Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время проблемы прогнозирования состояния лесных экосистем приобретают особую остроту в связи с расширением масштабов антропогенного влияния на лесные ландшафты. Процессы вымокания леса, лесные пожары по вине людей оказывают значительное воздействие на окружающую среду. В Омской области вымокание и пожары являются основными причинами гибели леса. Создание новых методов описания и прогнозирования лесных катастроф, таких как вымокание и пожары, в силу сказанного следует рассматривать как важнейшую задачу экологии.
Лес - это элемент географического ландшафта, состоящий из совокупности деревьев, занимающих доминирующее положение, кустарников, напочвенного покрова, животных и микроорганизмов, в своем развитии биологически взаимосвязанных, влияющих друг на друга и на внешнюю среду.
Лес - это один из примеров экологической системы.
При этом под экологической системой (экосистема, биогеоценоз) понимается сообщество организмов с окружающей их абиотической средой (почвой, атмосферой и т. п.). Причем сообщество - это группа организмов различных видов, проживающих на общей территории и взаимодействующих между собой.
Изучению омских лесных биоценозов посвещены работы А.И.Григорьева (1978), В.Н.Михальчука (2008), Е.В.Донец (2008), Н.А.Калиненко (2003), Н.И.Сабаевой (2006), О.Ю.Мельниковой (2004), В.Н.Лойко (2005), П.В.Болышшика (1996), Н.О.Игенбаевой (2006), Г.И.Зайкова (1963), В.П.Чащина (1999), Н.С.Ненашева (2005), Н.С.Забросаева (1963), А.Н.Грибенникова (2002) и других.
С целью изучения эволюции состояний лесных биоценозов в данной работе используется метод моделирования.
Моделирование лесных экосистем — это мощный инструмент прогнозирования наступления экологических катастроф, направлений сукцессии, хода и серий сукцессии.
Моделированием лесных экосистем занимались в СССР и России:
М.Р.Абдуллин, Ю.А.Израэль, Б.М.Миркин, Ю.В.Бархатов, А.Г.Дегерменджи,
А.С.Исаев, В.Г.Суховольский, А.И.Бузыкин, Т.М.Овчинникова,
Р.Г.Хлебопрос, Г.П.Карев, Н.И.Козлов, Д.О.Логофет, Р.Д.Турсунов, Л.В.Недорезов, А.Ю.Карлюк, Г.Ю.Ризниченко, А.Б.Рубин, Ю.М.Свирежев, С.М.Семенов, Г.П.Быстрай, Н.С.Иванова, а за границей - M.F.Acevedo, D.L.Urban, M.Ablan, D.B.Botkin, J.C.E.Hope, H.H.Shugart, J.Liu, P.S.Ashton, D.D.Munro, Dale, J.K.Vunclay, J.P.Skovsgaard, H.H.Horn, H.Hesseln, D.B.Rideout, P.N.Omi, M.R.Fulton и другие.
Целью нашей работы являлась экологическая оценка состояния лесных биоценозов Омской области и построение динамической модели лесных экосистем, позволяющей прогнозировать как наступление экологических кризисов и катастроф (вымокание, пожары и др.), означающих резкие смены равновесных состояний леса, так и возможные стадии в сериях смены растительных сообществ, т.е. в ходе сукцессии.
Состояние лесной экосистемы зависит от множества внешних (управляющих) факторов, которые входят в модель леса как параметры, которым можно придавать различные значения. Ясно, что любая модель реальной экосистемы -это всего лишь упрощенное видение реального объекта исследования. В силу этого число учитываемых внешних управляющих факторов явдяется достаточно ограниченным, и в диссертации это такие факторы как влажность почвы, антропогенное воздействие, мозаичность и учет конкуренции.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
-
Дать экологическую оценку лесным экосистемам Омской области. Выявить основную причину гибели лесов.
-
Построить мозаично-ярусную модель леса, описывающую экологические кризисы и катастрофы лесных экосистем.
-
Дать описания возможных равновесных состояний лесных экосистем, к которым перейдет экосистема после катастрофы, означающей потерю равновесия лесной экосистемой и переход к новому равновесию, и которые можно интерпретировать как стадии сукцессии.
-
Найти способ определения критических значений антропогенных факторов, приближение к которым чревато экологической катастрофой лесной экосистемы.
-
Разработать методику мониторинга лесной экосистемы, направленную на прогнозирование экологических катастроф и уровня деградации лесных экосистем и методику оценки границ предельного антропогенного воздействия на лесную экосистему.
Научная новизна. Впервые предложена теоретико-катастрофическая мозаично-ярусная модель лесной экосистемы на основе катастрофы «бабочка». Предложены формулы и методики, с помощью которых можно на основе экологического мониторинга прогнозировать развитие экологических кризисов и катастроф в лесных экосистемах, а также оценивать предельную антропогенную нагрузку на лесную экосистему.
Теоретическая и практическая значимость. В настоящей работе развит метод прогнозирования катастроф лесных экосистем, основанный на математической теории катастроф Рене Тома.
Результаты исследования могут быть использованы: 1) при проведении мониторинга для определения степени кризисное лесных экосистем, находящихся под воздействием природных и антропогенных факторов; 2) в качестве метода прогнозирования развития экологического кризиса и экологической катастрофы лесной экосистемы; 3) для определения границ предельного уровня антропогенного воздействия на лесную экосистему; 4) для снижения антропогенной нагрузки на экосистему в случае приближения её к кризисному состоянию.
Положения, выносимые на защиту:
-
Мозаично-ярусная теоретико-катастрофическая модель лесной экосистемы, находящейся в условиях действия антропогенного фактора.
-
Методика мониторинга лесной экосистемы, направленная на прогнозирование экологических катастроф лесных экосистем.
-
Методика оценки границ предельного антропогенного воздействия на лесной фитоценоз.
Обоснованность и достоверность результатов опирается на экологическую оценку лесных биоценозов Омской области, на материалы по состоянию лесов Омской области по данным Главного управления лесного хозяйства Омской области и других регионов, на математическую теорию катастроф Рене Тома.
Апробация полученных результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на Второй международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, АГУ, 2009), на национальной конференции с международным участием «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2009 (Пущино, ИФХиБПП РАН, 2009), на III всероссийской научно-практической конференции «Биологические системы: устойчивость, принципы и механизмы функционирования» (Нижний Тагил, 2010), на международной конференции «Современные проблемы анализа и геометрии» (Новосибирск, ИМ СО РАН, 2009), на V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), на V международной научно-практической конференции «Урбоэкосисте-мы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2010), на международной научно-практической конференции «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды (экологические и правовые аспекты)» (Махачкала, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 печатных работ в журналах и сборниках научных трудов, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов и практических рекомендаций, списка литературы. Работа иллюстрирована 23 рисунками и 24 таблицами. Список литературы включает 225 источников, из них 39 иностранных авторов.
