На протяжении более ста лет распределение деревьев разного размера в лесах было одним из основных атрибутов, регистрируемых лесниками и экологами во всем мире, поскольку его можно использовать для получения многих других структурных характеристик, таких как биомасса и продуктивность. «Мы хотели объяснить эту важную закономерность», — сказала д-р Франциска Тауберт. Работая со своими коллегами из UFZ, доктором Торстеном Вигандом и профессором Андреасом Хутом, а также другими партнерами по исследованиям из Лейпцигского университета прикладных наук (HTWK) и Технологического института Карлсруэ (KIT), они применили теорию случайной упаковки сфер, которая обычно используется в физике или химии. Эта теория описывает, как сферы могут быть размещены в доступном пространстве.
Чтобы применить теорию, ученые случайным образом распределили кроны деревьев разного размера на лесных участках. Этим кронам деревьев не разрешалось перекрывать друг друга — точно так же, как упаковка яблок в ящик. Распределение деревьев, которые были успешно помещены в процесс упаковки, затем использовалось для определения распределения размеров дерева.«Многие модели лесов основаны на динамическом подходе: они учитывают такие процессы, как рост, смертность, восстановление и конкуренцию между деревьями за свет, воду и питательные вещества для почвы», — сказал Тауберт. «Эти модели сложны и требуют больших объемов данных, — добавил Торстен Виганд, — поэтому мы решили использовать радикально другой подход, который в корне проще и основан только на пространственных структурах».
Этот модельный подход доказал свою эффективность, позволив точно воспроизвести наблюдаемые структуры леса, особенно распределение деревьев по размерам. Таким образом, правила стохастической геометрии обогащаются взаимосвязями геометрии деревьев, и полученная система упаковки деревьев сравнивается с данными инвентаризации тропических лесов Панамы и Шри-Ланки.Хотя можно было представить, что тропический лес очень плотно упакован, ученые пришли к удивительному выводу: плотность упаковки крон деревьев, составляющая в среднем от 15 до 20%, удивительно низка. «В частности, верхний и нижний уровни полога менее плотно забиты кронами деревьев», — сказал Тауберт.
Высокая плотность упаковки около 60%, которая также возможна в соответствии со стохастической геометрией, наблюдается только на высоте деревьев от 25 до 40 метров.Выводы, касающиеся распределения крон деревьев, важны, потому что их можно использовать, чтобы сделать выводы, например, о содержании углерода или продуктивности леса. Используя этот подход к моделированию, исследователи также смогли показать, что решающим фактором в формировании распределения размеров деревьев является конкуренция за пространство. «В классических моделях леса, — сказал Андреас Хут, — деревья вместо этого соревнуются за свет или воду и питательные вещества».
Теория открывает несколько новых перспектив. Команда планирует оценить, как модель может быть применена к естественным лесам умеренной и северной зоны. Они считают, что модель может быть использована для выявления нарушенных лесов. «Это представляет особый интерес, потому что это позволит нам разработать индекс возмущения, — сказал Тауберт, — и лучше интерпретировать наблюдения дистанционного зондирования, используя структуру естественных лесов в качестве ориентира». Еще одно преимущество новой теории состоит в том, что эта простая модель упаковки леса требует гораздо меньше усилий, чем классические модели леса.
Новый подход — важный шаг к определению минимального набора процессов, ответственных за создание пространственной структуры естественных лесов.