Ecology of Iranian Forests

fa توان فتوسنتزی و نرخ تبادلات گازی راش اروپایی (Fagus sylvatica) در طیف تابش فعال فتوسنتزی (PAR) The Photosynthetic Capacity and Gas Exchange Rate of European Beech (Fagus sylvatica L.) Across the Photosynthetically Active Radiation (PAR) Spectrum تخصصي Special پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: جنگل‌ها عامل مهمی برای فرونشاندن دی‌اکسیدکربن نیوار محسوب می‌شوند، مهم&lrm; ترین گاز گلخانه‌ای که عامل مهم تغییرات مداوم اقلیمی کره زمین محسوب می‌شود. پیش‌بینی‌های اقلیمی حاکی از رسیدن غلظت دی&lrm; اکسید کربن نیوار به 700 میکرومول بر مول تا سال 2100 میلادی است که باعث وقوع رخداد خشک سالی و افزایش دما در اروپا با وسعت فراگیر و مدت زمان طولانی خواهد شد. بیشترین عواقب ناشی از این اختلالات اقلیمی دامن&lrm;گیر جنگل‌های اروپا، به‌ویژه جنگل‌های راش اروپایی خواهد شد. پژوهش‌های پیشین نشان داده&lrm; اند که مرگ و میر راش بیشتر تحت تاثیر خشک&lrm; سالی است تا سایر عوامل، بنابراین، طی سال‌های اخیر مطالعات زیادی بر ارتباط عوامل بوم‌شناختی نظیر دما و نور با نرخ فتوسنتز، جذب CO2، تعرق و سایر عوامل فیزیولوژیک راش اروپایی متمرکز شده &lrm;اند چرا که این گونه، شاخصی برای حساسیت جنگل‌های پهن برگ اروپا نسبت به اثرات تغییر اقلیم شناخته می‌شود. در این پژوهش، اثرات شدت‌های مختلف نور بر نرخ فتوسنتز برگ، تعرق، غلظت دی‌اکسیدکربن بین سلولی و هدایت روزنه‌ای بررسی شد. مواد و روش‌ها: برای مطالعه فیزیولوژی نرخ فتوسنتز و تبادلات گازی درختان راش اروپایی در پارک ملی هاینیش آلمان، پنج درخت جوان که ارتفاع هر یک 5/2 متر بود زیر تاج درختان مادری انتخاب شدند. از هر درخت، پنج برگ بالغ و سالم که به‌طور طبیعی رشد کرده بودند جهت بررسی انتخاب شدند. اندازه‌گیری‌ها با استفاده از دستگاه LC Pro+ در 10 شدت مختلف از طیف نور فعال فتوسنتزی از 0 تا 696 میکرومول فوتون بر مترمربع در ثانیه و در پنج تکرار، در دمای کنترل شده °C 1±21 انجام شدند. 6/25 سانتی‌متر مربع از برگ زنده راش درون اتاقک اندازه‌گیری قرار گرفت. غلظت های CO2 و H2O پس از اندازه‌گیری اولیه به هر دو سطح برگِ قرار داده‌ شده درون اتاقک، هدایت شدند. غلظت CO2 هوای تخلیه شده از اتاقک، پس از استفاده در فرایند فتوسنتز (که به‌طور طبیعی کاهش یافت) و غلظت H2O (آزادشده پس از انجام فتوسنتز برگ) مجدداً اندازه‌گیری و تجزیه شد. از تفاوت‌های میان غلظت ورودی (مقادیر 'مرجع') و غلظت نهاییِ (مقادیر تجزیه‌شده) گازهای CO2 و H2O، نرخ جذب (آسیمیلاسیون) و تعرق به&lrm; صورت مداوم محاسبه شد. سپس، منحنی‌های پاسخ نوری بر اساس میانگین داده‌ها برای گونه راش اروپایی رسم شدند. یافته‌ها: نقطه جبران نوری، که طبق تعریف شدت نوری است که نرخ جذب CO2 با نرخ مصرف CO2 در فرایند فتوسنتز در برگ گیاه برابر می‌شود، برای گونه راش اروپایی در شدت نور 7/5 میکرومول فوتون بر مترمربع در ثانیه به&lrm; دست آمد. نرخ تنفس در تاریکی نیز به‌طور متوسط بر اساس میانگین کل آزمایشات انجام شده حدود 0/19- میکرومول دی‌اکسیدکربن بر مترمربع در ثانیه اندازه‌گیری شد. نرخ فتوسنتز در راش اروپایی با افزایش شدت تابش فعال فتوسنتزی از 0 تا 174 با شیب زیادی افزایش یافت و بیشینۀ آن در تابش 435 میکرومول فوتون بر مترمربع در ثانیه ایجاد شد که به‌طور متوسط 0/65±2/94 میکرومول دی‌اکسیدکربن بر مترمربع در ثانیه به &lrm;دست آمد. با افزایش PAR، گونه راش اروپایی تمایل زیادی به مصرف فوری CO2 با دریافت کمینۀ نورِ رسیده بر سطح برگ‌های خود را داشت؛ به‌طوری‌که با اندک افزایش در شدت نور و رسیدن نور از مقدار صفر تا 44 میکرومول بر مترمربع در ساعت، غلظت CO2 موجود در فضای بین سلول‌های مزوفیل برگ، به‌شدت کاهش یافت و به کمینۀ مقدار خود (264 میکرومول دی‌اکسیدکربن بر مول هوا) ‌رسید. این کاهش به‌دلیل ورود ناگهانی دی‌اکسیدکربنِ بین سلولی به درون کلروپلاست‌ها جهت آغاز فرآیند فتوسنتز در شدت‌های نور بسیار پایین است. این موضوع، کاهش شدید در مقدار هدایت روزنه‌ای را نیز موجب می‌شود. از شدت نور 44 میکرومول بر مترمربع در ثانیه به بعد، هدایت روزنه‌ای و تعرق با شیب ملایمی افزایش مداوم داشتند تا این‌که در تابش 696 میکرومول بر مترمربع در ثانیه به بیشینۀ مقدار خود ‌رسیدند. با این&lrm;حال، غلظت دی‌اکسیدکربن بین سلولی (Ci) از تابش 44 میکرومول بر مترمربع در ثانیه با شیب بسیار کمتری تا رسیدن به تابش 696 میکرومول بر مترمربع در ثانیه افزایش نسبی و ملایمی داشت و هیچ‌گاه به مقدار بیشینۀ خود که در تاریکی یا شدت نور صفر بود ن‌رسید. با توجه به بیشینۀ نرخ فتوسنتز برای نهال‌های راش اروپایی که برابر با 2/94 میکرومول بر مترمربع در ثانیه به‌دست آمد، جذب خالص دی‌اکسیدکربن آن حدود 4/66 کیلوگرم در هکتار در هر ساعت در تابش 435 میکرومول فوتون بر مترمربع در ثانیه و یا جذب C (کربن) برابر با 1113 گرم بر مترمربع در هر سال (g C m-2 yr-1) را ایجاد خواهد نمود. نتیجه‌گیری کلی: مطالعه حاضر نشان می&lrm;دهد که گونه راش اروپایی گونه‌ای بسیار سایه‌پسند است و نسبت به تغییرات محیطی نظیر نور، واکنش زیادی نشان می‌دهد که باعث می‌شود راش اروپایی گونه درختی بسیار حساس نسبت به تغییر شرایط بوم‌شناختی در بوم‌سامانه‌های اروپا محسوب شود. </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Forests play a crucial role in mitigating atmospheric carbon dioxide, the most important greenhouse gas that is a significant contributor to the ongoing climate changes on Earth. Through the photosynthesis process, forests absorb carbon dioxide and produce oxygen, thereby helping to reduce the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. In this way, forests act as a natural buffer against climate change. Climate predictions indicate that atmospheric CO2 concentrations will reach 700 μmol mol-1 by 2100, which is expected to result in widespread and prolonged drought occurrences and temperature increases in Europe. The primary consequences of these climatic disruptions will disproportionately affect European forests, particularly European beech forests. Previous research has demonstrated that beech mortality is more significantly influenced by drought than by other factors. Consequently, recent studies have focused on the relationship between ecological factors, such as temperature and light, with photosynthesis rates, CO2 uptake, transpiration, and other physiological aspects of European beech. This tree species is recognized as an indicator of the sensitivity of European broadleaf forests to the impacts of climate change. This study investigates the effects of varying light intensities on leaf photosynthesis rates, transpiration, intercellular carbon dioxide concentration, and stomatal conductance. Methods: To study the physiology of photosynthesis and gas exchange rates in European beech trees (Fagus sylvatica) at the Hainich National Park in Germany, five young trees, each approximately 2.5 meters in height, were selected under the canopy of mature trees. From each tree, five healthy, mature leaves that had developed naturally were selected for analysis. Measurements were conducted using the LC Pro+ device at ten different light intensities ranging from 0 to 696 micromoles of photons m−2 s−1, with five replicates for each condition. The measurements were performed in a controlled temperature environment set to 21 °C ± 1. An area of 6.25 cm² of live beech leaves was placed in the measuring chamber. After the initial measurements, CO2 and H2O concentrations were introduced to both leaf surfaces within the chamber. The concentration of CO2 in the air exiting the chamber, after being utilized in the photosynthesis process (which typically leads to a reduction), along with the concentration of H2O (released following leaf photosynthesis), was re-measured and analyzed subsequently. The net assimilation rate (photosynthesis) and transpiration were continuously calculated from the differences between the input concentration (reference values) and the final concentration (analyzed values) of CO2 and H2O gases. Thereafter, light response curves were constructed based on the average data for the European beech species. Results: The light compensation point, defined as the light intensity at which the rate of CO2 assimilation equals the rate of CO2 consumption in the photosynthesis process in plant leaves, was determined at 7.5 µmol photons m−2 s−1 for the European beech species. The dark respiration rate was measured at approximately -0.19 µmol of CO2 m−2 s−1, based on the average of all tests conducted. The photosynthesis rate in European beech increased significantly with rising photosynthetically active radiation (PAR) from 0 to 174 µmol photons m−2 s−1, reaching its maximum at the radiation of 435 µmol photons m−2 s−1, with an average rate of 2.94±0.65 µmol of CO2 m−2 s−1. As PAR increased, the European beech exhibited a strong tendency to rapidly consume CO2, achieving the minimum light required on its leaf surfaces; specifically, with a slight increase in light intensity from 0 to 44 µmol m−2 s−1, the CO2 concentration in the intercellular spaces of the mesophyll leaf significantly decreased to its minimum level (264 µmol of CO2 per mol of air). This reduction is attributed to the sudden influx of intercellular CO2 into the chloroplasts to initiate the photosynthesis process at very low light intensities, which also results in a considerable reduction in stomatal conductance. Beyond a light intensity of 44 µmol m−2 s−1, both stomatal conductance and transpiration showed a continuous increase with a gradual slope, reaching their maximum at 696 µmol m−2 s−1. Meanwhile, the intercellular CO2 concentration (Ci) exhibited a much slower relative increase from a light intensity of 44 µmol m−2 s−1to 696 µmol m−2 s−1and never reached the maximum level observed in the dark or at zero light intensity. Taking into account the maximum photosynthesis rate for European beech saplings of 2.94 µmol m−2 s−1, the net CO2 uptake is approximately 4.66 kg per hectare per hour at a radiation level of 435 µmol photons m−2 s−1, corresponding to a carbon (C) uptake of 1113 g C m-2 yr-1. Conclusion: The present study indicates that the European beech is a highly shade-tolerant species with a significant response to environmental changes, such as light, rendering it a very sensitive tree species to alterations in ecological conditions within European ecosystems. </div> راش اروپایی, شدت فتوسنتز, تعرق, سایه‌پسند, تابش فعال فتوسنتزی, هدایت روزنه‌ای European beech, Photosynthetically active radiation, Photosynthesis rate, Shade tolerance, Stomatal conductance, Transpiration 62 73 http://ifej.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-821-1&slc_lang=fa&sid=1 Ahmad Sadeghipour احمد صادقی پور a.sadeghipour@semnan.ac.ir 100319475328460010627 100319475328460010627 Yes Department of Rangeland Management, Faculty of Desert Studies, Semnan University, Semnan, Iran گروه بیابان ‎زدایی، دانشکده کویرشناسی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران Davoud Kartoolinejad داود کرتولی نژاد kartooli58@semnan.ac.ir 100319475328460010628 100319475328460010628 No Department of Forestry, Faculty of Desert Studies, Semnan University, Semnan, Iran گروه جنگل داری، دانشکده کویرشناسی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران