计算机建模者如何预测山松甲虫的毁树浩劫

过去十年,北美洲的森林遭受了山松甲虫爆发的严重破坏

过去十年,北美洲的森林一直受到历史上最严重的一些山松甲虫疫情的困扰。在创纪录的高温和频繁干旱的驱动下,甲虫造成的树木死亡在美国西部扩大了二十多倍。

在不列颠哥伦比亚省中部,昆虫已经摧毁了超过 1400 万公顷的树木——面积相当于康涅狄格州的大小——这是世界有史以来规模最大的一次爆发。

在疫情爆发的早期,政府官员似乎几乎束手无策。怀俄明州一位森林服务研究员在 2003 年 8 月接受卡斯珀星论坛报采访时,称之为“完美风暴”,是他的领域从未见过的事件和趋势。


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“令我惊讶的是这些虫害同时有多么严重,”他告诉星论坛报。温度和甲虫的结合似乎让世界措手不及。

但事实并非如此。少数科学家早就知道甲虫的温度阈值——事实上,已经对此进行了广泛的研究。在政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 于 1990 年发布第一份报告后,这些科学家开始公开讨论近期全球气温变化可能会将山松甲虫推向北美大陆新区域的可能性。

然后在十年末,一位名叫杰西·洛根的森林服务研究员将这些碎片拼凑在一起。他制作的是一部罕见的先见之作——一张即将到来的灾难地图。

铁路岭的幽灵树
在爱达荷州中部云雾山脉的某处,在云杉和黑松的海洋之上,一道锯齿状的山峰,称为铁路岭,直插云霄。依偎在它多岩石的土壤上的是美国西部一些最古老的树木——生长缓慢的白皮松,最古老的可以追溯到一千多年前。

在海拔 10,000 英尺的地方,这些树木长期以来幸免于周期性的甲虫疫情,这些疫情肆虐于海拔较低的森林。

然而,当洛根和其他一些昆虫学家在 1993 年访问该地点时,一棵树在其他树木中脱颖而出。它已经死了几十年了,被寒冷干燥的空气保存下来,而且奇怪的是,它显示出所有甲虫杀死的迹象。

“这真是令人大开眼界,”洛根后来回忆道。

起初,这棵树的存在似乎与当时对山松甲虫(专家称之为 MPB)的大部分理解背道而驰。科学家们相当肯定,松树甲虫只能在某些气候限制内繁殖——而且从各方面来看,铁路岭都超出了这些限制。然而,在上个世纪的某个时候,甲虫在这里蓬勃发展,即使只是短暂的时刻。

历史提供了一条关键线索。这些树木死亡的年代大约在 20 世纪 30 年代——那是并且仍然是美国有记录以来最热的十年。洛根想知道,是否有可能在那个十年里突破了温度阈值,从而使甲虫能够在铁路岭爆发,尽管只是短暂的爆发?

更紧迫的是,它会再次被突破吗?什么时候?

团伙袭击致死
事实证明,答案在于甲虫本身——在于其出生、生命、繁殖和死亡的周期性模式。特别是,它取决于温度和昆虫发育之间微妙的平衡。

“有一些特定的温度提示会促使[山松甲虫]在特定阶段开始发育,”美国森林服务局的研究昆虫学家芭芭拉·本茨说,她在 1980 年代后期是一名博士生,与洛根合作建立甲虫生命周期的模型。

本茨说,对于甲虫的生存来说,大量山松甲虫同时出现至关重要。松树绝不是被动的受害者——一旦甲虫开始钻入树皮下,不情愿的宿主就会用树脂分泌物攻击,试图淹死入侵者。为了成功,甲虫会集体攻击,使树木脱水,直到它失去自卫能力。

然而,当温度超过某个阈值时,甲虫会失去同步能力并开始零星出现。由于无法协调大规模攻击,它们的成功机会大大降低。

这些基本过程成为洛根气候模型的构建块。由于甲虫相对于温度以或多或少的恒定速率发育,洛根能够将繁殖成功率与温度之间的关系描述为一系列数学公式。

简化后,它们可能看起来像这样:在温度 X 下,大约数量的甲虫 (Y) 应该同时出现,使昆虫有 Z% 的机会大量繁殖成功。

在建立该等式后,预测甲虫向任何特定区域的扩张只是将 IPCC 的温度预测代入并进行数字运算的问题。

在运行他的模型后,洛根得出了一个严峻的结论:像铁路岭、大黄石地区和美国西部大部分地区这样的地点的温度阈值——气候上无法逾越的栖息地突然变得良性的阈值——完全在 IPCC 的短期预测之内。

预测快速蔓延的瘟疫
2001 年,洛根与合著者詹姆斯·鲍威尔在美国昆虫学家杂志上发表了他的研究结果。昆虫的活动范围已经开始扩大,受甲虫杀死影响的森林面积在 1999 年至 2001 年间增加了一倍多。然而,很少有警钟开始敲响。

铁路岭仍然是洛根最重要的石蕊试纸。在 1990 年代首次访问后,他在山脊上建立了一些气象站,这些气象站表明该地区正在稳步接近他的模型建立的“临界点”。

然后在 2003 年的一次访问中,他发现他的预测得到了证实。在白皮松林中,到处都出现了锈红色、烧焦的橙色斑块。其含义是显而易见的——甲虫又回来了。

“这是我见过的最壮丽的白皮松生态系统,”洛根后来在接受纽约时报采访时回忆道。“这让我心碎。”

铁路岭古老的生态系统崩溃用了不到四年的时间。到 2007 年,几乎没有活着的白皮松留存下来。

在整个北美大陆,甲虫正在占据新的土地。到 2008 年,黄石国家公园的大部分白皮松种群也将受到类似的侵袭。甲虫正在向北蔓延,扩展到加拿大的北方森林并席卷不列颠哥伦比亚省中部。洛根创建的地图和模型突然被重新创建——这一次,是作为一种正在进行中的现象的编年史。

一个“苦乐参半”的故事
洛根于 2006 年从森林服务局退休,尽管此后他与同事合作撰写了多篇文章。他的作品,特别是 2001 年的论文,是解释山松甲虫造成的重大破坏的研究中被引用最广泛的作品之一。

然而,他职业生涯的标志性成就并没有给洛根带来多少满足感。他是一位狂热的滑雪者和飞蝇钓爱好者,大部分时间都在户外度过;在一年中最冷的月份里,他和妻子在蒙大拿州南部比尔图斯山脉的一个偏远小屋里过冬。甲虫的扩张越来越导致该地区到处都是死亡和垂死的森林。

“对我来说,这个故事苦涩多于甜蜜,”他在最近的一次交流中写道。

他目前是一群科学家和公民团体的一员,他们正在推动政府赋予白皮松受保护的地位。

经 Environment & Energy Publishing, LLC. 许可,转载自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500

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