Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Модели природных комплексов различного иерархического уровня как основа регионального геоэкологического мониторинга

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Модели природных комплексов различного иерархического уровня как основа регионального геоэкологического мониторинга"

V Г о ^

3 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

На правах рукописи

ТЕБЛЕЕВА Ургджил Цереновна

МОДЕЛИ ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСОВ РАЗЛИЧНОГО ИЕРАРХИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАК ОСНОВА РЕГИОНАЛЬНОГО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальность 11.00.01 - Физическая география, геофюика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

1996

Работа выполнена в лаборатории зкоинформатики Института географии РАН

Официальные оппоненты

доктор географических наук, профессор - К.Н.Дьгаонов

доктор географических наук - В.М.Разумовский

доктор географических наук - А.Д. Арманд

Ведущая организация - Институт почвоведения и фотосинтеза РАН, Пущино.

Зашита состоится "/Л 1996г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 063.57.42 Санкт-Петербургского Госуниверситета по защите докторских диссертаций по специальности 11.00.01 - Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов.

Адрес: 199034 Санкт-Петербург, ул. Университетская наб., 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского

Госуниверситета. .

Автореферат разослан" > " $ 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Решение многих проблем взаимодействия общества и природы и задач, связанных с пониманием процессов функционирования природных комплексов -ландшафтов, большей частью осложняются не недостатком информации, а отсутствием надежных теоретических построений и апробированных методик использования такой информации для оценки состояния экосистем, выступающих в качестве основных единиц природных комплексов, и прогноза их изменения.

Наиболее переспектнвным методом таких оценок, в св*зи с практической невозможностью постановки активных натурных экспериментов в природных комплексах, является математическое моделирование процессов их функционирования.

В условиях быстрого развития и усиления прнродно-ресурсных экологических и социальных факторов воздействия на ландшафты и появлением новых технических возможностей изменения природной среды, возникает необходимость разработки научных основ регионального геоэкологического мониторинга. В их основу положена разработка особого направления в математическом моделировании функционирования природных экосистем для научно обоснованного прогнозирования изменений природных комплексов и рационального управления природопользованием в регионах.

Актуальность темы. Наиболее адекватны эти проблемы кругу задач, решаемых тем направлением в современной географической науке, которое принято называть "геоэкологическим", по существу и по форме наиболее органично соответствующим процессу экологизации целей, задач, объектов и получаемых результатов исследований. Оно открывает новые перспективы для дальнейшего развития традиционных научных" направлений, которые вооружившись новыми количественными методами и новыми принципами и методами математического моделирования природных экосистем переходят на более высокую ступень развития.

Такое направление в географии возникло тогда, когда перед географией встала задача не только достоверно описывать современное состояние изучаемых ею ландшафтов, но и обеспечивать обоснованные прогнозы их возможного изменения, а в последние годы и снабжать органы, принимающие решения, необходимой информацией и методами управления современным и будущим экологическим состоянием конкретных регионов.

При этом,природная экосистема должна восприниматься как целостная система, которая возникла не потому, что основные компоненты, ее "составляющие", обладают

г

общим свойством, а потому, что они получают иитегративныс характеристики в процессе образования системы - носителя общих свойств. Исследование таких систем должно быть основано на системно-функциональном подходе, который позволяет формализованное описание и выделение основных закономерностей интегрального круговорота вещества в экосистеме, положенных в основу математического моделирования природных экосистем.

Осознание объективного характера процесса постоянного изменения экологических систем и того, что по истечении определенного периода времени эти изменения неизбежно становятся качественными, позволило сделать вывод о том.что устойчивость положения равновесия природных систем не имеет абсолютного смысла.Поскольку изменения происходили всегда.то факты исчезновения тех или иных их элементов являются закономерностями и оказываются лишь своеобразными индикаторами объективного процесса. Задача исследования не состоит в том, чтобы только определить условия, при которых эти изменения прекратятся, а связана с установлением быстроты их проявления, характеризующей закономерности изменения и функционирования природных экосистем.

Работа проводилась в рамках комплексной программы советско-монгольского "Эксперимента Убсу-Нур" и плановой темы Института географии РАН. В работе получили свое развитие идеи особого направления в математическом моделировании природных комплексов. На природном тестовом полигоне Центрально-Азиатского региона определялись комплексные характеристики природных экосистем, проводилась аэрокосмическая съемка. Сконструированные математические модели адаптировались для оценки реального состояния и прогноза динамики основных природных экосистем. Создан банк данных для целей регионального геоэкологического мониторинга.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение комплексной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и социальное значение,- разработка новых принципов и методов математического моделирования природных экосистем и на этой базе - создание научных основ регионального геоэкологического мониторинга.

Научная новизна. Впервые на базе системно-функционального подхода разработано и реализовано особое направление в математическом моделировании природных экосистем, в основу которого положены закономерности функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме. Создан комплекс математических моделей, включающий модели основных природных экосистем, эдификаторами которых являются травяные и древесные растения.

Построены интегральные модели ромоиальиой геосистемы с учегом динамики климатических параметров и культурно-экологического фактора пастбищного животноводства. Разработан эколог'о-географнческий ЭВМ банк данных специфической структуры на базе" граф-классификаторов природных обьектов тематических карт регнйна и предложенных интегральных показателей состояния природного комплекса.

Защищаемые положения. Предметом зашиты являются:

- особое направление в математическом моделировании природных экосистем, в основу которого положены закономерности функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме;

- математические модели природных экосистем, эдификаторами которых являются травяные и древесные растения,сконструированные на принципах интегральное™ и функциональности;

- региональная модель геосистемы, построенная на основе интеграции природных экосистем, входящих в нее в соответствий с их высотной поясностью;

-динамическая модель геосистемы, используемой в пастбищном животноводстве, с учетом одного из ведущих факторов се функционирования - культурно-экологического; ............'

- компьютерный граф-классификатор природных обьекгов тематических карт, использованных при создании эколого-географического банка данных специфической структуры для геосистемы Центрально-Азиатского региона.: '

Практическая ценность и реализация результатов. Информация, собранная В' ходе многолетних полевьп исследований, лабораторных работ и архивных изысканий, о состоянии и функционировании основных экосистем уникальной геосистемы -Убсунурской котловины - природного тестового полигона' Центрально - Азиатского региона, позволила ^спешно адаптировать полученные теоретические разработки к конкретному географйческому обьекту и получить тем самым практическое подтверждение правильности выбранного особого направления в моделировании природных экосистем. Разработанные новые принципы й методы математического моделирования, комплекс базовЫх математических моделей природных экосистем й научная основа регионального геоэкологического мониторинга использовались в создании и реализации Международных программ: "Азиатский экологический грансект" и "Убсу-Нур- Енисейский меридиан".

Основные положения работы широко исполыованы в ламдшафтно-экологических исследованиях Центрально-Азиатского региона: при составлении проекта "Региональная система экологического мониторинга Республики Тува"; в разработке "Программы и методы экологического мониторинга Монгольской Народной Республики"; при составлении проекта Государственного биосферного кластерного заповедника "Убсунурская котловина", а также при разработке технического задания на Автоматизированную систему экоинформацин и управления экологической обстановкой г.Москвы и Московского региона; в работах по охране природы Верхнеокского бассейна и разработке цифрового банка данных водной системы Верхнеокского бассейна, проводимых Научным центром биологических исследований, ИПФС РАН, Институтом биологии внутренних вод РАН и ИГРАН.

Апробация работы. Результаты исследований, теоретические и практические выводы докладывались на следующих международных конференциях: "Многостороннее совещание стран-членов СЭВ по проблеме советско-монгольский эксперимент Убсу-Нур" (Кызыл,1989), "Информационные системы" (Прага, 1991); "Глобальные изменения и Убсу-Нур" (Улан-Батор, 1991), "Информационные проблемы биосферы" (Ланьчжоу, 1992),. "Erforschung biologischer Ressourcen der Mongolischen Volkrepublik" (Галле, 1992), "Методика локального, регионального и глобального биосферного мониторинга" (Кызыл, 1993) , "Проблемы экологии и рационального . природопользования" (Барнаул, 1987, Кызыл. 1987,1988) и семинарах Научного Совета по проблемам биосферы АН СССР (Кызыл, 1988; Москва, 1989; Пущино, 1990; Пущино,1991, Новосибирск, 1991; Улач-Бйтор, 1990). Итоги работы обсуждались на научных семинарах Института почвоведения И фотосинтеза РАН, Института водных проблем РАН, Института проблем управления РАН, Института географии РАН.

Осномой объект практического' приложения теоретических исследо*вний. Природным тестовым полигоном исследований были избраны ландшафты Убсунурской котловины в Центрально-Азиатском регионе. Котловина расположена на северо-западе Монголии и граничит с Республикой Тува РФ. Это уникальное место в Центрально-Азиатском регионе с огромным озером Убсу-Нур на ее дншце и реками, стекающими с горных хребтов, обрамляющих котловину со всех сторон.

Распределение ландшафтов, обусловленное геолого-структурным сложением территории, отражает климатические особенности природного комплекса и прежде всего условий поверхностного увлажнения. Территориальная организация экосистем в котловине связана со структурой высотной поясности, которая обусловлена изменением

по градиенту высоты природных режимов (теплового, увлажненности, интенсивности солнечной радиации и т.д). Она также отражается и а территориальной организации жизни людей, связанной с их расселением, хозяйством, инфраструктурой. В хозяйственном отношении природный комплекс имеет животноводческое направление, преимущественно развито овцеводство и козоводство. Климат резко континентальный. Среднегодовое количество осадков колеблется в пределах 150-230 мм. Континентальность климата особенно четко проявляется в равнинной части котловины, где при весьма холодных малоснежных зимах отмечается сухое и жаркое лето.

Уникальной особенностью природы геосистемы является наличие на ограниченном пространстве почти всех основных природных экосистем, типичных для земной суши.На дне котловины лежат песчаные и глинистые пустыни. Выше идет степной пояс, который делится на горные степи и степи равнин. Но и равнины лежат здесь на значительной высоте (от 1000м до 1200м). Это подгорные равнины. Горные степи простираются в пределах высотных границ от 1200м до 1530м над уровнем моря.

На крутых склонах, расположенных в пределах высотных границ от 1700м до 2250м над уровнем моря, растут леса. Лиственничные лесные формации с хорошо развитым моховым напочвенным покровом, развиваются выше пояса парковых лиственничных формаций и простираются от 1800м до 1900м. В их почвах, на глубине 50-70 см, находится вечная мерзлота. В интервале высотного пояса от 1900 до 2250 м произрастают сосновые, еловые, кедровые и смешанные лесные формации. У верхней границы преобладает кедровая формация.

. В высокогорье в пределах от 2300 м до 2450 м располагаются сухие травянистые и ■ болотистые тундры. Еще выше - каменистые пустоши, снега и ледники.

Природные зоны и переходы между ними занимают небольшое пространство и выражены очень определенно. Это свидетельствует о том, что процессы, формирующие природные экосистемы, также действуют очень четко и локально, что упрощает изучение функциональных связей.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в числе хоторых авторская монография "Функциональные модели эко и геосистем различного иерархического уровня" (Москва, 1995), коллективная двухтомная монография "Эксперимент Убсу-Нур" (Москва, 1995) и крупные разделы в сборниках научных трудов по информационным проблемам биосферы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 194 страниц, из них 174Г Ир. машинописного текста, не считая списка литературы. Структура диссертации -

введение, пять глав, заключение и список, использованной литературы (265

наименований). , , , . . .........

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

... Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Формулируются цели и задачи работы, показана ее:новизна, выделены защищаемые положения и дается общая характеристика работы. ' ' '''■'' • " " ' - •••

■ В главе первой' "Методологические принципы' системно-функционального подхода в моделировании природных комплексов" разработано особое направление в' математическом моделировании природных экосистем, основанное на принципах интегралыюсти, функциональности и опирающееся на закономерности функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме.

Говоря о системно-функциональном подходе как особом методологическом направлении, исходим из того, что специфика его определяется не простым усложнением методов, а выдвижением новых принципов изучения объекта.

Природные экосистемы необходимо исследовать в двух направлениях: 1) "сверху вниз" - от целостной системы к ее компонентам и закону их организации в систему; 2) "снизу вверх" - от компонентов к целостному представлению системы. Первое направление нацелено на изучение структуры природной экосистемы, второе - на исследование функций. "Структура" при всех различиях в* ее толковании отождествл-■ яется В 'общем случав'с внутренним строением системы, с законом организации компонентов в систему. "Компоненты" являются ее строительным материалом, слагают ее, но в то же время компонент системен; Ибо он погружен в систему, и в этом смысле подчинен ей. Поэтому компонент понимается как минимальная (условно неделимая), • внутри себя цельная и в то же время различимая единица системы, как некий кирпичик, несущий в себе основные свойства системы. Но это означает, что набор компонентов отнюдь не произволен,' их выбор диктуется самим объектом исследования: Иными словами, компонент важен не сам по себе (от его внутреннего поэлементного строения мы абстрагируемся и понимаем его как цельную подсистему), а в связи с его функцией в рамках целого. Именно способность самостоятельно выполнять ту или иную функцию и должна быть критерием выявления компонентов. Компоненты, связанные в единство системой, ''живут" каждый в своем процессе. Отсюда Процессы, происходящие в компонентах, могут протекать с разным темпом и в разное время. -"• ■'■ ' ' -

"Сведение" целостного (интегрального) поведения экосистемы к слагающим и определяющим его процессам является при познании связей не самоцелью, а тактическим средством, позволяющим понять "механизм" динамики целого. Сущность выявленных связей не в самих процессах, а в том, что они сочешкчся в динамике целого. Сущность связей целого сводиться к синтезу динамики целого из поведения его главных компонентов.

Таким образом, на начальном этапе при системно-функциональном подходе объект представляется нам не только как упорядоченная целостная экосистема взаимосвязанных блоков, обладающая структурой и организацией, но и как экологическая система, построенная из разно гипных блоков, объединенных круговоротом веществ. На следующем этапе - выявляются закономерности, лежащие в основе ее функционирования. Затем требуется выделение системообразующих связей, в том числе механизмов управления. Заметим, что специфической чертой экологической системы является наличие в ней, процессов управления, что порождает необходимость информационного подхода к их исследованию. Л управление предполагает наличие у экосистем "цели" (иначе управление теряет смысл). Говоря о процессах управления, протекающих в экосистемах, естественно, выделяем основные составляющие блоки и рассматриваем их взаимодействие. Взаимодействие одного блока (составляющей) с другим, которое приводит к изменению состояния второго блока, рассматриваем как некоторый обобщенный " сигнал ", передаваемый от первого блока ко второму. Именно в этом смысле можно говорить о потоках " информации", циркулирующей в экосистеме.

Для исследования процесса функционирования природных экосистем на базе-системно-функционального подхода требуется прежде всего выделение системообразующих связей - в том числе механизмов ныне протекающего актуального взаимодействия между главными компонентами, а также механизмов управления этими взаимодействиями. Началом, обеспечивающим связь ее составляющих, служат потоки вещества. При системно-функциональном подходе природную экосистему как бы рассматривают с разных точек зрения, сосредотачивая внимание то на моментах ее жизни п связи со строением, то на строении в связи с ее развитием.

Поэтому основными принципами системно-функционального подхода в изучении структуры и функционирования экосистем будем считать: I) выделение экосистемы как самостоятельной единицы; 2) расчленение ее на главные компоненты; 3) установление связей между главными компонентами экосистемы, а также связей с

внешними факторами; 4) анализ процессов взаимодействия главных компонентов экосистемы.

Системно-функциональный подход характеризуется тем, что главное внимание направляется на изучение способа связи компонентов объекта в единое целое, на выявление функций, которые выполняет каждый компонент в этом целом, на исследование "механизма жизни" и выявление его системы функционирования. Основные свойства блоков определяются структурой целого обьекта (экосистемой). Эти блоки должны находится в определенных отношениях н связях между собой. Из них выделяются системообразующие связи, отвечающие за целостность экосистемы и определяющие характер ее функционирования. Это важное положение системно-функционального подхода.

Среди специфических понятий системно-функционального подхода выделим группу понятий, характеризующих внутреннее строение экосистемы, ее специфические особенности, функционирование и развитие. К существенным отнесем понятия; связи главных компонентов (интегральный круговорот вещества в экосистеме), иерархическое строение экосистемы (ее структурно-функциональная схема), управление, цель, целесообразность.

Одним из важнейших вопросов является также познание закономерностей взаимодействия природной экосистемы с внешними факторами. При этом изменение в . главных ее компонентах отражается на всей экосистеме, а целостное изменение экосистемы сказывается на ее компонентах.

Природная экосистема, изучаемая с учетом закономерностей интегрального круговорота вещества в ней является системой с обратной связью, и как таковая попадает в класс информационных систем, и должна рассматриваться в плане закономерностей этого класса, а именно: закономерностей целесообразного управления, которое раскрывается при анализе структурно-функциональной схемы экосистемы. Информационные системы существуют в виде иерархических структур, в рамках которых более многочисленные частные, мелкие проявления, функции, свойства являются следствием меньшего числа более общих важных, определяющих (так сказать "расположенных уровнем выше"), которые в свою очередь определяются еще меньшим числом, еще более важных фундаментальных свойств.

Методика такого подхода реализуется в два этапа: 1) разрабатывается структурно-функциональная схема экосистемы; 2) на ее основе разрабатываются математические модели. Структурно-функциональная схема организации природной

экосистемы представляется, как система информационно-управляемая, имеющая взаимосвязанные блоки информации и управления функциональными ветвями.

В блоках информация структурирована по уровням иерархии таким образом, чтобы в целом экосистема действовала для выполнения своего целевого назначения. При этом согласно иерархической структуре, каждый компонент экосистемы является средством для выполнения целей, которые ставятся ему "вышестоящим" компонентом, и сам задает цели уже "нижестоящим", зависящим от него. Самый "верхний" -определяет общую цель экосистемы, а набор "нижних" - выполняет конкретные действия. Подобное описание экосистемы позволяет увязать разнородные процессы функционирования экосистемы в сбалансированное единство и определить структуру информационных и управляющих взаимодействий в ней. Информационные потоки в экосистеме группируются в долгосрочную, краткосрочную и локальную климатические информации. А управляющие воздействия дифференцируются на: I) выбор жизненных форм; 2) оптимизацию процессов продукции и деструкции органического вещества и согласование этих процессов.

Структурно-функциональная схема экосистемы реализуется в ее математической модели.

В наших исследованиях основное внимание сосредотачивается на изучении процессов, происходящих в системе "растение-почва". Для характеристики круговорота веществ в указанной системе, где поток вещества рассматривается интегрально без учета химизма, воспользуемся понятием "интегральный круговорот вещества в экосистеме". Такой круговорот, как динамический процесс, характеризуется потоком' вещества и его запасами в подземной и надземной частях экосистемы и оценивается по интенсивности потоков с учетом того факта, что для всех экосистем характерен непрерывный обмен и движение веществ.

Заметим, что такой подход сближает понятие экосистемы с понятием "живого вещества" у В.И.Вернадского.

Циклический характер такого круговорота веществ определяет "круговращение" питательных элементов, а не консервацию биосферных запасов органического вещества. При этом обращение протекает не только в замкнутом объеме, но как бы по спирали, что предполагает не только повторение, но и развитие процесса образования "живого вещества".

Отметим, что в рассмотрение принимается весь поток вещества в экосистеме, а не суживается его ветвь, идущая по трофическим уровням. Последняя также находит себе место в виде ветви потока, идущей через консументы.

Таким образом, в отличие от концепции экосистемы, как системы трофических уровней, данная концепция рассматривает интегральный поток вещества в экосистемиом цикле, включающем синтез органического вещества автотрофами и его деструкцию гетерогрофами (рис. I).

ОСКД^И

ЕГ

тс. Г

Рис. 1 Общая схема интегрального круговорота вещества к экосистеме. Кгконсументы /• го порядка, консумешны 2-го порядка.

Управляющими факторами цикла являются наличие ФАР, влаги, тепла и

кислорода в деструктивной среде.

Резервная активность экосистемы обеспечивается наличием запаса мертвой органики, которая распределяется между надземными и подземными частями в различных экосистемах по-разному, определяя максимизацию интегрального круговорота, а также динамические свойства экосистемы (характерное время реакции на воздействия, время обновления запасов и т.п.).

Системно-функциональный подход в исследовании природных экосистем реализуется с помощью математического моделирования. При этом идея такого подхода состоит в том, чтобы для целей моделирования экосистему расчленить на категории системно-функционального подхода, а затем упростить и совершенствовать математическое моделирование экосистемы за счет узкой и глубокой направленности модели, за счет умения разложить единое экосистемное исследование на ряд "частных" иерархических уровней и вместе с тем взаимосвязанных и сопряженных задач.

Отразить в моделировании основные принципы процесса функционирования экологических систем, сопряженные с закономерностями круговорота вещества - задача трудная, но весьма важная для географии. Особенно она необходима для прогноза

изменения экологическою состояния природных экосистем и рационального управления природопользованием.

Принципы и методы построения таких моделей основываются на закономерностях функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме, а также на принципах интегральиости и функциональности.

Такой подход ставит весьма сложную проблему получения обобщенных параметров, интегрально отражающих функции многочисленных и сложных процессов, протекающих в экосистеме.

Принципы и методы математического моделирования природных экосистем, в основу которых положен системно-функциональный подход, позволяют говорить об особом направлении в моделировании природных экосистем. Именно математическое моделирование экосистем в рамках такого направления, наиболее соответствует остро актуальным целям создания научной основы регионального геоэкологического мониторинга.

Вторая глава "Математическое моделирование природных экосистем на основе системно-функционального подхода", посвящена разработке функциональных математических моделей основных природных экосистем, эдификаторами которых являются травяные и древесные растения.

функциональны модель травяных экосистем. Травяная экосистема, как любая другая природная экосистема представляет собой весьма сложный, многокомпонентный, изменяющийся в пространстве и во времени объект, и ее описание необходимо проводить методом последовательного приближения, выделяя на каждом этапе свойства и процессы функционирования, которые наиболее существенны для решения поставленной задачи - разработки математической модели травяной экоонстемы.

Модель состоит из двух функциональных блоков. Первый блок - блок раститель- ' ностн обеспечивает синтез органического вещества. Второй блок - блок почвы - его деструкцию. Структурная схема модели травяной экосистемы представлена на рис. 2.

В блоке "растительность" описывается процесс роста фитомассы в зависимости от гндротермических факторов, свойств почвы и фенологического состояния растений. Время развития травяной растительности, определяемое вегетационным периодом, зна-' чительно меньше характерных времен развития почвенных процессов. В основу функ- • ционирования этого блока была положена функция продуктивности фитоценоза, отражающая биологический потенциал экосистемы. Функция описывает полную продуктивность фитоценоза и представляется через общую и локальную продуктивности. Об-

щая - представлена как функция от гидротермических факторов. Она образует "колоколообразную" поверхность, аргументами которой являются влажность и температура. Поверхность привязана к экспериментальным данным. Локальные коэффициенты продуктивности представлены двумя сомножителями. Так, что в целом имеем:

Р=Ргт(Т,\У)-К5-Кг (I)

где Р - полная продуктивность за одну декаду вегетационного периода, Рп- продуктивность, зависящая только от температуры и влажности, Т- средняя температура за декаду вегетационного периода, IV- средняя влажность почвы в эту же декаду. К, - коэффициент почвенной продуктивности, зависящий от свойств почвы, Кр коэффициент фенологического этапа роста и развития травяной растительности.

Согласно выделенным по И.В.Борисовой фенологическим ритмам вычисляется коэффициент фенологического этапа роста и развития травяных экосистем (Кг). Численное выражение коэффициента Кг, получаем, используя следующую формулу:

к0 = р^/рэ], кг (2)

1

где Кд - коэффициент фенологииу-ой травяной экосистемы,/ - луговая степь, настоящая умеренно засушливая степь, сухая и опустыненная степи, Я,, - продукция у'-ой травяной . экосистемы 1-го фенологического ритма, Р^ - продукция эталоннойу'-ой травяной экосистемы, Лу- коэффициент фенологии травяных экосистем.

Для того, чтобы исключить различия в годовой продуктивности, зависящей от длительности вегетационного периода, в качестве единицы времени берется декада.

Ведущей экологической функцией почвы, как одной из главных динамических компонент экосистемы, подчиняющейся единому ритму целостной системы, является функция катаболизма или диссимиляции сложных органических веществ на простые, через длинную цепь многократных реакций синтеза и деструкций.

Блок почвы описывает деструкцию органического вещества. При этом не затрагивается качественная сторона сложных физико-химических процессов, протекающих в почве, а прослеживается в динамике интегральный результат их действия и отражается количественная сторона проявления функции почвы. Блок почвы описывается как динамическая информационно-управляемая подсистема, которая имеет ряд атрибутов: функциональные части, уровни управления, уровни информации, целенаправленность.

СТРУКТШМ1 СХЕМА ТРАМИОИ ЗУОСШЕМЫ

РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

ÎACVA НОРКА ВЛАЖНО

ь.

А<

AS

бе

m

m

ГИДРОСФЕР*

стрширния спи* модели трАаякой ишспим

5» leo 150 ¿OD m 350 гн МЦЕШОШИЕ TtMHO-HMliUBOlQÚ ПИЧСЫ

-TFABÜHOÚ КОСКСТЕММ. А. , Ai-, AB, В, ВС-ГОРИЗОНТЫ ПОЧ&ЕННвГО ПРОБИЛА

с

Рис. 2 Общая схема и результаты моделирования травяной экосистемы.

В основу процесса функционирования блока почин была положена универсальная модель горизонта, предложенная В.А.Ковдой, А.С.Керженцевым и Н.Н.Зеленской. Органическое вещество попадает в сферу действия блока почвы с момента отмирания и превращения в опад. Опад делится на надземный, который поступаете горизонт Ао, и подземный, распределяющийся по низлежащим горизонтам пропорционально массе корней.

Стадии разложения органического вещества соответствуют его составу и количеству в горизонтах почвенного профиля. Соотношение запасов органического вещества в генетических горизонтах почвенного профиля трактуется, как последовательная смена стадий его разложения от опада до ортаномннеральных веществ.

Выходами из блока почвы являются: поступление в растения, вынос стоком в гидросферу, уход газообразной части в атмосферу и переход вещества из вышележащего горизонта в нижележащий.

Почвенный профиль представляется набором горизонтов, в котором происходит последовательная смена стадий деструкции органического вещества вплоть до полной минерализации. Содержание теистических горизонтов определяется разностью входа и выхода вещества.

В блоке почвы описывается процесс накопления органического вещества, определяемый приходом и расходом вещества, и носит балансовый характер. Для представления закономерностей функционирования блока почвы воспользуемся следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений: dM, 4

_J. = Vi0+M1.lVi.li4-ZMiViJ (3)

dt .

где i - горизонты почвы Лд, A¡,AB, В, ВС, С, j - количество входов и выходов вещества

(0,1,2,3,4), Уц - скорость выноса вещества в атмосферу, V¡2 - скорость выноса вещества в

фитомассу, Vi3 - скорость выноса вещества в гидросферу, Уц - скорость перехода

вещества из горизонта в горизонт, V¡0 - приход вещества в горизонт почвенного

профиля, Mi - масса i-ro горизонта почвенного профиля.

Интегральный характер блока почвы позволяет с достаточной точностью определить ее параметры по экспериментальным данным, имеющим значительную погрешность.

Главная инерционность травяных экосистем сосредоточена в почвенном профиле. При этом верхние горизонты имеют меньшую инерционность по сравнению с нижними.

Смоделированы процессы функционирования основных функциональных блоков травяной экосистемы. Главно/1 функцией экосистемы является интегральный круговорот вещества в экосистеме - процесс, связывающий блок растительности и блок почвы и обеспечивающий постоянное обновление живого вещества путем осуществления взаимодействия двух противоположных процессов: анаболизма и катаболизма. А взаимодействие растительности с почвой обусловлено адекватной реакцией автотрофных и гетеротрофных организмов на гидротермические условия. При этом автотрофы автономно реагируют на свет, а гетеротрофы - на аэрацию.

Величину К, (коэффициент почвенной продуктивности, интегрально отражающий процессы деструкции почвенной органики в горизонтах почвенного профиля) вычисляем по текущему количеству минеральных веществ в исследуемой почве, отнеся се к соответствующей величине в эталонном почвенном профиле:

*ч = МЯт/МПо (4)

где А/т, - полная масса минеральных веществ блока почвы, Мта • масса минеральных веществ, выделяемая в фитомассу, в эталонном почвенном профиле.

Величина Мтп определяется следующим соотношением:

(5)

где М( • масса 1-го горизонта почвенного профиля, • скорость перехода вещества в фитомассу, которая определяется через зольность прироста, Л/т; - масса минеральных веществ ¡-го горизонта. Скорость зависит от гидротермических условий, как и другие скорости У у.

Математическая модель травяной экосистемы позволяет оценить ее состояние й динамике. Модель дает возможность определить время полного обновления в экосистеме органической массы каждого горизонта и почвенного профиля в целом. При несложных дополнительных построениях определяется время трансформации подзон травяных экосистем при долговременном изменении климатических условий.

Предлагаемая математическая модель адекватна любым травяным экосистемам • от опустыненных до луговых степей. Путем несложных преобразований она может быть адаптирована и к агроценозам.

Функциональная модель древесных экосистем. Математичская модель древесных экосистем, разработанная в рамках системно-функционального подхода, представляет собой особый вариант модели этой экосистемы, в основу которой положены закономерности функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме.

Математическая модель представлена в виде двух функциональных блоков: древостоев и почвы. Структурная схема модели древесной экосистемы, основанной на закономерностях интегрального круговорота вещества в экосистеме, изображена на рис 3.

В основу процесса функционирования блока древостоев были положены материалы В.В.Бугровского, Т.Э.-А.Фрея, Ю.Л.Цельникер.

В общем виде в основу блока древостоя положен механизм продукционного процесса, рассматриваемый как результат взаимодействия процессов: фотосинтеза, дыхания и роста, который в данной модели рассматривается через механизмы производства органического вещества, распределения его между ассимилирующими и неассимилирующими частями древостоя, затрату органического вещества на жизнеобеспечение (дыхание) и самозатенение лиственного полога.

В блоке древостоев, с целью упрощения расчета, считаем, что до смыкания крон все листья будут образовывать первый слой и находится в равных по освещенности условиях. После смыкания крон начинает образовываться второй слой, листья которого находятся в равных между собой условиях по освещенности, но в худших по сравнению с листьями первого слоя. Далее образуется третий слой и тд.

Более точная зависимость массы слоя от бонитета может быть учтена так называемым "коэффициентом стехиометрии" (к<), показывающим некоторое ухудшение процесса ассимиляции с ухудшением бонитета насаждения.

Согласно П.Морану прирост продукции для ¡-го слоя запишем в виде:

^=рфа>.(мл(-ксв).к5 (?)

где Р, - продукция фотосинтеза ¡-го слоя, I - номер слоя листвы (¡= 1,2..... п), Рф -

продуктивность, являющаяся функцией светового ресурса, ] - интенсивность ФАР, МлГ масса листьев 1-го слоя древостоя, к, - коэффициент стехиометрии, В - бонитет, К, -коэффициент почвенной продуктивности, зависящий от свойств почвы древесных п

экосистем р = £ р. , где Р - суммарная продукция кроны древостоя.

—[ змпс. -1 ПРО

ЗА ПАС ДЕСТРУКЦИЯ

Рис. 3 Общая схема «результаты моделирования древесной экосистемы.

Каждый горизонтальный слой листьев будет характеризоваться своей световой кривой (кривой фотосинтеза), отражающей адаптацию листьев к световому режиму соответствующего слоя кроны.

В соответствии со стандартным представлением о росте древостоя, согласно которому прирост фитомассы определяется как результат накопления органического вещества в процессе фотосинтеза и уменьшения его в процессе дыхания и отмирания, прирост фитомассы будет определяться следующим соотношением:

<1М "

Р-Д-М0 , Р=1Р( (8)

СИ М

а скорости увеличения затрат на дыхание, опад и отпад описываются уравнениями:

^ = к„(Мн+Мл) (9)

= к0М (Ю)

ш

где М - общее количество органического вещества в надземной и подземной частях древостоя, Д- затраты на дыхание, М„ - масса опада и отпада, и к0 - коэффициенты, определяющие затраты на дыхание и скорость опада и отпада, М„ - масса нефотосинтезирующих частей древостоя, Мя - масса листьев древостоя.

Распределение вновь образующейся фитомассы между соответствующими частями древостоя описывается следующими соотношениями:

аМ = аМ„+дМл, где ёМн =ёМс>+<1М, (II)

ёМл =

с1М-—-, если Д>1»

(Мц+М.)' н (12)

0, если 1Н

где 1Н - насыщающая интенсивность ФАР, соответствующая компенсационной точке на кривой фотосинтеза, МСК - масса ствола и корней, М^ - масса ветвей.

Суммарный прирост фитомассы древостоя есть результат двух противоположных процессов: образования фитомассы в процессе фотосинтеза и расхода ее в процессе дыхания.

В продукционном процессе блока древостоев, кроме процесса самозатенения листвы, необходимо, согласно анализу данных и выводам Ю.Л.Цельникер, учитывать и процесс взаимного затенения древостоев разных видов.

Фотосинтетически активная радиация для каждого вида определяется двум» составляющими: светом, непосредственно падающим на древостой данного вида, и светом, предварительно прошедшим через древостой другого вида. Чтобы учесть это обстоятельство, необходимо ввести характеристику, называемую "затенением" (X)).

Интенсивность фотосинтетически активной радиации для светолюбивых и теневыносливых древостоев с учетом взаимозатенения древостоев и в соответствии с Н.Хорном, может быть представлена следующими соотношениями:

древостоя на расстоянии Нт от вершины светом, прошедшим через светолюбивый* древостой, Не и Нт - высоты светолюбивого и теневыносливого древостоев соответственно.

Процессы функционирования блока почвы древесных экосистем аналогичны процессам в травяных экосистемах.

Минеральные вещества из почвы берутся корнями древостоя, определяя тем самым величину коэффициента почвенной продуктивности К», которая интегрально отражает процессы диссимиляции почвенной органики в горизонтах почвенного профиля. Она вычисляется как и для травяных экосистем, по текущему количеству минеральных веществ в исследуемой почве, отнеся ее к соответствующей величине в эталонном почвенном профиле.

(14)

(13)

где ./ - освещенность прямым светом на расстоянии Нс от вершины при затенении Хзс.

- освещенность светолюбивого древостоя на расстоянии Нс от вершины светом, прошедшим через теневыносливый древостой, /г- освещенность прямым светом на расстоянии Нт от вершины при затенении Хзг, 3Т(_ - освещенность теневыносливого

Инерционность почв и древостоев древесных экосистем имеет один порядок величин и существенно влияют друг на друга, чем и определяется общая динамика этой экосистемы.

Модель древесных экосистем хорошо отражает динамику развития древостоев разных пород и бонитетов. Такая модель позволяет изучить отдельные стороны существования смешанных лесных формаций и рассмотреть закономерности их развития. Она дает возможность по закономерностям роста и развития древостоев рассчитать возраст естественной зрелости лесных формаций древесных экосистем.

Математическая модель позволяет определить время трансформации древесных экосистем при долговременном изменении климатических факторов, время полного обновления органической массы каждого горизонта и почвенного профиля в целом.

Математическая модель древесной экосистемы, построенная в рамках системно-функционального подхода, с уверенностью опирается на имеющиеся экспериментальные данные и достаточно доступна при использовании в практической работе.

В третьей главе "Опыт моделирования природных экосистем Центрально-Азиатского региона" представлена адаптация полученных теоретических и методических разработок в моделировании экосистем конкретного природного комплекса Убсунурсхой котловины в Центрально-Азиатском регионе (ЦАр).

Конкретные расчеты параметров модели по характерным травяным экосистемам природного комплекса осуществлены по данным за 1980-1990 гг. Материалы за 1987-1990г.г. получены в совместных исследованиях с А.А.Горшковой в рамках советско-монгольской программы "Эксперимент Убсу-Нур".

Расчеты параметров модели по характерным древесным экосистемам геосистемы были проведены по данным за 1985-1989гг.

В соответствии со взглядами Е.МЛавренко в пределах ареала травяных экосистем выделяются следующие подзоны: луговые степи на лугово-черноземных почвах, умеренно засушливые настоящие степи на темно-каштановых почвах, сухие степи на каштановых почвах и опустыненные степи на светло-каштановых почвах. Они занимают более 58% территории равнин и предгорий. При этом опустыненные и настоящие умеренно засушливые степи преобладают.

Для природного комплекса ЦАр характерны особенно засушливые весна и начало лета. Абсолютный максимум температур приходится на июль, он достигает плюс 36-39°С. В зимние месяцы температура может опускаться до минус 45-55°С.

Безморозный период колеблется от 100-120 дней. Почва промерзает постепенно от 85 до 110 см, начиная с ноября и до начала марта.

В травяных экосистемах, как известно, тепло концентрируется на поверхности почвы. В теплые периоды, если температура воздуха равна 27-29°С, то почвы - 45-48°С.

В настоящих, сухих и опустыненных степях сравнительно разреженный травостой не может создавать слой насыщения. Воздух здесь наиболее иссушен в самых нижних слоях. Луговая степь оказывается менее прогретой, т.к. развитый травостой задерживает тепло.

Ярко выраженная континентальность климата определяет большие перепады даже суточных температур. В особенно жаркие дни температура на поверхности почвы может достигать в опустыненной степи 66,5° С и это в год, который характеризуется по гидротермическим показателям, как теплый и влажный.

Для травяной экосистемы влажность воздуха - один из ведущих компонентов микроклимата, влияющий на течение многих процессов жизнедеятельности растительности. Воздух иссушен в основном в весеннее и раннелетнее время, чему способствуют ярко выраженные засухи. Так, если воздух в опустыненной степи прогревается до температуры 31-38° С, то это приводит к иссушению воздуха, и его относительная влажность будет составлять только 10-16%. Однако, в настоящей степи при температуре воздуха 30-32°С сильного иссушения воздуха не наблюдается.

Маломощные каштановые почвы прогреваются интенсивнее темно-каштановых почв настоящих степей. В каштановых почвах в составе гумуса количество гуминовых кислот и фульвокислот примерно равно. Темно-каштановые почвы отличаются от каштановых большей интенсивностью дернового процесса, что выражается в повышении мощности гумусового горизонта и возрастании в нем процентного содержания гумуса. Светло-каштановые почвы опустыненной степи особенно иссушены - до 3% запаса доступной влаги.

Гумусовые горизонты почвы травяных экосистем имеют относительно малую мощность. Так, в лугово-черноземных почвах она достигает 35-45 см, в темно-каштановых почвах - 25-35 см, в каштановых - 15-25 см и в светло-каштановых не превышает 8-12 см. Содержание гумуса в почвенном горизонте меняется от 5,4% в темно-каштановых до 1,4% в светло-каштановых почвах.

Зависимость продуктивности от температуры и влажности в среднем за вегетационный период была рассчитана, согласно модели травяных экосистем,по данным за 19§0-1990гг.Вошедшие в расчеты, периоды наблюдений были подразделены

по следующим гидротермическим характеристикам: I) холодный и сухой год; 2) холодный и влажный год; 3) умеренно теплый и умеренно влажныП год; 4) теплый и влажный год; 5) теплый и сухой год ("засушливый"); 6) умеренно засушливый и умеренно теплый год.

Основу флоры равнин И предгорий котловины составляет жизненная форма травянистых многолетников (85,5%). Она представлена преимущественно дерновинными травянистыми многолетниками, причем, кроме плотнодерновинных злаков, характерны мелкие перистые ковыли. В травяных экосистемах преобладают многолетние травянистые длительно вегетируюшие растения. Наиболее высокий процент их в луговой степи -81,1%, а наименее низкий - до 60% - в опустыненной степи. Такое разнообразие флоры, а также различия в важнейших экологических параметрах определяют и неодинаковые запасы фитомассы (надземной и подземной) в разных подзонах.

Накопление подземного мертвого органического вещества - отличительная особенность центрально-азиатских континентальных степей. Для них характерно также и то, что разложение такого вещества замедляется с увеличением увлажнения н сопутствующим ему понижением температуры почвы.

Величина продукции надземной массы изменяется в зависимости от гидротермических характеристик не только текущего, но и предыдущего года. Она достигает максимальных величин в умеренно теплый и умеренно влажный год, если ему предшествует теплый и влажный. Подземная продукция в холодные влажные годы выше, чем в умеренно теплые и умеренно влажные. Большие запасы подземной массы от 65 до 72 ц/га в настоящей степи в 1982 и 1988 годах объясняются тем,что предыдущие им года 1981 и 1987 были теплыми и сухими (засушливыми), что способствовало накоплению корневой массы за счет замедленного процесса разложения отмерших частей.

Запасы общей живой фитомассы в травяных экосистемах колеблются в пределах от 0,7 до 24,5 т/га, достигая максимальных величин в подзоне луговых степей на черноземах и настоящих умеренно засушливых степей на темно-каштановых почвах и снижаются до минимума в подзоне опустыненных степей на светло-каШтановых почвах. Вместе с тем, величина живых подземных органов варьирует не только от года к году, но и в течение вегетационного периода. В подзонах сухих и опустыненных степей сезонная динамика запаса живых подземных органов наиболее выражена. Масса живых подземных органов выше в теплый и влажный год, если ему предшествовал умеренно

теплый и умеренно влажный год, ниже • в умеренно теплый и умеренно влажный год, если он следует за холодным и сухим годом.

Величина мертвых подземных органов также значительно варьирует не только от года к году, но и в течение сезона вегетации. Велика степень этого изменения и по подзонам травяных экосистем. Колебания запаса мертвых подземных органов внутри подзон больше, чем по годам. И межгодичное и межподзонное варьирование снижается с увеличением увлажнения. Величина подземной продукции колеблется от года к году практически одинаково во всех подзонах, но с одинаковой амплитудой она изменяется только в настоящей умеренно засушливой степи, в сухой и опустыненной степях.

Результаты расчетов продуктивности блока растительности травяных экосистем природного комплекса представлены в табл. I. Продуктивность рассчитывалась подекадно.

Запасы подстилки в луговой степи значительны. Это важный компонент надземной фитомассы, играющий стабилизирующую роль в жизни травяных экосистем.

Таблица I

ПРОДУКТИВНОСТЬ ТРАВЯНЫХ ЭКОСИСТЕМ ГЕОСИСТЕМЫ

Подзоны травяных Сухой вес г/мг, средний за декаду

экосистем июнь июль август

Луговая степь

Зеленая масса 1156,2 1310,1 856,2

Подстилка 1590,0 1288,3 1160,3

Надземная фитомасса 3312,3 3098,4 2508,6

Настоящая степь

Зеленая масса 814,1 846,0 860,4

Подстилка 752,3 652,5 662,0

Надземная фитомасса 1696,4 1748,6 1798,1

Опустыненная степь

Зеленая масса 3442,0 4618,3 4164,3

Подстилка 1253,1 1360Д 1052,0

Надземная фитомасса 4696,2 5998,2 5230,2

Продуктивность подзон травяной экосистемы зависит в наибольшей степени от условий увлажнения первой половины вегетационного периода. Поэтому осадки, даже-обильные, во второй половине лета дают незначительную прибавку к урожаю текущего года, но, пополняя запасы влаги в почве, оказывают положительное влияние на формирование зеленой массы следующего года.

Согласно модели травяных экосистем полная продуктивность зависит от коэффициента фенологического этапа роста и развития травяной растительности ( Кг).

Расчеты такого параметра проводились по трем фенологическим ритмам, выделенным по И.В.Борисовой. Для луговод степи он будет равен 0,91; настоящей умеренно засушливой степи - 0,87; сухой степи - 0,76; опустыненной степи - 0,69. Эти коэффициенты были вычислены для умеренно теплого и умеренно влажного года. Конкретные расчеты коэффициента фенологического этапа роста и развития растительности были.проведены для настоящей умеренно засушливой степи травяных экосистем по данным 1981-1990 годов, которые бьши подразделены по следующим гидротермическим характеристикам: теплый и сухой год, теплый и влажный год, умеренно засушливый и умеренно теплый год и умеренно теплый и умеренно ьлажный год.

Для целей моделирования необходимо иметь не только зависимость продуктивности от гидротермнческих условий и фенологических этапов, но и от свойств почв. В процессе естественного функционирования травяных экосистем не только состав И количество опада влияют на уровень накопления органических веществ в горизонтах почвы, но и наоборот, от количества и качества сформировавшегося в соответствующих почвах органического вещества 4 зависит продуктивность растительности. Эта зависимость учитывалась через коэффициент почвенной продуктивности - К,. Такдля лугово-черноземной почвы он равен 0,96, темно-каштановой • 0,89, каштановой - 0,31, светло-каштановой - 0,74. Вычисления проводились по данным умеренно теплого к умеренно влажного года.

Результаты расчетов полной продуктивности настоящей умеренно засушливой степи представлены в табл. 2.

Таблица 2

ПОЛНАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ НАСТОЯЩЕЙ УМЕРЕННО ЗАСУШЛИВОЙ СТЕПИ

Парамяры Насгаядая умереню засушливая сгаь 1981 1982 1983 Ш 1985 1986 1987 Ш

Среще кол. осад .завегетэр.,мм 100-110 225-265 90-110 165-200 225-285 165-200 100-110 200-235

Оадня тайгер за вотеггерСРС) 205 16Р 160 20,4 145

Ксофтючзешгрояу кшс(КУ 032 0,82 035 095 036 032 039

Ковф4яюлсг згств росгаиразв. (КЗ 0,79 ода 0,79 ода ода 0Д2 0,79 037

Гкэтия 79 15р 69 14/5 17,5 15Р 7,7 14,1

Из анализа расчетных значений продуктивности настоящей умеренно засушливой степи видим, что максимумы величин продуктивности смещены во времени. Такое смещение обусловлено тем, что на продуктивность, как отмечалось выше, оказывают влияние тепло и влага предыдущего года.

По опорным расчетным значениям продуктивности луговой степи в среднем за вегетационный период теплого и влажного года и опустыненной степи - в засушливый год строится колоколообразная поверхность, дающая распределение продуктивности всех подзон травяных экосистем. По луговой степи продуктивность в 1985 году составила 43,2 ц/га, а по опустыненной степи в 1987 - 0,7 ц/га. Величины продуктивности настоящих и сухих степей получаем из соответствующих замеров на расчетной поверхности.

При анализе зависимостей продуктивности подзон травяных экосистем от средней за вегетационный период температуры и влажности, прослеживается следующая закономерность. При относительно малом количестве тепла 15°>Т>10°С, с ростом увлажнения, продуктивность растет медленно. Л при потеплении Т°>15°С и увеличении осадков (но осадки не должны быть больше средних многолетних норм более чем в 1,5-1,7 раза) продуктивность начинает расти заметно быстрее.

В травяных экосистемах интенсивный прирост фитомассы и ее быстрая переработка гетеротрофами приводят в условиях непромывного режима к образованию исключительно мошного почвенного профиля. Такие почвы представляют собой важнейший резерв минеральных веществ, обеспечивающих дальнейшее благополучное существование и функционирование экосистемы.

Затем были проведены расчеты по характерным почвам подзон травяных экосистем: лугово-черноземной, темно-каштановой, каштановой и светло-каштановой. В качестве базовых данных использовались массы годового опада луговой, настоящей умеренно засушливой, сухой и опустыненной степей соответственно и запасы органического вещества в генетических горизонтах почв по следующим гидротермическим характеристикам: холодного и влажного года, умеренно теплого н. умеренно влажного года, теплого и влажного года и теплого и сухого года.

Результаты расчетов для периода с умеренно теплым и умеренно влажным годами представлены в табл. 3.

Таким образом, динамически равновесное состояние прихода-расхода запасов и форм органического вещества в травяных экосистемах наступает через несколько столетий.

Таблица 3

РЕАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ МАССЫ (М, т/га) И ХАРАКТЕРНЫЕ ВРЕМЕНА (т,годы) ГЕНЕТИЧЕСКИХ ГОРИЗОНТОВ ПОЧВЕННЫХ _ПРОФИЛЕЙ ТРАВЯНЫХ ЭКОСИСТЕМ_

Почва Ас М т М А| I АВ М I В М х М ВС Т Суммарная масса (М)

1Л)пвочр1сое^ К1Н 103 '67 119 162 217 201 264 410 703

2Та«юмшганаеая 42 51 70 138 119 303 103 320 19 91 353

ЗКашпиавая 17 35 57 143 39 137 31 163 7 71 151

4.СЬетмашгаю-вая 51 150 37 143 16 89 104

Результаты моделирования темно-каштановой почвы настоящей умеренно засушливой степи представлены на рис. 2.

Значительную территорию в геосистеме занимает древесная экосистема. В ареале древесных экосистем выделены следующие лесные формации: кедровая, еловая, пихтовая, лиственничная, сосновая и березовая. Темнохвойные и светлохвойные лесные формации преобладают, они занимают более 85% территории древесных экосистем. Такие лесные формации древесных экосистем располагаются на мерзлотных горнотаежных, дерново-подзолистых и горно-лесных серых почвах. Между почвами древесных экосистем имеются различия в глубине залегания уровня многолетней мерзлоты, в степени разложения органического вещества и мощности почвенного профиля. Мерзлотные горно-таежные почвы обладают большими запасами слаборазложившегося органического веществе и общей мощностью почвенного профиля не более 50 см. Для других почв древесных экосистем, формирующихся в нижних частях этой экосистемы и 1в более теплых условиях, степень разложения органического вещества выше, а мощность почвенного профиля достигает 100 см и более. В верхнем горизонте мерзлотных горно-таежных почв содержание гумуса свыше 10%, местами может доходить до 20%. Вниз по профилю количество гумуса резко падает.

Климат здесь "резко континентальный", коэффициент континентальное™ составляет 86%, что связано с усиленным летним разогревом поверхности, с образованием мощных восходящих потоков, с глубоким охлаждением в зимний период за счет инверсий, ранним и глубоким промерзанием почвы (особенно высоко в горах), с накоплением в ней больших "запасов холода" (благодаря небольшому снежному покрову и сильным радиационным потерям зимой при ясном небе), сдерживающих ее

весеннее прогревание и минимизирующих их термообеспеченность, что особенно неблагоприятно для корневых систем древостоя.

Одним из экологических факторов, воздействующих на рост и развитие древостоев, является температура почвы. Динамика температуры на поверхности почвы древесных экосистем имеет синусоидальный характер с одним максимумом. Амплитуда колебаний температуры на поверхности почвы экосистемы составляет 3-4°С.

Лесные формации древесных экосистем существенно отличаются по особенностям накопления органического вещества при различных гидротермических условиях. Так, в лиственничных формациях для 150-летннх древостоев в теплый и сухой годы средние запасы фитомассы могут колебаться в пределах 295-336,8 т/га, а средняя годичная продукция - от 2,7 т/га до 6,2 т/га. В теплый и влажный годы - от 350 т/га до 530 т/га, а средняя годичная продукция -'от 4,2 г/га до 10,6 т/га.

В сосновых древостоях более 2/3 фитомассы заключено в надземной часта ценозов, причем 86% этого количества приходится на стволовую древесину. Доля многолетних ассимилирующих органов невелика. Второстепенную роль в структуре фитомассы играют и ветви, удельный вес которых не превышает 10%. В подземной сфере основные запасы органического вещества аккумулируются в корнях. В целом на долю подземных частей приходится 21,8% запасов фитомассы.

В сосновых древостоях в блок почвы поступает в среднем 4,6 т/га опада. Однако, в зависимости от бонитета древостоев наблюдаются существенные различия. Так, в высокобонитетных древостоях опад составляет от 5 до 7 т/га, в низкобонитетиых - от 2 до 3 т/га. В целом масса опада составяляет 5-10% органического вещества, заключенного в фитомассе.

л Таблица 4

ЗАПАС ФИТОМАССЫ И ГОДИЧНАЯ ПРОДУКЦИЯ ДРЕВЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ (по данным Е.А.Сидоровича, за 1986 г.)

ЛЕСНЫЕ ФОРМАЦИИ Запас фитомассы (т/га) ОБЩИЙ ЗАПАС (т/га) Годичная продукция (т/га) ОБЩАЯ ПРОДУКЦИЯ (т/га)

Надземная чэпь Подземная чааь Надземная часть Подземная •вся

Лилвеиничная Кепровая Сосновая 989,75 357,61 345,78 167,75 99,07 98,17 1157,50 456,68 443,95 12,48 28,30 10,11 1,42 6,81 0,86 13,90 35,11 10,97

Разработанная модель древесных экосистем позволила решить несколько задач. Во-первых, модель бьша адаптирована для отображения динамики развития древостоев разных пород и бонитетов; во-вторых, - для изучения отдельных сторон существования смешанных лесных формаций; в-третьих, - для выявления закономерностей роста и развития древостоев древесных экосистем и определения на основе этих закономерностей возраста естественной зрелости древостоев.

В качестве примера рассмотрим решение третьей задачи.

Для кривых производительности фотосинтеза разных слоев листьев, была проведена огибающая по "средним" условиям их освещенности, которая и будет характеризовать осредненную производительность для всего полога соответствующего древостоя. Производя корректировку масштаба полученной кривой, отражающей динамику производительности древостоя, получим конкретные величины осредненной интегральной продуктивности.

Задача, выявления закономерностей процесса роста и развития древостоев древесных экосистем и определения на основе этих закономерностей возраста естественной зрелости древостоев, была решена для трех пород сосны, березы и ели сибирской.

По результатам расчетов для соснового древостоя 1а бонитета построены кривые его развития, которые представлены иа рис. А.

По мере роста соснового древостоя масса листьев (хвои) увеличивается. Продукция каждого слоя нарастает от года к году. Формирование кроны заканчивается к 300-350 годам.

По результатам моделирования видим, что рост ствола и ветвей заканчивается в возрасте 420-450 лет. Заметим, что окончание роста нефотосинтезируюших частей древостоя завершает собой процесс созревания древостоя.

Подбирая соответствующим образом коэффициенты модели древесных экосистем, удалось достичь довольно хорошего совпадения расчетных и экспериментальных данных.

Помимо соснового древостоя 1а бонитета были промоделированы и проанализированы сосновые древостой II и IV бонитетов. Общий характер развития этих древостоев аналогичен развитию сосковой десной формации 1а бонитета. Формирование кроны сосковых древостоев II и IV бонитетов заканчивается к 300-345 годам и 300-320 годам соответственно.

Таким образом, значения подобранных коэффициентов, которые определяют интенсивность процессов обмена и процессов жизнедеятельности, убывают от лучших бонитетов к худшим. И естественно, что при этом убывает и суммарная продукция фотосинтеза. Согласно закономерностям развития и роста сосновых формаций различных бонитетов, возрасты естественной зрелости этих древостоев древесных экосистем составляют: 1а бонитета • 450 лет, И-го - 400 лет и 1У-го - не более 390 лет.

Hl/r» -гад

so

40

Í0 -

210 400

Развитие кроны (по слоям) сосновой формации дрсвссных экосистем за теплый и взажный год. 1.2.3 - слои хвои

2D0O

too 100

Распределение продукции фотосинтеза в сосновой формации древесной экосистемы за тетый и влажный год. ¡•птнпя продукция, 2- затраты но дыхание. 3- фитоасса прироста

н.м

Юоа -

£00 40» ГОД.

Общее развитие сосновой фориаг{ии в древесной экосистеме за теплый и влажный год. I - общая масса древостоя. 2 - масса ствола. 3 ■ высота древостоя, 4 ■ общая масса ветвей. 5 - общая масса листьев (хвои).

Рис. 4. Кривые развития соснового древостоя 1а бонитета.

Аналогично были выявлены ^ закономерности развития и роста березовой формации II и III бонитетов и ели сибирской.

Далее были проведены расчеты по характерным почвам лесных формаций ■ древесных экосистем: мерзлотной горно-таежной, дерново-подзолистой и горно-лесной серой. В качестве базовых данных использовались массы годового опада, запасы органического вещества в генетических горизонтах почв за теплый и влажный годы. Результаты расчетов для теплых и влажных годов представлены в табл. 5.

Время обновления неполного профиля мерзлотной горно-таежной почвы - 270 лет. Органическое вещество такой почвы обновляется медленно.

Моделирование профиля дерново-подзолистой почвы представлено на рис.3.

Результаты вычислений К, для соответствующих почв лесных формаций древесных экосистем котловины следующие: для мерзлотной горно-таежной он будет равен 0,71, дерново-подзолистой - 0,82, горно-лесной серой • 0,84. Вычисления были проведены по данным умеренно засушливого и умеренно теплого года.

Таблица 5

РЕАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ МАССЫ (М, т/га) И ХАРАКТЕРНЫЕ ВРЕМЕНА (I, годы) ГЕНЕТИЧЕСКИХ ГОРИЗОНТОВ ПОЧВЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ __ ДРЕВЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ __

Почва А<, М т А1 М т АВ М т В м т ВС М т Суммарная масса (М)

1Мерапшная

горнотаокная 73 95 35 135 58 197 49 270 215

2.Дерново-

подзолистая 40 35 60 74 37 95 28 100 20 120 185

З.Горно-

лесная серая 13 6 39 64 60 96 95 169 158 280 365

В этой главе также исследуется вопрос построения и использования интегральных количественных показателей основных функциональных параметров природных экосистем.

Выражение для интегрального показателя состояния экосистемы предлагается представлять в виде:

П»1к,Е,/Е?, П = 1/2(П,+П2) (15)

I

где к|- постоянные коэффициенты, характеризующие весовой вклад различных параметров в состояние экосистемы, Е, Е,° - функциональные параметры и их фоновые эталонные значения, П|- природный интегральный показатель основных функциональных параметров блока растительности, Пз- природный интегральный показатель основных функциональных параметров блока почвы.

Для практических расчетов была предложена шкала оценок экологических состояний.

Природный интегральный показатель травяных экосистем в теплый и сухой год будет равен 0,35, а в теплый и влажный -0,61.

Конкретные природные интегральные показатели но различным гидротермическим характеристикам были рассчитаны для двух основных природных экосистем.

Отметим, что использование природного интегрального показателя в качестве меры деградации экосистемы позволяет осуществлять дифференцированный анализ причин деградации и прогнозировать ее дальнешее изменение.

Кроме природного интегрального количественного показателя были введены в рассмотрение хозяйственная оценка природоресурсного состояния природного комплекса и оценка заповедных территорий котловины, которую предлагается рассматривать как совокупный интегральный ресурс.

В четвертой главе"Интегральные математические модели геосистемы Центрально-Азиатского региона", разработана региональная модель геосистемы и предлагается подход к моделированию экосистемы, используемой в, пастбищном животноводстве, разработана ее модель, учитывающая кроме природных закономерностей и "правила" многовековой культуры.

Региональная модель геосистемы, построенная па основе интеграции природных экосистем, входящих в нес в соответствии с их высотной поясностью.

Основные закономерности процессов развития природных экосистем в геосистеме формируются: широтной зональностью на днище котловины, • определяющейся распределением тепла на поверхности, и высотной поясностью, обусловленной наличием высоких горных хребтов с различными абсолютными высотами, а в последнее десятилетие и интенсивностью пастбищной нагрузки.

При моделировании были сделаны следующие допущения. Вся территория котловины разбита на участки, которые считаются однородными. Они характеризуются некоторой интегральной величиной продуктивности, свойственной соответствующим природным экосистемам, которые представляются в интегральном виде, учитывающем их инерционность. Ареалы природных экосистем располагаются в котловине в соответствии с их высотной поясностью.

В качестве интегральной величины, характеризующей экосистему, была выбрана продукция фитомассы. Она определяется соотношением таких осредненных индикаторных величин, как температура вегетационного периода, количество осадков и длительность вегетационного периода.

Р=Рт«КтКжК0 (16)

где Р - продукция фитомассы природной экосистемы. Ртах - максимальная продукция фотосинтеза при самых благоприятных гидротермических условиях, КТ - коэффициент, определяющийся температурным режимом, Кш - коэффициент, определяющийся режимгм увлажнения, Кс - коэффициент, определяющийся длительностью вегетационного периода.

Сложные эмпирические зависимости продуктивности природных экосистем от температуры и влагообеспеченностн аппроксимировались прямыми линиями и параболами, что не приводит к большим неточностям при их построении, но значительно облегчает, и вообще делает возможным, дальнейшие расчеты.

При каждом температурном режиме для получения возможной продукции необходима вполне определенная влагообеспеченность, то есть существует некое оптимальное количество осадков, при котором фотосинтез будет протекать благоприятным образом, при данных конкретных температурных условиях.

Обобщив данные по осадкам и температуре для лесов средней полосы, получим следующую эмпирическую зависимость потребного количества осадков от температуры и длительности вегетационного периода:

\УП=9ТС (17)

Далее была выведена конечная расчетная формула продукции фитомассы. На основании данных по климату котловины были выведены эмпирические зависимости изменения климатических параметров от абсолютной высоты местности. Подставив их в расчетную формулу получим зависимость продукции фитомассы природных экосистем от высоты местности. Результаты расчетов представлены в табл. 6

Таблица 6

ПРОДУКЦИЯ ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫСОТНОЙ ___ПОЯСНОСТИ___

Природные экосисте мы Длительность ве-гетацион ног о периода,мес Температура в период вегетации °С Количество осадков мм "Потребное" количество осадков мм Продукция т/га год Высотная поясность M Площадь га

Пустынная Степная 4,5 18,1 100 195 0,8 700 1278900

5,5 16,3 160 260 2,3 1000 1935600

Лесная Тундровая 4,8 3,2 9,5 4,5 280 350 390 185 5,6 0,3 1700-2250 2400 2831300 833400

В качестве примера с помощью модели были определены закономерности функционирования лесной экосистемы при изменении климата. Они позволили решить проблему - будет ли граница леса оставаться неизменной во времени и пространстве, либо она будет смешаться вверх или вннз по склонам гор, а ареал лесной экосистемы либо сужаться либо расширяться. Например, было показано, как изменится продукция лесной экосистемы и ее границы, если температура вегетационного периода и количество осадков изменяются на 20%. При увеличении температуры вегетационного периода на 20% максимальная продукция увеличится на 0,8 т/га год н верхняя граница лесной экосистемы поднимется на 110 м вверх по склонам гор, а нижняя - опустится на 7 м.

Кроме этого расчеты для лесной экосистемы проводились при снижении температуры вегетационного периода на 20% от нормы, и при уменьшении количества осадков на 20% и при одновременном уменьшении температуры на 20% и увеличении количества осадков на 20%.

При моделировании процесса изменения ареалов природных экосистем под влиянием изменений климата были также введены комплексные функции, характеризующие, с одной стороны, "потепление" и "иссушение" климата, а с другой, -его "похолодание" и "увлажнение", представленные в виде следующей зависимости

где Т - средняя температура вегетационного периода, IV - количество осадков в вегетационный период.

Тогда "потепление" и "иссушение" климата будут характеризоваться величинами:

При этом считаем, что длительность вегетационного периода остается неизменной.

При моделировании трансформации ареалов экосистем в геосистеме изменения. площади озера Убсу-Нур не учитывались, т.к. на этом этапе исследований это не входило в нашу задачу.

Результаты моделирования показывают, что изменяется продукция природных экосистем и происходит соответствующее смещение их границ и размеров площадей. Так, в связи с понижением температуры ("похолоданием") и увеличением влажности

К = К(Т,\У)

(18)

1,2К. = К(1,2Т, 0,8\У)

(19)

(20)

("увлажнением") продукция и площади пустынной и степной экосистем будут заметно уменьшаться, а плошади лесной и тундровой экосистем увеличатся - соответственно повысится и их продукция (рис. 5).

Рис. 5. Kapmacxe.ua ре*ульпштов .цоДулмюстимя природных экосистем геосистемы при "похолодании" и "увлажнении".Площади: [ | | | | | - пустынной экосистемы, степной,

\ZZ2t МС"0й' ) |) 11 ГЦ * тундр»""". ^з;-- ^ - озеро

По результатам моделирования с учетом комплексной функции, характеризующей "потепление" и "иссушение", была также рассчитана соответствующая таблица и построена картосхема.

В региональную интегральную модель кроме климатических характеристик был введен фактор антропогенной нагрузки на пустынную и степную экосистемы. При нерациональном выпасе происходит конвергенция растительны); группировок пастбищ, значительно сокращается степень общего проективного покрытия - в 1,5-2 раза, возрастает роль непоедаемых сообществ, уплотняется почва. Происходит замена "верховых" злаков "низовыми", последняя обусловлена большой устойчивостью и способностью к быстрому восстановлению потребляемой скотом надземной фитомассы. В условиях глинистых пустынь котловины перевыпас уже приводит к развеванию песков и засолению - к изменению абиотических компонентов пустынной экосистемы. Пустынная и степная экосистемы при нерациональной пастбищной нагрузке проходят несколько дегрессионных стадий, которые при неблагоприятных климатических условиях могут привести к необратимым изменениям.

Построенная модель позволяет рассчитывать закономерности функционирования травяных экосистем и строение геосистемы в целом в зависимости от степени антропогенного воздействия.

Мы сочли возможным ограничить представление своих расчетов здесь только экстремальными условиями - нерациональным выпасом, т.к. для хозяйства геосистемы это наиболее важный и к сожалению довольно часто встречающийся случай (рис. 6).

Рис. б. Картосхема результатов моделирования строения геосистемы при нерациональной пастбищной нагрузке на пустынную и степную экосистемы и при "похолодании"и "увлажнении". Условные обозначения те же. что и на рис. 5.

Динамическая модель геосистемы, используемой в пастбищном животноводстве, с учетом одного из ведущих факторов ее функционирования - культурно-экологического. Свойственная нашему времени повсеместная антропогенная трансформация экосистем, заставляет заниматься комплексом явлений природы и общества, происходящих на одной территории в одно и тоже время. Построенная на этих принципах модель позволяет учесть не только закономерности природного развития, но н особенности уклада жизни населения, занимающегося хозяйственной деятельностью - в нашем случае пастбищным животноводством.

Моделирование такой экосистемы осуществлено на основе теории экологического развития человечества академика В.П.Алексеева. Основные постулаты этой теории можно уложить в простейшую схему взаимоотношений компонентов. Она включает три компонента - человека как совокупность людей, их культуру во всех ее формах, природную среду и все связи между ними.

Эта теория хорошо описывает уклад жизни в условиях пастбищного животноводства, существующий в аридных регионах Центральной Азии. Животноводство, как тип хозяйства - мощный фактор воздействия культуры на всю-природу Земли, ее динамику и развитие в целом и на конкретные экосистемы - в частности.

Ограниченность природных ресурсов налагает существенные особенности на процесс развишя общества и делает важной роль компонентов культуры, которые

предотвращают их исчерпание, вводя осознанные и закрепленные многовековым опытом правила меры потребления ресурсов.

Модель предлагает количественное описание влияния культуры на природную среду, в рамках уклада жизни пастбищного животноводства.

Функциональные закономерности, связывающие характерные для пастбищного уклада жизни параметры, представим в виде следующей системы дифференциальных уравнений:

нм (2,)

где Лу количество людей, на территории геосистемы, занятых в системе пастбищного животноводства, Л^ - количество скота, выпасаемого на пастбищах. К, - коэффициент, характеризующий прирост населения ("коэффициент рождаемости"), Кс - "коэффициент смертности" людей. Ал/ - "коэффициент потребления" - норма потребления количества Животного продукта одним человеком в год, Кп3 - "коэффициент потребления" скотом пастбищных ресурсов - норма потребления травы одним животым в год, Пя -параметр, характеризующий миграционный прирост населения.

На территории геосистемы с пастбищным животноводством производится изъятие некоторого количества растительной продукции, что ослабляет возврат вещества в интегральный круговорот вещества в экосистеме. Была предложена система уравнений, позволяющая рассчитать массу травы доступную для скота. Разработана программа, реализующая систему уравнении (21).

Структурная схема динамической модели геосистемы, используемой в пастбищном животноводстве представлена на рис.7.

При моделировании были приняты следующие культурные ограничения (нормы). Не допускается неограниченный рост поголовья скота и неограниченный рост населения. Так как это может привести не только к исчерпанию пастбищных ресурсов экосистемы, но и к кризису самого уклада жизни. Соответственно вводим в модель три параметра. Первый - это норма потребления количества скота одним человеком в год. Второй - максимально допустимое количество скота на одного человека. Третий -максимальная норма роста населения.

Анализ результатов моделирования показывает, что уклад жизни, основанный на пастбнщном животноводстве, будет устойчив только при наличии ограничений, налагаемых культурой. Это представляется содержательным.

НАСЕЛЕНИЕ

а

ПОГОЛОВЬЕ СКОТА КУЛЬТУРА

ШЛШИШСТЬ КЛИМАТ

ЛАНДШАФТ

г>А > год го*

Результаты моделирования

Рис. 7. Структурная схема динамической модели геосистемы, используемой в пастбищном животноводстве (а). Результаты моделирования (б): — при ограничении максимального роста населения; — если ограничения не вводить.

В пятой главе " Научные основы регионального геоэкологического мониторинга" в рамках общей задачи регионального геоэкологического мониторинга рассмотрены его основные проблемы, изложены принципы и методы.

Научные основы регионального геоэкологического мониторинга должны базироваться на сконструированных математических моделях основных природных экосистем, основанных на разработанных и теоретически обоснованны* принципах и

методах особого направления в математическом моделировании экосистем, на аэрокосмическую информацию, дающую возможность получения оперативных данных состояния природных экосистем и составления тематических карт региона, на компьютерный зколого-географический банк данных специфической структуры и интегральные показатели состояния экосистем, на информационный природипользовательный центр региона.

В региональном геоэкологическом мониторинге должна использоваться не только сеть контрольных пунктов, но и система особых ключевых площадей • природных тестовых полигонов. Заметим, что их информация должна собираться и обрабатываться в информационном природопользовательном центре региона.

В общей задаче регионального геоэкологического мониторинга была решена одна из важнейших проблем - разработка методики специфического компьютерного эколого-географического банка данных. В основу такого банка данных были положены тематические карты природного комплекса Центрально-Азиатского региона. Контуры объектов тематической карты, которые записываются в ЭВМ, представляются многоугольниками, вершины которых хранятся в базе данных. Этом достигается значительная экономия памяти машины, представляются возможности упорядочить хранения информации и варьирования базой данных, и создается удобство поиска и пользования объектов.

Для ввода обьектов тематической карты в банк данных требуетсся их формализация. Каждому такому объекту присваивается "классификационный номер", отражающий его генетическую связь со всеми другими объектами "листа" (тематической картой), и являющийся классификационным аналогом наименования объекта. Классификационные номера "листа" образуют систему, представляющую собой граф, в вершине которого стоит номер "листа", а его конец образуют классификационные номера конкретных объектов. Такой граф был назван "граф-классификатором".

Пример разработки классификатора для тематической карты геосистемы представлен конструированием классификатора для ландшафтной карты (рис. 8).

Разработан алгоритм генерализация контуров объектов, удовлетворяющий следующим требованиям: 1) объект должен аппроксимироваться многоугольником с минимальным числом сторон; 2) при этом обеспечивается сохранение характерных особенностей объекта; 3) генерализация должна быть устойчивой к "зашумлеиности" границ объекта, т.е. различные изображения одного и того же объекта с разной

"шумовой" компонентой в результате обработки должны приводить к одинаковому формализованному образу. На этой основе произведена генерализация граничных контуров природных объектов всех тематических карт природного комплекса Центрально-Азиатского региона.

ЛАНДШАФТЫ

а

горныТ(1) (ГШ

КОТЛОВИННЫЕ' (2)

({.и) (ш) (ш) ({.2.2) (1.3./) (1.3.2) {г. и) (?.1.2) . (2,2. {) (2.2.2)

({.{.11

(1.12.2.{) {{.12.2.

Рис. Я. Граф-классификатор тематической карты "Ландшафты геосистемы" М: 1:500000. а) общая схема: б) фрагмент

Научно-технические предложения по созданию регионального геоэкологического мониторинга могут внести существенный вклад в решение проблем экологически безопасного, социально-культурного и народнохозяйственного развития Республики Тува.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и теоретически обоснованы принципы и методы особого направления в математическом моделировании природных экосистем и конструировании компьютерного эколого-географического банка данных специфической структуры, наиболее соответствующего остро актуальным целям создания научной основы регионального геоэкологического мониторинга, прогноза и управления экологическим, состоянием природного комплекса. : •

, Более детально основные результаты диссертационного исследования могу г быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны принципы и методы особого направления в математическом моделировании природных экосистем, основанного на использовании закономерностей функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме.

1 1.1 Концепция интегрального круговорота вещества в экосистеме реализуется путем построения модели, в которой блок продукционного процесса и блок деструкцион-мого процесса замыкаются интегральным потоком вещества в экосистеме.

1.2. Принцип функциональности реализуется путем подбора параметров, характеризующих динамическое поведение экосистемы, в которых бы сохранялись главные механизмы ее функционирования, что позволяет не только имитировать ее поведение в конкретных ситуациях, но и воспроизводить в численных эксперментах динамический отклик экосистемы при самых различных сценариях естественного и антропогенного воздействия на нее.

1.3. Принцип иктегральности реализуется путем подбора таких комплексных параметров экосистемы, которые укрупняя и обобщая процессы в ней происходящие, позволили бы при моделировании с уверенностью опираться на экспериментальные данные, принципиально имеющие существенную погрешность.

2. На базе сформулированных теоретических положений разработаны базовые модели природных экосистем, здификаторамн которых являются травяная и древесная растительность.

2.1 Модель травяных экосистем универсальна и адаптируется к различным подзонам травяных экосистем: луговой степи, умеренно засушливой степи, сухой и опусты-нениой степям. Такая модель может служить эталоном математического описания процесса функционирования травяных экосистем.

Главная инерционность травяных экосистем сосредоточена« в почвенном профи-яе. При этом верхние горизонты имеют меньшую инерционность по сравнению с нижними.

2-2 Модель древесной экосистемы универсальна и настраивается на любые лесные формации различных бонитетов.

Инерционность почв и древостоев в древесных экосистемах имеют один порядок величины и существенно влияют друг на друга, чем и определяется общая динамика всей экосистемы.

3. Модель травяных экосистем адаптирована к характерным подзонам травяных тосистем Ценгрально-Аэиатского региона в пределах природного тестового полигона: луговой степи на лугово-черноземных почвах, умеренно засушливой настоящей степи

на темно-каштановых почвах, сухой стели на каштановых почвах и опустынснной степи на светло-каштановых почвах. Оценена динамика их состояний во времени и пространстве. Рассчитаны динамические характеристики формирования почвенного профиля подзон травяных экосистем. Определено время полного обновления органической массы каждого горизонта и почвенного профиля в целом.

4. Модель древесных экосистем адаптирована к различным лесным формациям геосистемы: лиственничным, кедровым, сосновым, березовым на мерзлотных горнотаежных, дерново-подзолистых и горно-лесных серых почвах. Рассчитаны кривые роста и развития различных лесных формаций древесных экосистем. Отражена динамика развития древостоев разных пород и бонитетов и по закономерностям роста и развития древостоев определен возраст естественной зрелости лесных формаций древесных экосистем. Установлено, что динамика развития древостоя является свойством вида и не зависит от условий места произрастания. Возраст естественной зрелости древостое» является характеристикой вида. Древостой одного вида, но разных бонитетов развиваются идентично во времени. Рассмотрены закономерности существования и развития смешанных лесных формаций. Рассчитаны динамические характеристики формирования почвенного профиля древесных экосистем, время обновления органического вещества • горизонтах почв и определены характерные скорости переходов.

5. Разработана региональная модель геосистемы, построенная на основе интеграции природных экосистем, входящих в нее в соответствии с их высотной поясностью. Опеределены закономерности функционирования основных природных экосистем при долговременном изменении климата. При "потеплении" и "иссушении" климата геосистемы - площади пустынной и степной экосистем увеличиваются, продукция возрастет, а площади лесной и тундровой экосистем соответственно уменьшаются, значительно понижается их продукция. При "похолодании" и "увлажнении" климата геосистем -площади пустынной и степной экосистем уменьшаются, продукция их резко падает, • площади лесных и тундровых экосистем соответственно увеличиваются, повышается и их продукция.

6. Разработана динамическая модель геосистемы, используемая в пастбищном • животноводстве, с учетом ведущего фактора ее функционировав»! - культурно-экологических норм жизненного уклада животноводов. Результаты моделирования показывают. что уклад жизни, основанный на пастбищном животноводстве, будет устойчив только причналичии жестких культурных ограничений, характерных для уклада жизни в пастбищном животноводстве Центрально-Азиатского региона. Проаяализиро-

вапы структура и функционирование пастбищ при различной степени выпасаемости в некоторых подзонах травяных экосистем природного комплекса. > --,•<■.■■•

7. Разработаны принципы и методы оценки различных аспектов функционирования экосистем с помощью интегральных характеристик. На этой основе рассчитаны интегральные показатели экологического состояния степной и лесной экосистем. Природный комплекс рассматривается в качестве интегрального ресурса, что даст возможности пользоваться единым механизмом при оценке планируемой переориентации ресурсо-пользования.

8.; Разработан граф-классификатор объектов тематических карт, отражающий генетическую связь со всеми другими объектами. Такой граф-классифихатор позволяет в удобной и сжатой форме записать объекты карты в банк данных. Разработана методика формирования компьютерного эколого-географического банка данных специфической структуры. ;

Проделанная работа создает научные основы для регионального геоэкологического мониторинга. Они должны включать в себя: математическое моделирование экосистем на системно-функциональных принципах, для оценки реального состояния и прогноза изменений основных природных экосистем; аэрокосмическую информацию, дающую возможность получения оперативных данных о состоянии экосистем; систему постоянных во времени й пространстве наблюдений за изменением природных экосистем, . вызванных антропогенным воздействием; компьютерный эколого-географический банк данных специфической структуры, состоящий из тематических карт природного комплекса, построенных на основе дешифрирования аэрокосмических снимков и наземных исследований, и интегральных количественных характеристик состояния природных экосистем. Построенные на этих принципах основы регионального геоэкологического мониторинга легко адаптируется к любому региону, включающему в себя лесные, степные, аридные или тундровые и пустынные экосистемы при любом сценарии их хозяйственного использования. ■

В качестве наглядного географического примера разработанная методика реализована для Убсунурской котловины - природного тестового полигона Центрально-Азиатского региона,тем самым сделан вклад в научные основы экологически безопасного прогрессивного развития Республики Тува. Весте с тем, комплекс проведенных исследований и может быть использован при разработке программ экологически безопасного развития России и ее регионов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВА1ГЫ В РАБОТАХ:

1. Теблеева У.Ц. Функциональные модели эко и геосистем различного иерархического уровня. М.: Институт географии РАН. 1995. - 175с.

2. Теблеева У.Ц. и др. Эксперимент "Убсу-Нур" (коллективна« монографии). - М.: Интеллект. 1995,4. 1 -336 е..4.2- 272с.

3. Теблеева У.Ц., Горшкова A.A. и др. Государственный природный заповедник "Убсун>рсхая котловина". Москва. 1993. - 285 с.

4. Теблеева У.Ц. Моделирование развития экосистем, используемых в пастбищном животноводстве// Геоэкологический анализ. • М.: Институт географии РАН, 1995. - с. 217-228.

5. Теблеева У.Ц.. Бутусов О Б. и др. Современные проблемы изучения природных систем. Геоэкоинформаинонные центры// Извести» Всесоюзного географического общества. - 1990. т. 122, вып. 4. -с. 315-323.

6. Теблесв У.Ц., Алексеев В.П., БугровскиЛ В В., Буэин A.M. Математическое моделирование культурно-экологических аспектов уклада пастбищного животноводства // Доклады Академии наук -1992. т.324. NiA.-c. 904-907.

7. Теблеева У.Ц., Бугровский В.В.. Глазовский Н.Ф. и др. Эксперимент "Енисейский меридиан"// Информационные проблемы изучения биосферы. Геоэкоинформационные центры. - М.: Наука, 1992. - с. 118-119.

8. Теблеева У.Ц., Алексеев В.П.. Бугровский В.В О понятии культурно-исторического потенциала ландшафта II Информационные проблемы изучения биосферы. Геоэкоинформационные центры. - М.: Наука. 1992.-с. 133-136.

9. Теблеева У.Ц. и др. Енисейский меридиан - Убсу-Нур. Глобальный геозкоинформаниониый "разрез" биосферы//Препринт. - Пущнно: НЦБИ АН СССР, 1990. - с. 28.

10. Теблеева У.Ц., ХруцкнП B.C. Карты пастбищных ресурсов Убсунурской котловины масштаба 1:500000 // Труды третьего Международного симпозиума. Кызыл, 1993. - М.: Интеллект, 1994. • с. 59-63.

11 .Теблеева У.Ц. Перспективы развития природной рскреационно-восстановнтельной базы Тувы и Убсунурской котловины II Труды третьего Международного симпозиума. Кизыл, 1993. - М.: Интеллект, 1994.-е. 117-119.

12. Теблеева У.Ц., Бугровский В.В., Б узин A.M. Определение продуктивности экосистем через гилротермические факторы для использования в моделировании It Глобальные изменения и Убсу-Нур. -Уланбаатр. 1991.-е. 10-18.

13. Теблеева У.Ц., Бугровский В В., Лютов Л И., Меллина Е.Г., Цельникер Ю.Л. Моделирование лесных экосистем. Адаптация модели для лесов Убсунурской котловины // Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. - с. 3-50.

14. Теблеева У.Ц., Керженцев A.C. и др. Организменная концепция экосистемы как основа мониторинга биосферы II Труды Международного симпозиума по результатам международной программы биосферного моннтоикга "Эксперимент Убсу-Нур". Кызыл, 1993. • М.: Интеллект, 1994. - с. 11-17.

15. Теблеева У.Ц. Моделирование смены природных зон Убсунурской котловины в зависимости от гндротсрмических условий II Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. - с. 85-89.

16. Теблеева У.Ц. Математическое моделирование культурно-экологических аспектов уклада пастбищного животноводства // Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. - с. 89-92.

17. Теблеева У.Ц. Алгоритмы динамического программирования для классификации нестационарных функций II Отчет по специальной теме. М.: НИИр, 1983 раздел 2.4. - 27 с.

18. Теблеева У.Ц., Введенский A.A. Классфикатор на основе динамического программирования II Отчет по специальной теме. М.: НИИр, 1985, раздел 3.4. - 36 с.

19. Теблеева У.Ц., Татарников В.А. Моделирование степных экосистем II Труды Международного симпозиума. Кызыл, 1993. - М.: Интеллект, 1994. - с. 97-99.

20. Теблеева У.Ц., Бугровский ВВ., Керженцев A.C. Выделение продуктивности экосистем, определяемой гидротермическими факторами, для использования в моделировании биологического-круговорота // Труды третьего Международного симпозиума. Кызыл, 1993. - М.: Интеллект, 1994. - с. 99100.

2). Теблеева У.Ц., Бугровский ВВ., Петров Ю.П. и др. Роль информации в биосфере // Эксперимент "Убсу-Нур" - М.:Интеллект, 1995. - с. 166-195.

22. Теблеева У.Ц., Залетаев B.C., Керженцев A.C. и др. Культурно-исторические, медико-рекреационные и природоохранные исследования // Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. - с. 196-269.

23. Теблеева У.Ц-, Бугровский В.В. и др. Комплексные показатели состояния экосистем: биосферный, природный и хозяйственный потенциал//Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. -с. 297-315.

24. Тсблеева У.Ц., Монгуш К.Ч., Полудях Ю.Г. Информационный прнродопользовазельский центр Тувинской АССР // Информационные проблемы изучения биосферы. Убсунурекал котловина -природная модель биосферы. - Пущино: НЦБН АН СССР. 1990. - с. 137-152.

25. Теблеева У.Ц. Экономическая оценка условий природной среды резервируемых территорий // Советско-монгольский эксперимент "Убсу-Нур". - Пущино: НЦБИ АН СССР, 1989. - с. 143-147.

26 Теблеева У.Ц., Заргарян М.Р., Соловьев С.Н. Рекреационные ресурсы в системе рационального туристского природопользования // Экономические проблемы природопользования- • М : ЦЭМИ АН СССР, 1988. - с. 126-131.

27. Тсблеева У.Ц. Математз|ческое моделирования травяных экосистем // Эксперимент "Убсу-Нур". - М.: Интеллект, 1995. - с. 51-58.

28. Tebleev» U., Butusov О., KarfiJova В. Conception and principles of contiructing Auto Ecomforma-tion system of Moscow and Moseow Région // Municipal Information Systems. Part I. • Prague: IM1, 1991. • p. 96-101.