Использование моделей упаковки сфер для объяснения структуры лесов

Объяснение сложной структуры тропических лесов — одна из главных задач в экологии. Особый интерес представляет распределение деревьев по размерам, что особенно важно для оценки биомассы. Команда специалистов по моделированию из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (UFZ) совместно с партнерами разработала новый метод для объяснения распределения деревьев по размерам в естественных лесах. Учёные использовали принципы стохастической геометрии, о чём сообщили в статье для Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, Early Edition). Этот подход позволяет быстрее оценивать структуру естественных лесов по всему миру и получать более точные оценки биомассы.

Распределение деревьев по размерам уже более ста лет является одним из ключевых параметров, которые фиксируют лесники и экологи, поскольку на его основе можно вывести многие другие структурные характеристики, такие как биомасса и продуктивность. «Мы хотели объяснить эту важную закономерность», — говорит доктор Франциска Тауберт. Вместе с коллегами из UFZ доктором Торстеном Вигандом и профессором Андреасом Хутом, а также партнёрами из Лейпцигского университета прикладных наук (HTWK) и Технологического института Карлсруэ (KIT) они применили теорию стохастической упаковки сфер, обычно используемую в физике или химии. Эта теория описывает, как сферы можно разместить в доступном пространстве. Для её применения учёные случайным образом распределяли кроны деревьев разного размера на лесных участках. Эти кроны не должны были перекрываться — подобно упаковке яблок в коробку. Распределение успешно размещённых в процессе «упаковки» деревьев затем использовалось для определения распределения деревьев по размерам.

«Многие лесные модели основаны на динамическом подходе: они учитывают такие процессы, как рост, гибель, возобновление и конкуренцию между деревьями за свет, воду и почвенные питательные вещества», — поясняет Тауберт. «Эти модели сложны и требуют много данных», — добавляет Торстен Виганд, — «поэтому мы решили использовать принципиально иной, радикально более простой подход, основанный исключительно на пространственных структурах». Эффективность этого подхода подтвердилась тем, что он позволил точно воспроизвести наблюдаемые лесные структуры, особенно распределение деревьев по размерам. Правила стохастической геометрии были дополнены геометрическими соотношениями для деревьев, а полученная система «упаковки деревьев» была сравнена с данными инвентаризации тропических лесов в Панаме и Шри-Ланке.

Хотя может показаться, что тропический лес очень плотно упакован, учёные пришли к неожиданному выводу: плотность упаковки крон деревьев, составляющая в среднем 15–20%, удивительно низка. «Особенно верхний и нижний ярусы полога леса менее плотно заполнены кронами», — отмечает Тауберт. Высокая плотность упаковки около 60%, которая также возможна согласно стохастической геометрии, встречается только на высоте деревьев от 25 до 40 метров.

Выводы о распределении крон важны, поскольку позволяют делать выводы, например, о содержании углерода или продуктивности леса. Используя этот подход к моделированию, исследователи также смогли показать, что решающим фактором, формирующим распределение деревьев по размерам, является конкуренция за пространство. «В классических лесных моделях, — говорит Андреас Хут, — деревья конкурируют за свет, воду и питательные вещества».

Теория открывает несколько новых перспектив. Команда планирует оценить, как модель можно применить к естественным лесам умеренного и бореального поясов. Учёные полагают, что модель можно использовать для выявления нарушенных лесов. «Это особенно интересно, потому что позволит нам разработать индекс нарушенности, — говорит Тауберт, — и лучше интерпретировать данные дистанционного зондирования, используя структуру естественных лесов в качестве эталона». Ещё одно преимущество новой теории в том, что эта простая модель «упаковки леса» требует гораздо меньше усилий, чем классические лесные модели. Новый подход — важный шаг к определению минимального набора процессов, ответственных за формирование пространственной структуры естественных лесов.