Функциональное математическое моделирование экологических систем

• Автор: Бугровский, Виктор Викторович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Кызыл
• Количество страниц: 73 с.; 20х15 см

Актуальность
Одним из направления осмысления очень большого экспериментального материала накопленного биологическими науками является выработка обобщающих, интегрирующих понятий и категорий, позволяющих уввдеть сообщества организмов в их единстве. К наиболее мощным обобщениям этого плана принадлежат понятия биогеоценоза и экосистемы, далеко не исчерпавшие своей конструктивной силы.
Продвижению в наполнении этих понятий конкретным биофизическим и экологическим содержанием очень помогают математические методы. Они широко используются в биофизике. Данная работа, оконтуривающая одно из таких направлений функционального и биофизического моделирования является, безусловно, актуальной. Актуальность этого направления особенно возрастает в свете глобального экологического кризиса, ибо это направление, обладая возможностью твердой опоры на экспериментальные данные, позволяет изучать воздействие на живые системы возрастающей антропогенной нагрузки, дает возможность понять их реакции и определить границы их устойчивости.
Цели и задачи исследования
Цели работы:
1) Использование метода технико-биологических аналогий как системного информационного инструмента исследования биологических объектов дедуктивным способом (при котором представление об общей структуре объекта черпается из технических аналогий и ищутся неизвестные конкретные его стороны).
2) Развитие основанного на этом методе функционального и биофизического математического моделирования биологических систем.
Задачи работы:
1) Опираясь на опыт взаимодействия техники и биологии (бионика, пневматоракс, протезирование и пр.) сформулировать метод технико-биологических аналогий в качестве системного информационного дедуктивного метода исследования биологических систем.
2) Определить основные общие свойства класса систем (живых организмов и машин), объединяемых методом технико-биологических аналогий.
3) Использовать метод технико-биологических аналогий для разработки функциональных и биофизических математических моделей древесных, травяных и юлотных экосистем,
4) С помощью разработанных функциональных и биофизических математических
елей травяных, древесных и болотных экосистем провести исследование
со кого спектра природных экосистем и выявить их характерные биофизические . дологические динамические свойства и закономерности.
цищаемые положения
Л-Биофизические аспекты транспорта воды отдельно растущих деревьев, ттяющие количественно их структуру и формообразование, биофизические
-тодртарения и гибели отдельно растущих деревьев после достижения возраста

естественной зрелости генетически запрограммированным образованием годовых колец за счет сокращения кроны;
2. Результаты исследований биофизических и экологических особенностей и свойств степных, лесных и болотных экосистем методом математического моделирования, включающие
- для почвы как компонента экосистемы 1)метод определения численных параметров результата биофизических процессов транспорта органических веществ из вышележащих горизонтов почвенного профиля в нижележащие; 2) понятие характерного времени почвы, в течение которого происходит полное обновление органического вещества в почвенном профиле;
- для степных экосистем - 1} выделение и численное определение части продуктивности травостоя, зависящей только от гидротермических параметров,
2) явление разделения воздействия внешних факторов: климатические воздействуют на скорость преобразования и транспорта органического вещества, катастрофические и антропогенные (пожары, пастбищная нагрузка) - на массу' экосистемы;
* для лесных экосистем - понятие возраста естественной зрелости древостоев; которьщ характеризует породу дерева и не зависит от условий места произрастания т.е. имеет генетическую природу, а также определение этого возраста для разных пород деревьев,
- для болотных экосистем - понятие зрелости, которое определяется гидрологическим режимом, зависящим от биофизических особенностей фильтрации воды через моховой массив, и формой болотной депрессии,
3. Функциональные и биофизические динамические модели травяных, древесных и болотных экосистем способные надежно опираться на экспериментальны данные, настраиваться на любую экосистему и дающие возможность проводить численные эксперименты по фулшдаонированию, динамике, устойчивости степных, лесных и болотных экосистем, а также определять их реакцию и отклик на различные сценарии воздействий на них естественных и антропогенных факторов.
4. Функциональная интегрированная концепция экосистем как органического единства автотрофов и гетеротрофов объединенных внутриэкосистемным круговоротом органического вещества и содержащим его запасы достаточные для сохранения структуры и функций экосистем при действии на них возмущающих воздействий, основанное на этой концепции понятие экосистемной стратегии жизни, закон географической зональности, а также понятие характерного времени экосистемы в течение которого происходит обновление запасов органического вещества в ней, позволяющее проводить их двумерную классификацию: по массовым и временным характеристикам.
Научная новизна
1. Автором впервые сформулирован Метод технико-биологических аналогий, проведено его обоснование выделением среди природных объектов класса информационных иди целесообразных систем включающих машины и живые организмы, и определены общие фундаментальные свойства этого класса систем. 2. Автором впервые разработана функциональная интегрированная концепция экосистем как органического единства автотрофов и гетеротрофов объединенных

Блоки текущих данных: Кр) Удельная продуктивность 1 - го слоя; РьР
продуктивность 1 - го слоя листвы и полная продукция всего полога; Мл г масса
листьев 1 - го слоя; <1М текущий прирост биомассы; с!Мл, <1Мс, (1Мв, Мл, Мс, Мв текущие значения прироста биомассы листвы, стволов и ветвей и сами эти текущие значения; Мм отмирающая масса: опад и отпад; деяьтаМ затраты на дыхание; Мах максимальная освещенность полога леса.
Блок древостоя идентифицировался т.е. проверялся на соответствие реальности по таблицам хода роста [11]. Задавалась порода древостоя (световая кривая), бонитет, его данные в десятилетнем возрасте: масса стволов, ветвей, листвы,
задавались климатические данные. После этого модель пускалась на счет, и
плтп/итпл*» ттятттпл#» ггдепттаттгч. с "гатп-ПГЯМИ ХОРЯ ПОСТЯ
этими идеализированными кривыми оказалось в пределах 1%, что является очень хорошим результатом.
Результаты моделирования .. Типичный ход роста древостоя отражается рис 3.12,
Кривая 1 на нем полная продукция фотосинтеза (при неизменных климатических условиях), Она увеличивается но мере нарастания слоев листьев. Но после формирования кроны, что достигается в возрасте около 40 лет, дальше остается постоянной. (В реальности она несколько падает с возрастом, но в первом приближении этим эффектом можно принебречь и учесть его при моделировании конкретных лесов).