نقش سیستم‌ های ریشه در اکوسیستم

سیستم های ریشه از طریق ساختار و عملکرد خود، تأثیرگذاری بر محیط آنها و تشویق رشد و فعالیت‌های میکروبی، کمک‌های حیاتی زیادی به اکوسیستم‌ها می‌کنند.

آن ها از طریق درگیری در چرخه مواد مغذی کربن، نیتروژن و فسفر بر بیوژئوشیمی تأثیر می‌گذارند و همچنین سهم قابل توجهی در جذب کربن خاک دارند.

ریشه‌ها ساختار خاک، پایداری و ظرفیت نگهداری آب را ایجاد می‌کنند و بالا بردن هیدرولیکی آب را تقویت می‌کنند. آنها همچنین به تشکیل خاک از طریق هوازدگی سنگ بستر کمک می‌کنند.

ریشه‌ها بر اکوسیستم ها، جو و ژئوسفرها تأثیر می‌گذارند. درک اینکه چگونه ریشه‌ها فرآیندهای اکوسیستم را تغییر و شکل می‌دهند، می‌تواند کاربردهای عملی در طراحی سیستم‌های مدیریت برای کشاورزی و جنگلداری داشته باشد.

 ویژگی‌های مهم سیستم‌های ریشه

چندین صفت ساختاری و فیزیولوژیکی ریشه بر عملکرد گیاهان و اکوسیستم تأثیر می‌گذارد.

• نوع ریشه: با توجه به مطالعه اکوسیستم هابارد بروک، ریشه‌های بزرگ با قطر بیش از 1 سانتیمتر 56٪ و ریشه‌های ریز کمتر از 2 میلیمتر 10٪ از کل زیست توده ریشه را تشکیل می‌دهند.
• طول ریشه و کسر جرمی: بیشتر زیست توده ریشه در اعماق کم عمق خاک از 0 تا 20 سانتی‌متر یافت می‌شود. به عنوان مثال، 83٪ در جنگل‌های معتدل، هر چند ریشه‌های عمیق‌تر (بیش از 10 سانتی متر عمیق‌تر) در درختان بزرگتر رایج است.

اگر چه عمق متوسط خاک 0-30 سانتیمتر در نظر گرفته می‌شود و در جایی که مطالعات ریشه متمرکز است، خاک می‌تواند عمیق‌تر از 1 تا 1.5 متر باشد.

• انشعاب یا معماری ریشه: انشعاب موضعی بالاتر برای تجمع خاک و مبارزه با رقابت خوب است. تراکم انشعاب کمتر به اکتشاف منابع کمک می کند.
• سن: با افزایش سن جنگل‌ها، زیست توده ریشه، نسبت ریشه‌‌ای بزرگتر و نسبت ریشه و ساقه (R:S) افزایش می یابد.

ویژگی فیزیولوژیکی مهم شامل ترکیب و سرعت ترشح ریشه، تنفس ریشه، جذب مواد مغذی و عمل آنزیمی ریشه هستند.

سایر صفات ضروری شامل برهمکنش های زیستی با میکوریزا و باکتری‌ها و جنبه‌های آناتومیکی مانند ماندگاری و چرخش ریشه است.

به طور متوسط، ریشه‌های خوب به مدت 1.5 سال دوام می‌آورند. با این حال، 20٪ از ریشه‌ها می‌توانند بیش از سه سال زندگی کنند.

مطالعه ساختار، فیزیولوژی و عملکرد سیستم‌های ریشه قبلاً به روش‌های خسته‌کننده متکی بود. با این حال، اندازه‌گیری‌های کارآمدتر، غیرمخرب‌تر، دقیق‌تر و سریع‌تر بسیاری از صفات ریشه با مینی هیزوترون‌ها، مانند CI-600 In-Situ Root Imager و CI-602 Narrow Gauge Root Imager، امکان‌پذیر است.

ویژگی‌های ریشه‌ها بر عملکرد آن در جذب مواد مغذی و آب، لنگر انداختن گیاهان و ذخیره مواد مغذی و کربوهیدرات‌های اضافی تأثیر می‌گذارد. این امر تأثیر ریشه‌ها را بر محیط اطراف خود تنظیم می‌کند.

اکتساب منابع برای گیاهان

طول ریشه یک صفت حیاتی برای کسب منابع نسبت به زیست توده ریشه است. در خاک‌هایی با حاصلخیزی کم، زهکشی یا قسمت های شنی بالاتر، ریشه‌ها بلندتر هستند و نسبت R:S بیشتر می‌شود.

با این حال، جذب مواد مغذی با عمق خاک کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، در مراتع آلپ، جذب نیتروژن از 67٪ از 5 سانتیمتر بالای خاک به 24٪ در محدوده 60-120 سانتیمتر در خاک‌های کامبیسول کاهش می یابد.

الگوهای جذب مواد مغذی می‌تواند بر اساس نوع و گونه خاک متفاوت باشد. به عنوان مثال، ذرت تنها 44 درصد از نیتروژن خود را از 5 سانتی‌متر بالایی حذف می‌کند. با این حال، محصولات یکساله مانند گندم زمستانه و کلم پاییزی در عرض 3 تا 4 ماه به عمق 2.5 متر رشد می‌کنند و با وجود اینکه زیست توده ریشه در این اعماق کمتر است، قابل توجه هستند.

ریشه‌های عمیق‌تر دسترسی به آب و مواد مغذی را افزایش می‌دهند و به درختان و گیاهان کمک می‌کنند تا از خشکسالی عبور کنند.

در مواجهه با خشکی تابستان، جذب آب 2.6 برابر نسبت بهار در درختان افزایش می‌یابد. ریشه های عمیق وضعیت آب برگ را در جنگل های استوایی در ماه‌های خشک ثابت نگه می دارند.

در مقیاس چشم انداز، نفوذ مواد مغذی به دلیل کوددهی بیش از حد به طور کامل از بین نمی‌رود، بلکه توسط ریشه‌های عمیق‌تر گیاهان بازیابی می‌شود.

دانش اکتساب عناصر غذایی در انتخاب صفت ریشه برای توسعه ارقام جدید با مصرف موثر مواد مغذی و آب با ارزش است.

بیوژئوشیمی

فرآیندهایی که مواد مغذی را اضافه، حفظ، تبدیل یا از دست می‌دهند در بیوژئوشیمی، حیاتی می‌شوند. سیستم‌های ریشه به طور قابل توجهی بر کربن، نیتروژن تأثیر می‌گذارد

وسعت سطح مشترک بر ورودی کربن به خاک به صورت بستر و اگزودا تأثیر می‌گذارد. مقدار بستر ریشه نیز تحت تأثیر نرخ گردش ریشه‌های کوچک و ریشه‌های ریز است. دانستن مکانیسم‌های دقیق می‌تواند در شیوه‌های مدیریت محصول کمک کند.

چرخه کربن

اشغال ریشه، تنفس، طول عمر، گردش، تشکیل بستر و فعل و انفعالات بیولوژیکی بر چرخه‌ی کربن تأثیر می‌گذارد. این صفات ریشه بر ایجاد مواد آلی در خاک و انتشار دی‌اکسیدکربن (CO2) در خاک تأثیر دارند.

فعل و انفعالات بیولوژیکی همزیستی نیز بسیار مهم است و می‌تواند توسط ترشحات ریشه تقویت شود. اکوسیستم‌هایی که توسط قارچ‌های میکوریز آربوسکولار (AM)، میکوریزای اریکوئیدی (ERM) و قارچ‌های اکتومیکوریزا (ECM) تسلط دارند، به دلیل تفاوت در فعالیت‌های آنزیمی همزیست‌ها، تأثیر ریشه‌ها را تعدیل می‌کنند. به عنوان مثال، گیاهان اکتومیکوریزا 70 درصد بیشتر کربن در خاک نسبت به گیاهان میکوریز آربوسکولار تولید می‌کنند.

چرخه نیتروژن

برای چرخه نیتروژن، همزیستی توسط باکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن با ریشه‌ها بر در دسترس بودن ماده مغذی محدود کننده گیاه غالب تأثیر می‌گذارد. بنابراین، گونه‌هایی که می‌توانند با باکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن همراه شوند، مانند حبوبات، سطح نیتروژن را در خاک افزایش می‌دهند.

مقدار نیتروژن در ریشه‌ها بر ارتباط میکروب‌ها و نوع فرآیندهای چرخه نیتروژنی که اتفاق می‌افتد تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، اکسیدکننده‌های آمونیاکی در ریزوسفر ریشه‌های با نیتروژن بالا رایج هستند. ترشحات ریشه تجزیه نیتروژن آلی را افزایش می‌دهد اما می‌تواند نیتریفیکاسیون و نیترات‌زدایی را نیز مهار کند.

قارچ‌های ECM و ERM می‌توانند با تجزیه پلیمرهای آلی که نیتروژن را از دسترس خارج می‌کنند، نیتروژن را بسیج کنند. گیاهان AM از نیتروژن غیرآلی استفاده می‌کنند و با چرخه سریع نیتروژن، نیتریفیکاسیون، نسبت C: N (کربن: نیتروژن) کم و از دست دادن سریعتر نیتروژن همراه هستند.

در مقایسه، گیاهان ECM که از ترکیبات نیتروژن آلی استفاده می‌کنند، چرخه نیتروژن آهسته هستند و نسبت C: N بالایی در خاک تولید می‌کنند.

اکسید نیتروژن (N2O)، یک گاز گلخانه‌ای، بیشتر توسط AM در شرایط کم اکسیژن نسبت به گیاهان ECM تولید می‌شود.

ریشه‌ها و ارتباطی که آنها ترویج می‌کنند بر سرعت و مراحل چرخه نیتروژن تأثیر می‌گذارد.

چرخه فسفر

بیشتر خاک‌ها حاوی مقادیر زیادی فسفر آلی و معدنی هستند و بیشتر از طریق کودها به آن اضافه می‌شود، اما تنها حدود 1٪ در دسترس گیاهان است. همزیستی میکوریزا با ریشه برای بسیج فسفر گیاهان و جذب مواد مغذی بسیار مهم است.

گیاهان AM از باکتری‌های حل کننده فسفات برای تجزیه فسفات آلی به فسفر محلول استفاده می‌کنند که گیاهان می‌توانند از آن استفاده کنند.

اسیدهای AM همچنین سنگ فسفات موجود در کودها را به اشکال محلول تجزیه می‌کنند. بنابراین، پیوندهای ریشه می‌توانند با کمک به چرخه عناصر، فسفر را در دسترس قرار دهند.

ریشه‌ها خاک را تثبیت می‌کنند

توانایی ریشه‌ها برای تثبیت خاک‌های کم عمق و عمیق برای اکوسیستم‌های طبیعی و مردم با کاهش فرسایش خاک و رانش زمین بسیار مهم است.

ریشه‌ها فرسایش خاک را کاهش می‌دهند

ذرات خاک می‌توانند به ریشه ها بچسبند و دانه‌های پایدار را تشکیل دهند. انشعاب ریشه و هیفای میکوریزی نیز باعث افزایش درگیری خاک می‌شود. نوک ریشه بیشتر ترشحات ریشه مانند پلی ساکاریدها، کاتیون‌ها و همی سلولز حاوی پنتوزها و اسیدهای اورونیک را افزایش می‌دهد که دانه‌های کوچکتر خاک را به دانه‌های تثبیت کننده بزرگ متصل می‌کند.

همچنین، چرخه مرطوب و خشک کردن خاک، اثرات عوامل اتصال دهنده را تقویت می‌کند. ترشحات ریشه و هیدروفوبین‌ها، توسط ECM خاک را ضدآب می‌کند.

ریشه ها با نگه داشتن خاک و آبگریز کردن آن، فرسایش را کاهش می‌دهند. جنگل‌زدایی و چرای وسیع که زمین‌ها را خالی می‌کند، از این محافظت طبیعی برخوردار نیست و خطر شسته شدن خاک سطحی توسط باران را در پی دارد.

ریشه ها از لغزش جلوگیری می‌کنند

‌ریشه‌های عمیق عمودی لنگرگاه ریشه را تقویت کرده و با لنگر انداختن خاک به بستر عمیق‌تر و پایدارتر از لغزش جلوگیری می‌کند. انشعاب ریشه شبکه‌ای را تشکیل می‌دهد که ترک‌های کششی را به حداقل می‌رساند و صفحات سطوح لغزش بالقوه را به هم متصل می‌کند.

ریشه‌های درشت و ریز با عبور از ناحیه شکست احتمالی باعث تقویت خاک می‌شود. ریشه‌ها استحکام کششی خاک را افزایش می‌دهند و از توده خاک ناپایدار عبور می‌کنند.

ریشه‌ها می توانند الاستیک باشند. ریشه‌های ضخیم مانند میخ عمل می‌کنند، به لنگر انداختن درختان ادامه می‌دهند و از ریزش خاک جلوگیری یا محدود می‌کنند. جذب آب توسط گیاهان، خاک را خشک‌تر نگه می دارد که در برابر رانش زمین مقاوم‌تر است.

ظرفیت نگهداری آب و زهکشی

مرگ و پوسیدگی ریشه، مویرگ‌های خالی را برای احتباس بیشتر آب باقی می‌گذارد. منافذ کوچکتر در خاک سطحی به نفوذ بارندگی کمک می‌کند. ریشه‌های بزرگتر منافذ منافذ بزرگی را به جا می‌گذارند و مسیرهای بالقوه جریان خاک را برای حرکت آب زیرسطحی ایجاد می‌کنند.

معماری ریشه و جهت انشعاب می تواند بر زهکشی آب از سطح به عمق بیشتر تأثیر بگذارد.

تغییرات آب و هوا و سیستم‌های ریشه‌ای

ریشه‌ها، پدوسفر، بیوسفر و جو را به هم متصل می‌کنند. ریشه‌ها و میکروب‌ها به اندازه قسمت‌های بالای زمین گیاه تحت تأثیر تغییرات آب و هوایی قرار می‌گیرند.

ترشحات و تأثیر آنها بر چرخه مواد مغذی می‌تواند جذب کربن را افزایش دهد، پس از خشکسالی، ترشحات ریشه همچنین می‌تواند به میکروب ها کمک کند تا عملکرد اکوسیستم خود را بازیابی کرده و حفظ کنند.

ریشه‌های عمیق همچنین می‌توانند به درختان و دیگر گونه‌های با ریشه کم‌عمق کمک کنند تا به آب بیشتری برسند. جذب آب عمیق ریشه باعث حفظ فتوسنتز و تعرق حتی در دوره‌های خشک و حفظ بهره‌وری گیاه می‌شود.

ریشه‌ها در تأثیری که تاج پوشش گیاهی بر الگوهای بارندگی در مقیاس منطقه‌ای دارد، نقش دارند. بنابراین، صفات ریشه و تغییرات عملکردی ناشی از تغییرات آب و هوایی بسیار مهم خواهد بود.

منبع

 کشاورزی احیاکننده، راهی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای