A general quantitative theory of forest structure and dynamics

异速滴定 生态学 天蓬 树(集合论) 缩放比例 生物系统 数学 统计物理学 生物 几何学 物理 数学分析
作者
Geoffrey B. West,Brian J. Enquist,James H. Brown
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:106 (17): 7040-7045 被引量:309
标识
DOI:10.1073/pnas.0812294106
摘要

We present the first part of a quantitative theory for the structure and dynamics of forests at demographic and resource steady state. The theory uses allometric scaling relations, based on metabolism and biomechanics, to quantify how trees use resources, fill space, and grow. These individual-level traits and properties scale up to predict emergent properties of forest stands, including size–frequency distributions, spacing relations, resource flux rates, and canopy configurations. Two insights emerge from this analysis: ( i ) The size structure and spatial arrangement of trees in the entire forest are emergent manifestations of the way that functionally invariant xylem elements are bundled together to conduct water and nutrients up from the trunks, through the branches, to the leaves of individual trees. ( ii ) Geometric and dynamic properties of trees in a forest and branches in trees scale identically, so that the entire forest can be described mathematically and behaves structurally and functionally like a scaled version of the branching networks in the largest tree. This quantitative framework uses a small number of parameters to predict numerous structural and dynamical properties of idealized forests.

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