Тропические леса называют легкими планеты. Они поглощают огромное количество углекислого газа, содержат самое большое в мире разнообразие растений и животных и дают работу миллионам людей. И эти жаркие экосистемы, часто представляющие собой лоскутное одеяло из деревьев и лугов, глубоко изменяются в результате вырубки леса и других изменений в землепользовании.
Теперь группа ученых сделала фундаментальное открытие о том, как пожары на окраинах этих лесов контролируют их форму и устойчивость. Их исследование предполагает, что когда участки тропического леса теряют свою естественную форму, это может способствовать внезапному, даже катастрофическому превращению этой земли из деревьев в траву.
Новые знания могут помочь в защите тропических лесов и позволят управляющим земельными ресурсами создавать новые инструменты для прогнозирования устойчивости как отдельных участков леса, так и более крупных лесов регионального масштаба.
Исследование было опубликовано 26 марта в журнале Ecology Letters.
ЗАКОН ЛЕСА
Используя спутниковые данные высокого разрешения из охраняемых лесов в саванне в бразильском Серрадо, ученые обнаружили, что форма этих естественных лесов соответствует предсказуемой математической зависимости между периметром леса и его площадью - независимо от климата. региона или его размера. Они называют это «степенным законом 3/4», и это примерно означает, что все леса склонны к формам, которые не являются ни тонкими, как линия, ни круглыми и гладкими, как круг. «Если бы лес мог легко расти во всех направлениях, мы бы ожидали круг, - говорит Лоран Эбер-Дюфрен, специалист по информатике из Университета Вермонта, который является ведущим автором нового исследования, - но на самом деле мы видим следующее: более дендритный, немного похожий на осьминога или деформированный круг."
Группа из шести ученых, в которую входили моделисты, экологи и физики из UVM, Института Санта-Фе, Стэнфордского, Бостонского, Принстонского и Вашингтонского университетов, доказывает, что закон 3/4 верен для крошечных фрагменты леса размером не больше баскетбольной площадки, вплоть до больших участков леса площадью в десятки квадратных миль.
Ученые объединили свое понимание данных реального мира с результатами новой компьютерной модели, чтобы объяснить, почему это происходит: пожары, которые легко горят на лугах, окружающих леса, и поджигают влажные опушки лесов, постоянная борьба с обширным ростом лесов в луга. Это взаимодействие на границе между травой и лесом, как обнаружили ученые, создает участки леса, которые сходятся в устойчивой форме.
Результаты модели ученых совпали с наблюдаемыми результатами в реальных лесах Бразилии. И эксперимент, который ученые провели на своей модели, показывает, что судьба участков леса с течением времени - расширяются они или сужаются - определяется их первоначальной формой. Те, у кого компактные формы всех размеров, со временем сходятся к более похожему на осьминога соотношению масштабирования мощности 3/4, в то время как те, у кого худощавая форма и большее отношение периметра к площади, разрушаются, исчезая в пастбищах или фрагментируясь на очень маленькие патчи.
Это означает, что эта связь между периметром леса и его площадью может помочь предсказать стабильность отдельных участков леса. Ученые надеются, что исследование может привести к созданию практических инструментов, которые покажут, насколько сильно участок управляемого леса отклоняется от этой естественной геометрии, что поможет определить его стабильность с течением времени.
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
И новое исследование представляет в более широком региональном масштабе информацию о возможной судьбе бразильских лесов. «Отступая назад и рассматривая макромасштаб - не глядя на форму каждого участка, а вместо этого на состояние всей системы - модель предполагает, что коллапс от леса к пастбищу может быть драматичным», - говорит Эндрю Бердал, научный сотрудник Института Санта-Фе и старший автор исследования.«Эти локальные, мелкомасштабные эффекты - рост по периметру и выгорание краев - могут привести к критическому переходу во всем лесном регионе между состоянием с преобладанием леса и состоянием с преобладанием травы». И как только большие площади леса перейдут на траву, восстановить леса может быть трудно. «Это как сойти с обрыва», - говорит Бердал. «Вы не можете просто отступить назад».
Экологи исторически рассматривали элементы в лесу, чтобы понять его состояние, часто сосредотачиваясь на его растениях и животных, но было мало исследований геометрии лесов и того, какое значение это может иметь. Новое исследование показывает мощную роль огня в формировании тропических лесов Бразилии, «и теперь мы хотели бы посмотреть, сохраняется ли эта закономерность в других частях мира», - говорит Эбер-Дюфрен из UVM, доцент Департамент компьютерных наук и часть Центра сложных систем UVM. «Скажем, в Африке мы обнаруживаем, что слоны, толкающие деревья, меняют уравнение, или засуха в Австралии - это было бы очень интересно. И он хотел бы расширить исследование, чтобы увидеть, верны ли отношения, наблюдаемые в новой модели, основанной на диких лесах, в вырубленных и других управляемых лесах в Бразилии.
«Наш основной принцип заключается в том, что форма леса очень важна, - говорит он, - и что ее форма напрямую связана с его стабильностью».