В масштабном исследовании выяснилось, что виды деревьев в тропических и умеренных лесах демонстрируют контрастные стратегии сосуществования из-за различий в моделях скопления деревьев и распространенности видов деревьев. Свою роли сыграли и подземные микоризные сети.
Особенности того, как виды деревьев сосуществуют в лесах, является предметом дебатов в экологии. Этот вопрос является ключевым для понимания механизмов, управляющих динамикой и устойчивостью лесов.
Международная группа ученых во главе с Центром исследований окружающей среды имени Гельмгольца (UFZ) обнаружила неожиданные закономерности в пространственном распределении видов деревьев, о чем сообщается в журнале Nature.
Наборы данных очень велики: сеть Forest Global Earth Observatory (ForestGEO) Смитсоновского института тропических исследований (STRI) располагает более чем 75 постоянными участками динамики лесов в 29 странах мира и предоставляет превосходные лесные инвентаризации для изучения динамики лесных экосистем и лучшего понимания процессов, определяющих структуру и функционирование лесов.
На этих участках площадью от 20 до 50 гектаров каждое дерево диаметром не больше карандаша идентифицировалось, измерялось и наносилось на карту каждые пять лет, и часто общее количество деревьев превышало 200 000.
Два исследователя UFZ, доктор Торстен Виганд и профессор доктор Андреас Хут, более подробно рассмотрели 21 из этих лесных мегаучастков, которые охватывают градиент от тропических до субтропических и умеренных зон. Затем их международная команда использовала данные ForestGEO для анализа распределения видов деревьев в лесах и того, какие процессы отвечают за их пространственные закономерности.
«Поиск простых принципов, лежащих в основе пространственной структуры и динамики растительных сообществ, является давней проблемой теоретической экологии», - говорит первый автор Виганд, описывая тему своего исследования.
Для своего анализа исследовательская группа изучила все отдельные деревья диаметром на высоте груди не менее 10 см, которые встречаются в лесах. «Чем ближе лесной участок был расположен к экватору, тем меньше вероятность того, что рядом с деревьями редких видов росло дерево того же вида», - говорит Хут.
В умеренных лесах, напротив, они обнаружили лишь незначительные различия между обычными и редкими видами. Это приводит к неожиданным и систематическим изменениям в пространственных моделях от тропиков через субтропики до умеренных широт. Это интригующее открытие сразу же подняло два вопроса: какие последствия эти изменения имеют для сосуществования видов деревьев и какие процессы их вызывают?
Чтобы найти ответы на эти вопросы, исследователи использовали информацию о механизмах распространения различных видов. «Примерно 70–80 % видов деревьев в тропиках распространяются животными, но в лесах умеренного пояса их гораздо меньше», - говорит Виганд.
Другим важным фактором являются микоризные грибы. Эта сеть грибов образует симбиотические отношения с тонкими корнями деревьев, принося пользу обоим организмам: грибы снабжают деревья питательными веществами и водой, получая взамен глюкозу.
«В лесах умеренного климата микориза обычно защищает корни молодых деревьев по соседству с крупными представителями своего вида от патогенов или насекомых-вредителей. В тропических лесах, с другой стороны, это в основном не так. Вот почему семена в тропиках должны быть гарантированно распространены вдали от родительских деревьев, и эту работу в основном выполняют животные», - объясняет исследователь UFZ доктор Сэмюэл М. Фишер, который также принимал участие в научной работе.
Вывод: «В тропических лесах такие механизмы, как распространение семян животными, приводят к наблюдаемым закономерностям, тогда как в лесах умеренного климата закономерности формируются микоризными грибами», - говорит Виганд.
Чтобы лучше понять последствия наблюдаемых пространственных закономерностей для сосуществования видов, исследователи UFZ использовали пространственно-явные симуляции и новую математическую теорию. «Мы хотели узнать, при каких обстоятельствах виды деревьев смогут сосуществовать», - говорит Хут.
Стабильное сосуществование обычно требует, чтобы виды, которые стали редкими, могли снова увеличиться в численности. Основываясь на математических моделях динамики лесов, исследователи UFZ разработали новую формулу для описания скорости роста популяции при низкой численности. Ключевым элементом их формулы является фактор риска, который объединяет несколько влияющих факторов.
Результат: чем более распространен вид в настоящее время и чем больше у него соседей того же вида, тем меньше фактор риска и тем выше вероятность того, что вид может сосуществовать. Виды в умеренных лесах, как правило, имеют низкий фактор риска. Однако факторы риска часто выше в тропических лесах, но формула включает дополнительные факторы, которые компенсируют этот недостаток, такие как особые пространственные закономерности, создаваемые распространением семян животных.
«В целом оказалось, что виды в тропических и умеренных лесах демонстрируют оптимальные, но контрастные пространственные структуры, каждая из которых способствует сосуществованию», - заключает Виганд.
Этот недавно обнаруженный пространственный механизм теперь обеспечивает отправную точку для дальнейших исследований. Виганд и Хут хотят разработать более общую теорию для понимания пространственной динамики и стабильности лесов, богатых видами, в рамках своего исследования: «Мы хотим существенно расширить наши методы и анализы, например, принимая во внимание размер деревьев, иммиграцию видов и более подробные характеристики видов, а также используя данные дистанционного зондирования».
Источник: Helmholtz Association of German Research Centres.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.