Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Функциональное математическое моделирование состояния, динамики и устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Функциональное математическое моделирование состояния, динамики и устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины"

ст. о-

Российская академия наук ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

О

' На правах рукописи

! ' УДК 910:504 (571.52)

СЕ Чжен

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ, ДИНАМИКИ И УСТОЙЧВОСТИ СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМ УБСУНУРСКОЙ КОТЛОВИНЫ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва— 1997

Работа выполнена в лаборатории природопользования Института географии РАН

Научные руководители: доктор технических наук, профессор ! Бугровский Виктор Викторович

доктор биологических наук Керженцев Анатолий Семенович

Официальные оппоненты: доктор географических наук

член-кор. РАЕН, профессор ^ Тишков Аркадий Александрович

• доктор физико-математических наук

' Степанов Александр Михайлович

Ведущая организация: Институт проблем управления РАН

Защита состоится " М " (АЛ^ 1997 р в № часов

заседании Специализированного Совета Д.003.19.01 Института географ] РАН по адресу: 109017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института • географии РАН.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печать: просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета. > ;

Автореферат разослан " 14 1997г

Ученый секретарь диссертационного «Совета,

кандидат географических наук V'/г//У//>м ¡7 Т.П.Куприянова

Актуальность работы. Практическое решение сложных задач охраны окружающей среды и рационального природопользования во многом зависит от уровня знаний о структуре и функциях природных экосистем разного масштаба, о механизме их функционирования и его реакциях на изменения внешних условий, об устойчивости экосистем к воздействиям естественных и антропогенных факторов. Знания потенциальных возможностей и характеристики функционирования природных экосистем конкретного экологического региона нужны для разработки региональных и локальных систем экологического мониторинга, рационального землепользования и охраны окружающей среды.

Однако механизм функционирования природных экосистем и его реакции на изменения естественных и антропогенных факторов изучены далеко не достаточно потому, что каждый структурный элемент и функциональный компонент целостной природной экосис.темы изучается отдельной научной дисциплиной особыми методами. Даже почву и растительность трудно описать как природное единство, поскольку ботаника и почвоведение оперируют разными параметрами и несопоставимыми критериями оценки этих естественных и неразрывных компонентов экосистемы. Поэтому так важно разра-5отать для описания механизма функционирования природных экосистем пе-эечень показателей, отражающих процессы и свойства всей целостной экоси-;темы, а не отдельных ее компонентов. И в большей степени это относится к ;тепным экосистемам, подверженным высокой антропогенным нагкузке.

Цели и задачи. Разработка интегральной математической модели функционирования степных экосистем Убсунурской котловины на основе концепции экосистемного круговорота и изучение с помощью этой модели динами-1еских свойств и устойчивости экосистем к воздействию естественных и антропогенных факторов.

Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка концепции интегральной модели функционирования тепных экосистем на основе теории экосистемного круговорота.

2. Кластеризация степных'экосистем Убсунурской котловины на основе гараметров функционирования для их моделирования.

3. Разработка интегральной математической модели функционирования тепных экосистем Убсунурской котловины.

4. Разработка удобных интерфейсов для работы с моделью и для отра-сения результатов моделирования.

5. Проведение исследований динамических характеристик и устойчиво-ги степных экосистем Убсунурской котловины.

Научная новизна работы определяется тем, что на основе теории экоси-гемного круговорота впервые разработана и доведена до инженерного уров-

ня с удобным интерфейсом интегральная модель функционирования степных экосистемы Убсунурской котловины.

Впервые разработана и доведена до численных значений функциональная кластеризация степных экосистем Убсунурской котловины.

Впервые с помощью вышеуказанной модели выявлены закономерности динамики и дана оценка устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины к воздействиям естественных и антропогенных факторов.

Впервые определены характерные времена функционирования основных степных экосистем Убсунурской котловины.

Теоретическая и практическая значимость работы определяется:

1. Использованием теории экосистемного круговорота в качестве учения, открывающей широкие перспективы для изучения динамических свойств и особенностей степных экосистем.

2. Доработкой и определением нового принципа кластеризации степных экосистем на основе параметров функционирования, который позволяет давать им численное описание, удобное для математического моделирования.

3. Разработкой функциональной математической модели степных экосистем позволяющей проводить глубокое изучение их динамики и функционирования.

4. Определением параметров функционирования степных экосистем, удобных для оценки их реакции на воздействия естественных и антропогенных факторов.

5. Сравнением воздействия антропогенных факторов с воздействием естественных катастроф (пожары, наводнения, землетрясения, обвалы и др.).

Защищаемые положения. На защиту выносятся:

1. Функциональная математическая модель степных экосистем Убсунурской котловины инженерного уровня с удобным интерфейсом, позволяющим формализовать воздействие климатических и антропогенных факторов и образно отображать результаты исследования динамики изменений в степных экосистемах.

2. Методика функциональной кластеризации степных экосистем Убсунурской котловины, опирающаяся на теорию экосистемного круговорота и доведенная до численных значений по продуктивности растительности, величинам опада и запасам гумуса в почвенных горизонтах.

3. Принцип количественной оценки реакции степных экосистем на воздействия естественных и антропогенных факторов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на международном симпозиуме по результатам международной программы биосферных исследования "Эксперимент Убсу-Нур" (Улангом, 1995), на Всероссийской школе "Экология и почвы" (Пущино, 1996), на научных семинарах Института

почвоведения и фотосинтеза РАН (1996, 1997), Института географии РАН (1996, 1997), Института проблем управления РАН (1997), Института водных проблем РАН (1997).

Публикации. По результатам работы опубликованы 7 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из 5 глав , выводов и приложений. Объем работы составляет 121 страницу машинописного текста, включая 24 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 127 наименований.

Объект исследования и его особенность. Убсунурская котловина расположена на границе Республики Тува (Россия) и Уве аймака (Монголии) в координатах 48-50° СШ и 91-99° ВД. Представляет собой замкнутое бессточное межгорное понижение, вытянутое с запада на восток на 600 км и с севера на юг на 160 км. Ограничена хребтами с севера Западный и Восточньш Танну-Ола, с юга Булнай-Нуру и Хан-Хухей, а с запада Цаган-Шибету и горный массив Турген-Ула системы Монгольского Алтая. В центре западной части кот-повины расположено оз.Убсу-Нур, в котором концентрируется сток всего водосборного бассейна котловины. Уникальная природная особенность котловины включается в том, что в этой небольшой котловине представлены практически все природные зоны земного шара: пустыни, сухие, настоящие и луговые степи, леса на склонах гор, тундры на их вершинах. Это позволил со-:редоточить практическую обработку экологических, биогеографических ис-:ледований, а также поверку и идентификацию математических моделей.

Растительный покров Убсунурской котловины включает широкий ;пектр различных вариантов степной растительности. Кроме того, на песча-ibix массивах и приозерных понижениях значительное распространение поучила интразональная растительность.

Котловина лежит в районе действия Центрально-азиатского антицикло-ia. Количество влаги и тепла в пределах котловины распределяется неравномерно, получаемое разными участками котловины. Температура почвы от 16,5°С в луговой степи на лугово-черноземной почве колеблется до 23,5°С в шустыненной степи на светло-каштановой почве. Влажность почвы низкая от !% до 14% в толще 0-80 см соответственно [Горшкова, Голубева и др., 1995].

Основное содержание работы

Глава I. Обзор литературы и постановка задач диссертационной >аботы. Содержит краткий обзор литературы с описанием наиболее попу-[ярных моделей степных экосистем в России, объективную оценку отличий гредлагаемой модели от существующих. Изложена и аргументирована теория 'косистемного круговорота, которая служит теоретической основой всей ра-юты. Основы теории заложены в трудах Б.Б.Полынова, А.А.Ляпунова,

Н.Н.Моисеева, В.Н.Сукачева, В.А.Ковды, М.А.Глазовской, А.И.Перельмана,

A.Т.Мокроносова, Н.И.Базилевич, А.А.Титляновой и др..

Согласно этой теории экосистема осуществляет процесс обмена вещества и энергии, который принято называть биологическим круговоротом или метаболизмом. По существу обмен вещества происходит между двумя главными компонентами экосистемы: фитоценозом и почвой (педоценозом) с помощью двух противоположно направленных процессов или функций: синтеза биомассы и ее деструкции после отмирания. Каждая функция в свою очередь представлена двумя противоположно направленными процессами. Функция синтеза совмещает процессы фотосинтеза и дыхания, а функция деструкции -процессы минерализации и гумификации (вторичного синтеза органического вещества, которое также подвержено минерализации).

Наибольшую популярность в России имеют функциональные модели степных экосистем Н.И.Базилевич, А.А.Титляновой, Т.Г.Гильманова, которые построены на большом фактическом материале полевых стационаров Сибири и Центральной России. Эти модели получили широкое признание в России и за рубежом. Однако обилие параметров и не очень четкое разделение показателей структуры и функций, затрудняют их использование для практических целей. Поэтому мы предприняли попытку создания простой модели с минимальным числом параметров, отражающих структуру и функции экосистем.

В моделях Н.И.Базилевич [1978, 1983] и А.А.Титляновой [1978], Т.Г.Гильманова [1993], экосистема рассматривается как совокупность блоков и связующих их потоков, обеспечивающих перенос вещества и энергии между блоками. Однако эту совокупность, а также входные (из других экосистем) и выходные (в другие экосистемы) потоки авторы считают структурой экосистемы. По нашему мнению блоки должны отражать структуру, а потоки -функцию и в этом их принципиальное различие.

Наша модель состоит из двух структурных блоков (растительность и почва) и двух процессов (синтез и деструкция). Продукты деструкции становятся источником синтеза, а результаты синтеза - объектом деструкции. В этом и заключается сущность экосистемного круговорота, на котором построена модель функционирования экосистемы.

Глава II. Экосистемный круговорот как теоретическая основа изучения функционирования экосистемы. Теория экосистемного круговорота была разработана в трудах Б.Б.Полынова, А.А.Ляпунова, Н.Н.Моисеева,

B.Н.Сукачева, В.А.Ковды, М.А.Глазовской, А.И.Перельмана, Н.И.Базилевич, А.А.Титляновой, А.Т.Мокроносова, В.В.Бугровского, А.С.Керженцева и др.. Согласно этой теории экосистема осуществляет процесс обмена вещества и энергии, который принято называть биологическим круговоротом или метаболизмом. По существу обмен вещества происходит между двумя главными

компонентами экосистемы: фитоценозом и почвой (педоценозом) с помощью двух противоположно направленных процессов или функций: синтеза биомассы и ее деструкции после отмирания. Каждая функция в свою очередь представлена двумя противоположно направленными процессами. Функция синтеза совмещает процессы фотосинтеза и дыхания, а функция деструкции -процессы минерализации и гумификации (вторичного синтеза органического вещества, которое также подвержено минерализации).

Согласно этой теории растительность и почва являются неразрывными компонентами экосистемы и представляют собой функциональное единство, гвязанное круговоротом органического вещества (малый биологический круговорот). В процессе функционирования каждый компонент выполняет свою функцию: фитоценоз - функцию синтеза, а почва (педоценоз) - функцию де-:трукции (рис.1).

Функция синтеза органического вещества включает синтез не только первичной биологической продукции (фитомассы) автотрофами, но и вторич-юй продукции (зоомассы и микробиомассы) гетеротрофами, поэтому кроме дыхания следует добавить процессы выделения у животных и микроорганизмов, как противоположные синтезу.

Для удобства моделирования мы представляем экосистему как закрытую систему с замкнутым циклом круговорота вещества и энергии. Правомерность такого допущения определяется тем, что величина прихода вещества в экосистему извне и выхода его за пределы экосистемы сопоставима с общепри-3 нятой точностью измерения параметров круговорота. То и другое в пределах 10% от общей массы вещества, участвующего в круговороте. После завершения иологического цикла живые организмы отмирают и превращаются в мерт-ую массу (некромассу), которая представлена в экосистеме тремя различны-и фракциями: опадом, степным войлоком и почвенным гумусом. Эта отершая биомасса используется для жизнедеятельности гетеротрофами в каче-

\ /

/ОС / \

ФАР

III

ВЛАГА

Т°С

О,

СИНТЕЗ

Растения

N

Животные

Микробы

со2

МИНЕРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ДЕСТРУКЦИЯ

Газы

Коллоиды

Соли

ис. 1. Экосистемный круговорот

стве источника вещества и энергии, которые высвобождаются путем последовательной деструкции и минерализации до конечных продуктов: газов, солей и коллоидов. При этом минеральные вещества, которые являются конечными продуктами процесса деструкции, используются для нового цикла синтеза фитомассы. В этом заключается единство и целостность экосистемного круговорота. Взаимодействие двух противоположных процессов (синтеза и деструкции) обеспечивает регулярное обновление живого вещества и поддерживает всего процесса жизни. Емкость и интенсивность экосистемного круговорота контролируются или управляются сочетанием факторов внешней среды, главными из который являются: свет, тепло и влага, а также антропогенные воздействия.

Экосистемный круговорот является главной функцией в экосистеме и отражается в ее структуре. Структура экосистемы определяет ее внешний облик, способность сохранять устойчивость, стабильность, а также способность реагировать на негативные и позитивные изменения среды. В конкретном диапазоне изменения внешних факторов экосистема может сохранить свою структуру. При изменении условий за пределы оптимального диапазона, экосистема начинает терять некоторые свойства и диагностические признаки. Одновременно экосистема приобретает новые, сначала переходные признаки, а затем признаки, свойственные другому таксону, и постепенно превращается в другую экосистему.

Ритмика круговорота экосистемы через сложную цепь превращений типа "синтез-распад" регулируется сменой гидротермических условий во времени. Динамическое равновесие синтеза и деструкции в природной экосистеме достигается и удерживается благодаря адекватной реакции автотрофных и гетеротрофных организмов на изменения сочетаний тепла и влаги, т.е. на изменение гидротермических условий. В общем ритмика круговорота экосистемы согласуется с ритмикой гидротермических условий в определенном характерном времени.

Согласно многим работам [Горышина, 1979, Сытник и др., 1974], действие экологического фактора на растение представляется в форме колоколо-видной кривой с двумя кардинальными точками минимума и одной точкой оптимума. На самом деле зона оптимума для каждого живого организма находится в "золотой середине" между точками минимума и максимума. Поэтому каждый организм и экосистема в целом имеют возможность реагировать не только на ухудшение, но и на улучшение внешних условий.

Такая закономерность проявляется и в активности почвенной биоты [Керженцев, 1992] и в интенсивности фотосинтеза растений. Наиболее благоприятными и для автотрофной, и для гетеротрофной биоты являются условия, когда температура среды равна 30 градусам Цельсия, а влажность составляет

60% наименьшей влагоемкости (HB). По каждому из указанных параметров существует две точки минимума, при которых наступает анабиоз или биота функционирует в минимальном режиме. Кардинальные точки анабиоза по температуре приходятся на 5°С и 55°С, а по влажности на 5% и 95% полной влагемгости. Фотосинтез начинается около 5°С у большинства растений умеренной зоны и с повышением температуры до 25-30°С достигает максимальной интенсивности. Кардинальная точка максимума приходится на 30°С. Фотосинтез прекращается в районе 50 С. Все жизненные процессы экосистемы протекают в диапазоне оптимума, находящимся между крайними точками минимума и максимума индивидуальными для каждой экосистемы.

Глава III. Разработка интегральной функциональной модели степной экосистемы и функциональная кластеризация степных экосистем Убсунурской котловины. Модель, реализующая теорию экосистемного круговорота состоит из двух блоков: блока растительности, выполняющего функцию синтеза и блока почвы, выполняющего функцию деструкции.

В блоке растительность основными параметрами являются био v масса и продуктивность - годовой прирост. Этот блок отражает картину динамики роста биомассы фитоценоза по месяцам вегетационного периода в зависимости от гидротермических условий, свойств почвы и фенологического фактора и в целом характеризует увеличение биомассы экосистемы в течение года. Продуктивность растительности описывается следующим алгебраическим уравнением (формула 1):

P=Pm{T,wYKjKt ............(1)

Продуктивность представляется как произведение трех членов, из которых Ргт - продуктивность растительности в зависимости от гидротермических условий- температуры и влажности почвы (за месяц вегетационного периода); Кп - коэффициент отражающий почвенные свойства, и Кф - коэффициент фенологического фактора. Такое представление продуктивности степных экосистем предложено У.Ц.Теблеевой [1994]. Почвенный и фенологический коэффициенты имеют локальные и специфические характеристики для конкретных экосистем.

В нашей модели из-за недостатка данных мы приняли в качестве Т и W :оответственно температуру воздуха и наименьшую влагоемкость почвы. Фенологический коэффициент положили равным единице, а коэффициент ло-<альной продуктивности почвы определялся при моделировании в блоке поч-ш.

Функция P^T.W) описывается "колоколовидной" кривой. Самые бла-•оприятные гидротермические условия, которые могут обеспечить максимальную величину продуктивности, образуются при сочетании температуры гочвы 30° и влажности почвы, равной 60 % наименьшей влагоемкости.

Однако для степных экосистем Убсунурской котловины не достаточно экспериментальных данных чтобы точно определить точку максимальной продуктивности. Для ее определения мы воспользовались многолетними данными Курского стационара Института географии РАН в ЦентральноЧерноземном биосферном заповеднике, где имеется многолетний ряд наблюдений (продуктивность степи и климатические параметры).

Вторую точку, конкретизирующую зависимость Р^Т^) рассчитали для сухих степей восточной части Убсунурской котловины для которой имеются данные по продуктивности [Горшкова, 1989; Курбатская, 1993, 1995] и по климатическим данным (метеост. пос. Эрзин). Учет этих двух точек позволил построить "колоколовидную" кривую, представленную на рис.3 [Бугровский и др., 1995].

На этой основе, мы установили следующие зависимости для моделирования на ЭВМ (формулы 2-4):

Г(Т/п)

.№-60.

?(1)=\-( Р

:)2

30 '

■•(2) ..(3) ..(4)

Рис. 2. Зависимость продуктивности растений от гидротермических условий.

В нашей модели учитывались и антропогенные воздействия на продуктивность: а) удобрения - увеличивающие продуктивность; б) пастбищные нагрузки скота -уменьшающие продуктивность.

Итак, полная продуктивность экосистемы представляет в таком виде сочетание ес-

тественного и антропогенного процессов (формула 5): Р=Р1Т(Т,Щ*Кеп*КАЛ*Кф-К1. ........(5)

где: КАП -коэффициент почвенной продуктивности, зависящий от удобрения; Кс - коэффициент пастбищной нагрузки скота.

Блок почвы описывается системной обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, зависящими от внешних факторов, реализующих балансовые соотношения прихода и расхода органического вещества в горизонтах почвенного профиля(формулы 6 и 7):

^ = Д, + мт *У(1.1)4 - м.

..(6)

и

dM.

= Л, - м\, '

IX

„(7)

где: 1 - номер горизонта сверху вниз, соответственно 1,2,3,4; j - номер ■ входного или выходного канала: 1,2,3,4 соответственно: 1 - выход минерализованного вещества в фитомассу, 2 - в атмосферу, 3 - в гидросферу и 4 - в нижележащий горизонт; I - заданное время измерения (год); О] - поступление опада в горизонт; М, - запас органического вещества в горизонте; Уу - скорость перехода вещества из одного горизонта в другой.

Типичный почвенный горизонт представлен в рисунке (рис. 4). Вход-В атмосферу ными параметрами модели яв-

V;.

Опад

D;

1.4Мм|

В фитомассу

Mi

V„M

V„M

Vi2M

J

1

ляются: масса органического вещества, поступающего в почву в форме ежегодного опада (отмершая фитомасса, зоомасса и микробиомасс) и масса органи-

В гидросферу

Рис. 3. Модель типичного горизонта почвы ческого вещества, поступающего

из вышележащего горизонта. Выходными параметрами являются: масса продуктов деструкции опада, которая удаляется из горизонта почвы по четырем каналам: в виде минеральных элементов в атмосферу, гидросферу и фитомассу, органического вещества в нижележащий горизонт. ~ ----------1 .

. л...........Эта концепция трансформации органического вещества

в почве была описана в работе A.C. Керженцева и др.[1991]. Модель была идентифицирована по реальным почвенным профилям степных экосистем, описанных в работах А'.А.Горшковой [1973], В.А.Носина, С.С. [1963] и Кур-батской [1995]. Для изучения динамики и устойчивости степных экосистем была проведена их функциональная кластеризация. В данной работе выполнена ее привязка к модели степных экосистем Убсунурской котловины.

Функциональная концепция экосистемного круговорота породила свою кластеризацию экосистем,' которая выражается в категориях и параметрах этого круговорота: интенсивность экосистемного круговорота, поток вещества, продуктивность растительности, уровень (темпы) деструкции отмершей биомассы, живая и мертвая биомасса (надземная и подземная), суммарный запас органического вещества в экосистеме и др..

Наиболее представительным параметром кластеризации оказались полная масса органического вещества экосистемы, а вспомогательным - время обновления запаса гумуса в почвенного профиле. Полная масса экосистемы определяется следующим выражением:

Мпо = Мг + МФН + Мфп + Мжи + Мжп .........(7)

Здесь: МПо - полная масса экосистемы; Мг - масса органического вещества в почве (гумус); Мфн - наземная фитомасса; Мфп - подземная фитомасса; Мжн - масса наземных животных; Мжл - масса подземных животных. Фитомасса складывается из живой и мертвой, так же и масса животных. " . -

По этому главному параметру (Мпо) мы установили максимальную (Курский стационар) и минимальную (Убсунурской котловины) величину продуктивности. Степные экосистемы Убсунурской котловины по этому показателю устойчиво разделяются на семь классо'в (I—VII) [Курбатская,1996], которые могут быть ассоциированы с классами природных сообществ, выделяемыми по другим критериям кластеризации, например, по геоботаническим. Такой ассоциативный ряд приводится в таблице 1, где также указаны соответствующие диапазоны опада и запаса гумуса в почве.

Таблица 1

Функциональная кластеризация степных экосистем Убсунурской котловины

класс экосистем общая масса орг. в-ва (т/га) запас гумуса (т/га) опад (т/га) тип почвы Ассоциация геобо-танич. классиф.

I 920-360 и больше 814-320 и больше 15,5-7,5 и больше Чернозем типичный Луга

II 360-165 320-135 8,3-3,4 Чернозем горный Луга, луговые степи

III 165-92 135-81 4,2-2,2 Темно-каштановая Луговые, настоящие, сухие степи

IV 92-57 81-51 2,6-1,4 Каштановая Настоящие, сухие степи

V 57-35 51-31 1,8-0,9 Светло-каштановая Сухие, опустынен. степи

VI 35-18 31-16 1,1-0,5 Бурая полупустын. Опустынен. степи, полупуст., пустыни

VII 18-9 и меньше 16,3-6,9 и меньше 0,7-0,2 и меньше Бурая пустынная Пустыни

Из этой таблицы видно, что каждый класс экосистем характеризуется своим диапазоном значений общей массы, которых не пересекаются друг с другом. Величина общей массы интенсивно убывает от луговых экосистем к пустынным. Так же убывают и диапазоны МПо, характеризующие соответствующие классы экосистем. Такое распределение главного кластеризационно-го параметра можно отвечать сложившимся естественным представлениям о соотношении степных экосистем в природе.

На основе такой кластеризации и карты ландшафтов бассейна озера Убсу-Нур [Е.А.Востоковой, 1986] мы составили схематическую карту степных экосистем бассейна оз. Убсу-Нур (рис. 4).

Отметим, что предлагаемый принцип кластеризации не включает понятие "вида". По геоботанической кластеризации довольно обычной является ситуация при которой разные таксоны, например, сухие степи и настоящие степи (по разными ассоциациями растений) - два различные таксона имеют одинаковую продуктивность и одинаковый почвенный профиль. А по функциональной кластеризации такие степи будут принадлежать к одному таксону (поскольку их общая масса одинакова), так как разницу в доминирующих растительных ассоциациях, по которой разделяются таксоны в геоботанической кластеризации, функциональная кластеризация "не видит".

Далее, по средним значениям обшей массы, массы годового опада и запаса гумуса, а также данным описания и анализа почвенных разрезов Убсу-нурской котловины (по не опубликованным материалам Ф.И.Хакимова и Н.Ф.Деевой), мы рассчитали массы подземного опада и запасы гумуса по каждому почвенному горизонту для каждого класса экосистем. На основе полученных данных мы рассчитали средние времена обновления почвенного гумуса для почв каждого класса экосистем. Время обновления гумуса - один из важных параметров кластеризации, который отражает интенсивность круговорота экосистемы. Эти результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характерные времена функционирования (времена обновления запаса почвенного гумуса) степных экосистем Убсунурской котловины

Среднее Время обновления запаса

Класс Тип характерное гумуса (год)

экосистем почвы время (год) АО А1 АВ В

I Чернозем типичный 604 147 1011 2200 3332

II Чернозем горный 478 48 436 668 1360

III Темно-каштановая 417 55 336 708 3013

IV Каштановая 377 57 215 790 1590

А АВ В

V Светло-каштановая 347 273 275 566

VI Бурая полупустынная 317 163 183 678

А В

VII Бурая пустынная 303 139 354

Рис. 4. Схематическая карта экосистем бассейна оз. Убсу-Нур, М. 1:1000000 (ум. 3:5).

Условные обозначения: 1. Горные тундры; 2. Лиственнично-кедровые и березово-лиственничные леса на горно-луговых почвах; 3. Разнотравно-злаковые луговые степи на горных каштановых почвах и горных черноземах; 4. Разнотравно-осочковые и осочково-тырсовые настоящие степи на дресвяных каштановых почвах; 5. Тырсово-разнотравные и типча-ково-тырсовые сухие степи на щебнистых каштановых почвах; 6. Равнинные холоднополынно-типчаково-тырсовые настоящие и сухие степи на каштановых и светло-каштановых почвах; 7. Тас-биюргуновые опустыненные и пустыни на бурых почвах; 8. Песчаные пустыни и сухие степи на бурых и серо-бурых почвах; 9. Ландщафты озерных и аллювиаль-но-дельтовых равнин и долин рек.

струе ОЧТ вдоль южного побережья н к маю достигают юго-восточной масти моря. Выявлены несколько географических разновидностей холодных промежуточных вод Черного моря: воды ХПС циклонических круговоротов, воды ХПС Основного Черноморского течения и воды ХПС прибрежных квазистационарных антициклонов.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Внутригодовая изменчивость объемных термохаишных характеристик вод холодного промежуточного слоя Черного моря. Материалы конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей", }995^в-соавторстве с В.С.Тужилкиным).

2. Режимы распространения ¡1 трансформации холодных промежуточных вод в Черном море. Материалы конференции "Современные проблемы комплексного исследования морей", 1995 (в соавторстве с В.С.Тужилкиным).

3. Климатический режим формирования н изменчивости вод холодного промежуточного слоя Черного .моря. Материалы научной конференции по результатам исследовании в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природном среды, 1996.

4. Климатические траектории распространения вод холодного промежуточного слоя в Черном море в связи с проблемами экологии. Материалы симпозиума "Экология-96". Олссса. 1996 (в соавторстве с В.С.Тужилкиным, Д.И.Трухчевым).

продуктивности экосистем класса IV при изменениях гидротермических ус-

ДО д2,59 т/га ЛОВИЙ В ЛуЧШуЮ И ХуД-

57 65 лет

А 1

243 лет

АВ

20.00 т/ га

шую для экосистемы сторону. В основу расчетов положены данные по температуре воздуха и влажности почвы сухой степи Убсунурской котловины за 1965-1968 и 1985-1988 гг.

Улучшение условий ускоряет темп круговоро-29 т/га та (обмена вещества), что отражается в модели на п лет активизации процесса де-

15 VI)

струкции органического Рис. 8. Процесс, накопления органического ве- вещества почвы. В этом щества в почве сокращается при увеличение тем- случае уменьшается вре-

мя обновления почвенно-

пературы на 2 °С (IV класса).

го гумуса. Воздействие гидротермических условий на величину запасов гумуса опосредованное

25.26

!

1 20,01

14.25

2.59

* А 1

22 .42

ч А В

..__ 1 7,76

АО

"2,3 0

В

12.69

5 7 2 15

790

1590

через соотношение скоростей его синтеза и минерализации (рис.8).

Антропогенн ые воздействия, такие как изменение пастбищной нагрузки или внесение удобрения, связаны с выносом или

Время накопления запаса гумуса (год)

не. 9. Динамика процесса изменения органического ве- привносом органи-щества в почве при пастбищной нагрузке 11.2% ческого и мине-(0,22 т/га) от общего запаса спада. рального вещества в

экосистеме, поэтому оказывают прямое влияние на величину общей массы. В эезультате антропогенных воздействий величина фитомассы и запас гумуса в точве заметно меняется. А на скорости круговорота это отражается опосредо-занно (рис.9).

Глава V. Моделирование степных экосистем Убсунурской котловины и изучение их устойчивости. На основе описанной выше кластеризации и с помощью модели функционирования мы провели изучение и оценку устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины к возмущениям, обусловленным антропогенными воздействиями, которые вызывают заметное изменение общей массы органического вещества.

Понятие устойчивости экосистемы мы принимаем по А.Д.Арманду [1987] - "устойчивость системы, это способность возвращаться после возмущения в исходное состояние. Система теряет такую способность т.е. устойчивость, если она вынуждена или в ходе саморазвития проходит критическую точку." В приложение к нашим исследованиям, экосистема теряет устойчивость в том случае, когда переходит в другой класс шкалы кластеризации. При долговременном существовании экосистемы в экстремальных условиях, она постепенно приобретает новые свойства и признаки, в результате чего переходит в другое качественное состояние, т.е. другой таксон шкалы кластеризации экосистем (см. табл.1).

Чтобы выразить эту способность экосистемы в безразмерных величинах, мы вычислили ее устойчивость в нашей модели по следующей формуле:

т

и = —- .............(8)

дв

Здесь: и - устойчивость экосистемы; АВ - критическое возмущение антропогенного воздействия (т/га); ДМ - общая масса и соответствующее ей изменение кластеризационного параметра экосистемы.

Для каждого класса шкалы мы определяли максимальную величину возмущения (вынос и привнос органического вещества), при которой общая масса изменяется в пределах диапазона данного класса. Затем по формуле (8) вычисляли и,. Результаты вычисления представлены в табл.3.

Таблица 3

Оценка устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины

Исходные данные по Изменение параметров Изменение параметров

классам в худшую сторону в лучшую сторону

Класс Опад Общая АВ АМ и АВ АМ и

(т/га) масса (т/га) (т/га) (т/га) (т/га) (т/га)

I 10,01 520,32 3,09 167,69 57,47 7,69 399,74 51,98

II 5,55 226,32 1,63 66,54 40,77 3,28 133,76 40,78

III 3,18 112,66 0,59 20,73 35,16 1,34 47,47 35,43

IV 2,00 64,12 0,22 7,18 32,64 0,87 27,89 32,06

V 1,41 41,61 0,22 6,62 30,09 0,53 15,64 29,51

VI 0,86 23,18 0,19 5,19 27,32 0,44 11,86 26,96

VII 0,44 11,35 0,09 2,36 26,22 0,26 6,71 25,81

Данные, приведенные в таблице показывают, что величина критического воздействия на экосистемы снижается по мере их "ухудшения" от 3,09 т/га изъятия живой биомассы до 0,09 т/га. А устойчивость уменьшается вдвое - от, 57,47 до 26,22. Зная величину суточного потребления пастбищного корма для одной головы скота можно рассчитать критическую величину пастбищной нагрузки на конкретную экосистему или на определенный тип экосистем в сутки, в месяц, в год', т.е. определить максимальное количество голов скота (крупного или мелкого) на единицу площади пастбища, которое не приведет к коренным изменениям экосистемы и не заставит ее выйти за пределы своего таксона. В случае превышения критической нагрузки можно ожидать необратимые изменения в экосистеме и переход ее в другой класс шкалы кластеризации.

Выводы.

1. Разработана интегральная математическая модель функционирования степных экосистем Убсунурской котловины, которая написана на языке Паскаль и реализует концепцию экосистемного круговорота. Модель включает следующие основные и вспомогательные блоки.

Основные блоки: блок роста фитомассы, блок развития почвы, блок задания и формирования климатических данных, блок функциональной кластеризации экосистемы и блок воздействия выпаса.

Вспомогательные блоки: блок выбора экосистемы, блок выбора почвы, блок представления почвенных данных, блок подготовки климатических данных и коэффициентов и блок визуализации результатов моделирования.

Модель разработана для персональной ЭВМ и позволяет проводить широкий спектр исследований степных экосистем.

2. Конкретизирована для расчетов на ЭВМ функциональная кластеризация степных экосистем Убсунурской котловины. В качестве кластеризацион-ных параметров определены полная общая масса органического вещества экосистемы и характерное время функционирования экосистемы(время обновления запаса гумуса в почве).

3. Исследована реакция степных экосистем на естественные климатические и антропогенные воздействия. Показано, что степные экосистемы реагируют на изменения климатических условий в первую очередь изменением своего характерного времени. На воздействие в виде изменения пастбищной нагрузки или внесения удобрений экосистемы реагируют изменением общей массы, не изменяя характерные времена.

4. Исследована устойчивость и дана ее оценки степных экосистем Убсунурской котловины по отношению к увеличению пастбищной нагрузки и определены критические величины выпаса, которые приводят к переходу экосистемы в худший класс.

5. Разработанная модель может служить удобным и доступным инст ментом для проведения широкого спектра исследований травяных экосис под воздействием естественных климатических изменений и под влияш хозяйственной деятельности человека.

. Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Экосистемный мониторинг песчаных массивов Убсунур кот вины // Труды третьего международного симпозиума по резу/к и меж народной программы биосферного мониторинга "Экспериме1 ку-Нур М.: Интеллект, 1994, с. 85-87 (в соавторстве с лугровск

A.А.Горшковой, С.СКурбатской и др.).

2. Математическое моделирование степной и бол . экосистем / монографии: Эксперимент "Убсу-Нур", часть первая. интеллект, 199! 51-58 (в соавторстве с В.В.Бугровским, А.С.Керж- левым, У.Ц.Теблее! Н.Н.Зеленской).

3. Подходы к функциональной классифик т экосистем // Труды международного симпозиума "Глобальный к- оринг и Убсунурская кот вина", - М.: Интеллект, 1996. с. 112-1! соавторстве с А.А.Арак1

B.В.Бугровским, А.С.Керженцевым и С.С.Т >атской).

4. Механизм функционирования - ¿стем как объект управлени. Там же. с. 119-127 (в соавторстве с A.C. женцевым, Н.Н.Зеленской).

5. Метод изучения технико-биоло; -ских аналогий. // В монограф Автономные аппараты для исследования кос1 га и океана и метод технк биологических аналогий. М.: Институт пробле! управления, 1997, с. 149-^ (в соавторстве с В.В.Бугровским, А.С.Керженцевым, Н.Н.Зеленской и др.).

6. Типология и картографирование экосистем Убсунурской котлови // Известия Русского Географического Общества, 1996, т. 128, Вып.4, с 44 (в соавторстве с В.С.Хруцким).

7. Механизм регулирования устойчивости природных экосистем. // V Международного Убсунурского симпозиума, г. Кызыл, 1997 (в печати) соавторстве с А.С.Керженцевым).

Научное издание Г

Автореферат СЕ Чжен "Функциональное математическое моделирование состояния, динамики и устойчивости степных экосистем Убсунурской котловины".

Налоговая льгота - общероссийский классификатор продукци 0К-005-93, том 2; 9БС000 - ;книги, брошюры.

24.04.97 г. Зак.7524Р. Тир.120 зкз. Усл.печ.лЛ.СК

Отпечатано на ротапринте в 0Н1К ПНЦ РАН