتوسط ​​الأخرى (صيف حار جاف وشتاء رطب معتدل). وبالفعل فقد لوحظت ملامح هذه الدراسة أيضًا على أشجار التين والزان الأمريكي والبلوط.

شرح الاهتمام الأولي بالموضوع جاء أثناء الجلوس تحت شجرة تين أثناء هطول الأمطار، لاحظ أشفانث أن الماء يتدفق تحت فرع “ينفصل باستمرار عند نقطة معينة وكانت البركة الموجودة أسفل تلك النقطة تنمو”، قائلا “لقد أثار هذا اهتمامي، هناك نقص في المياه في جنوب غرب أستراليا الغربية، ونحن نعتمد بشكل كبير على المياه الجوفية، إذا كانت الأشجار، بدلاً من مجرد إيقاف هطول الأمطار، تقوم في الواقع بتوجيه المزيد من المياه إلى الأرض تحتها، فإن تصورنا لنموها التأثير سيتغير بشكل جذري”.

كمية المياة تتغير لوجود مظلة شجرة

مزيدًا من التفاصيل حول أهمية هذا البحث، تابع أشفانث، “أود أن أقول إن كمية الأمطار التي تسقط من السماء وتوزيعها المكاني تتغير بشكل أساسي بسبب وجود مظلة شجرة، ليس لدينا فهم جيد لـ أين ستذهب كمية معينة من الماء ولماذا: نقاط الصب هي بوابة لفهم تدفق الماء على الشجرة.

“بصرف النظر عن هذا الطموح الكبير، فإن المناطق التي تتركز فيها تدفقات الأمطار (مثل نقاط الصب) 1) تخلق نقاطًا بيولوجية ساخنة (الماء شرط مسبق للحياة)، 2) ترسيم مواقع التسلل المعزز والأعمق، و 3) قد تمثل نسبة كبيرة من التدفق الإجمالي لهطول الأمطار الذي يصل إلى الأرض (لذلك، إذا تجاهلت التدفق، فإنك تقلل من كمية المياه التي يحصل عليها نظامك وينتشر هذا الخطأ بشكل أكبر في التحليل).”

وضع الفريق مقاييس المطر تحت 16 نقطة صب مشتبه بها لنوعين بانكسيا السائدين في الغابات: بانكسيا مينزيسي وبانكسيا أتينواتا، وستة أخرى تحت الفروع حيث لم يتم استيفاء الشروط لإنشاء نقطة صب (اختبار “سلبي”)، فوق فترة عامين. بالإضافة إلى ذلك، تمت دراسة خمسة فروع من بانكسيا مينزيسي (أربعة بها نقاط صب مشتبه بها وواحدة “سلبية”)، في ظل ظروف خاضعة للرقابة في إعداد محاكاة هطول الأمطار.

أثبت إعداد محاكاة هطول الأمطار هذا أنه يمثل تحديًا خاصًا للحفاظ على جميع المتغيرات، كما يكشف أشفانث، “كان هناك الكثير من الأشياء التي يجب تتبعها: هل زاوية الفرع ثابتة، هل يتمايل الفرع، هل هناك ما يكفي من الماء في جهاز محاكاة هطول الأمطار، ثابت الضغط، هل قمت بالتقاط صور ومقاطع فيديو لظواهر مثيرة للاهتمام، هل قمت بتقشير الأوراق بشكل صحيح؟

ويضيف  أشفانث “علاوة على ذلك، لم يتم تصميم الفروع بحيث يتم قطعها من الجذع، لذا، إذا كانت الشمس خارجة، فمن الأفضل أن يكون الفرع رطبًا أو ميتًا،. وبالتالي، من الساعة 8 صباحًا حتى الساعة 10 مساءً تقريبًا، سأقوم فقط بإجراء محاكاة لهطول الأمطار. … لقد كان الأمر جنونيًا تمامًا ولكنه يستحق ذلك تمامًا”.

تتمتع أوراق بانكسيا بمساحة سطحية كبيرة وصلابة عالية، وزاوية تسهل توجيه الماء إلى السيقان بدلاً من تساقط الأوراق. ووجدوا أن تجمع المطر من نقاط التدفق كان 1.5 إلى 15 مرة من هطول الأمطار والسقوط المحيطين به، وكان عادة أكبر من التدفق الجذعي.

ومن خلال تجارب محاكاة هطول الأمطار، قرر العلماء أن الفرع ذو التغطية العالية للأوراق شهد تدفقًا أكبر للمياه عند نقطة الصب. وكان هذا التدفق أقل حساسية للتغيرات في زاوية الفرع.

بدا التدفق من فرع مورق بالكامل غير حساس لتغيير الزاوية، ولكن عندما تمت إزالة ثلث الأوراق، تأثر تقسيم الماء بين نقاط التدفق الجذعي والصب بشكل كبير بالتغيرات في زاوية الفرع.

في حين لم يتم العثور على زاوية فرعية مثالية قاطعة لبدء نقطة الصب في هذه التجربة، يكشف أشفانث أن هذا عمل مستمر لفريق البحث. “إحدى نقاط الاختبار السلبية، حيث اعتقدنا أن الظروف الضرورية غير الكافية كانت موجودة، كان بها تغيير صغير جدًا في زاوية الفرع (~ <5°). لكن هذا كان كافيًا للتسبب في نقطة صب. رغم ذلك، هذا لا يعني أي شيء التغيير بمقدار 5 درجات سوف يسبب نقطة صب.

“نحن نعمل حاليًا على ورقة بحثية أخرى حيث نقوم بإجراء تجارب مثالية للإجابة على هذا السؤال بالتحديد. لقد استخدمنا الأنابيب البلاستيكية لإزالة عدم التجانس الموجود على سطح الفروع التي تحدث بشكل طبيعي ثم جعلنا الماء يجري على سطحها لنرى ما يحدث. هناك هناك أيضًا الكثير من التطوير النظري الرائع، لذا ترقب ذلك بالتأكيد.”

وبقياس المحتوى المائي للتربة مباشرة تحت نقاط الصب، وجد فريق البحث أن 20% إلى 30% من حجم الأمطار الموسمية يتسرب إلى عمق متر واحد هنا، مقارنة بـ 5% فقط في مناطق اختبار التحكم البعيدة عن نقاط الصب. وهذا يجعل نقاط صب مناطق مهمة لإعادة شحن المياه الجوفية وتخزينها في النظام البيئي للغابات، على الرغم من أنه في موقع الدراسة تم تحديد نقطة صب واحدة لكل ~ 30 م 2 ، مما يتوافق مع توزيع أشجار بانكسيا، حيث تكون نقطة صب واحدة لكل شجرة في المتوسط.

التنبؤ بسلوك نقطة الانسكاب وفهمه

يعد موقع الدراسة هذا في غرب أستراليا مهمًا لأنه يقع على مصدر مهم للمياه الجوفية التي تغذي سكان بيرث، ولذلك، فإن قدرة نقاط التدفق على إعادة شحن إمدادات المياه الجوفية في هذا الموقع (وفي مواقع أخرى عبر الأشجار الأخرى على مستوى العالم)، تعد أمرًا حيويًا لدعم إدارة الموارد المائية لكل من الغابات والإنسانية.

ويختتم أشفانث حديثه قائلاً: “كجنس بشري، نسعى باستمرار إلى فهم أنفسنا والعالم الطبيعي من حولنا بشكل أفضل”،”نحن نتصور فهمنا للعالم كأنظمة، وهذه الأنظمة هي تبسيطات ضرورية للعالم المعقد بشكل لا نهائي، وأحد هذه الأنظمة هي دورة المياه، ونعتقد أن الاعتراض هو الجزء الأقل فهمًا من دورة المياه، إذا استطعنا التنبؤ بسلوك نقطة الانسكاب وفهمه، يمكننا الاقتراب من معرفة تدفق المياه على الأشجار بحيث يكون لدينا تصور أفضل لنظام الاعتراض، وفي نهاية المطاف دورة المياه على الأرض.