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复杂的树冠有助于森林从中度干扰中恢复过来

印第安纳州西拉斐特——极端事件摧毁了整个森林,极大地摧毁了复杂的生态系统和当地社区。

多年来,研究人员已经对这种引人注目的事件非常熟悉。然而,他们对更常见的中度严重程度的干扰知之甚少,例如相对较小的火灾、冰暴以及害虫或病原体的爆发。

“由于它们更常见,它们在生态系统中发挥的作用可能比我们以前意识到的要大,” 普渡大学农业学院林业和自然资源以及环境与生态工程副教授Brady Hardiman说。“在任何时候,很大一部分森林景观正在经历或从中度严重程度的干扰中重新生长,这带走了一些树木,但不是全部。森林不是从头开始再生的。

普渡大学研究人员及其合著者在《生态学杂志》上发表的一篇论文确定了中度严重程度的干扰如何在森林冠层结构中留下不同的变化模式。Hardiman和他的同事们基于在新罕布什尔州,马萨诸塞州,弗吉尼亚州和田纳西州国家科学基金会国家生态观测站网络的五个站点收集的激光雷达(光探测和测距)数据。

“这项研究最有趣的发现是,多时相激光雷达数据可以检测到干扰的微妙信号,”该论文的主要作者,普渡大学博士后科学家Dennis Heejoon Choi说。

NEON 大约在 10 年前开始收集数据。在NEON收集的特定森林地点进行重复观测仍然相对较少,尤其是在大陆尺度上。

“NEON是一项大型采样计划,”合著者、德克萨斯大学埃尔帕索分校生物科学助理教授伊丽莎白·拉鲁(Elizabeth LaRue)说。“随着时间的流逝,现在我们有数据来做这样的事情,这是一件大事。

森林冠层结构尺寸包括高度、开放度、密度和复杂度。哈迪曼等人先前的研究已经证明,结构复杂的树冠吸收了更多的光,并且它们的复杂性与重要的生态系统功能有关。这些包括养分循环、为生物体提供庇护所和养分以及生物多样性。

hardiman-canopy弗吉尼亚州山湖生物站的复杂森林树冠示例。该站是美国国家科学基金会国家生态观测站网络的一部分。(照片由美国农业部林务局的杰弗里·阿特金斯提供)
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将古老的森林与圣诞树农场进行比较,可以提供复杂性的简单对比,普渡大学博士校友LaRue指出。农场里的树木,大约在同一时间成排种植,树龄和高度都大致相同。与此同时,古老的森林与不同大小、年龄、物种和形状的树木相比,表现出更多的变化。

“你可以测量可能相当于一块奶酪的东西,”她说。“一块瑞士奶酪会比一块切达干酪更复杂。我们使用的一些指标基本上是衡量你的森林中有多少洞。

研究人员分析了按压和脉搏干扰之间的差异,这些事件与在较长时间内发生的事件相比是离散事件。合著者寻找干扰后冠层结构变化的模式。他们发现,具有更复杂冠层结构的森林似乎能够更好地抵御干扰并从中恢复。

“树冠结构是我们可以通过管理活动进行修改的东西,”哈迪曼说。“管理森林以促进结构复杂性可以使它们更能抵御各种干扰,使我们的森林在这些干扰之后继续生长。”

整理NEON数据是一个计算密集型过程,需要普渡大学罗森高级计算中心的资源该过程包括考虑激光雷达技术的变化和多年来使用的不同传感器配置。具有更强光束的新型激光雷达系统可生成更密集的点云,即代表森林树冠形状的 3D 数据集。 

“我们试图逐年均匀地均匀化点密度,以制定比较指标,”Choi说。他指出,挑战在于平衡新型传感器增强的测量能力与跨时间一致性和可比性的需求。 

这项工作是数字林业研究所努力开发新工具和方法的一部分,这些工具和方法将使研究人员能够更频繁、更详细地测量单棵树,并在全球范围内扩大他们的测量范围。

该研究所将森林生态学家和林务员与计算机科学家和工程师聚集在一起。他们的综合专业知识和观点通过以新的方式思考旧问题并开发允许他们提出新问题的工具,为创新奠定了基础。

这项工作由美国国家科学基金会和美国农业部林务局资助。为《生态学杂志》论文做出贡献的还有普渡大学的 Songlin Fei 和 Bina Thapa;杰夫·阿特金斯(Jeff Atkins),美国农业部林务局;Jane Foster,佛蒙特大学;Jaclyn Hatala Matthes,哈佛森林;和康涅狄格大学的Robert Fahey。

关于 Purdue University

普渡大学是一所规模化卓越的公共研究机构。普渡大学跻身公立大学前 10 名,其中两所学院跻身美国前四名,普渡大学以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习,其中近 50,000 名学生在西拉斐特校区亲自学习。普渡大学的主校区致力于可负担性和可访问性,已连续 13 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停止对下一个巨大飞跃的执着追求——包括其在印第安纳波利斯的第一个综合性城市校区、新的 Mitchell E. Daniels, Jr. 商学院和普渡大学计算中心——在 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives

作家: 史蒂夫·科普斯

媒体联络人: 莫琳·马尼尔(Maureen Manier),[email protected]

来源: 布雷迪·哈迪曼(Brady Hardiman),[email protected] 岁;丹尼斯·崔熙俊(Dennis Heejoon Choi),[email protected] 岁;伊丽莎白·拉鲁(Elizabeth LaRue),[email protected]

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