منابع تنوع برگ
هنگام ورود به جنگل، برای هر فردی که کمی دانش گیاه شناسی دارد، به راحتی می توان گونه های مختلف درخت را با نگاه کردن به شکل برگ های آنها تشخیص داد. به عنوان مثال، بلوط انگلیسی دارای برگ هایی با لوبول های گرد است که به راحتی قابل تشخیص است و ما هرگز آنها را با برگ های نخل شکل افرا لهستانی اشتباه نمی گیریم. با این حال، با تمرکز بر شکل برگ، این واقعیت را نادیده می گیریم که ویژگی های دیگری از برگ ها وجود دارد (از این پس به عنوان “ویژگی های عملکردی‘)، که بیشتر با عملکرد و بهره وری درختان مرتبط هستند. یکی از اینها سطح برگ خاص است که به عنوان نسبت سطح برگ به جرم تعریف می شود، که شیب برگ هایی را که برای اولویت دادن به فعالیت فتوسنتزی روی منطقه سرمایه گذاری می کنند تا برگ های ضخیم تر با فعالیت فتوسنتزی کمتر اما مقاومت بالاتر در برابر عوامل استرس زا را توصیف می کند. در نتیجه، سطح ویژه برگ، همراه با سایر ویژگی های عملکردی مانند نیتروژن برگ یا محتوای ماده خشک برگ، به یکی از شاخص های اصلی عملکرد درخت تبدیل شده است. در مورد این ویژگی‌های عملکردی، تشخیص اینکه آیا برگ‌های افرا سطح برگ ویژه‌تری نسبت به برگ‌های بلوط دارند، احتمالاً برای ما بسیار دشوارتر است. در واقع، اگر بخواهیم صدها برگ از یک گونه را جمع آوری کنیم، احتمالاً در مزرعه متوجه می شویم که در همان گونه، برگ ها از نظر اندازه و وزن متفاوت هستند. اگرچه می‌توانیم گونه‌ها را با شکل برگ به وضوح تشخیص دهیم، ویژگی‌های عملکردی برگها می‌تواند بسیار متغیرتر باشد. بنابراین، هنگام در نظر گرفتن این ویژگی های عملکردی، تفاوت بین گونه ها تنها مؤلفه تنوع برگ نیست، و مهم است که تشخیص داده شود که برگ ها نیز می توانند متفاوت باشند: (1) بین افراد یک گونهتغییرات شخصیت های درون گونه ای) ناشی از بیان متفاوت یک صفت مرتبط، برای مثال، با تعاملات رقابتی، و (2) در همان درخت (تنوع درون فردی در صفات) در نتیجه، در بسیاری از موارد، در نقاط مختلف تاج. در یک مطالعه اخیر، هدف ما مشخص کردن روندها و اهمیت این دو منبع تنوع صفت است که در گونه‌های درختی در امتداد گرادیان تنوع جنگلی تجربی از کشت‌های تک تا مخلوط‌های هشت گونه رخ می‌دهد.
اندازه گیری تنوع برگ در مزرعه
در مطالعه‌ای از این دست، تعداد برگها برای نمونه‌برداری و پردازش به‌صورت تصاعدی افزایش می‌یابد که منابع مختلف تنوع صفت را شامل می‌شود. در مطالعه خود، هدف ما این بود که هشت گونه درخت، افراد مختلف برای هر گونه و توده جنگلی و در نهایت چندین برگ در یک تاج را شامل شود. این منجر به 4568 برگ شد. با توجه به اینکه می‌خواستیم پنج صفت عملکردی را در هر برگ اندازه‌گیری کنیم، در مجموع 22840 اندازه‌گیری شد. برای ساده‌سازی فرآیند و کاهش حجم کار، تصمیم گرفتیم از طیف‌سنجی برگ همراه با یادگیری ماشینی به‌عنوان روش فنوتیپ برگ استفاده کنیم. طیف سنجی برگ متکی بر این واقعیت است که مورفولوژی و ترکیب شیمیایی بر خواص نوری برگها تأثیر می گذارد. اگرچه این تغییرات نوری ممکن است با دید غیرقابل تشخیص باشند، اما در بسیاری از موارد با الگوهای جذب نور در طول موج های بالاتر شناسایی می شوند. بنابراین، سیگنال طیفی هر برگ را با استفاده از یک طیف سنج به دست آوردیم و آن را کالیبره کردیم. شبکه های عصبی کانولوشنال (نوعی الگوریتم یادگیری ماشین) برای پیش‌بینی ویژگی‌های عملکردی در برگها.
یکی دیگر از جنبه های جالب مطالعه ما این است که ما از یک آزمایش طولانی مدت جنگل استفاده کردیم که در آن یک گرادیان غنای گونه ای برای درک بهتر اثرات تنوع درختان ایجاد شد. در اکوسیستم های طبیعی، شیب در تنوع گونه ها نادر است، مگر اینکه ناشی از عوامل محیطی باشد. به عنوان مثال، کاهش تعداد گونه های درختی با بالا رفتن از یک کوه معمول است، اما این توانایی ما را برای مطالعه اثرات تنوع بدون توجه به آب و هوا محدود می کند. در مقابل، آزمایش‌های گلخانه‌ای می‌توانند به راحتی شرایط محیطی را کنترل کنند، اما معمولاً به نهال درختان تکیه می‌کنند و ممکن است شرایط جنگل را بیش از حد ساده کنند. در نتیجه آزمایش های تنوع درختیمانند آزمایش BEF-چین که در آن مطالعه خود را انجام دادیم، مصالحه خوبی برای آزمایش الگوهای تنوع صفت در جنگل ها فراهم می کند. را آزمایش BEF-چین در سال 2009 کاشته شد، که باعث می‌شود قبلاً احساس یک “جنگل واقعی” شود، اما به عنوان آزمایشی طراحی شد که امکان کنترل عوامل محیطی را فراهم می‌کرد.
خجالتی بودن ویژگی عملکردی
من همیشه شیفته پدیده بوده ام تاج خجالتی این در برخی از تک‌کشت‌های طبیعی اتفاق می‌افتد که به نظر می‌رسد نوک شاخه‌ها از تماس با یکدیگر اجتناب می‌کنند و در نتیجه تاج‌هایی کاملاً باردار می‌شوند که روی هم نمی‌افتند و سایبانی از شکاف‌های کانال مانند را تشکیل می‌دهند. در این زمینه، درختان همنوع (درختان گونه‌های مشابه در یک توده جنگلی) به نظر می‌رسد که اشغال فضایی را تقسیم کنند. در تحقیقات خود نشان داده‌ایم که در مورد صفات عملکردی نیز چنین اتفاقی می‌افتد. گونه‌هایی که در تک‌کشت‌ها رشد می‌کنند طیف وسیعی از طرح‌های برگ را نشان می‌دهند، و به نظر می‌رسد که این اتفاق می‌افتد زیرا همنوعان از شباهت بیش از حد در استراتژی‌های برگ خود اجتناب می‌کنند: برخی از درختان برگ‌های کوچک‌تر و ضخیم‌تر را ترجیح می‌دهند، درختان دیگر برگ‌های بزرگ‌تر و نازک‌تر را ترجیح می‌دهند، برخی درختان از نظر نیتروژن غنی‌تر از دیگران هستند و غیره. بنابراین، اگر بخواهیم استراتژی های برگ درخت را درفضا را ترسیم کنید(روشی رایج در بوم‌شناسی برای تجسم و ارزیابی تنوع برگ با استفاده از اشکال هندسی) متوجه خواهیم شد که همنوعان در تک‌فرهنگ‌ها تمایل به اجتناب از یکدیگر دارند، که منعکس‌کننده نوعی سندرم «خجالتی بودن صفت عملکردی» است. برعکس، در توده‌های جنگلی مختلط، همان گونه‌هایی که تفاوت‌های قوی در ویژگی‌های عملکردی را نشان می‌دهند احتمالاً تفاوت‌های شدیدی را در ویژگی‌های عملکردی در تک‌کاشت نشان می‌دهند. همنوع ها در مخلوط ها برای جلوگیری از تعاملات رقابتی با درختان گونه های دیگر مفید است.
چرا درک تنوع برگ جنگل مهم است؟
همانطور که در مورد بلوط و افرا، تنوع برگ در مطالعه ما تنها با در نظر گرفتن تنوع درون گونه ای و درون فردی قابل درک است. در حالی که درست است که به طور متوسط در تمام صفات عملکردی، تفاوت بین گونه‌ها 43 درصد از تنوع برگ را در توده‌های جنگلی ما تشکیل می‌دهد، تنوع برگ درون گونه‌ای و درون فردی با هم بیش از نیمی از تنوع برگ را که اندازه‌گیری کردیم، تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، ما دریافتیم که تنوع برگ در یک توده جنگلی زمانی که تنوع صفات درون گونه ای و درون فردی در نظر گرفته شد، بیشتر بود، زیرا به نظر می رسد این دو منبع به گونه ای سازماندهی شده اند که تنوع برگ را به حداکثر می رساند. اکنون سؤال باز این است که چگونه این امر در عملکرد جنگل منعکس می شود. برگ ها اندام های اولیه فتوسنتز در گیاهان هستند که آنها را برای بهره وری اولیه بسیار مهم می کند و در بسیاری از عملکردهای دیگر اکوسیستم مانند گیاه خواری نقش دارند. بنابراین تنوع درون گونه ای و درون فردی در صفات می تواند پیامدهای مهمی برای عملکرد جنگل داشته باشد. بنابراین، من آن را احساس می کنم تحقیقات آینده باید بررسی کند که چگونه تنوع در شکل برگ و عملکرد درون گونه‌ها بر توانایی جنگل‌ها برای واکنش به تغییرات محیطی و اطمینان از ارائه عملکردهای اکوسیستم تأثیر می‌گذارد.
