Elu Maal sõltub taimede võimest muuta päikeseenergia fotosünteesi abil keemiliseks energiaks. Selle protsessi tõhusus sõltub imeväikestest asjadest – näiteks lehtede kaldenurgast.
Valgus, mida taimed eluks vajavad, on äärmiselt muutlik keskkonnategur ning sel on taimede kasvule, ellujäämisele ja konkurentsivõimele väga suur mõju. Võrastikus kinni peetud valguse hulk ja kiirus, millega taimed fotosünteesi teel päikeseenergiat biomassiks muudavad, on tõendatult tugevas, peaaegu lineaarses positiivses korrelatsioonis. See näitab selgelt, et valguse kinnipüüdmine on tõepoolest ökosüsteemi tootlikkuse põhiline tegur.
Üks peamisi võimalusi, kuidas taim saaks võimalikult palju päikesevalgust püüda ja samal ajal soojusstressi, veekaotust ja konkurentsiohtu tasakaalustada, on lehtede nurga muutmine. Tõhus valguse kasutamine on eriti oluline tihedas taimestikus konkureerivate taimede jaoks.
Selleks et parandada üldist valguse neeldumist, võivad taimed suurendada kas lehtede kogupindala või iga lehepindalaühiku suutlikkust valgust püüda. Sellel, kui palju valguse püüdmist tõhustada saab, on aga geneetilised ja mehaanilised piirangud: lehtede ehitus, taimede maksimaalne kõrgus ja lehe optimaalseks asendiks vajalik biomass.
Väike nurk, aga suur mõju
Taime kogu lehestik ei saa kunagi täielikult otsese päikesevalguse käes olla, sest pole võimalik kasvatada lehti ainult horisontaalselt ja ühes kihis. Seega saabki lehtede kaldenurga muutmine taimele oluliseks valguse püüdmise strateegiaks.
Lehe kaldenurk on nurk lehe pinna normaalvektori ja vertikaali ehk seniidi vahel (vt joonis 1). See mõjutab lehe valgusepüüdmise võimet, fotosünteesi, energiabilanssi ja taimede omavahelist konkurentsi. Kaldenurkade jaotus võib märkimisväärselt mõjutada süsinikuvooge ja spektraalsignatuuri. Spektraalsignatuur on ainulaadne muster, mida tekitab elektromagnetkiirgus, mida mingi objekt erinevatel lainepikkustel kiirgab või peegeldab, ning see on andmete otsimisel ja prognoosimisel satelliidipiltide abil väga oluline.
Kuigi lehtede kaldenurkade tähtsusest on teadlased ammu aru saanud, on nende mõõtmise tulemusi ökoloogilistes mudelites sageli liiga vähe arvestatud, sest mõõtmine on eriti keeruka võrastiku puhul raske ülesanne. Mõõtmismeetodid on olnud väga erinevad, töömahukast käsitsitööst kuni täpsete ja sageli kallite instrumentideni.
Kõige lihtsam, kuid aeganõudvam meetod on lehtede kaldenurga käsitsi kirja panemine kaldenurga- ja asimuudimõõturi abil. Selle meetodi uuendusena arendasime hiljuti Tartu observatooriumi meeskonnaga välja rakenduse EST-LEAF, mis kasutab kiireks ja täpseks andmete hankimiseks mobiiltelefoni andureid. See rakendus on nüüd Google Plays vabalt kättesaadav.
On veel hulk kiiremaid ja vähem töömahukaid meetodeid, näiteks kalasilm-objektiiviga varustatud digikaameraga või looditud digikaameraga tehtud fotod.
Kalasilm-objektiivi abil hinnatakse lehe keskmist kaldenurka eri vaatenurkadest tuvastatud valguse erinevuste põhjal, eeldusel, et kõik lehed on ühesuguse kaldenurgaga ja ühtlase asimutaaljaotusega.
Looditud digikaamera meetod tähendab lehtede kaldenurga käsitsi mõõtmist horisontaalselt paigaldatud kaameraga tehtud piltide põhjal, kasutades pilditöötlustarkvara.
Praegu töötame koos kolleegidega arvutiteaduse instituudist välja masinõppemeetodeid, mis võimaldaksid sellistelt digifotodelt lehtede kaldenurga teavet automaatselt eraldada. Nii oleks võimalik muuta see meetod odavaks, lihtsasti kasutatavaks, vähe koolitust nõudvaks ja kättesaadavaks igapäevase varustusega – nutitelefoni kaameraga.
Seire maa pealt ja maa kohalt
Senised parimad meetodid tuginevad maapealsele laserskaneerimisele (vt joonis 2). Need maapealsed seadmed kasutavad valguse tuvastamise ja kaugseire (lidari) tehnoloogiat, et mõõta vahemaad väga suure täpsusega, ning võimaldavad lehtede kaldenurka automaatselt hinnata.
Viimase aastakümne kiiret tehnoloogilist arengut arvestades on maapealne laserskaneerimine võrastiku struktuuri kolmemõõtmelisel jäädvustamisel kujunenud eelistatud tehnoloogiaks.
Täpseid andmeid lehtede kaldenurkade jaotuse kohta on vaja selleks, et modelleerida täpselt kiirguse ülekannet (kuidas valgus võraga interakteerub ja selle kaudu levib), valguse neeldumist ja lehtede energiabilanssi. Mõnes mudelis on lehtede kallet käsitletud taimede funktsionaalse tüübi põhjal (näiteks lehtpuu- või igihaljad laialehised metsad, rohumaad, põõsastikud), kuid kogu vegetatsiooniperioodi jooksul püsiva parameetrina.
Samas on kiirgusülekande mudeli simulatsioonid näidanud, et lehe kaldenurga muutumine võib põhjustada kuni neljakordset erinevust süsihappegaasi neeldumise netovõimes ja umbes 20% muutust nii lehe füüsikalises soojuses kui ka peitsoojuse hulgas.
Arvestades lehe kaldenurga tähtsust, võib selle hooajalise ja vertikaalse varieeruvuse andmete lisamine fotosünteesi modelleerimist märkimisväärselt parandada.
Suurendades kaldenurga jaotuse mõõtmise täpsust ja andmete kättesaadavust – mille poole me koos kolleegidega aktiivselt püüdleme –, on neid teadmisi võimalik paremini kasutada näiteks põllukultuuride majandamisel ning kliima ja bioloogilise mitmekesisuse modelleerimisel.
Lisa kommentaar