Tropiska skogar runt om i världen spelar en nyckelroll i den globala kolcykeln och härbärgerar mer än hälften av arterna världen över. Dock, ökad markanvändning under de senaste decennierna orsakade oöverträffade förluster av tropisk skog. Forskare vid Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) har anpassat en metod från fysiken för att matematiskt beskriva fragmenteringen av tropiska skogar. I den vetenskapliga tidskriften Natur , de förklarar hur detta gör att de kan modellera och förstå fragmenteringen av skogar på global skala. De fann att skogsfragmenteringen på alla tre kontinenterna är nära en kritisk punkt bortom vilken fragmentantalet kommer att öka kraftigt. Detta kommer att få allvarliga konsekvenser för biologisk mångfald och kollagring.

För att analysera globala mönster av skogsfragmentering, en UFZ-forskningsgrupp ledd av prof. Andreas Huth använde fjärranalysdata för att kvantifiera skogstäcket i tropikerna i en extremt hög upplösning på 30 meter, resulterade i mer än 130 miljoner skogsfragment. Till deras förvåning, de fann att fragmentstorlekarna på alla tre kontinenterna har liknande frekvensfördelningar. Till exempel, antalet skogsfragment mindre än 10, 000 hektar är liknande i alla tre regionerna—11,2 procent i Central- och Sydamerika, 9,9 procent i Afrika och 9,2 procent i Sydostasien. "Detta är förvånande, eftersom markanvändningen märkbart skiljer sig från kontinent till kontinent, " säger Dr Franziska Taubert, matematiker i Huths team och första författare till studien. Till exempel, mycket stora skogsområden förvandlas till jordbruksmark i Amazonasregionen. Däremot i skogarna i Sydostasien, ekonomiskt attraktiva trädslag tas ofta från skogen.

När man söker efter förklaringar till de identiska fragmenteringsmönstren, UFZ-modellerna hittade sitt svar inom fysiken. "Fragmentstorleksfördelningen följer en maktlag med nästan identiska exponenter på alla tre kontinenterna, säger biofysikern Andreas Huth. Sådana maktlagar är kända från andra naturfenomen som skogsbränder, jordskred och jordbävningar. Genombrottet i deras studie är förmågan att härleda de observerade maktlagarna från perkolationsteorin. "Denna teori säger att i en viss fas av avskogning uppvisar skogslandskapet fraktal, självliknande strukturer, dvs strukturer som kan hittas om och om igen på olika nivåer, " förklarar Huth. "Inom fysik, detta kallas också för den kritiska punkten eller fasövergången, som till exempel också inträffar under övergången av vatten från ett flytande till gasformigt tillstånd, " tillade medförfattaren Dr. Thorsten Wiegand från UFZ. En särskilt fascinerande aspekt av perkolationsteorin är att denna universella storleksfördelning är, vid den kritiska punkten, oberoende av de småskaliga mekanismer som ledde till fragmentering. Detta förklarar varför alla tre kontinenterna visar liknande storskaliga fragmenteringsmönster.

UFZ-teamet jämförde fjärranalysdata från de tre aktuella regionerna med flera förutsägelser om perkolationsteori. Till stöd för sin hypotes fann de överensstämmelse inte bara för fragmentstorleksfördelningen, men också för två andra viktiga indikatorer - fraktaldimensionen och längdfördelningen av fragmentkanter. "Denna fysiska teori tillåter oss att beskriva avskogningsprocesser i tropikerna, " avslutar Dr. Rico Fischer, medförfattare till studien. Detta tillvägagångssätt kan också användas för att förutsäga hur fragmenteringen av tropiska skogar kommer att utvecklas under de kommande decennierna. "Särskilt nära den kritiska punkten, dramatiska effekter kan förväntas även vid relativt liten avskogning, ", tillägger Taubert.

Genom att använda scenarier som utgår från olika röjnings- och återplanteringshastigheter, forskarna modellerade hur många skogsfragment som kan förväntas till 2050. T.ex. om avskogningen fortsätter i de central- och sydamerikanska tropikerna i nuvarande takt, antalet fragment kommer att öka 33 gånger, och deras medelstorlek kommer att minska från 17 ha till 0,25 ha. Fragmenteringstrenden kan bara stoppas genom att bromsa avskogningen och återbeskoga fler områden än avskogning, för närvarande ett osannolikt alternativ. Framtida satellituppdrag, som Tandem-L, är av stor betydelse för en snabb och tillförlitlig upptäckt av dessa trender.

Avancerad fragmentering av tropiska skogar kommer att få allvarliga konsekvenser för biologisk mångfald och kollagring. Den biologiska mångfalden lider eftersom många sällsynta djurarter är beroende av stora skogsfläckar. Till exempel, jaguaren behöver cirka 10, 000 hektar sammanhängande skog för att överleva.

Den ökande fragmenteringen av skog har också en negativ inverkan på klimatet. Ett UFZ-lag under ledning av Andreas Huth som tidigare beskrivits i Naturkommunikation att fragmentering av en gång anslutna tropiska skogsområden kan öka koldioxidutsläppen över hela världen med ytterligare en tredjedel, eftersom många träd dör och mindre koldioxid lagras i kanten av skogsbitar.