Mit künstlicher Intelligenz erstellte Karten bestätigen niedrige Phosphorwerte im Amazonasboden

Da sich die Auswirkungen des Klimawandels zunehmend auf das tägliche Leben der Bewohner mehrerer Länder, darunter Brasilien, auswirken, ist die Widerstandsfähigkeit von Wäldern, insbesondere tropischer Wälder wie dem Amazonas, zu einem häufigen Forschungsthema geworden. Neben der Untersuchung verschiedener Faktoren, die die Art und Weise beeinflussen, wie die Vegetation auf die globale Erwärmung reagiert, versuchen Wissenschaftler, Vegetationsmodelle zu verbessern – Werkzeuge, die eine entscheidende Rolle beim Verständnis und Management von Ökosystemen spielen und zum Schutz der biologischen Vielfalt und zur nachhaltigen Entwicklung beitragen.

Und genau diese Kombination wird in der Forschung beschrieben veröffentlicht im Tagebuch Daten zur Erdsystemwissenschaft von einer mit brasilianischen Institutionen verbundenen Gruppe. Das Ergebnis der Arbeit war eine Reihe von Karten, die die Menge der verschiedenen chemischen Formen von Phosphor im Boden des Amazonas genauer beschreiben. Die Karten wurden mithilfe einer neuen, auf künstlicher Intelligenz basierenden Methode „erstellt“ und bestätigen, dass die Region eine sehr geringe Konzentration des Minerals aufweist.

Dies hat zur Folge, dass ein Mangel an Phosphor den Wachstumszyklus von Arten beeinträchtigt und beispielsweise verhindern kann, dass Bäume auf den mit dem Klimawandel verbundenen Anstieg des Kohlendioxids reagieren.

„Als wir an Vegetationsmodellen arbeiteten, um das Klimaverhalten im Amazonas zu verstehen, stellten wir fest, dass es spezifische Informationen über die Phosphormengen im Boden gab. Normalerweise verwendeten diese Karten bei früheren Methoden nur Bodentypen.“ [classes] als Prädiktoren für das Mineral. „Wir erkannten, dass es notwendig sein würde, andere Umweltattribute einzubeziehen, und entwickelten daher eine neue statistische Technik, die auf maschinellem Lernen aus vorhandenen Daten basiert“, erklärt João Paulo Darela Filho, derzeit Postdoktorand an der Technischen Universität München (Deutschland). .

Darela Filho begann während seines Doktoratsstudiums, das 2021 endete, mit der Arbeit an dem Projekt.

Sein Schwerpunkt lag damals auf der Einbeziehung von Daten zu Nährstoffkreisläufen wie Stickstoff und Phosphor, die für das Verständnis des Wachstumsverhaltens von Bäumen wichtig sind, in das Caetê-Modell. Caetê, was in der Tupi-Guarani-Sprache „Urwald“ bedeutet, ist ein Algorithmus, der die Zukunft der Amazonas-Vegetation projizieren kann, indem er Szenarien der Waldtransformation präsentiert.

Der Name ist das erste seiner Art, das ausschließlich brasilianischer Herkunft ist, und leitet sich vom Akronym „Carbon and Ecosystem Functional-Trait Evaluation Model“ ab.

Caetê wurde von einem Team des Earth System Science Laboratory der State University of Campinas (UNICAMP) entwickelt, koordiniert von Professor David Montenegro Lapola, der zusammen mit Darela Filho auch Autor des Artikels ist.

„Die unter der Leitung von João Darela erstellten Karten sind ein unverzichtbarer Schritt, um unser Verständnis darüber zu verbessern, wie tropische Wälder, die im Allgemeinen phosphorarm sind, auf den Klimawandel und andere menschliche Störungen reagieren werden“, sagte Lapola gegenüber Agência FAPESP.

Die Forscher verwendeten Daten von 108 Standorten im Amazonasgebiet. Sie verwendeten einen Ansatz, der auf zufälligen Waldregressionsmodellen basierte, die trainiert und getestet wurden, um verschiedene Formen von Phosphor vorherzusagen – insgesamt, verfügbar, organisch, anorganisch und okkludiert (wenn er an andere Substanzen gebunden ist). Sie nutzten auch Informationen aus den Referenzbodentypen und anderen Eigenschaften wie Geolokalisierung, Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt, Geländehöhe und -neigung, Boden-pH-Wert, durchschnittlicher Jahresniederschlag und Temperatur.

Die Waldregressionsmodelle zeigten je nach Phosphorform durchschnittliche Genauigkeitswerte von über 64 %. Für das Gesamtmineral erreichte die Genauigkeit 77,3 %.

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass die durchschnittliche Konzentration des gesamten Phosphors im analysierten Datensatz 284,13 Milligramm pro Kilogramm Boden (mg kg−1) betrug. Diese Menge wird im Vergleich zum weltweiten Durchschnitt von 570 mg kg−1 als gering angesehen. Bei der Analyse der Karten wurde festgestellt, dass die phosphorreichsten Standorte an der Grenze zwischen den Anden und dem Amazonas liegen, während die ältesten Böden im Amazonas-Tiefland in der östlichen Region liegen.

Die Wissenschaftler glauben, dass die neuen Karten zur Parametrisierung und Bewertung terrestrischer Ökosystemmodelle nützlich sein könnten und sogar Antworten auf die Beziehung zwischen Boden und Vegetation im Amazonasgebiet liefern könnten.

„Maschinelles Lernen unter Einsatz künstlicher Intelligenz wird in der Wissenschaft zunehmend Anwendung finden, insbesondere für Zukunftsprognosen. Unsere Karten können von anderen Forschern genutzt werden, um zu verstehen, wie der Amazonas auf den Klimawandel reagieren wird“, fügt Darela Filho hinzu.

Eine internationale Studie, die von einem Team, zu dem auch Lapola gehörte, geleitet wurde und auf dem Cover der Februar-Ausgabe von erschien Natur zeigten, dass fast die Hälfte des Amazonas bis 2050 auf einen Punkt zusteuert, an dem es kein Zurück mehr gibt, was bedeutet, dass der Wald wahrscheinlich seine Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Dürren und Abholzung verlieren wird.

In dieser Studie wurde geschätzt, dass zwischen 10 % und 47 % der Gebiete der Region Störungen und Bedrohungen ausgesetzt sein werden, die „unerwartete“ Veränderungen in Ökosystemen auslösen und den regionalen Klimawandel verschärfen könnten. Die kumulierte Abholzung der Wälder, die globale Erwärmung, die jährliche Niederschlagsmenge im Biom, die Intensität der Regenzeit und die Länge der Trockenzeit galten als Stresssituationen. Das Risiko besteht in der Umwandlung des Bioms in Savannengebiete, die nicht in der Lage sind, die Rolle der Kohlenstoffbindung zu erfüllen.