Måling af træer med lydens hastighed

Levende træer kan rådne indefra og ud, efterlader kun en udhulet stamme. Træråd i levende træer kan forårsage overvurderinger af globale kulstofpuljer, tømmertab i skovbruget, og dårlig træsundhed. Forståelse af træforrådnelse i skove er af særlig bekymring i troperne, fordi tropiske skove anslås at rumme 96 % af verdens trædiversitet og omkring 25 % af terrestrisk kulstof, sammenlignet med de omkring 10 % kulstof, der opbevares i tempererede skove.

Men hvordan ser skovbrugere og forskere ind i et levende træ for at måle træforrådnelse? De bruger lyd.

I en nyligt offentliggjort artikel i Ansøgninger i plantevidenskab , et team af professorer, lærere, og studerende etablerede metoder til at bruge en lydbølgeteknologi kaldet sonisk tomografi. Deres metoder blev afledt af målinger på mere end 1, 800 levende træer af 173 tropiske regnskovstræarter i Republikken Panama.

"Vi ved endnu ikke, hvor internt forfald og skader er en årsag til trædødelighed, " siger Greg Gilbert, hovedforfatter af artiklen og professor og formand for afdelingen for miljøstudier ved University of California, Santa Cruz. "Det meste af forfaldet er skjult - tomografien giver os nu mulighed for at se, hvor mange tilsyneladende sunde træer, der faktisk er forfaldet indeni."

Sonisk tomografi sender lydbølger gennem træstammer. Jo længere tid det tager for en lydbølge at krydse en trunk, jo mere forfalden træ. Baseret på lydens hastighed, tomografen (PiCUS 3 Sonic Tomograph; Argus Electronic GmbH, Rostock, Tyskland) laver et farvekodet billede af et tværsnit af stammen (se figur).

Tidligere brug af sonisk tomografi i skovbruget har fokuseret på målinger i "typisk formede" træer med cylindriske stammer. Imidlertid, tropiske træer har ofte store støtteben, uregelmæssige stammeformer, og støtterødder, der strækker sig op ad træet. Den nye undersøgelse beskriver optimal placering af sensorerne for at undgå afvigende tomografiresultater for de ikke-modeltræformer, der befolker troperne, og detaljer, hvordan man analyserer tomogrammerne for at kvantificere områder med forfaldet og beskadiget træ.

De soniske tomografimetoder blev udviklet og testet under et internationalt feltkursus for gymnasiet, kollegium, og kandidatstuderende i Republikken Panama og finansieret gennem National Science Foundation. Gilbert og kolleger tog elever og deres lærere med i feltet og brugte undersøgelsesbaseret læring til at undervise i molekylære og felttilgange til økologi, samt fremme en international pipeline til økologisk forskning. Gilbert kommenterer, "Det var et spændende dyk, med fantastiske mennesker med forskellig baggrund, ind i den rodede del af at lave videnskab – at finde ud af, hvordan du bedst gør det, du har brug for, for at besvare vanskelige spørgsmål." Alle workshopdeltagerne bidrog til indsamlingen og analysen af ​​sonisk tomografi til artiklen.

Svampe forårsager træråd ved at trænge ind i en træstamme og rådne træ indefra og ud, frigivelse af kulstof tilbage til atmosfæren som kuldioxid. Gilbert forklarer, at uden en pålidelig metode til at opdage manglende træ, du kan ikke forstå, hvordan træer bidrager til eller modererer stigende niveauer af globalt atmosfærisk kulstof, eller hvordan tilsyneladende sunde skove og træarter reagerer på ændringer i klimaet.

Gilberts forskning i træforrådnelse bygger hen imod en stor undersøgelse om, hvordan patogener og sygdomme kontrollerer forekomsten af ​​tropiske træarter. "Hypotesen er, at arter, der er mere modtagelige for hjerterådsvampe, normalt vil forblive sjældne i skoven, og kun de arter, der er resistente, vil blive almindelige, " siger Gilbert. Han og hans kolleger måler og sporer tropiske træer i Smithsonian Tropical Research Institutes langsigtede Forest Global Earth Observatory (ForestGEO)-sted på Barro Colorado Island i Panamakanalen.

Fremtidigt arbejde vil fortsætte med at validere sonisk tomografiteknologi til tropiske træsystemer ved hjælp af fældede eller allerede døde træer. Tropiske træer er meget forskellige i både form og funktion, og de er således potentielt forskellige i deres metodiske krav til sonisk tomografi. For eksempel, denne metode virker ikke på palmearter eller nogen træarter, der bruger indre væv til at opbevare vand.

Byskovbrug nyder også godt af sonisk tomografi. Gilbert og kollegaer med Smithsonian Tropical Research Institute samarbejder med Panama City for at bruge tomografi til at evaluere sundheds- og ejendomsrisici ved Panamas bytræer, der kan være forfaldne og sårbare over for knæk i kraftig vind og kraftig nedbør.