Измерение деревьев со скоростью звука

Живые деревья могут гнить изнутри, оставляя лишь полый ствол. Гниль древесины в живых деревьях может приводить к завышению оценок глобальных запасов углерода, потерям древесины в лесном хозяйстве и ухудшению здоровья деревьев. Понимание процессов разложения древесины в лесах особенно важно в тропиках, поскольку, по оценкам, тропические леса содержат 96% мирового разнообразия деревьев и около 25% наземного углерода, по сравнению с примерно 10% углерода в лесах умеренного пояса.

Исследователи используют для этого звук. В недавно опубликованной статье в Applications in Plant Sciences команда профессоров, учителей и студентов разработала методы использования технологии звуковых волн — звуковой томографии. Методы были получены на основе измерений более чем 1800 живых деревьев 173 видов тропического дождевого леса в Республике Панама.

Звуковая томография посылает звуковые волны через стволы деревьев. Чем дольше волна проходит через ствол, тем более гнилой является древесина. На основе скорости звука томограф (PiCUS 3 Sonic Tomograph; Argus Electronic GmbH, Росток, Германия) создает цветное изображение поперечного сечения ствола.

Предыдущее использование звуковой томографии в лесном хозяйстве было сосредоточено на измерениях «типичных» деревьев с цилиндрическими стволами. Однако тропические деревья часто имеют крупные контрфорсы, неправильную форму ствола и ходульные корни. Новое исследование описывает оптимальное размещение датчиков для получения корректных результатов для таких нетипичных форм и детализирует, как анализировать томограммы для количественной оценки участков гнилой и поврежденной древесины.

Методы были разработаны и протестированы в рамках международного полевого курса для студентов и школьников в Республике Панама при финансировании Национального научного фонда (NSF). Как отмечает ведущий автор статьи Грег Гилберт, профессор Калифорнийского университета в Санта-Круз, томография позволяет увидеть, сколько внешне здоровых деревьев на самом деле сгнили внутри.

Грибы, вызывающие гниль, попадают в ствол и разлагают древесину изнутри, высвобождая углерод обратно в атмосферу в виде CO₂. Без надежного метода обнаружения такой потери древесины нельзя понять, как деревья влияют на растущий уровень глобального атмосферного углерода или как внешне здоровые леса реагируют на изменения климата.

Исследование Гилберта также направлено на изучение того, как патогены и болезни контролируют распространенность видов тропических деревьев. Гипотеза заключается в том, что виды, более подверженные грибам сердцевинной гнили, обычно остаются редкими в лесу, а распространенными становятся лишь устойчивые виды.

Будущая работа будет включать дальнейшую валидацию технологии звуковой томографии для тропических деревьев с использованием срубленных или уже мертвых деревьев. Метод, например, не работает на пальмах или любых видах деревьев, использующих внутренние ткани для хранения воды. Технология также полезна для городского лесного хозяйства: в Панаме ее используют для оценки здоровья городских деревьев и рисков их падения при сильном ветре.