På vej mod en ny generation af vegetationsmodeller

Planter og vegetation spiller en afgørende rolle i at understøtte livet på Jorden, men der er stadig meget usikkerhed i vores forståelse af, hvordan de præcist påvirker det globale kulstofkredsløb og økosystemtjenester. En ny IIASA-ledet undersøgelse undersøgte de vigtigste organiseringsprincipper, der styrer vegetationsadfærd, og hvordan de kan bruges til at forbedre vegetationsmodeller.

Vi er afhængige af, at planterne, der udgør vores planets økosystemer, frigiver ilt til atmosfæren, absorbere kuldioxid (CO ₂ ), og levere levesteder og mad til dyreliv og mennesker. Disse tjenester er afgørende i den fremtidige håndtering af klimaændringer, især hvad angår CO ₂ optagelse og frigivelse, men på grund af de mange komplekse, interagerende processer, der påvirker vegetationens evne til at levere disse tjenester, de er fortsat svære at forudsige.

I et IIASA-ledet perspektiv offentliggjort i tidsskriftet Naturplanter , et internationalt team af forskere bestræbte sig på at løse dette problem ved at udforske tilgange til at mestre denne kompleksitet og forbedre vores evne til at forudsige vegetationsdynamikken. De undersøgte nøgleorganiseringsprincipper, der styrer disse processer - specifikt naturlig selektion; selvorganisering (kontrol af kollektiv adfærd blandt individer); og entropi maksimering (kontrol af resultatet af et stort antal tilfældige processer). Generelt, et organiseringsprincip bestemmer eller begrænser, hvordan komponenter i et system, såsom forskellige planter i et økosystem eller forskellige organer i en plante, opføre sig sammen. Matematisk, et sådant princip kan ses som en ekstra ligning tilføjet til et ligningssystem, gør det muligt at bestemme en eller flere hidtil ukendte variable i systemet og derved reducere usikkerheden i løsningen.

Meget forskning er gået i at forstå og forudsige, hvordan planteprocesser kombineres for at bestemme dynamikken i vegetation på større skalaer. At integrere procesforståelse fra forskellige discipliner, Der er udviklet dynamiske vegetationsmodeller (DVM'er), der kombinerer elementer fra plantebiogeografi, biogeokemi, plantefysiologi, og skovøkologi. DVM'er er blevet brugt i vid udstrækning på mange områder, herunder vurdering af miljøændringers indvirkning på planter og økosystemer; forvaltning af jord; og feedback fra vegetationsændringer til regionale og globale klimaer. Imidlertid, tidligere forsøg på at forbedre vegetationsmodeller har hovedsageligt fokuseret på at forbedre realismen ved at inkludere flere processer og flere data. Dette har ikke ført til den forventede succes, fordi hver yderligere proces kommer med usikre parametre, hvilket igen har forårsaget en ophobning af usikkerhed og derfor upålidelige modelforudsigelser.

"På trods af den stadigt stigende tilgængelighed af data, og det faktum, at vegetationsvidenskab, ligesom mange andre videnskabelige områder, drager fordel af øget adgang til store datasæt og nye observationsteknologier, vi har også brug for at forstå styrende principper som evolution for at give mening om de store data. Nuværende modeller er ikke i stand til pålideligt at forudsige langsigtede vegetationsresponser, " forklarer hovedforfatter Oskar Franklin, en forsker i IIASA Ecosystems Services and Management Program.

Undersøgelsen fandt, at ved at repræsentere principperne for evolution, selvorganisering, og entropimaksimering i modeller, de kunne bedre forudsige kompleks planteadfærd og deraf følgende vegetation som et opstået resultat af miljøforhold. Selvom hvert af disse principper tidligere var blevet brugt til at forklare et bestemt aspekt af vegetationsdynamikken, deres kombinerede implikationer blev ikke fuldt ud forstået. Denne tilgang betyder, at en masse kompleks variation og adfærd på forskellige skalaer, fra blade til landskaber, kan nu forudsiges bedre uden yderligere forståelse af underliggende detaljer eller flere målinger.

Forfatterne forventer, at ud over at føre til bedre værktøjer til at forstå og styre biosfæren, den foreslåede "næste generations tilgang" kan resultere i forskellige baner for de forventede klimaændringer, som både politik og offentligheden skal klare.