Maapallon vesienkierto on aurinkoenergiasta riippuvainen (joka haihduttaa vettä valtameristä ja maan pinnoilta) ja painovoimasta (joka tuo vettä alas sateena ja kuljettaa sitä merelle). Tässä kierrossa puut toimivat aktiivisena pumpuna: ne imevät maaperän vettä juuristaan ja vapauttavat sitä ilmakehään lehtien transpiraation kautta, vahvistaen merkittävästi maan hydrologista kiertoa verrattuna siihen, mitä tapahtuisi pelkällä kalliolla ja maaperällä. Ilman puita Maapallon vesienkierto olisi täysin erilainen: monet mantereiden sisäalueet olisivat paljon kuivempia kuin nykyään.

Puu hydraulisena pumpuna: luvut

Keskikokoinen aikuinen puu (pyökki, tammi, jalava: korkeus 20–25 m, latvus 10–15 m halkaisijaltaan) transpiroi: kesällä (heinä–elokuussa): 150–400 litraa vettä päivässä. Keväällä ja syksyllä: 50–150 litraa vettä päivässä. Talvella (lehdet pudonneet): lähes nolla. Vertailun vuoksi: ihmisen vedenkäyttö on noin 2 litraa päivässä. Yksi puu transpiroi yhtä paljon kuin 75–200 ihmistä juovat. Metsä, jossa on 100 puuta hehtaarilla, transpiroi 15 000–40 000 litraa vettä päivässä hehtaarilla = 15–40 mm vettä hehtaarilla kesäpäivässä. Koko Amazonin sademetsä (5,5 miljoonaa km²) transpiroi noin 20 miljardia tonnia vettä päivässä: enemmän kuin Amazonin joki purkaa valtamereen. Tämä on trooppisten metsien "biotinen pumppu": vesihöyry nousee, tiivistyy noin 5–8 km korkeudella ja putoaa jälleen sateena mantereen sisäalueille. Transpiraation fyysinen mekanismi: vesi nousee juurista latvukseen puun ksyleemissä negatiivisen kapillaarijännityksen avulla: lehdet transpiroivat (haihduttavat vettä stomaateista), luoden negatiivisen paineen mesofyllissa, joka "vetää" vettä viereisistä soluista, jotka puolestaan vetävät vettä lehden suonesta, suonesta, oksasta, rungosta alas juuriin. Hydraulisen jännityksen ketju, joka ulottuu kymmenien metrien päähän maaperästä lehteen. Ksyleemissä olevan vesisarakkeen jännityksen luomat paineet saavuttavat -20–30 bar (selvästi alle ilmanpaineen): hydraulinen järjestelmä negatiivisessa paineessa, joka toimii ilman mekaanisia pumppuja.

Puut ja paikallinen sademäärä: sade, joka syntyy itsestään

Puiden vaikutus paikalliseen sademäärään on suorempi kuin useimmat ihmiset kuvittelevat. Puiden transpiroima vesihöyry osallistuu suoraan pilvien muodostumiseen ja paikalliseen sademäärään. Amazonin "lentävät joet": trooppisten metsien luoman "ilmakehän joen" käsitteen kehittivät brasilialaisfyysikot Antonio Nobre ja Jose Marengo. Amazonin metsästä transpiroituva vesihöyry (20 miljardia tonnia/päivä) nousee korkeuteen, muodostaa pilviä ja kuljetetaan tuulten avulla länteen ja etelään, tuoden sateita Brasilian, Paraguayn ja Argentiinan maatalousalueille. Tätä vesihöyryn virtaa on kutsuttu "lentäväksi joeksi" (rio voador) ja se on perustavanlaatuinen Etelä-Amerikan mantereen keskiosien ja eteläosien maatalouden sademäärän kannalta. Amazonin metsien hakkuu (jo 20–25 % alkuperäisestä metsästä on tuhoutunut) vähentää tätä lentävää jokea ja lisää kuivuutta maatalousalueilla, jotka ovat siitä riippuvaisimpia. Metsien hakkuiden hydrologinen arpi: hakatut alueet osoittavat paikallisen sademäärän vähenemistä 5–30 % metsien hakkuiden jälkeisinä vuosikymmeninä. Euroopassa historiallisten meteorologisten tietojen tutkimukset osoittavat, että alueilla, joilla on suurempi metsän peittävyys, sademäärä on keskimäärin runsaampi kuin alueilla, joilla on harva peittävyys. Kaupunkien puut ja kaupunkisade: kaupunkimetsät lisäävät paikallista (mikro-mittakaavan) sademäärää mitattavalla tavalla. Bounouan ym. (2018) tekemä tutkimus osoitti, että kaupunkialueet, joilla on suurempi puiden peittävyys, saavat useammin kesäsateita lisääntyneen evapotranspiraation vuoksi.

Puiden vaikutus pohjavesiin ja puroihin

Puiden läsnäolo tai puuttuminen vaikuttaa syvällisesti pohjavesivarantojen ja vesistöjen veden määrään ja laatuun. Pohjavesien täydentyminen: metsämaa (huokoisen rakenteensa ja humuskerroksen ansiosta) edistää suuresti pohjavesien täydentymistä verrattuna paljaaseen tai läpäisemättömään maaperään. Sadevesi imeytyy maaperään pinnan valumisen sijaan. Lähteillä ja puroilla metsäisillä valuma-alueilla on tasaisempi virtaus (pienempi kausivaihtelut) verrattuna hakatuilla valuma-alueilla oleviin. Veden laatu: metsän kuorikerroksen ja humusrikkaiden maiden läpi virtaava vesi suodattuu fyysisesti ja biologisesti (maaperän mikrobiyhdyskunta hajottaa monia orgaanisia saasteita ja pidättää joitakin raskasmetalleja). Metsäpurojen vesi on tyypillisesti puhtaampaa, pienempi sedimentti-, ravinteiden ja saasteiden pitoisuus verrattuna maatalous- tai kaupunkivaluma-alueiden puroihin. Rantalaidun metsä (vesistöjen varrella oleva puiden vyöhyke): Italiassa perinteisesti vesistöjä reunustivat haapapuiden, pajujen, lepien ja saarnikoivujen nauhat (rantalaidun metsä). Näiden metsien poistaminen maatalousmaaksi tai jäykkien hydraulisten järjestelmien vuoksi on: lisännyt pankkien eroosiota, heikentänyt veden laatua (sedimentit, ravinteet viereisistä maatalousekosysteemeistä), poistanut kalalle, sammakkaille, vesille ja hyönteisille välttämättömiä elinympäristöjä. Rantalaidun metsien kunnostaminen on yksi tehokkaimmista villitykseen liittyvistä toimista Italialaisten vesistöjen ekologisen laadun parantamiseksi.

Puut ja ilmastonmuutos: haihdunnan ansapeli

Puiden ja ilmastonmuutoksen välinen suhde on monimutkaisempi kuin pelkkä hiilidioksidin sitominen. Puiden haihduinta on sekä jäähdyttävä vaikutus (jota olemme jo käsitelleet) että mahdollinen lämmittävä vaikutus tietyissä olosuhteissa. Boreaaliset metsät ja paradoksi: boreaalisissa havumetsissä (tajga: metsä, joka ulottuu Siperiasta Kanadaan) tummat puut absorboivat paljon enemmän lämpöä kuin valkoinen lumi, joka peittäisi maan ilman niitä. Joissain tajga-alueilla tämä lämmön absorptio (albedovaikutus) ylittää haihdinnan ja hiilidioksidin sitomisen tuottaman jäähdytyksen. Netto-tasapaino: boreaaliset metsät saattavat aiheuttaa paikallista lämpenemistä (!), vaikka ne sitovat hiilidioksidia. Tätä paradoksia kutsutaan "albedo-hiili-kompromissiksi" ja se on edelleen tieteellisen keskustelun kohteena. Trooppiset sademetsät: ei paradoksia. Trooppisissa metsissä on paljon suurempi jäähdyttävä vaikutus kuin boreaalisissa metsissä niiden intensiivisen haihdinnan vuoksi (alueilla, joissa auringonvalo on aina voimakas). Hiilidioksidin sitominen, haihduinta ja albedovaikutus yhtyvät kaikki jäähdytyksen suuntaan. Trooppisten metsien suojelu on kiireisin ilmastonmuutoksen torjuntastrategia. Lehtometsät (Eurooppa, Italia): tasapaino on yleensä ilmaston kannalta positiivinen (netto-jäähdytys), vaikka pohjoisemmissa alppimetsissa on joitakin epävarmuustekijöitä. Puiden istuttaminen lehtovyöhykkeellä (erityisesti rappeutuneille tai hylättyille alueille) edistää ilmastonmuutoksen torjuntaa. Massiivisen metsityksen riskit kuivilla alueilla: puolikuivissa alueissa massiivinen metsitys voi paradoksaalisesti vähentää paikallisia sadantoja (puut kuluttavat kaiken saatavilla olevan veden lisäämällä haihdintaa ilman, että paikallinen sademäärä kasvaa tarpeeksi kompensoimaan). Kiinalla on kokemusta sekä onnistumisista että epäonnistumisista metsitysohjelmissaan Loess Plateau -alueella: jotkut metsitysponnistelut ovat lisänneet paikallista kuivuutta. Oikean puulajin, oikean tiheyden ja oikean sijainnin valinta on kriittistä.