Новая модель предсказывает максимальную высоту деревьев в США
Знание максимальной высоты деревьев в регионе даёт экологам важную информацию: от потенциальной плотности леса и размера крон до объёма углерода, запасаемого лесами, и общего здоровья экосистемы.
Исследователи из MIT, Университета Мэриленда и Института Санта-Фе разработали простую модель для предсказания максимальной высоты деревьев в разных условиях по всей территории США. Результаты опубликованы в журнале PLoS One.
Как работает модель
Модель использует базовые метеорологические данные:
- Среднегодовая температура
- Количество осадков
- Влажность
- Солнечная радиация
На их основе вычисляется вероятная максимальная высота дерева в данных условиях.
В основе модели лежит понимание механики растений и фрактальной геометрии. Ветви дерева образуют фрактал: если отрезать одну ветвь и увеличить её до размеров дерева, она будет выглядеть как целое дерево. Эта сетевая структура позволяет предсказать, как характеристики меняются с размером.
Сосудистая система и баланс
Дерево описывается как сосудистая «система магистралей» из ксилемы и флоэмы, которая перекачивает воду и питательные вещества от корней к листьям и обратно. Эта скорость потока жидкости — баланс: дерево определённого размера имеет метаболические возможности перекачивать достаточно воды для выживания, не истощая доступные ресурсы (свет, воду).
Исследователи создали уравнения, связывающие скорость потока жидкости, размер дерева и метеорологические факторы для «идеализированного дерева», представляющего усреднённую модель всех видов деревьев в США.
Проверка на реальных данных
Модель использовали для предсказания высоты самых высоких деревьев по всей стране на основе местных метеоданных. Прогнозы сравнили с реальными измерениями Лесной службы США.
Результаты в основном совпали, за исключением двух регионов:
- Аридный Юго-Запад: деревья оказались выше предсказанных. Возможная причина — эволюционная адаптация к суровым условиям.
- Новая Англия: деревья были ниже. Основная причина — история вырубки лесов в регионе, которую модель не учитывала. Молодые леса ещё не восстановились.
Прогноз при изменении климата
Модель применили для прогноза изменения высоты деревьев при глобальном потеплении:
- При повышении температуры на 2 °C средняя высота самых высоких деревьев сократится на 11%.
- При понижении температуры на 2 °C деревья станут выше на 13%.
Планы на будущее
- Использовать данные о максимальной высоте деревьев для экстраполяции высот других, более мелких деревьев в лесу («увидеть лес за деревьями»).
- Адаптировать модель для предсказания потенциальной высоты разных видов деревьев. Текущая модель основана на универсальной структуре «идеализированного дерева».
- Изучить признаки разных видов, чтобы создать модель, предсказывающую распространение видов. Это позволит отделить влияние среды от генетических факторов.