Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структурно-функциональная организация экосистем как основа для их моделирования, мониторинга и управления

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

Автореферат диссертации по теме "Структурно-функциональная организация экосистем как основа для их моделирования, мониторинга и управления"

1;Г6 Од

На правах рукописи

ЗЕЛЕНСКАЯ Надежда Николаевна

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКОСИСТЕМ КАК ОСНОВА ДЛЯ ЧХ МОДЕЛИРОВАНИЯ, МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ

11. 00. 11." Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва -1996

Работа выполнена в Институте почвоведения и фотосинтеза РАН

Научные руководители: доктор биологических наук

Керженцев Анатолий Семенович

( доктор технических наук

Бугровский Виктор Викторович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

Чижикова Наталья Петровна

кандидат географических наук Гуров Анатолий Федорович

Ведущая организация: Институт проблем управления РАН

Защита диссертации состоится " ///У~Л_г. в час. на

заседании диссертационного совета Д/12059 3 при Государственном Университете по землеустройству.

Адрес: 103064, Москва, ул. Казакова, 15, Государственный Университет по землеустройству, (095) 261-71-13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного Университета по землеустройству.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просьба высылать по указанному адресу ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 199Йт\

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук [/1 * З.В.Козелкина

Актуальность темы. Решение актуальных задач экологии по преодолению угрозы глобального экологического кризиса связывают в настоящее время с необходимостью выявления общих закономерностей природных процессов, познания принципов организации и механизмов функционирования экосистем.

В настоящее время географическая наука должна решать все более сложные задачи. Кроме достоверного описания состояния изучаемых ландшафтов, необходимо прогнозировать их возможные изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов, чтобы обеспечивать административные органы, принимающие решения в области рационального природопользования и охраны окружающей среды, достоверной информацией и методами управления процессом поддержания естественного состояния и восстановления нарушенных природных экосистем.

Науки экологического профиля стоят перед задачей создания комплексной теории управления природно-социалъными системами всех уровней (Моисеев, 1987, 1993; Реймерс, 1994).Однако создание комплекской теории управления требует перехода на качественно новый уровень изучения природных систем - от морфологического описания к познанию принципов функционирования, то есть к изучению физиологии природных сообществ. В этой связи особую актуальность приобретает изучение экосистемы как целостного природного образования, выполняющего функцию обмена вещества и энергии; выяснения функциональной роли ее компонентов.

Некоторые методы, позволяющие понять структурно-функциональную организацию экосистемы с позиций функциональной целостности могут быть заимствованы из арсенала технических наук, где накоплен большой опыт в изучении сложных многокомпонентных систем, где создана теория управления функциями сложных систем.

Настоящая работа представляет собой попытку использования опыта технических наук для решения экологических задач.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы явилась реализация метода технико-биологических аналогий при изучении структурно-функциональной организации экосистемы как целостного природного образования.

Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

1.Обобщить опыт биологических наук в описании целостных систем биогеоценотического уровня организации.

2.Построить структурно-функциональные схемы информационно-управляющих систем природных объектов различного уровня организации : растительного организма, почвы, экосистемы.

3.На базе структурно-функциональных схем почвы и экосистемы разработать математическую модель почвы как компонента экосистемы и с помо-

щью данной модели изучить функционирование почвы в экосистеме как динамический процесс.

Научная новизна : Использован метод технико-биологических аналогий для целостного информационного описания объектов живой природы : растения, почвы, экосистемы.

Разработана математическая модель функционирования почвы в экосистеме. Функциональное математическое моделирование почвы дало возможность получить характерные времена обновления органического вещества почвенных профилей дерново-подзолистой почвы и чернозема.

Получены новые динамические параметры для описания функционирования почвы в экосистеме (характерная масса органического вещества, характерное время ее обновления), которые могут быть использованы в качестве таксономических признаков экосистемы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Применение метода технико-биологических аналогий позволило получить структурно-функциональные схемы природных объектов организменного и надорганиз-менного уровня организации, дающие целостное информационное описание функционирования растения, почвы, экосистемы как информационно-управляющих систем. Такое описание открывает широкие перспективы физиологического изучения этих объектов и механизмов их саморегулирования.

Практическое значение работы можно определить тем, что полученные в работе результаты могут быть использованы для изучения процессов управления почвами в естественных условиях и под давлением антропогенного фактора.

Функциональное математическое моделирование, позволившее получить новые динамические параметры для описания функционирования почвы в экосистеме (характерная масса и характерное время обновления органического вещества, характерный спектр фракций почвенных профилей) открывает возможности для разработки новой количественной классификации и диагностики природных экосистем.

Материалы диссертации положены в основу разработки количественной классификации экосистем Убсу-Нурской котловины.

На защиту выносятся :

1 .Структурно-функциональное описание природных систем биогеоцено-тического уровня организации как информационно-управляющих систем "растение", "почва", "экосистема".

2. Концептуальная модель функционирования почвы в экосистеме.

3. Новые результаты функционального математического моделирования: времена обновления органического вещества почвенных профилей типичного чернозема и дерново-подзолистой почвы (350 и 80 лет соответственно) и параметры, характеризующие почву как динамическую систе-

му(характерная масса, характерный спектр фракций, характерное время обновления органического вещества экосистемы).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседаниях Ученых семинаров Института физиологии растений РАН (Москва, 1989). Института географии РАН (Москва. 1996). Инстигута водных проблем РАН (Москва, 1996). Института проблем управления РАН (Москва, 1996), на Всесоюзной и Международных школах "Экология и почвы" (Пущино, 1991, 1992. 1993), на Международных совещаниях по информационным проблемам изучения биосферы (Кызыл, 1989; Улангом, 1995).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 11 опубликованных работах из них две - коллективные монографии. Две работы находятся в печати.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Объем работы составляет ¿¿¿страниц, включая Л / рисунков, о таблиц. Список использованной литературы включает ^^наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава. Дается анализ современного состояния проблемы использования системного подхода к изучению природных экосистем.

Основоположники исследований биогеоценозов как целостных природных систем (Вернадский, 1938. 1989; Сукачев, 1964; Раменский. 1971; Ковда. 1974 ) отмечали необходимость выделения "физиологически значимой" единицы биосферы, позволяющей изучать различные компоненты природных экосистем в сопоставимых масштабах и единицах, позволяющей приблизиться к физиологии природного сообщества. Поиск принципов устройства и функционирования природных комплексов, создающих среду обитания человека, затруднен сложностью и многоком почетностью природных экосистем.

Основой для изучения сложных многокомпонентных систем является системный подход. Однако, открывая ботыиие перспективы целостного описания природных объектов, системные исследования ставят исследователей перед решением ряда проблем философского плана, в частности, о правомерности использования некоторых системных понятий ( целее ^образность, информация ) для систем, включающих компоненты живой >1 не кти-ой природы.

В работе уделено внимание современному толковани") . гих понятий. Отмечено, что системные представления становятся доминирующими в науках экологического профиля ( Арманд. 1966, 1975; Пузаченко, 1969; Миркин, 1985; Реймерс, 1994 ). Например, целесообразность экосистем некоторые исследователи связывают с закономерным усложнением организации природных систем. На основании анализа работ В. И Вернадского, И. И . Шмальгау-зена, Н. Н. Моисеева, Л. Г. Раменского и обработки материалов Забайкальско-

го стационара (Керженцев, 1992) показано, что процесс постоянного изменения экосистем носит объективный характер, что экосистемы пребывают в состоянии динамического равновесия, а факты изменения отдельных элементов являются индикаторами объективного процесса.

Качественно новым этапом в изучении устройства и функционирования природных объектов стали работы Н. Винера ( 1958, 1968 ), который обозначил проблему как поиск общих закономерностей, проявляющихся в природе, технике и обществе.

И. И. Шмальгаузен (1948, 1968) способствовал развитию идеи целостности природных систем, представляя их как кибернетические устройства, обладающие соответствующими структурами: функциональными блоками, информационными и управляющими механизмами, обратной связью. Он показал, что общие принципы функционирования систем как кибернетических устройств действительны не только на организменном, но и на более высоких уровнях. И. И. Шмальгаузен заложил основы, позволяющие заимствовать не только природные механизмы для нужд техники, но и выявлять общие закономерности устройства и функционирования технических и природных систем.

На основе этих представлений в физиологии растений получены достаточно подробные описания отдельных механизмов управления и передачи сигналов в растении (Мокроносов, 1970, 1983; Курсанов, 1976; Чайлахян, 1982).

Системный подход и идеи кибернетики распространились и на некоторые методы биогеоценологии (Александрова, 1964; Ляпунов, 1972; Василе-вич, 1983; Миркин,1985). Однако, эмпирический подход, характерный для биологических наук в целом, сильно затрудняет расширение фронта поисков функциональных взаимосвязей в природных объектах, особенно биогеоцено-тического уровня, где накоплены данные о структуре, но, в отличие от физиологии растений, совсем отсутствуют данные о физиологических процессах.

Нами предпринята попытка использования дедуктивного метода для изучения структурно-функциональной организации природных объектов, основанного на аналогии природных и технически систем.

Вторая глава. Методические принципы и подходы.

Исследование природных экосистем возможно по двум направлениям. Традиционное эмпирическое описание экосистемы строится на сборе информации об отдельных компонентах экосистемы и последующем сведении их к целостному представлению об экосистеме. Такой подход приемлем для изучения структуры экосистемы, но затрудняет изучение функционирования целостной системы. Даже при наличии большого массива данных и высокой точности измерений отдельных параметров построение целостной модели экосистемы при таком подходе затруднено, т. к. различные компоненты имеют раз-

личные масштабы и временные характеристики, различный уровень изученности и единицы измерения.

Второй подход, интегральный, он основан на восприятии целостной системы, где компоненты выполняют определенные согласованные частные функции.

Такой интегральный подход значительно расширяет перспективы физиологического описания экосистем, т.к. дает общий стержень рассмотрения компонентов в системе, позволяет целенаправленно расширять фронт поиска необходимых характеристик.

Структурно-функциональная организация экосистемы подразумевает в этом случае выявление закономерности объединения компонентов в систему; а затем - выделение компонентов системы или выявление минимальной цельной единицы системы, несущей в себе основные свойства системы и погруженной в целую систему выполнением определенной функции. Компоненты системы связаны в единство выполнением функций для достижения общей цели системы.

Существенно облегчить изучение природных систем может использование опыта технических наук, где для изучения поведения сложных многокомпонентных систем применяют метод построения структурно-функциональных схем.

Методологической основой для использования аналогий между природными и техническими системами является системный подход, позволяющий изучать объекты различного уровня организации в рамках одного класса (Василевич, 1983) и принцип информационной общности природных и технических систем (Бугровский и др., 1988; Айламазян, 1989).

Изучение природных и технических систем как объектов одного класса позволяет рассматривать их как целостные информационные системы, обладающие рядом общих свойств (Бугровский и др., 1990),главными из которых являются целенаправленность и иерархическая структура.

Функционирование информационно-управляющих систем связано с достижением цели. Для технических систем это бесспорно, т.к. бесцельных машин не существует. У природных систем целесообразность проявляется в выборе предпочтительных состояний системы (Арманд, 1975). Структурно-функциональная организация природной экосистемы подчинена тому, чтобы достичь цели с наименьшими затратами вещества и энергии; для этого система имеет набор функциональных блоков, уровней управления и соответствующих уровней информации, обратную связь как систему корректировки.

Иерархическая соподчиненность целей всей системы и частных целей функционирования блоков проявляется как цель и средство. Цель, определяемая для нижнего уровня иерархии, является средством для достижения цели верхнего уровня.

Образцом технической системы для построения структурно-функциональных схем природных объектов выбран автономный космический аппарат нового поколения (АКА НП).

Третья глава. Структурно-функциональная организация природных систем.

А) Растение.

В качестве исходного объекта для построения схемы структурно-функциональной организации мы выбрали дерево как обобщенный образ растительного организма., которое попытались представить как информационно-управляющую природную систему.

Успехи современной биохимии и физиологии растений (Любименко, 1963; Курсанов, 1976; Чайлахян, 1982; Мокроносов, 1983) позволяют проследить иерархическую соподчиненность структуры и функции всей системы (организма) и ее блоков (от органелл до тканей и молекул). Наконец, авто-трофные организмы являются главнейшим функциональным звеном экосистемы в целом.

Структурно-функциональная схема информационно-управляющей системы растения имеет три функциональных блока (Рис. 1),взаимодействия которых друт с другом и с окружающей средой позволяют ему реализовать главную цель функционирования - репродукцию или воспроизводство, что согласуется с тезисом В. И. Вернадского о растекании жизни.

а) Блок ассимиляции (листва, хвоя, сосущие корни) минерального вещества и энергии для синтеза фитомассы или первичной биологической продукции; при этом филлосфера ассимилирует минеральные вещества в основном в форме газов из атмосферного воздуха, а ризосфера - в форме ионов из почвенных растворов;

б) Блок коммуникации (стебли, ветви, проводящие корни), осуществляющий внутренние связи между компонентами системы растения, а также между целым организмом и средой его обитания;

в) Блок репродукции (цветы, плоды, семена), реализующий главную цель данной природной системы : воспроизводство здорового потомства с учетом всех возможных потерь вследствие гибели семян и подроста от болезней, вредителей и т.п.

Для достижения цели в изменяющихся условиях среды растение имеет несколько уровней управления процессом онтогенеза, которые позволяют системе устойчиво функционировать в широком диапазоне флуктуации факторов среды. Поэтому, управление функциями ИУС растения осуществляется на основе информации о диапазоне и ритмике изменений факторов среды при прохождении каждой фазы онтогенеза:

1) на генетическом уровне закладывается общая стратегия развития растения;

2) ее реализация в организме происходит через систему внутренней ре-

Рис.1. Структурно- функциональная организация растения

гуляции, основанной на донорно-акцепторных связях (Мокроносов, 1983).

3) факторы внешней среды действуют на связи в цепи эндогенной регуляции и через них - на проявление генотипа

Самый нижний уровень управления (I-A; I-K; I-P) может изменить строение (структуру) соответствующего функционального блока в зависимость от того, на каком этапе развития, в какую сторону и на какую величину отклонились реальные условия среды от их стандартной для генотипа кривой. Например, различия освещенности листьев в различных частях кроны на ранних этапах их роста незначительны; в середине же лета четко проявляются различия листьев нижней части и верхушки кроны, южной и северной стороны, наружной и внутренней частей кроны, поскольку условия освещения становятся различными.

Такая же дифференциация происходит в корнях, стеблях, цветках, плодах и семенах. Их структура и масса формируется в строгом соответствии с отклонениями реальных условий среды от идеальных на всех этапах онтогенеза. Каждый этап вносит свой вклад в общий итог онтогенеза и количественно отражается на результатах вегетации.

Второй (II) уровень управления может изменить ритмику функционирования каждого блока в зависимости от реального хода условий среды в суточном, сезонном, годовом и многолетних циклах. Ритмика открытия и закрытия устьиц, движения гранул хлоропластов, темпы фотосинтеза и дыхания, транспорт ассимилятов, режим цветения, опыления, закладки и созревания семян зависят от соответствия хода реальных условий идеальной кривой, соответствующей генетическому коду данного вида. Управление процессами ассимиляции (уровень II-A) можно представить как регулирование потока вещества через устьица и корневые волоски, потоки энергии через хлоропласты.

Третий (III) уровень управления суммирует работу всех ячеек каждого функционального блока в целостный результат. Благодаря совокупной работе всех листьев и корней с их индивидуальными массами и режимами функционирования на каждом этапе развития формируется определенная филло- и ризосфера растения, которые позволяют идентифицировать видовые признаки растения и диагностировать степень их отклонения от стандартного габитуса данного вида.

Четвертый (IV) уровень управления координирует функции отдельных блоков и формирует общую структуру растения с его видовыми признаками, координирует общую ритмику функционирования всех блоков системы и последовательность фаз онтогенеза.

Пятый (V) уровень управления осуществляет адаптацию всего растения к реальным условиям данного экотопа в сравнении с идеальными для данного генотипа. Березовое криволесье, карликовые формы деревьев - все это примеры адаптации видов к новым условиям среды; в последствие они закрепляют-

ся в генотипе, а условия, вызвавшие такие изменения, становятся стандартными для нового генотипа.

Совокупность автотрофных организмов образует фитоценоз -компонент экосистемы, выполняющий функцию анаболизма или ассимиляции минеральных элементов для синтеза органической массы с помощью солнечной энергии. Благодаря многоступенчатой реакции функциональных блоков, живые системы способны выбрать самую выгодную в данных условиях траекторию развития, сканировать смену условий в онтогенезе. Эмпирический принцип "диссипации энергии" подтверждает положение о том, что из двух возможных форм существования преимущество получает та. которая максимально полезно использует солнечную энергию (Пригожин, 1972, 1978; Мазинг. 1972). Поэтому верхний уровень сис!емы фитоценоза, а значит его целесообразность можно определить как максимизацию анаболизма. Соответствующие цели можно определить для систем почва и экосистема - максимизация катаболизма и метаболизма.

Б) Почва.

В своих исследованиях мы рассматриваем почву как функциональный компонент экосистемы биогеоценоза, (элементарной единицы биосферы по Вернадскому). Такой подход позволяет сопоставить почву с другими компонентами экосистемы, оценить функции в системе более высокого уровня и подобрать параметры для динамической характеристики почвы, ее изменчивости во времени.

Информационно-управляющая система почвы (Рис. 2) для выполнения функции катаболизма экосистемы имеет три функциональных блока:

1) Блок аккумуляции. Включает некромассу (опяд. подстилка, гумус), образующуюся в процессе отмирания автотрофных и гетеротрофных организмов. Является ресурсом катаболизма.

2) Блок диссимиляции. Включает гетеротрофный биологический комплекс (ГБК). Представлен всем разнообразием видов микроорганизмов, макро- и мезофауиы. Осуществляет многоступенчатую деструкцию некромассы до полной минерализации, используя энергию химических связей, накопленную в органическом веществе при анаболизме. Является двигателем катаболизма.

3) Блок миграции. Биологически активная минеральная масса в форме газов, солей, коллоидов. Является продуктом и результатом катаболизма. Часть возвращается в анаболическую ветвь биологического круговорота (метаболизма экосистемы); часть уходит в атмосферу, гидросферу; часть теряется в литосфере, пополняя пул геологического круговорота, часть консервируется почвой в гумусе.

Для достижения цели - максимизации катаболизма- ИУС "почва" также имеет пять уровней управления и соответствующие уровни информации.

Рис.2 Структурно- функциональная организация почвы

Первый, нижний, уровень управления определяет строение и структуру блока в соответствии с диапазоном внешних условий данного экотопа в многолетних циклах Структура некромассы описывается соотношением компонентов (огид, подстилка, гумус) и их фракционным составом. Структура ГБК означает соотношение групп гетеротрофных организмов различных трофических уровней и их видовой состав. В структуре активной минеральной массы важно выделить ее фазовый состав (газы, растворы, коллоиды) и химический состав.

Структура всех блоков определяется долгосрочной информацией, записанной в генезисе территории и ландшафте, и реализуется под воздействием условий экотопа (тепло, влага, аэрация).

Второй (II) уровень управления определяет ритмику процессов, скорость катаболизма и время обновления вещества в каждом блоке (характерное время обновления биомассы).Ритмика катаболизма подчинена сезонным изменениям. находится под влиянием так называемых "гидротермических ножниц", когда благоприятные для активности гетеротрофов периоды могут, сменяться неблагоприятными и даже полным анабиозом. Средние гидротермические показатели отражают лишь ожидаемый итог, з реальная картина деятельности ГБК складывается из чередования активных и пассивных периодов вслед за флуктуацией гидротермических условий во времени.

Третий (III) уровень координирует общую результативность работы каждого блока системы "почва", формирует реальный профиль почвы и режим его функционирования (суточный, годовой, многолетний). Генетический профиль почвы соответствует средним многолетним климатическим условиям. Состав фаз почвы определяется реальным соотношением гидротермических условий в данный момент времени.

Четвертый (IV) уровень управления координирует соотношение структуры и функций всех блоков почвы как единой системы. Любые изменения внешних условий отражаются сначала на изменении ритмики функционирования ГБК почвы, затем - на изменении структуры минерализованного вещества и некромассы.

Пятый (V) уровень управления определяет интегральные параметры адаптации почвы к устойчивым изменениям факторов среды, которые отражаются в строении профиля и режиме функционирования почвы. В зависимости от степени и длительности изменения гидротермических условий почвенный профиль может измениться в разной степени: от флуктуации (изменения в пределах таксономического диапазона) до метаморфоза (в профиле обнаруживаются признаки другого таксона) и эволюции (необратимое изменение таксономических признаков, означающее образование нового диагностического диапазона) (Керженцев, 1993).

Включение почвы (педоценоза) вместе с фитоценозом в общий меха-

низм функционирования экосистемы, необходимо для того, чтобы количественно согласовать функции анаболизма (фитоценоз) и катаболизма (педоценоз) как составных компонентов интегрального процесса метаболизма экосистемы.

С этой целью мы разработали модель функционирования почвы в экосистеме, где потоки вещества согласованы между компонентами экосистемы (глава 4).

В) Экосистема

Схема структурно -функциональной организации экосистемы базируется на представлениях об экосистемном круговороте вещества (Ковда, 1989).

Экосистема как информационно-управляющая система для выполнения функции метаболизма (Рис.3) имеет три функциональных блока:

1. Блок анаболизма. Включает весь комплекс автотрофных организмов-фитоценоза. Основной его функцией является ассимиляция простых минеральных элементов для синтеза сложных органических веществ с помощью солнечной энергии, т.е. синтез первичной биологической продукции, составляющей основу органического вещества всей системы.

2. Блок катаболизма. Включает гетеротрофный комплекс педоценоза. Его функцией является многоступенчатая деструкция сложного органического вещества отмершей биомассы системы до полной минерализации через сложную цепь превращений фракций органического вещества, их последовательного многократного синтеза и распада.

3. Блок некроболизма или генетически запрограммированного умирания живых организмов с перемещением жизненно важных веществ в актуальные или запасные блоки системы. Блок некроболизма является связующим звеном между блоками анаболизма и катаболизма, регулирует потоки вещества в системе и выполняет функции буфера, смягчающего несогласованность реакций автотрофных и гетеротрофных организмов на изменения факторов среды.

Функционирование экосистемы отражено информационно-управляющей схемой, представленной пятью иерархическими уровнями в управляющей и информационной частях.

Первый, нижний, уровень формирует вертикальную и горизонтальную структуру функциональных блоков: парцеллярную и ярусную структуру фитоценоза; структуру почвенного покрова и почвенный профиль некромассы экосистемы в плане и профиле - ветошь, опад, подстилка, гумус; структуру гетеротрофной биоты экосистемы - микро- и мезофауны почвы.

Второй (II) уровень обеспечивает ритмику функционирования блоков экосистемы:

а) ритмику суточного, годичного, многолетнего прироста первичной биологической продукции (фитомассы) и ее фракций в онтогенезе;

б) ритмику отмирания тканей, органов и организмов и связанное с этим

Обиая цель - ыаксиыизация ыетаболизыа

±

Частные цели - согласование структуры и функции блоков

Динаиика роста ыассы анаболитов

I

Динаыика роста иасси некроболитов

X

1У

Динаиика роста ыассы катаболитов

Ритыика прироста структурных эле-ыентов биоыассы

т

Ритыика прироста Фракций некроыассы

Ритмика активности групп ГБК

Архитектоника Фитоценоза

Структура некроыассы в плане и профиле

Структура ГБК в плане и профиле

АНАБОЛИЗМ

НЕКРОБОЛИЗУ

Ресурсы экотопа, видовой состав

КАТАБОЛИЗМ

Состав хизненных Форм.ГТУ

§

Состав некроыассы. ГТУ

Суточный, годо-

вой рехиы ГТУ.

ФАР,ЗИП

I

Ресурсообеспече-■ ние фаз онтогенеза

т

Фенология. ГТУ Суточный.годовой

ход ГТУ.ОВП

1 _. *

Ресурсообеспечение Ресурсообеспече-

Фаз онтогенеза ние фаз онтоге-

неза

Дисбаланс ве*ества ыехяу блоками

1_.

X

и

Дисбаланс иену входом и выходоы

Рис.3. Структурно- функциональная организация экосистемы

перераспределение вещества в блоках экосистемы;

в) ритмику трансформации органического вещества некромассы до ее полной минерализации: режим убывания некромассы и выделения продуктов катаболизма (газов, солей, коллоидов) в суточном, годовом и многолетнем циклах, режим гумификации и режим деструкции гумуса.

Третий (III) уровень управляет общей результативностью функционирования каждого блока:

а) годовой прирост фитомассы парцелл и ярусов; б) годовое накопление некромассы (опад, подстилка, гумус) в экосистеме и выделение некрогормо-нов (Тарчевский, 1993), определяющих ход дальнейшего метаболизма;

в) годовое высвобождение минеральной массы катаболитов в форме газов, солей, коллоидов.

Четвертый (IV) уровень управления можно определить как уровень согласования результативности функционирования всех блоков системы: регулирование дисбаланса между функциональными блоками путем пространственно-временной изменчивости структурных элементов и функциональных компонентов экосистемы, перемещение в запас избытка минеральных элементов и мобилизация запасов при их дефиците.

Пятый (V) уровень - это уровень, определяющий целенаправленность системы, ее адаптацию к меняющимся условиям среды и обеспечение максимизации метаболизма.

Примером согласованности функций компонентов экосистемы может служить ее реакция на флуктуации условий среды. Согласованность функций фитоценоза и педоценоза базируется на адекватной реакции автотрофных и гетеротрофных организмов на изменение гидротермических условий. Нарушают эту синхронность автономная реакция фитоценоза на свет, а педоценоза на аэрацию. Динамическое равновесие экосистемы заключается в периодической смене процессов накопления и высвобождения минеральных элементов в педоценозе и поддержания баланса элементов в экосистеме. В случае неспособности фитоценоза использовать выделенные почвой минеральные элементы происходит гумификация, запасание впрок. В случае дефицита элементов питания, фитоценоз корневыми выделениями провоцирует ризосферную микрофлору к минерализации гумуса.

Четвертая глава . Концептуальная модель экосистемы. Для демонстрации роли почвы в системе биогеоценоза нами разработана модель трансформации органического вещества в почве. Трансформация органического вещества является связующим звеном между почвой и растением, сложной системой дозирования минеральных элементов для синтеза первичной продукции растениями. Мы намеренно выделяем в модели этот процесс как главный для понимания функциональной роли почвы в экосистеме.

Концепция модели изображена на Рие.4. Органическое вещество попадает в сферу действия почвы с момента отмирания и перехода в опад. В генетических горизонтах почвенного профиля сверху вниз происходит последовательная смена стадий деструкции вещества вплоть до его полной минерализации.

Стадии деструкции органического вещества соответствуют его количеству и составу в почвенных горизонтах Ао, А1, АВ, В, ВС, С. Запасы органического вещества в горизонтах любой почвы легко вычислить, в то время как процессы перехода вещества из одной стадии в другую изучены недостаточно и пока не имеют количественного выражения. Поэтому, модель строится так, чтобы, исходя из известных данных о запасах ор1аниче-ского вещества в горизонтах различных типов почв, можно было подобрать неизвестные скорости перехода вещества из одного горизонта в другой. Одновременно мы получаем характерные времена образования горизонтов почвенного профиля или время обновления органического вещества в каждом горизонте.

Модель имеет балансовый характер, т.е. горизонты в модели рассматриваются в качестве "емкостей", содержание которых, качественно различно и определяется разностью "прихода" и "расхода".

Переходы вещества из одного горизонта в другой, связанные с его качественными превращениями, определяются соответствующими скоростями (Уу), означающими, какой процент от содержащегося в данном горизонте количества вещества переходит по данному каналу за определенный промежуток времени. Количество горизонтов почвенного профиля не имеет принципиального значения для описания процесса.

Концептуальная схема описывается следующей системой уравнений:

лМ/л/ -2 Ку -- У'ю +1/Ц-

А

о п ■ д V 1.0 с * ' Р ■ VI,2 о . м я с с ■ VI.5

До

V 2.0

У2.2 У2.3

| VI.«

А]

V 3.0

V ».2 VI. 3

1 У2.<

А В

IV,« V 4.2 V«.«

В

V 5.0

1 V«.« V 5.2 V 5.3

в с

Ув.О

1 У5.4 \'6.2

С

Лнтосферя

Рис.4 Концептуальная схема экосистемы

dM¡/ dt = Vi0(T,W) + M¡_,(-}_, 4(T,¡V)- 2 Af¡Vv(T,W)

7=1

или в конечно-разностном виде для ЭВМ:

М.ы-I = MiJ + ¿lv¡0(T,w) + Mi_xvuA(T,w)-

L J-1 J,

i - A o, Ab AB, В, ВС, С ; j = 0, 1, 2, 3, 4, где V¡0 - приход вещества в горизонт профиля, Vii - выход вещества из горизонта в атмосферу (дыхание почвы), V¡2 - выход вещества в фитомассу (элементы минерального питания), V¡3 - выход вещества из горизонта в гидросферу (минерализация почвенного раствора), V¡4 - переход вещества из вышележащего горизонта в нижележащий.

Предложенная система уравнений при известных массах вещества в сложившихся горизонтах почвенного профиля (M¡) может быть решена относительно коэффициентов перехода вещества из горизонта У,4, в том случае, если известны скорости выноса вещества в атмосферу Vlb в фитомассу Vl2, в гидросферу Vi3. Поступление минеральных элементов из почвы в фитомассу определяется через зольность прироста, вынос вещества в атмосферу соответствует измеренной величине дыхания почвы по С02, вынос в гидросферу можно определить по минерализации почвенного раствора или модулю химического стока.

Модель была идентифицирована по данным типичных профилей дерново-подзолистой почвы и чернозема (Рис.5) В качестве базовых показателей использованы соответствующие массы годового опада и запасы органического вещества в генетических горизонтах. Затем на ЭВМ подбирались скорости, при которых в установившемся (стационарном) режиме образуется заданный профиль. Табл. 1

Таблица 1

Реальные характерные массы (М, т/га) и расчетные характерные времена генетических горизонтов некоторых почвенных профилей

Почва Ао Ai AB В ВС Суммарная масса (M)

М t М t М t М t м t

Дерново-подзолистая 30 20 52 60 23 80 16 80 12 80 133

Чернозем 10 4 160 80 200 120 300 220 150 350 820

Оказалось, что характерная масса профиля дерново-подзолистой почвы 133 т/га при массе годового опада в 5,5 т/га полностью обновляется за период

времени порядка 80 лет. Это и есть характерное время данного профиля. Характерная масса профиля чернозема типичного 825 т/га при опаде в 11,2 т/га обновляется за 350 лет.

Рис 5. Динамика образования профилей дерново-подзолистой почвы (а) и чернозема (б). Ао, А1, АВ, ВС - горизонты почвенного профиля

М, т/га

Рис. 6. Динамическая шкала классификации почв. М - суммарная масса органического вещества, Т - полное время ее обновления

С помощью предлагаемой модели возможен переход к количественному описанию почвы как открытой системы, развивающейся в динамическом равновесии с условиями или факторами почвообразования. Изменение условий

среды пылывае!. прежде всего, изменение активности биоты почвы и скорости разложения органического вещества . Затем происходит изменение количества органического вещества в горизонтах и изменение его состава.

Предлагаемая модель позволяет по-новому оценить информативность почвенных параметров. Запасы органическою вещества, распределенные по генетическим горизонтам, и характерные времена обновления запасов каждого горизонта и их соотношения в генетическом профиле данной почвы становятся основными информативными параметрами. В результате получается двухмерная шкала измерения почв в координатах массы и времени (Рис. 6).

ВЫВОДЫ

1. На базе меюда гехнико-биологических аналогий получено описание природных систем различного уровня организации (растение, почва, экосистема) как информационно-управляющих систем, обладающих соответствующими атрибутами: функциональные блоки, уровни иерархии, информационная и управляющие части системы.

2. Структурно-функциональная схема растения содержит три функциональных блока: "ассимиляция", "коммуникация", "репродукция". Иерархическая соиодчиненность системы обеспечивается на пяти уровнях иерархии в управляющей и информационной частях.

Высший, пятый, уровень иерархии обеспечивает управление общими целями системы - воспроизводство, четвертый уровень обеспечивает согласованную работу функциональных блоков по достижению частных целей организма - адаптации в среде обитания, третий и более низкие уровни осуществляют управление процессами, протекающими в каждом блоке.

3. Структурно-функциональная схема почвы содержит три функциональных блока: "аккумуляции" (совокупности отмерших органических веществ). "диссимиляции" (гетеротрофный биологический комплекс, осуществляющий деструкцию нскромассы до минеральных составляющих), "миграции" (блок, распределяющий минерализованные биотой элементы в форме газов, солей, коллоидов).

Низший уровень определяет структуру блока, второй - ритмику процессов . третий - координирует результативность работы блоков (формирует реальный профиль). Четвертый и пятый уровни определяют интегральные параметры адаптации почвы к устойчивым изменениям факторов среды.

4. Структурно-функциональная схема экосистемы представлена тремя функциональными блоками: "анаболизма" или синтеза сложных органических соединений т простых минеральных веществ; "катаболизма" или диссимиляции сложных веществ отмершей биомассы до простых, исходных продуктов для нового цикла; "некроболизма" или запрограммированного умирания

живых организмов, дозированного поступления некромассы с выделением гормонов для нового синтеза.

5. На основе структурно-функциональной схемы "экосистема" разработана математическая модель экосистемы, включающая блоки "растительность" (фитоценоз) и "почва" (педоценоз) осуществляющие анаболизм и катаболизм системы соответственно.

Блок растительности представляется безинерционным звеном и определяет годовой прирост (опад). Блок почвы описывает почвенный профиль и его изменения во времени.

6. Рассчитана динамика обновления органического вещества почвенных профилей для типичных почв. Показано, что характерное время обновления органического вещества составляет 80 лет для дерново-подзолистой почвы и 350 лет для типичного чернозема.

7. Предложены новые динамические параметры для описания почвы в экосистеме (характерная масса органического вещества, характерное время ее обновления, характерный спектр фракций органического вещества в экосистеме), которые могут быть использованы для количественной классификации и диагностики почв.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Роль почвы в структуре и функциях природных экосистем//Информа-ционные проблемы изучения биосферы. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1986. С.62-77 (в соавторстве с Керженцевым А. С.).

2. Информационный природопользовательский центр Верхнеокского бассейна//Тезисы докладов. Многостороннее совещание стран членов СЭВ "Эксперимент "Убсу-Нур". Кызыл, 1989. С. 132-133 (в соавторстве с Керженцевым A.C.).

3. Информационное единство биологических и технических систем//Ин-формационные проблемы изучения биосферы. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР. 1990. С.419-439 (в соавторстве с Бугровским В.В., Керженцевым А. С.).

4. Изучение функций почв как объекта моделирования//Пространст-венно-временная организация и функции почв. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1990. С.75-83 (в соавторстве с Керженцевым А. С.).

5. Модель трансформации органического вещества в почве для количественного изучения функций почвы в э кос и сте мах'/ Д о кл. АН СССР, 1990. С. 152-157 (в соавторстве с Ковдой В. А., Бугровским В. В. , Керженцевым А. С.).

6. Экосистемная стратегия жизни. Пущино: ОНТИ НЦБИ РАН, 1992. 15 с. (в соавторстве с Бугровским В. В., Керженцевым А. С. и др.).

7. The soil organic substance transformation model for the soil functions numerical investigation in ecological systems/TInformational problems of biosphere investigation. Pushchino, 1993. P.355- 360 (в соавторстве с Ковдой В. А., Буг-ровским В. В., Керженцевым А. С.).

8. Организменная концепция экосистем как основа мониторинга био-сферы/'/Методики локального, регионального и глобального мониторинга. М.: Наука, 1994. С. 11-17 ( в соавторстве с Бугровским В. В., Голубевой Е. И. и ДР-)-

9. Эксперимент "Убсу-Нур" Т. 2 - М.: Интеллект, 1995. 270 с. ( коллективная монография).

10. A functional mechanism of ecosystems as a subject formanaging//Reports of IV international simposium "Experiment UVS-NUUR". Moscow: Intellect, 1996 P. 119-127 (в соавторстве с Керженцевым А. С., Се Чжен ).

11. Использование метода технико-биологических аналогий для разработки структурно-функциональных схем природных объектов//Автономные аппараты для исследования космоса и океана. М.: Интеллект (в печати).

12. Структурно-функциональная организация экосистем как объекта управления/УТруды пятого международного симпозиума по программе биосферного мониторинга. Кызыл ( в печати).

?1 • 96 г. Зак.7376Р. Тир.100 зкз. Усл.печ.л. Отпечатано на ротапринте в 0НТИ ПШ! РАН