Тропические леса по всему миру играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле и служат пристанищем для более половины видов во всем мире. Однако рост землепользования за последние десятилетия привел к беспрецедентным потерям тропических лесов. Ученые Центра экологических исследований им. Гельмгольца (UFZ) адаптировали метод из физики для математического описания фрагментации тропических лесов. В научном журнале Nature они объясняют, как это позволяет моделировать и понимать фрагментацию лесов в глобальном масштабе. Они обнаружили, что фрагментация лесов на всех трех континентах близка к критической точке, после которой количество фрагментов резко возрастет. Это будет иметь серьезные последствия для биоразнообразия и накопления углерода.
Чтобы проанализировать глобальные закономерности фрагментации лесов, исследовательская группа UFZ под руководством профессора Андреаса Хута использовала данные дистанционного зондирования, которые количественно определяют лесной покров в тропиках с чрезвычайно высоким разрешением 30 метров, в результате чего было получено более 130 миллионов фрагментов леса. К своему удивлению, они обнаружили, что размеры фрагментов на всех трех континентах соответствуют одинаковым частотным распределениям. Например, количество лесных участков площадью менее 10 тыс. га примерно одинаково во всех трех регионах: 11,2% в Центральной и Южной Америке, 9,9% в Африке и 9,2% в Юго-Восточной Азии. «Это удивительно, потому что землепользование заметно отличается от континента к континенту», - говорит доктор Франциска Тауберт, математик из команды Хута и первый автор исследования. Например, очень большие площади лесов превращаются в сельскохозяйственные угодья в районе Амазонки. Напротив, в лесах Юго-Восточной Азии часто из леса берут экономически привлекательные породы деревьев.
В поисках объяснений одинаковых закономерностей фрагментации моделисты UFZ нашли ответ в физике. «Распределение размеров фрагментов следует степенному закону с почти одинаковыми показателями на всех трех континентах», - говорит биофизик Андреас Хут. Такие степенные законы известны из других природных явлений, таких как лесные пожары, оползни и землетрясения. Прорывом в их исследованиях является возможность вывести наблюдаемые степенные законы из теории перколяции. «Эта теория утверждает, что на определенной фазе обезлесения лесной ландшафт демонстрирует фрактальные, самоподобные структуры, то есть структуры, которые можно снова и снова обнаруживать на разных уровнях», - объясняет Хут. «В физике это также называется критической точкой или фазовым переходом, который, например, также происходит при переходе воды из жидкого состояния в газообразное», - добавил соавтор доктор Торстен Виганд из UFZ. Особенно интересным аспектом теории перколяции является то, что это универсальное распределение по размерам в критической точке не зависит от мелкомасштабных механизмов, которые привели к фрагментации. Это объясняет, почему все три континента демонстрируют схожие модели крупномасштабной фрагментации.
Команда UFZ сравнила данные дистанционного зондирования трех тематических регионов с несколькими предсказаниями теории перколяции. В подтверждение своей гипотезы они нашли совпадение не только по распределению фрагментов по размерам, но и по двум другим важным показателям - фрактальной размерности и распределению длин ребер фрагментов. «Эта физическая теория позволяет нам описать процессы обезлесения в тропиках», - заключает доктор Рико Фишер, соавтор исследования. И это еще не все: этот подход также можно использовать для прогнозирования того, как будет развиваться фрагментация тропических лесов в ближайшие десятилетия. «Особенно вблизи критической точки следует ожидать драматических эффектов даже в случае относительно незначительной вырубки лесов», - добавляет Тауберт.
Используя сценарии, предполагающие разную скорость вырубки и лесовосстановления, ученые смоделировали, сколько фрагментов леса можно ожидать к 2050 году. Например, если вырубка лесов в тропиках Центральной и Южной Америки продолжится нынешними темпами, то количество фрагментов возрастет в 33 раза, а их средний размер уменьшится с 17 га до 0,25 га. Тенденцию фрагментации можно остановить только за счет замедления вырубки лесов и лесовосстановления на большей площади, чем вырубка лесов, что в настоящее время является маловероятным вариантом. Будущие спутниковые миссии, такие как «Тандем-Л», имеют большое значение для своевременного и надежного обнаружения этих тенденций.
Расширенная фрагментация тропических лесов будет иметь серьезные последствия для биоразнообразия и накопления углерода. С одной стороны, страдает биоразнообразие, поскольку многочисленные редкие виды животных обитают на больших участках леса. Например, ягуару для выживания требуется около 10 000 гектаров непрерывного леса. С другой стороны, усиливающаяся фрагментация лесов также оказывает негативное влияние на климат. Весной прошлого года группа ученых UFZ под руководством Андреаса Хута описала в журнале Nature Communications, что фрагментация когда-то соединенных тропических лесов может увеличить выбросы углерода во всем мире еще на треть, поскольку многие деревья умирают, а на опушках остается меньше углекислого газа. фрагменты.