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Mit Kugelpackungen die Waldstruktur erkennen

26.11.2015

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. Forscher des UFZ haben nun gemeinsam mit Partnern 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.


Visualisierung dicht gepackter Baumkronen in einem ungestörten Tropenwald zur Untersuchung der Waldstruktur. Baumkronen unterschiedlicher Größe werden als Kugeln dargestellt.

André Künzelmann, UFZ

„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 Wälder 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).

Weitere Informationen:
Dr. Franziska Taubert,
UFZ-Department Ökologische Systemanalyse,
Phone: +49 341 235-1896,
franziska.taubert@ufz.de,

Prof. Dr. Andreas Huth,
Leiter UFZ-Department Ökologische Systemanalyse,
Phone: +49 341 235-1719
andreas.huth@ufz.de

Weitere Informationen:

http://www.ufz.de/index.php?de=36792

Susanne Hufe | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

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