Моделирование продукционного потока в лесу

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.А. КОСТЫЧЕВА»

ФАКУЛЬТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

И БИОТЕХНОЛОГИИ

Кафедра биологии и разведения животных

Реферат

на тему: «Моделирование продукционного потока в лесу».

Выполнила:

Студентка 42 группы

Аверина И.Г.

Проверил:

Уливанова Г.В.

Рязань - 2012

Содержание

1.      Модели лесных сообществ………………………………………               3

2.      Экосистемы хвойных лесов……………………………………..               6

3.      Изменение продуктивности и сдвиг зоны лесов………………               7

4.      Список использованной литературы……………………………              9

Модели лесных сообществ.

По сравнению с агрокультурой, лесное сообщество представляет собой гораздо более сложную экосистему. Если посевы сельскохозяйственных культур можно рассматривать как пространственно однородные сообщества, то для леса такой подход очевидно не применим.

Наиболее широко принятой в современной экологии лесных сообществ является ярусно-мозаичная концепция леса как сложной системы. "Элементом" здесь является не отдельное дерево, а ассоциация деревьев.

Лесной ценоз представляет собой пространственную мозаику, состоящую из элементов, которые развиваются относительно независимо, проходя определенные фазы развития. В цикле возобновления леса можно выделить следующие основные стадии:

1) стадия прогалины (окна), образующегося в результате гибели дерева или группы деревьев. Для этой стадии в литературе утвердился английский термин "gap";

2) стадия прироста, на которой доминирует молодое поколение;

3) стадия зрелости, образованная взрослыми деревьями. Устойчивое существование лесного, биогеоценоза обеспечивается оптимальной ярусно-мозаичной структурой леса, представленного всеми тремя стадиями. Древесная ассоциация - локус, характеризуется видовым составом, густотой, пространственными размерами, которые определяют особенности развития и процессы формирования локусов как ячеек леса в пространстве.

Наибольшее распространение для кратко- и среднесрочного прогнозирования динамики конкретных экосистем на небольших территориях (1-1000 га) получили гэп-модели, основой которых является модель отдельного гэпа, описывающая динамику деревьев на участке фиксированной площади, обычно 10х10 м. В каждый момент времени каждое дерево заданной породы характеризуется определенным набором переменных. Уравнение роста зависит от светового режима, температуры и других параметров среды, также учитывается конкуренция растений за ресурсы. Возобновление и гибель деревьев на участке задают обычно каким-либо случайным процессом. Влияние соседних гэпов как правило не учитывают. Первая модель такого типа (JABOVA) строилась как большая имитационная модель. Начиная с роста отдельного дерева в оптимальных условиях с последующим учетом влияния на рост и численность деревьев уменьшения количества света и питательных веществ вследствие конкуренции. По этой методике были созданы десятки моделей для разного типа лесных сообществ.

Гэп-моделирование оказало существенное влияние на формирование ярусно-мозаичной концепции леса, может рассматриваться как широкомасштабный компьютерный эксперимент по проверке основных положений и следствий этой концепции и является примером прямого воздействия математических методов на формирование естественнонаучных представлений в области экологии.

Для описания лесных массивов на больших пространственных и временных масштабах используются структурные модели метапопуляций, т.е. модели, в которых элемент (индивидуум) является субпопуляцией, состоящей из более простых объектов.

Структурные модели популяции деревьев, в которых индивидуальным объектом является отдельное дерево, неоднократно предлагались. Наиболее сложной частью этих моделей является описание взаимодействия между деревьями, которое может носить сложный нелинейный характер. При переходе к ярусно-мозаичной концепции, взаимодействие между деревьями оказывается "внутри" субпопуляции, модель которой при относительной независимости субпопуляций (локусов, гэпов) может рассматриваться автономно.

Следующий этап моделирования связан с рассмотрением лесной экосистемы как метапопуляции, состоящей из большого числа гэпов. Для этого необходимо описать интенсивность гибели гэпов, как целостных образований. Такие фундаментальные характеристики, как вероятность гибели и продолжительность жизни гэпа и метапопуляции в целом, зависят от начальной численности и других характеристик начального распределения деревьев внутри гэпа. В результате моделирования получается единственное устойчивое состояние "динамического равновесия", представляющего собой мозаику находящихся в различных состояниях и возрастах гэпов, каждый из которых возникает, развивается и гибнет по внутренним законам, однако распределение всей совокупности гэпов является стационарным.

Если исходное состояние растительности было относительно однородным, (например, после быстрого заселения территории, освободившейся в результате катастрофического внешнего воздействия - пожаров, нападения насекомых, рубок и др.), то образование мелкоячеистой мозаичной структуры возможно лишь в процессе смены нескольких поколений. Поэтому на территориях, подверженных сильным внешним воздействиям на временах порядка жизни одного поколения, динамику лесной растительности моделируют в более крупных пространственных масштабах. При этом получают оценки времени и видовые характеристики сукцессионного ряда (процесса смены видов после начала заселения территории) и пространственно-временную структуру климаксного (стационарного) сообщества.

ЭКОСИСТЕМЫ ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ.

Отмечаемые ныне и прогнозируемые на ближайшие десятилетия повышение содержания СО 2 в атмосфере и потепление ведут к серьезным изменениям в таежных и тундровых экосистемах Арктики и Субарктики: изменению продуктивности, смене видового состава, сдвигу границы между лесом и тундрой. Ученые предприняли попытку с помощью модели оценить, как повлияют изменения климата на продукционный процесс в лесной экосистеме и насколько сдвинутся северная и южная границы лесных экосистем умеренной зоны Северного полушария.

Модель продукционного процесса экосистем хвойного леса описывает динамику углерода и воды, а также основные биотические и абиотические факторы в них. В модели учтены следующие процессы, протекающие в растениях: фотосинтез, дыхание, рост и отмирание органов, распределение усваиваемых питательных веществ между органами. Модель учитывает динамику влажности почвы и потока воды по ее профилю, интенсивность осадков и испарения, гидродинамическое сопротивление и водный потенциал почвы, действие гравитации на транспорт воды. После проверки модели по результатам наблюдений над ельниками в южной тайге на Валдае и другими участками в хвойно-широколиственных лесах и северной тайге ее использовали для описания глобальных процессов в высоких и средних широтах Северного полушария.

В частности, оценивалось влияние возможных изменений климата на продукционный процесс экосистем еловых лесов в различных климатических зонах (на разных широтах и меридианах). Было получено распределение изменений годовой продукции и испарения воды в экосистемах при условии, что температура воздуха в течение вегетационного периода выше на 1°С. Оказалось, что продукция еловых лесов увеличивается севернее 60° (с широтой все больше — у 66° рост достигает 3%) и уменьшается южнее этой широты. С ростом количества осадков продуктивность экосистем повышается, причем к югу — все сильнее. Так, увеличение количества осадков на 6% на широте 62° влечет за собой рост продуктивности на 0,1%, а на широте 58° – 3,4%.

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ И СДВИГ ЗОНЫ ЛЕСОВ.

Чтобы оценить влияние увеличения концентрации СО 2 и потепления на климат, экосистемы и урожайность, мы выполнили численные расчеты на климатической модели. Модели, описывающие динамику экосистем, и экспертные оценки позволили определить смещение границ лесов при соответствующем изменении климата. Это ведет к изменению альбедо (отражающей способности) и влажности земной поверхности, что, в свою очередь, повлияет на глобальный климат. Конечно, заметное смещение растительных зон произойдет только через 100–200 лет, однако указанный эффект может проявляться как тенденция изменения климата. Основные изменения состоят в смещении зоны лесов на север. Естественно, что это больше всего скажется на климате полярных и приполярных областей.

Численные эксперименты проводились на климатической модели Вычислительного центра РАН. В качестве граничных условий задавались новые значения альбедо в тех областях, где лес замещается другими растительными сообществами. Результаты расчетов предвещают заметное похолодание (на 1–2°С)

в северных регионах Европы и Азии из-за ослабления нагрева земной поверхности вследствие увеличения альбедо. Таким образом, сдвиг природных зон частично компенсирует общее потепление, вызванное парниковым эффектом в Европе и Северной Азии.

Итак, результаты расчетов предсказывают значительные изменения климата и биотических процессов в Арктике, а также перестройку общей циркуляции в Северном Ледовитом океане за счет парникового эффекта. Эти изменения будут иметь экономические и экологические последствия планетарного масштаба и должны вызвать адекватную реакцию человечества. Это тем более важно в свете возрастающей роли севера России как сырьевой базы (нефть, природный газ, цветные металлы, древесина) и важнейшей транспортной магистрали. Освобождение поверхности Северного Ледовитого океана от льда позволит превратить его в важнейшую круглогодичную транспортную артерию, однако увеличение влажности, усиление туманов и штормов потребует больших вложений в обеспечение безопасности морского и воздушного транспорта. Затопление устьев рек повлияет на планы размещения промышленных и жилых зон, а также транспортных терминалов. Изменение продуктивности и видового состава тундровых и таежных экосистем скажется на биоте всего региона, поэтому необходимо развернуть работы по сохранению уникальной природы Арктического бассейна. Для анализа возможной ситуации и определения адекватных превентивных мер, способных предотвратить (а если надо, то и использовать) последствия парникового эффекта в данном регионе, необходимо дальнейшее развитие и совершенствование математических моделей и методов, насыщение их новыми натурными данными.

Список использованной литературы

1.      Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Математические модели биологических продукционных процессов. М., 1993,

2.      Д.Х.Медоуз, Д.Л.Медоуз, Й.Рандерс. За пределами роста. М., 1994.

3.      Одум Ю., Экология, М., 1986.

4.      А.П.Левич, В.Н.Максимов, Н.Г.Булгаков. Теоретическая и экспериментальная экология планктоновых водорослей .М., 1997

5.      Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология, М., 1980

6.      М.Бигон, Дж.Харпер., К. Таунсенд. Экология. Особи, популяции и сообщества., Том 1, 2.. М., Мир. 1989

7.      Ю.М.Свирежев, О.Д.Логофет. Устойчивость биологических сообществ. М., Наука, 1978, 352 с.

2