En utilisant des modèles d'emballage de la sphère d'expliquer la structure des forêts
Expliquer la structure complexe des forêts tropicales est l'un des grands défis de l'écologie. Une question d'intérêt particulier est la distribution des tailles différentes d'arbres, quelque chose qui est d'une importance particulière pour les estimations de la biomasse. Une équipe de modélisateurs du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ), en collaboration avec des partenaires de recherche, a développé une nouvelle méthode qui peut être utilisée pour expliquer la distribution de la taille des arbres dans les forêts naturelles. Pour ce faire, les scientifiques utilisent des principes de la géométrie stochastique, comme ils l'ont indiqué dans une contribution aux Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique (PNAS, Early Edition). En utilisant cette approche, il est possible d'évaluer la structure des forêts naturelles à travers le monde plus rapidement, et de produire des estimations de la biomasse plus précises.
Pour plus de cent ans, la répartition des différentes tailles des arbres dans les forêts a été l'un des attributs de base enregistrées par les forestiers et les écologistes du monde entier, car il peut être utilisé pour produire de nombreuses autres caractéristiques structurelles, telles que la biomasse et de la productivité. «Nous voulions expliquer cette tendance importante," a déclaré le Dr Franziska Taubert. Travailler avec ses collègues UFZ Dr Thorsten Wiegand et le professeur Andreas Huth, et d'autres partenaires de recherche à l'Université de Leipzig des Sciences Appliquées (HTWK) et l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), ils ont appliqué la théorie de l'empilement compact stochastique, qui est habituellement utilisé en physique ou en chimie. Cette théorie explique comment les sphères peuvent être placées dans un espace disponible. Pour appliquer la théorie, les scientifiques répartis au hasard couronnent d'arbres de différentes tailles dans les zones forestières. Ces couronnes d'arbres ne sont pas autorisés à se chevaucher, - tout comme l'emballage des pommes dans une boîte. La distribution des arbres qui ont été placés avec succès dans le processus d'emballage est ensuite utilisée pour déterminer la distribution de taille de l'arbre.
"Beaucoup de modèles forestiers sont basés sur une approche dynamique: ils prennent en considération les processus tels que la croissance, la mortalité, la régénération et la concurrence entre les arbres pour les éléments nutritifs lumière, l'eau et le sol", a déclaré Taubert. «Ces modèles sont complexes et les données-faim", a ajouté Thorsten Wiegand, "alors nous avons décidé d'adopter une approche radicalement différente, qui est fondamentalement simple et seulement sur la base de structures spatiales." Cette approche de modèle a prouvé son efficacité en permettant à structures forestières observées, notamment la distribution de la taille des arbres, pour être fidèlement reproduites. Les règles de la géométrie stochastique sont ainsi enrichies par les relations de la géométrie de l'arbre, et le système de conditionnement de l'arbre obtenu est comparé aux données d'inventaire des forêts tropicales au Panama et au Sri Lanka.
Bien que l'on puisse imaginer qu'une forêt tropicale est très serrée, les scientifiques sont venus à une conclusion surprenante: la densité de tassement de la cime des arbres, qui est en moyenne de 15 à 20%, est étonnamment faible. "En particulier, les niveaux de la canopée supérieure et inférieure sont moins serrés avec des couronnes d'arbres», a déclaré Taubert. Densités d'emballage élevées de l'ordre de 60%, qui sont également possible selon la géométrie stochastique, ne se produisent à la hauteur des arbres entre 25 et 40 mètres.
Les résultats concernant la distribution des couronnes d'arbres sont importants, car ils peuvent être utilisés pour tirer des conclusions sur, par exemple, la teneur en carbone ou la productivité d'une forêt. En utilisant cette approche de modélisation, les chercheurs ont également pu montrer que le facteur décisif dans la formation de la distribution de la taille des arbres est la concurrence pour l'espace. "Dans les modèles classiques de la forêt», a déclaré Andreas Huth, "les arbres à la place concurrence pour la lumière, ou de l'eau et des nutriments."
La théorie ouvre plusieurs nouvelles perspectives. L'équipe prévoit d'évaluer la manière dont le modèle peut être appliqué aux forêts naturelles dans la zone tempérée et boréale. Ils croient que le modèle peut être utilisé pour identifier les forêts perturbées. "Cela est d'un intérêt particulier car il va nous permettre de développer un indice de troubles", a déclaré Taubert, "et de mieux interpréter les observations de télédétection en utilisant la structure des forêts naturelles comme une référence." Un autre avantage de la nouvelle théorie est que ce modèle d'emballage forestière simple, prend beaucoup moins d'effort que les modèles classiques de la forêt. La nouvelle approche est une étape importante vers l'identification d'un ensemble minimal de processus responsables de la génération de la structure spatiale des forêts naturelles.