Tropische bossen worden wel de longen van de planeet genoemd. Ze nemen enorme hoeveelheden koolstofdioxide op, de grootste diversiteit aan planten en dieren ter wereld te hebben, en biedt werk aan miljoenen mensen. En deze hete ecosystemen - vaak een lappendeken van bomen en graslanden - worden ingrijpend veranderd door houtkap en andere veranderingen in landgebruik.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers heeft een fundamentele ontdekking gedaan over hoe branden aan de randen van deze bossen hun vorm en stabiliteit beheersen. Hun studie impliceert dat wanneer stukken tropisch bos hun natuurlijke vorm verliezen, dit zou kunnen bijdragen aan de plotselinge, zelfs catastrofaal, transformatie van dat land van bomen naar gras.

De nieuwe kennis zou kunnen helpen tropische bossen te beschermen - en landbeheerders in staat stellen nieuwe instrumenten te bouwen om de stabiliteit van zowel individuele bosgebieden als grotere bossen op regionale schaal te voorspellen.

De studie werd op 26 maart gepubliceerd in het tijdschrift Ecologie Brieven .

Wet van het bos

Met behulp van satellietgegevens met hoge resolutie van beschermde bossen in het savannegebied van de Braziliaanse Cerrado, de wetenschappers ontdekten dat de vorm van deze natuurlijke bossen een voorspelbare wiskundige relatie volgt tussen de omtrek van een bos en het gebied - ongeacht het klimaatgebied of de grootte ervan. Ze noemen dit een "3/4 machtswet" en het betekent ruwweg dat de bossen allemaal neigen naar vormen die niet dun zijn als een lijn, noch rond en glad als een cirkel. "Als een bos gemakkelijk in alle richtingen zou kunnen groeien, we zouden een cirkel verwachten, " zegt Laurent Hébert-Dufresne, een computerwetenschapper aan de Universiteit van Vermont die de hoofdauteur is van de nieuwe studie, "maar wat we eigenlijk zien is meer dendritisch, een beetje zoals een octopus of een misvormde cirkel."

Het team van zes wetenschappers, waaronder modelbouwers, ecologen en natuurkundigen van UVM, het Santa Fe-instituut, Stanford, De Universiteit van Boston, Princeton, en de Universiteit van Washington - laten zien dat de 3/4-wet geldt voor kleine bosfragmenten die niet veel groter zijn dan een basketbalveld tot grote bospercelen die tientallen vierkante kilometers beslaan.

De wetenschappers combineerden hun kennis van gegevens uit de echte wereld met de resultaten van een nieuw computermodel om te verklaren waarom dit gebeurt:branden, die gemakkelijk verbranden in de graslanden die de bossen omringen - en de natte randen van de bossen schroeien - zijn constant in gevecht met de uitgestrekte groei van de bossen tot graslanden. Dit samenspel op de grens tussen gras en bos, ontdekten de wetenschappers, creëert bosplekken die samenkomen in een stabiele vorm.

De resultaten van het model van de wetenschappers kwamen overeen met de waargenomen resultaten van echte bossen in Brazilië. En een experiment dat de wetenschappers op hun model uitvoerden, laat zien dat het lot van bospercelen in de loop van de tijd - of ze nu uitzetten of inkrimpen - wordt bepaald door hun oorspronkelijke vorm. Die met compacte vormen in alle maten, overuren, convergeren naar de meer octopus-achtige 3/4-power-scaling relatie, terwijl die met magere vormen en grotere omtrek-tot-oppervlakteverhoudingen instortten, verdwijnen in graslanden of versnipperen in zeer kleine stukjes.

Wat betekent dat deze relatie tussen de omtrek van een bos en het gebied kan helpen bij het voorspellen van de stabiliteit van individuele bosgebieden. De wetenschappers zijn optimistisch dat het onderzoek kan leiden tot praktische hulpmiddelen die aantonen hoe ver een beheerd bosgebied afwijkt van deze natuurlijke geometrie, en zal helpen om de stabiliteit ervan in de loop van de tijd te bepalen.

Staatsverandering

En het nieuwe onderzoek presenteert inzichten op een grotere, regionale schaal naar het mogelijke lot van de Braziliaanse bossen. "Een stap terug doen en rekening houden met de macroschaal - niet kijken naar de vorm van elke patch, maar, in plaats daarvan, bij de toestand van het hele systeem - het model suggereert dat de ineenstorting van bos naar grasland dramatisch kan zijn, " zegt Andrew Berdahl, een onderzoeker aan het Santa Fe Institute en de senior auteur van de studie. "Deze lokale, kleinschalige effecten - perimetergroei en randverbranding - kunnen leiden tot een kritieke overgang in een heel bosgebied tussen een door bossen gedomineerde staat en een door gras gedomineerde staat." En zodra grote bosgebieden overschakelen op gras, kan het moeilijk om de bossen te herstellen. "Het is alsof je van een klif stapt, "zegt Berdahl. "Je kunt niet zomaar een stap terug doen."

Ecologen hebben in het verleden naar de elementen in een bos gekeken om de toestand ervan te begrijpen - vaak gericht op de planten en dieren - maar er is weinig onderzoek gedaan naar de geometrie van bossen en hoe dit ertoe zou kunnen doen. De nieuwe studie toont een krachtige rol aan voor vuur dat de vorm van de tropische bossen van Brazilië aanstuurt, "en we willen nu zien of dit patroon ook in andere delen van de wereld geldt, " zegt UVM's Hébert-Dufresne, een assistent-professor bij de afdeling Computerwetenschappen en onderdeel van UVM's Complex Systems Center. "Stel dat we in Afrika ontdekken dat olifanten die over bomen duwen de vergelijking veranderen, of droogte in Australië - dat zou heel interessant zijn." En hij zou het onderzoek graag uitbreiden om te zien of de relatie die wordt waargenomen in het nieuwe model - afgeleid van wilde bossen - waar is in gekapte en andere beheerde bossen in Brazilië.

"Ons fundamentele punt is echter dat de vorm van een bos erg belangrijk is, " hij zegt, "en dat zijn vorm direct verband houdt met zijn stabiliteit."