Исследователи из Принстонского университета, возможно, наконец нашли решение этой экологической загадки. В исследовании, опубликованном в Proceeding of the National Academy of Sciences, исследователи используют математические уравнения, чтобы показать, что физиологических различий между деревьями и травой достаточно, чтобы объяснить любопытный феномен.Исследователи обнаружили, что в очень влажных условиях травы имеют преимущество, потому что они могут быстро поглощать воду и поддерживать высокий уровень фотосинтеза — процесса, с помощью которого растения превращают солнечный свет в энергию. Деревья с их более жесткими листьями и корнями могут лучше выжить в засушливые периоды из-за их способности противостоять водному стрессу.
Но это является недостатком для деревьев в периоды интенсивных дождей, поскольку они сравнительно менее эффективны в использовании недавно обильного количества воды.«Простой способ представить себе это — представить осадки как годовой доход», — сказал первый автор Сянтао Сюй, аспирант лаборатории второго автора Дэвида Медвиги, доцента принстонских наук о Земле. «Деревья и травы соревнуются за количество денег, которые саванна получает каждый год, и имеет значение, как они используют свои средства».
Сюй объяснил, что когда «берег» полон дождя, трава, из которой строятся относительно дешевые постройки, процветает. При недостатке дождя деревья страдают меньше, чем трава, и поэтому побеждают.Проблема в том, что несколько громких газет за последнее десятилетие предсказывали, что периоды интенсивных дождей станут более частыми по всему миру, особенно в тропических районах, сказал Сюй. Принстонское исследование предполагает, что эти глобальные климатические изменения в конечном итоге приведут к сокращению количества деревьев в саваннах.
«Поскольку саванна занимает большую территорию, которая является домом для множества диких животных и домашнего скота, это повлияет на многих людей, живущих в этих районах», — сказал Сюй. «Важно понять, как биом изменится при глобальном изменении климата».В исследовании подчеркивается важность понимания характера и интенсивности осадков, а не только общего годового количества осадков, на чем сосредоточено большинство исследований в этой области, сказал Сюй.
Через 50 лет в регионе может по-прежнему выпадать такое же общее количество осадков. Однако если интенсивность изменится, это повлияет на изобилие травы и деревьев. Это, в свою очередь, повлияет на травоядных, которые питаются ими, и других животных в биоме — по сути, затрагивая всю экосистему.Сюй, Медвиги и соавтор Игнасио Родригес-Итурбе, заслуженный профессор гражданской и экологической инженерии Джеймса С. Макдоннелла из Принстонского университета, создали числовую модель, имитирующую реальные механистические функции деревьев и трав.
Они составили уравнения того, как оба растения фотосинтезируют, поглощают воду и даже крадут воду друг у друга. Эти уравнения были объединены с генератором случайных осадков на основе параметров дождя, полученных в результате полевых наблюдений в саванне.Эта конфигурация позволила команде наблюдать, как растения будут реагировать на различные климатические условия. В прошлых исследованиях саванны учитывались только годовые или ежемесячные осадки, но понимание того, как осадки распределяются в различных областях в суточном масштабе, имеет решающее значение для саванны, сказал Сюй.
Интенсивность ежедневных осадков определяет, кто победит в соревновании между травами и деревьями за конечный ресурс воды.«Мы поместили в модель реалистичные схемы осадков, затем сгенерировали соответствующее количество травы или деревьев и сравнили численные результаты с реальными наблюдениями», — сказал Сюй.Затем исследователи протестировали модель, используя полевые измерения в хорошо изученной саванне в Нилсвли, Южная Африка, и девяти других участках вдоль трансекта Калахари, который является своего рода границей атмосферной и климатической активности на юге Африки.
Исследователи также использовали данные дистанционного зондирования по всему континенту. Для каждого участка модель точно предсказала количество деревьев, которое наблюдали исследователи.Габи Катул, профессор гидрологии и микрометеорологии в Университете Дьюка, сказала, что исследования в Принстоне делают очевидным местный эффект изменения количества осадков на доминирование растений и состав экосистемы.«Эта работа предлагает доказательства того, как изменения в количестве осадков влияют на взаимодействие дерева и травы, потому что колебания количества осадков велики», — сказал Катул, не участвовавший в исследовании. «Этот подход может быть использован не только для« диагностики »текущего состояния, в котором преобладают вариации характера осадков, но и для« прогноза »того, что может произойти в будущем».
Вывод исследователей о том, что травы побеждают в периоды интенсивных дождей, отвергает давнюю теорию разделения корней и ниш, сказал Сюй, которая предсказывает, что деревья будут вытеснять траву при интенсивных дождях, когда почва станет насыщенной, потому что их тяжелые корни проникают глубже. земля.«Эта гипотеза игнорирует тот факт, что травы и деревья имеют разные способности поглощать и использовать воду», — сказал Сюй. «И это одна из самых важных частей того, что мы обнаружили. Травы более эффективно поглощают воду, поэтому в случае сильных дождей трава побеждает».
Сюй сказал, что будет трудно предсказать, окажут ли изменения в распределении травы и деревьев положительное или отрицательное влияние на саванну. Но он сказал, что больше травы означает больше поддержки для коров, лошадей и других травоядных.
С другой стороны, меньшее количество деревьев означает, что из атмосферы удаляется меньше углекислого газа и теряется среда обитания для птиц и других животных, которые полагаются на деревья.Однако модель предлагает отправную точку для более эффективных политик и решений, чтобы помочь сообществам адаптироваться к будущим изменениям. «Это как с погодой», — сказал Сюй. «Если вы не читаете прогноз погоды, вы должны брать то, что дает вам природа.
Но если вы заранее знаете, что завтра будет дождь, вы должны взять с собой зонтик».