Naukowcy z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie i Czeskiej Akademii Nauk w ramach wspólnego projektu badawczego monitorują wzrost drzew z dokładnością do mikrometra – i to co pół godziny. Połączenie Internetu Rzeczy z teledetekcją satelitarną ma dać odpowiedź na pytanie, jak lasy Europy Środkowej radzą sobie z suszą i ociepleniem.
Lasy strefy umiarkowanej rosną dziś znacznie szybciej niż sto lat temu. W Europie Środkowej tempo wzrostu świerka i sosny przyspieszyło o ponad 30 procent w ciągu ostatniego stulecia. Brzmi to jak dobra wiadomość – ale jest też ciemna strona. Ocieplenie klimatu i rosnąca depozycja azotu zaburzają naturalną dynamikę lasów, a bezprecedensowe susze ostatnich lat prowadzą do masowego zamierania drzewostanów. Polska i Czechy należą do krajów Europy Środkowej, w których skala tego zjawiska – zwłaszcza w przypadku sosny i świerka – jest największa.
Problem w tym, że modele wzrostu lasów stosowane w leśnictwie często opierają się na obserwacjach historycznych, które nie odzwierciedlają już obecnych warunków. Poza tym tradycyjne pomiary terenowe, wykonywane co kilka lat, nie pozwalają uchwycić, jak drzewa reagują na bieżące zmiany pogody – na nagłą suszę, falę upałów czy przedłużający się okres wegetacyjny.
Czujniki w lesie, dane w chmurze
Na ten problem odpowiada polsko-czeski projekt badawczy finansowany z grantu OPUS LAP. Polscy i czescy naukowcy tworzą zintegrowany system monitoringu lasów, łączący dwie nowoczesne technologie: Internet Rzeczy i teledetekcję.
W ramach przedsięwzięcia powstała w Polsce sieć monitoringowa IoTreesNet, obejmująca 20 powierzchni badawczych rozmieszczonych w drzewostanach sosnowych i świerkowych na terenie całego kraju. W tym roku będzie rozbudowana o kolejne dziewięć powierzchni. Każda z nich wyposażona jest w stację pomiarową rejestrującą w czasie rzeczywistym temperaturę i wilgotność powietrza, temperaturę, wilgotność i potencjał wodny gleby oraz – co najważniejsze – przyrost grubości pnia z rozdzielczością jednego mikrometra.
Dane są co 12 godzin automatycznie przesyłane do chmury, co oznacza, że po zainstalowaniu urządzeń nie trzeba wracać w teren – las sam „raportuje” swój stan. Każde drzewo delikatnie „pulsuje” – jego pień rozszerza się i kurczy w rytmie pobierania wody. Dzięki nowym czujnikom możemy dziś obserwować ten puls niemal w czasie rzeczywistym – mówi dr inż. Paweł Hawryło z Wydziału Leśnego Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, kierownik projektu po stronie polskiej.
Nasza sieć pomiarowa została zintegrowana z istniejącą czeską infrastrukturą DendroNetwork, która swoje początki datuje na 2017 rok. W sumie naukowcy w sposób ciągły monitorują 231 drzew – 96 sosen i 135 świerków – na 77 powierzchniach rozciągających się od północy Polski do południowych Czech. Połączenie IoTreesNet i DendroNetwork tworzy największą tego typu sieć w Europie. Dane gromadzone na stacjach monitoringowych udostępniane są w ramach utworzonego serwisu: https://iotreesnet.shinyapps.io/IoTreesNet/.
Od pojedynczego drzewa do całego regionu
Same czujniki IoT, choćby najbardziej precyzyjne, pokazują jednak tylko to, co dzieje się z pojedynczymi drzewami na konkretnych powierzchniach.
Aby uzyskać obraz w skali regionalnej, sięgamy po teledetekcję – zobrazowania satelitarne Sentinel-2 i Landsat oraz trójwymiarowe chmury punktów z lotniczego skanowania laserowego (LiDAR) – informuje dr inż. Paweł Hawryło.
Kluczowym wyzwaniem jest opracowanie metod integracji danych z czujników IoT z danymi teledetekcyjnymi, tak aby pomiary z poziomu pojedynczych drzew można było wiarygodnie przeskalować na poziom całych drzewostanów, a docelowo – regionów obejmujących oba kraje.Do budowy modeli predykcyjnych zespół wykorzystuje metody sztucznej inteligencji, w tym najbardziej zaawansowane algorytmy głębokich sieci neuronowych oraz fizjologiczne modele wzrostu lasu.
Dwa gatunki, jedno pytanie
Projekt koncentruje się na dwóch najważniejszych ekologicznie i gospodarczo gatunkach drzew iglastych Europy Środkowej: sośnie zwyczajnej, która zajmuje około 60 procent powierzchni leśnej Polski, oraz świerku pospolitym, dominującym w lasach Czech (ponad 50 procent). Oba gatunki są szczególnie narażone na skutki zmian klimatu – świerk cierpi z powodu suszy na niższych wysokościach, sosna zaś wykazuje rosnącą podatność na zamieranie w południowej Polsce.
Naukowcy stawiają hipotezę, że warunki klimatyczne – przede wszystkim wilgotność gleby – determinują wzrost lasów w Europie Środkowej, ale reakcja drzew zależy od produkcyjności siedliska oraz budowy i struktury drzewostanu. Starsze drzewostany na żyźniejszych, wilgotniejszych siedliskach mogą być paradoksalnie bardziej podatne na zahamowanie wzrostu w czasie suszy i wolniej się po niej regenerować. Z kolei wydłużający się sezon wegetacyjny może sprzyjać wzrostowi świerka w górach, ale niekoniecznie wpływać na przyrost sosny i świerka na nizinach, gdzie decydujący jest bilans wodny.
Prognoza na przyszłość
Opracowane modele posłużą nie tylko do monitorowania bieżącego stanu lasów, ale także do symulacji ich rozwoju w nadchodzących dekadach. Wykorzystując projekcje klimatyczne IPCC dla trzech scenariuszy zmian (od optymistycznego po pesymistyczny)w połączeniu ze skalibrowanymi modelami fizjologicznymi naukowcy przeprowadzą symulacje wzrostu drzewostanów sosnowych i świerkowych w Polsce i Czechach do roku 2100.
Wyniki mogą mieć kluczowe znaczenie dla leśnictwa. Wiedza o dynamice wzrostu lasów jest niezbędna do oszacowania ich zdolności do pochłaniania dwutlenku węgla, oceny zasobów węgla w ekosystemach lądowych oraz przewidywania ryzyka zamierania drzewostanów. W dobie rosnącej niepewności klimatycznej leśnictwo potrzebuje narzędzi, które pozwolą nie tylko reagować na kryzysy, ale je wyprzedzać – przekonuje kierownik polskiego zespołu.
Koordynatorem po stronie czeskiej jest dr inż. Jan Krejza z Global Change Research Institute Czeskiej Akademii Nauk (CzechGlobe). Projekt otrzymał dofinansowanie w kwocie blisko 3,14 mln zł w ramach konkursu OPUS LAP, w tym 1,69 mln zł z Narodowego Centrum Nauki oraz 1,45 mln zł z Czech Science Foundation. Jego zakończenie planowane jest za półtora roku. Postępy prac można śledzić na stronie: https://forgrowthiotrs.urk.edu.pl/.
Mariusz Karwowski, źródło: URK
Super!