Brasil
| masterThesis
Efeitos de incêndios florestais sobre a distribuição etária em florestas heterogêneas
Registro en:
Autor
NOVAES, Rebeca Cabral de
Institución
Resumen
Florestas em equilíbrio podem ser caracterizadas por uma distribui¸c˜ao espaçotemporal estacionária de espécies de ´arvores no que diz respeito `a sua localiza¸c˜ao e idade. Por´em, vários fatores externos, como pragas recorrentes, manejos florestais para extra¸c˜ao de madeira e incêndios florestais, devem perturbar a dinâmica da evolução das populações de espécies de árvores, sobrepostos aos fatores topográficos e hidrológicos inerentes, bem como `as varia¸c˜oes clim´aticas sazonais. Nesta disserta¸c˜ao, foram investigados os efeitos provocados por incˆendios florestais ocasionais sobre a distribui¸c˜ao espa¸co-temporal das ´arvores em um ecossistema florestal. Para isso, foi proposto um modelo de autˆomatos celulares (AC) para descrever a propaga ¸c˜ao de incˆendios em uma distribui¸c˜ao espacial de ´arvores com estrutura et´aria bem definida. Esse modelo leva em conta a taxa de envelhecimento das ´arvores quando os incˆendios s˜ao causados por raios em uma escala de tempo longa quando comparada com o tempo caracter´ıstico para a regenera¸c˜ao da floresta. No modelo proposto, os autˆomatos celulares est˜ao associados com s´ıtios de uma rede quadrada (L × L) e podem estar em um de trˆes estados poss´ıveis: uma ´arvore natural (A), uma ´arvore em chamas (C) e uma ´arvore queimada ou espa¸co vazio (V). A idade das ´arvores est´a de alguma forma relacionada com a sua robustez `a queima (ou a sua inflamabilidade) e determina o grau de resistˆencia (ou facilidade) para igni¸c˜ao, de modo que as ´arvores mais jovens ou mais antigas, devem ser mais suscet´ıveis `a queima do que aquelas na idade madura. Nesse modelo, o grau de resistˆencia `a igni¸c˜ao (ou inflamabilidade) de uma ´arvore natural (A), ´e definido pelo n´umero m´ınimo de vizinhos R que s˜ao suficientes para uma ´arvore natural (A) tornar-se uma ´arvore queimando (C) no pr´oximo passo de tempo.
A dinˆamica do modelo AC ´e implementada pelas regras locais para alterar os
estados dos autˆomatos, pela taxa de recupera¸c˜ao da popula¸c˜ao de ´arvores naturais p e pela probabilidade f de ocorrˆencia de raios ou outra maneira ocasional de igni¸c˜ao de ´arvores. 1/p estabelece o tempo m´edio para brotamento de ´arvores e 1/f, o intervalo de tempo m´edio entre a ocorrˆencia de dois raios, fixando portanto as escala de tempo para a dinˆamica do modelo. O modelo AC foi aplicado para descrever e investigar os efeitos dos incˆendios, no caso mais simples de florestas de uma ´unica esp´ecie, considerando o grau de resistˆencia `a igni¸c˜ao de cada ´arvore natural variando desde R = 1 at´e R = 8, dependendo da idade da ´arvore. Em particular, este estudo se concentrou no regime dinˆamico, onde p/f → ∞, quando a probabilidade de intera¸c˜ao entre os incˆendios ´e nula, e investigou as propriedades do estado estacion´ario da popula¸c˜ao de ´arvores, estimadas atrav´es de v´arias simula¸c˜oes e analisadas de acordo com os diversos parˆametros do modelo. Os resultados obtidos indicam que a densidade de ´arvores evolui em largas escalas de tempo para um dos dois poss´ıveis estados estacion´arios (atratores), independente da configura¸c˜ao inicial da distribui¸c˜ao de ´arvores. Para cada estado atrator, investigamos a distribui¸c˜ao espacial das ´arvores de acordo com a idade e inflamabilidade atrav´es dos respectivos histogramas das frequˆencias, e calculamos a distribui¸c˜ao dos tamanhos dos
incˆendios. Os resultados mostram que um dos estados atratores da dinˆamica, chamado de floresta densa (FD), ´e caracterizado por uma alta densidade de ´arvores (da ordem de 0,9), bem acima do limiar de percola¸c˜ao para esse modelo. Al´em disso, esse estado apresenta uma fun¸c˜ao de distribui¸c˜ao de tamanho de queimadas com decaimento exponencial t´ıpico, indicando que a presen¸ca de um n´umero massivo de ´arvores adultas evita a propaga¸c˜ao de grandes incˆendios. Por outro lado, para certo conjunto de valores dos parˆametros, o segundo estado atrator ´e alcan¸cado, chamado aqui de floresta savana (S), caracterizado por uma baixa densidade de ´arvores muito jovens (≈ 0, 3, abaixo do limiar de percola¸c˜ao) e exibindo um comportamento do tipo lei de potˆencia para a fun¸c˜ao de distribui¸c˜ao de tamanhos de incˆendios, permitindo a propaga¸c˜ao de um grande n´umero de incˆendios extensos.
Em suma, a inclus˜ao da correla¸c˜ao entre a idade das ´arvores e sua inflamabilidade
no modelo de autˆomatos celulares proposto para descrever a propaga¸c˜ao de incˆendios florestais, mesmo em um ambiente de floresta mono-esp´ecie, leva a uma poss´ıvel transi¸c˜ao de fase dinˆamica entre o estado de floresta densa para o de uma savana. Um esbo¸co desse diagrama de fases em fun¸c˜ao dos parˆametros do modelo ´e apresentado. CNPq Forested-lands at equilibrium can be characterized by a stationary spatiotemporal
distribution of species of trees in respect of its location and age. But several external factors like the recurrent plagues, forest managements for harvesting of timber and wildfires, should perturb the dynamics of the evolution of the populations of tree species, superimposed to the inherent topographical and hydrological factors as well as the climate seasonal variations. In this dissertation, the effects provoked by occasional wildfires over the spatiotemporal distribution of species of trees in a forest ecosystem was investigated. For this, a cellular-automata model (CA) was proposed to describe the spread of fire in a spatial distribution of trees with well-defined age structure. This model takes into account the aging rate of the trees when the fires are caused by lightnings, in long-time scale in comparison to the characteristic time for the forest regeneration.
In the proposed model, cellular automata are associated with sites of a square
lattice (L × L), and may be in one of three possible states: a natural tree (A), a burning
tree (C) and a burnt tree or empty space (V). The age of the trees is somehow related
to their robustness to burning (or to their flammability) and determines the degree of
resistance (or facility) to ignition, so that much younger or older trees, shall be more
susceptible to burning than those at the ripe age. In this model, the degree of resistance
to ignition (or flammability) of a natural tree (A) is defined by the minimum number of
neighbors R that are sufficient for a natural tree (A) to become a burning tree (C ) in the
next time step. The dynamics of the CA model is implemented by the local rules for changing the states of the automata, by the recovery rate of the population of natural trees p and by the probability f of occurrence of lightnings or other occasional way of ignition of trees. 1/p provides the average time for budding trees and 1/f the average time interval between the occurrence of two lightnings, therefore fixing the time scales of the dynamics. The CA model was applied to describe and investigate the effects of fires in the simplest case of single-species forests considering the degree of resistance to ignition of each natural tree ranging from R = 1 up to R = 8, depending on the age of the tree. In particular, this study focused on the dynamic regime where p/f → ∞, when the
probability of interaction between the fire is zero, and investigated the properties of the
steady-state of the trees’ population, estimated through various simulations and analyzed
according to the various model parameters. The results indicate that the density of trees evolves in large scales of time to one of two possible steady states (attractors), regardless of the initial configuration of the distribution trees. For each attractor state we investigate the spatial distribution of trees according to the age and flammability through the respective histograms of frequencies, and calculated the distribution of fire sizes. The results show that one of the attractors of the dynamic states, called dense forest (FD) is characterized by a high density of trees of the order of 0.9, well above the percolation threshold for this model. This state has a histogram of ages with approximately uniform distribution frequency in almost all classes, except for the one of the very young trees and those of the senescence period, which exhibit an exponential decay. In addition, it presents a typical exponential decay for the fire-size distribution function, indicating that the presence of a massive number of mature trees prevents the spread of huge fires. On the other hand, for certain set of the parameter values, the second attractor state is reached, here called savana forest (S), characterized by a low density of very young trees (≈ 0.3, below the percolation threshold), and exhibiting a power-law behavior for the fire-size distribution function, which allows the propagation of great number of large fires.
In short, the inclusion of correlation between the age of trees and its flammability
in the cellular automata model proposed to describe the spread of forest fires even in a
mono-species forest environment, leads to a possible dynamic phase transition between
dense forest to a savanna forest state. An outline of the phase diagram according the
model parameters is presented.