Живые деревья могут сгнить изнутри, оставив только выдолбленный ствол. Древесная гниль на живых деревьях может привести к завышенным оценкам глобальных запасов углерода, потерям древесины в лесном хозяйстве и ухудшению здоровья деревьев. Понимание гниения древесины в лесах вызывает особую озабоченность в тропиках, потому что, по оценкам, тропические леса содержат 96% мирового разнообразия деревьев и около 25% земного углерода, по сравнению с примерно 10% углерода в лесах умеренного пояса.
Но как лесники и исследователи видят живое дерево, чтобы измерить гниение древесины? Они используют звук.
В недавно опубликованной статье в Applications in Plant Sciences группа профессоров, преподавателей и студентов разработала методы использования технологии звуковых волн, называемой звуковой томографией. Их методы были основаны на измерениях более чем 1800 живых деревьев 173 видов тропических лесов в Республике Панама.
«Мы еще не знаем, какое место среди причин гибели деревьев занимает внутреннее разложение и повреждения», - говорит Грег Гилберт, ведущий автор статьи, профессор и заведующий кафедрой экологических исследований Калифорнийского университета., Санта Круз. «Большая часть гнили скрыта - теперь томография позволяет нам увидеть, сколько внешне здоровых деревьев на самом деле сгнило внутри».
Sonic tomography посылает звуковые волны через стволы деревьев. Чем дольше звуковая волна проходит через ствол, тем сильнее гниет древесина. Основываясь на скорости звука, томограф (PiCUS 3 Sonic Tomograph; Argus Electronic GmbH, Росток, Германия) создает цветное изображение поперечного сечения ствола.
Предыдущее использование звуковой томографии в лесном хозяйстве было сосредоточено на измерениях на деревьях «типичной формы» с цилиндрическими стволами. Однако тропические деревья часто имеют большие контрфорсы, неправильную форму ствола и опорные корни, тянущиеся вверх по дереву. Новое исследование описывает оптимальное размещение датчиков, чтобы избежать искажения результатов томографии для немодельных форм деревьев, населяющих тропики, и подробно описывает, как анализировать томограммы для количественного определения участков гниющей и поврежденной древесины.
Методы звуковой томографии были разработаны и испытаны в ходе международного полевого курса для старшеклассников, колледжей и аспирантов в Республике Панама, финансируемого Национальным научным фондом. Гилберт и его коллеги привлекли студентов и их учителей к полевым работам и использовали обучение на основе запросов для обучения молекулярным и полевым подходам к экологии, а также для содействия международному развитию экологических исследований. Гилберт комментирует: «Это было захватывающее погружение с удивительными людьми из разных слоев общества в грязную часть занятий наукой - выяснение того, как лучше всего делать то, что вам нужно, чтобы ответить на сложные вопросы». Все участники семинара внесли свой вклад в сбор и анализ данных звуковой томографии для статьи.
Грибы вызывают гниение древесины, проникая в ствол дерева и разлагая древесину изнутри наружу, высвобождая углерод обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Гилберт объясняет, что без надежного метода обнаружения отсутствующей древесины вы не сможете понять, как деревья вносят свой вклад в повышение глобального уровня атмосферного углерода или сдерживают его, или как внешне здоровые леса и виды деревьев реагируют на изменения климата.
Исследование Гилберта о гниении древесины строится на крупном исследовании того, как патогены и болезни контролируют распространенность тропических видов деревьев. «Гипотеза состоит в том, что виды, которые более восприимчивы к грибкам сердечной гнили, обычно остаются редкими в лесу, и только те виды, которые устойчивы, станут обычными», - говорит Гилберт. Он и его коллеги измеряют и отслеживают тропические деревья в Смитсоновском институте тропических исследований, на территории долговременной глобальной обсерватории Земли (ForestGEO) на острове Барро-Колорадо в Панамском канале..
В будущем будет продолжена проверка технологии звуковой томографии для систем тропических деревьев с использованием срубленных или уже мертвых деревьев. Тропические деревья очень разнообразны как по форме, так и по функциям, и поэтому они потенциально различаются в своих методологических требованиях к звуковой томографии. Например, этот метод не работает с видами пальм или любых видов деревьев, которые используют внутренние ткани для хранения воды.
Городское лесное хозяйство также выигрывает от звуковой томографии. Гилберт и его коллеги из Смитсоновского института тропических исследований сотрудничают с Панама-Сити, чтобы использовать томографию для оценки рисков для здоровья и имущества городских деревьев Панамы, которые могут сгнить и стать уязвимыми для разрушения при сильном ветре и сильных осадках.