Geum.ru

«Лидеры в области окружающей среды и развития»

Вид материалаСеминар

Содержание


Моделирование болотных экосистем
Подобный материал:
1   2   3   4

Моделирование болотных экосистем


На протяжение почти четверти века моделированием болотных экосистем и переувлажненных земель в целом занимаются сотрудники Лаборатории математической экологии ИФА РАН. Эта лаборатория была создана Ю.М. Свирежевым по инициативе академика Н.Н. Моисеева в составе Вычислительного центра АН СССР. В 1990 году она вошла в состав ИФА РАН. С начала 80-х годов сотрудники Лаборатории принимают участие в различных программах, проектах, исследованиях связанных с изучением заболоченных территорий, анализом развития болотных экосистем, вопросами их рационального использования и охраны.

В начале 80-х годов был задуман и осуществлен международный научный проект "Ecosystem Dynamics in Freshwater Wetlands and Shallow Water Bodies". Под эгидой SCOPE (Scientific Committee on Problems of the Environment) был сформирован SAC (Scientific Advisory Committee), которому предстояло определить научное содержание деятельности Проекта и его будущих публикаций. Комитет состоял из 8 членов и возглавлялся профессором Бернардом Паттеном (B. Patten, University of Georgia, Athens, USA). С советской стороны в него вошли проф. Ю.М. Свирежев (ЛМЭ) и к.ф.-м.н. П.П. Корявов (ВЦ АН СССР). Глубокую заинтересованность в деятельности Проекта проявлял академик А.А. Дородницын. Финансирование Проекта осуществлялось из средств добровольного взноса СССР в фонд UNEP (United Nations Environment Programme), и соответствующее структурное подразделение («проект») было образовано в Центре международных проектов Госкомитета СССР по науке и технике – организации, созданной специально для осуществления международных научно-образовательных проектов на территории СССР за деньги UNEP. Руководителем этого проекта был назначен сотрудник ЛМЭ к.ф.-м.н. (ныне д.ф.-м.н., проф.) Д.О. Логофет. В рамках Проекта было проведено два международных семинара: в Минске–Пинске–Цхалтубо (1981) и Таллине (1983) и ряд совещаний SAC. Проект привлекал к участию наиболее известные имена в болотоведении, а уровень модельных усилий в конкретной теме определялся по факту и стимулировался участием в заключительной публикации Проекта. В качестве предварительных результатов Проекта были опубликованы труды первого семинара:

Ecosystem Dynamics in Freshwater Wetlands and Shallow Water Bodies. Proceedings of International Workshop, Minsk-Tshaltubo, USSR, 1981, Vols. 1 and 2, D.O.Logofet and N.K. Luckyanov (Eds.) Centre of International Projects, GKNT USSR, Moscow, 1982.

Эта публикация стала, в сущности, попыткой отразить состояние дел ("state-of-the-art") скорее в экосистемах переувлажненных земель, чем в моделировании болотных экосистем, хотя модельные исследования все-таки были представлены (в основном советскими авторами). Заключительная публикация Проекта вышла в свет в виде 2 томов:

B.C. Patten et al. (Eds.) Wetlands and Continental Water Bodies, v. 1. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing, 1990;

B.C. Patten et al. (Eds.) Wetlands and Continental Water Bodies, v. 2. The Hague, The Netherlands: SPB Academic Publishing, 1994.

В рамках указанного международного проекта сотрудниками Лаборатории впервые в мировой практике была построена нелинейная модель совместного круговорота органического вещества и азота в локальной экосистеме переходного болота (Александров Г.А. и др., 1984, Logofet, Alexandrov, 1984; Свирежев, Александров, 1984; Александров, Логофет, 1985; Александров, 1985; Александров и др., 1986; Alexandrov, 1988; Alexandrov, Logofet, 1989). Эта модель, учитывающая структуру фитоценоза и конкуренцию за минеральное питание, была применена для исследования сукцессии олесенного сосной переходного болота в границах экспериментального полигона ИГ РАН "Таежный Лог" (Новгородская область) в подзоне южной тайги. Модельно было показано, что при постоянном гидрологическом режиме вероятными вариантами эволюции экосистемы является в зависимости от уровня азотного питания переход в лесную фазу или сохранение фазы переходного болота с большей или меньшей фитомассой. Переход в фазу верхового болота маловероятен и невозможен переход в фазу низинного болота. Эти результаты вполне согласуются с выводами, полученными непосредственно из наблюдений за экосистемой.

В работах (Logofet, Alexandrov, 1984; Александров, Логофет, 1984; Александров, 1985) показано, что моделирование круговорота вещества целесообразно предварить анализом энвиронов. Понятие "энвирон" было предложено Б. Паттеном (Patten, 1982) для количественной характеристики непрямых взаимодействий между различными компонентами экосистемы. Энвирон – это совокупность тех компонентов экосистемы и потоков между ними, с которыми рассматриваемый компонент этой экосистемы связан либо непосредственно, либо через другие компоненты. Математический аппарат анализа энвиронов позволяет ответить на ряд представляющих экологический интерес вопросов о характере круговорота вещества, происходящего в экосистеме. Сотрудниками Лаборатории был предложен новый способ вычисления энвиронов в стационарном и нестационарном случаях. Разработанных метод был применен для исследования круговорота органического вещества в экосистеме кустарничково-сфагнового переходного болота на полигоне ИГ РАН "Таежный Лог". С помощью этого метода были оценены такие процессы в рассматриваемой экосистеме как, а) торфообразование, б) циркуляция органического вещества между такими компонентами рассматриваемой экосистемы как растения, животные, отмершие части (не включая торф), грибы и бактерии, в) характерные времена пребывания органического вещества в каждом из указанных компонент.

При исследовании функционирования верховых болот и процессов заболачивания решающая роль отводится гидрологическому фактору. Водный режим является важнейшей характеристикой существования болотных экосистем и его изменения существенным образом сказывается на функционировании болотного биогеоценоза. Климатические и антропогенные воздействия на болотный биогеоценоз нарушают естественно сложившиеся механизмы регуляции водного режима, приводят к изменениям в сезонной динамике уровней грунтовых вод и, в конечном счете, к смене типа растительного покрова.

Для количественной оценки изменений в сезонной динамике уровней болотных вод необходимы многолетние стационарные наблюдения, в виду стохастичности метеорологических условий. В то же время, например, для лесоводственно-мелиоративной оценки водного режима торфяных почв чрезвычайно важно знать степень варьирования уровня грунтовых вод и достоверность его среднемноголетних значений на одном и том же объекте за какой-либо период вегетации или сезона в целом. В связи с этим представляется актуальным построение имитационной модели, с помощью которой можно было бы количественно оценить вышеуказанные характеристики водного режима болота.

Концептуальная схема модели водного режима верхового болота, идентификация и верификация этой модели рассмотрены в работах (Александров и др., 1983; Александров, 1985; Александров и др., 1986; Alexandrov, Logofet, 1989). С помощью предложенной модели для верхового болота Таежный лог были вычислены среднемноголетние характеристики водного режима такие, как средняя длительность весеннего подтопления корней древостоя, вероятность подтопления корней в течение всего вегетационного периода. Модель позволила оценить насколько сильно изменяются среднемноголетние гидрологические условия при изменении фитоценоза.

Функционирование экосистем верховых болот сопровождается интенсивным отложением торфа, Одним из следствий этого процесса является образование "болотного" рельефа – выпуклой формы болотной поверхности, а также возникновение на поверхности болота регулярных структур понижений и повышений грядово-мочажинного или грядово-озеркового комплекса. Сотрудниками Лаборатории впервые формирование грядово-мочажинного комплекса было воспроизведено как возникновение диссипативной структуры среди решений уравнения "реакции – диффузии".

В рамках построенной пространственно-распределенной модели формирования рельефа верховых болот удалось воспроизвести некоторые существенные черты динамики болот этого типа: формирование купола и зависимости рельефа от линейного размера болота. С помощью имитационных экспериментов исследованы условия развития грядово-мочажинного комплекса (регулярной структуры понижений и возвышений на поверхности болота). Анализу верховых болот как диссипативных структур посвящены такие работы, как (Александров, 1985; Свирежев, 1987; Alexandrov, 1988; Alexandrov, Logofet, 1994).

Заболоченные экосистемы выполняют важные экологические функции, в частности, они в значительной степени регулируют водный баланс тундровых и таежных территорий, часто являются истоками крупных рек, депонируют значительные количества минеральных элементов, препятствуя их выносу с территории суши. Чрезвычайно велика роль заболоченных экосистем в регуляции газового состава атмосферы, что, с одной стороны, обусловлено аккумуляцией углерода в торфе, а с другой – связано с выделением метана и закиси азота, которые усиливают парниковый эффект. Поэтому роль болот в формировании климата неоднозначна. Интенсивность процессов торфонакопления, образования метана и закиси азота зависит от климата. Болота могут рассматриваться как регуляторы климата с обратной связью. Анализ регулирующей роли болот при глобальном изменении климата был сделан в работах (Свирежев и др., 1984; Александров и др., 1994).

Вопросы об изменении продуктивности растительного покрова заболоченных территорий при изменении климата рассматривались в работах (Голубятников, Денисенко, 2001; Голубятников, Денисенко, 2003; Голубятников и др., 2005).

В течение последнего тысячелетия болота служили стоком для атмосферного углерода, связывая углекислый газ в первичной продукции растений и накапливая связанный таким образом углерод в торфяных отложениях. Потепление климата может привести к значительному ускорению процессов разложения органического вещества, накопленного в болотах, в результате чего произойдет освобождение в атмосферу значительных количеств пассивного в настоящий момент углерода. Сотрудниками Лаборатории разработаны методы прогнозирования отклика болотных экосистем на антропогенные и климатические воздействия. В работах (Завалишин, Логофет, 1997; Zavalishin, 1998; Завалишин, 2000; Завалишин, Логофет, 2001; Завалишин, 2003; Завалишин, 2003; Zavalishin, 2003; Завалишин, 2005) исследована реакция круговорота органического вещества в экосистеме переходного болота на повышение концентрации углерода в атмосфере, изучены динамические режимы функционирования круговорота, отражающие реакцию экосистемы на изменения внешний условий. Выявлены границы устойчивости современного состояния равновесия экосистемы болота при изменении углеродной нагрузки.

В рамках проекта Минпромнауки РФ в последние годы сотрудники Лаборатории математической экологии ИФА РАН выполнили обзор современных представлений о роли наземных экосистем в регулировании потоков СО2 между атмосферой, гидросферой и литосферой Углерод обладает в геосферах рядом важнейших функций. Его газообразные соединения являются парниковыми газами в атмосфере, ассимилируются живыми растениями в биосфере, после отмирания живых организмов входят в педосферу и посредством водных циклов вовлекаются в геологические круговороты вещества (Бессонов, Гинзбург, Денисенко, 2005).