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Mit
Kugelpackungen die Waldstruktur erkennen
Neuer
Modellierungsansatz erklärt die Größenverteilung von Bäumen in natürlichen
Wäldern
Die komplexe Struktur tropischer Regenwälder zu erklären,
ist eine der großen Herausforderungen der Ökologie. Von großem Interesse
ist die Größenverteilung der Bäume, die für Biomasseschätzungen besonders
relevant ist. Ein Team von Modellierern des Helmholz-Zentrums für
Umweltforschung (UFZ) hat nun gemeinsam mit Forschungspartnern eine neue
Methode entwickelt, mit der sich die Größenverteilung von Bäumen in
natürlichen Wäldern erklären lässt. Die Wissenschaftler nutzen dafür
Prinzipien der stochastischen Geometrie, schreiben sie in einem Beitrag in
den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS, Early Edition).
Mit dem Ansatz könnten die Struktur natürlicher Wälder weltweit schneller
erfasst und bessere Biomasseschätzungen vorgenommen werden.
Seit
über einhundert Jahren ist die Größenverteilung der Bäume im Wald eine der
zentralen Größen, die Förster und Ökologen weltweit erfassen, da sich
daraus viele weitere Strukturmerkmale wie etwa Biomasse und Produktivität
ableiten lassen. "Dieses wichtige Muster der Größenverteilung wollten
wir erklären", sagt Dr. Franziska Taubert. Gemeinsam mit ihren
UFZ-Kollegen Dr. Thorsten Wiegand und Prof. Andreas Huth sowie weiteren
Partnern der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK)
und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat sie sich hierbei die
Theorie der stochastischen Kugelpackungen zu Nutze gemacht, die ansonsten
eher in der Physik oder Chemie eingesetzt wird. Sie beschreibt, wie Kugeln
in einem zur Verfügung stehenden Raum positioniert werden können. Die
Wissenschaftler verteilten dazu in Waldgebieten zufällig Baumkronen
unterschiedlicher Größe, die sich jedoch nicht überlappen dürfen - ähnlich
wie man Äpfel in eine Kiste packen würde. Aus der Verteilung derjenigen
Baumkronen, die bei der Packung einen Platz gefunden haben, ergibt sich
letztlich die Baumgrößenverteilung eines Waldes.
"Viele
Waldmodelle basieren auf einem dynamischen Ansatz, das heißt sie
berücksichtigen Prozesse wie Wachstum, Absterben, Regeneration und die
Konkurrenz von Bäumen um Licht, Wasser und Bodennährstoffe", sagt
Taubert. "Da diese Modelle komplex und datenhungrig sind", fügt
Thorsten Wiegand hinzu, "haben wir uns für einen radikal anderen und
wesentlich einfacheren Ansatz entschieden, der nur auf räumlichen
Strukturen basiert". Der einfache Modellansatz überzeugte, weil beobachtete
Waldstrukturen, insbesondere die Baumgrößenverteilung, genau wiedergegeben
werden konnten.
Die
Forscher nutzten für die Waldmodellierung vergleichsweise einfache
Parameter und verwenden Daten aus Waldinventuren, wie etwa den
Stammdurchmesser einzelner Bäume, die für Untersuchungsgebiete in Sri Lanka
und Panama bestens bekannt sind und aus denen sich Stammhöhe und Umfang der
Baumkronen berechnen lassen.
Obwohl man sich einen Tropenwald als sehr dicht gepackt vorstellt, kamen
die Wissenschaftler zu einem überraschenden Ergebnis: Die Packungsdichte
der Baumkronen ist mit 15 bis 20 Prozent im Mittel erstaunlich niedrig.
"Vor allem die oberen und niedrigen Höhen sind weniger dicht mit
Baumkronen gepackt", sagt Taubert. Hohe Packungsdichten von rund 60 Prozent,
die von der stochastischen Geometrie theoretisch vorhergesagt werden,
treten nur in Höhen zwischen 25 und 40 Metern auf.
Die
Befunde zur Verteilung der Baumkronen sind bedeutend, weil sich daraus
wichtige Aussagen ableiten lassen - etwa zum Kohlenstoffgehalt, zur
Biomasse oder zur Produktivität des untersuchten Waldareals. Mit der
Modellierung konnten die Forscher obendrein zeigen, dass der entscheidende
Faktor bei der Größenverteilung der Bäume im Wald vorrangig die Konkurrenz
um den Raum ist. "In klassischen Waldmodellen", sagt Andreas
Huth, "konkurrieren die Bäume eher um Licht oder um Wasser und
Nährstoffe".
Für die
UFZ-Forscher sind die Erkenntnisse aus der neuen Theorie aber erst der
Anfang. Testen wollen sie künftig, ob sich das Modell auf weitere
natürliche Wälder oder auch auf Wäldern der borealen oder gemäßigten Zone
wie etwa in Deutschland anwenden lässt. Zudem werden sie der Frage
nachgehen, ob das Modell auch helfen kann gestresste und gestörte Wälder zu
erkennen. "Das wäre interessant, weil man damit einen Störungsindex
entwickeln könnte", sagt Taubert. Nützlich wäre das für
Fernerkundungsmessungen, mit denen man den Störungsgrad von Wäldern im
Verhältnis zwischen natürlichen und gestörten Wäldern bestimmen könnte. Zum
Tragen käme dabei ein weiterer Vorteil der neuen Theorie: Die
Modellberechnungen und die Beschaffung der Daten sind deutlich weniger
aufwendig als bei dynamischen Waldmodellen, für die zusätzliche Parameter
für Prozesse wie Photosynthese, Baumwachstum oder Wasser- und Stickstoffaufnahme
beschafft werden müssen
.
Publikation:
Franziska Taubert, Markus Wilhelm Jahn, Hans-Jürgen Dobner, Thorsten
Wiegand and Andreas Huth: "The structure of tropical forests and
sphere packings". Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America (PNAS). http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1513417112
Beteiligte
Institutionen:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Hochschule für Technik, Wirtschaft
und Kultur Leipzig (HTWK), Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
Deutsches Zentrum für Integrative Biodiversitätsforschung (iDiv)
Halle-Jena-Leipzig, Universität Osnabrück.
Die
Studie wurde unterstützt vom Advanced Grant des Europäischen Forschungsrates
(ERC).
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Visualisierung dicht gepackter Baumkronen in einem
ungestörten Tropenwald zur Untersuchung der Waldstruktur. Baumkronen
unterschiedlicher Größe werden als Kugeln dargestellt.
Foto: André Künzelmann, UFZ
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Ansprechpartner
Dr. Franziska Taubert
UFZ-Department Ökologische Systemanalyse
Telefon: +49 341 235-1896
franziska.taubert@ufz.de
Prof. Dr. Andreas Huth
Leiter UFZ-Department Ökologische Systemanalyse
Telefon: +49 341 235-1719
andreas.huth@ufz.de
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Anschrift
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
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www.ufz.de
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Im Helmholtz-Zentrum
für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der
Umwelt. Sie befassen sich mit Wasserressourcen, biologischer Vielfalt, den
Folgen des Klimawandels und Anpassungsmöglichkeiten, Umwelt- und Biotechnologien,
Bioenergie, dem Verhalten von Chemikalien in der Umwelt, ihrer Wirkung auf
die Gesundheit, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen.
Ihr Leitmotiv: Unsere Forschung dient der nachhaltigen Nutzung natürlicher
Ressourcen und hilft, diese Lebensgrundlagen unter dem Einfluss des globalen
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Leipzig, Halle und Magdeburg mehr als 1.100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter.
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Die Helmholtz-Gemeinschaft
leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft,
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Mitarbeitern in 18 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 4
Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre
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