Новый подход к моделированию динамики продуктивности и газообмена бореального леса Бархатов Ю.В., Дегерменджи А.Г. Институт биофизики СО РАН, Красноярск, Академгородок, 660036 Регистрируемые климатические изменения планетарного масштаба, как естественные, так и антропогенные, обусловливают новые режимы функционирования природных экосистем. Изменяются не только физические и биофизические характеристики взаимодействия составляющих литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы, но и скорости и направленности круговоротов основных биогенных элементов, возникают новые, усиливаются или ослабляются прямые и обратные связи, ускоряются или замедляются первичные процессы сукцессии экосистем. доля статей по ключевым словам "global change" в общем числе статей 3,E-04 3,E-04 2,E-04 доля статей по ключевым словам "Model(ling)" и "Biospere" в общем числе статей 2,E-04 1,E-04 5,E-05 0,E+00 1970 1980 1990 2000 2010 Динамика количества статей по глобальной биосферной тематике за 1975-2003 годы в “импактовых” журналах (по данным ISI). Природные экосистемы Сибири играют существенную роль в стабилизации атмосферы и гидросферы в условиях современного климата, особенно в связи с аккумулированием тепличных газов из атмосферы. Лесные экосистемы Средней Сибири играют важную роль в поддержании структурного баланса углерода и баланса минеральных веществ, обладают высокой способностью к саморегуляции и установлению равновесия процессов обмена вещества с окружающей природной средой. В настоящее время неизвестно, как будут функционировать и изменяться существующие природные экосистемы на территории Сибири в условиях меняющегося глобального и особенно регионального климата. 1,E-04 1,E-04 "сток углерода" "моделирование бореальных лесов" 8,E-05 6,E-05 4,E-05 2,E-05 0,E+00 1990 1995 2000 Динамика роста доли публикаций по тематикам «сток углерода» и «моделирование бореальных лесов» (по базе данных ISI) 2005 Задачи моделирования бореальных лесов Сибири: - определение углеродного баланса в экосистеме Северной Евразии. Возможность расширения модели на экосистемы соответствующей группы (Евразия, Северная Америка). - изучение направленности и интенсивности круговоротов лесных экосистем в меняющемся климате, количественная оценка круговоротов с определением, какие из них и в каких условиях становятся источниками или остаются аккумуляторами тепличных газов - оцененка буферной роли природных экосистем по основным биогенным элементам для обширных территорий Сибири и способность поглощения углерода сибирскими лесами и болотами. АТМОСФЕРНЫЙ БЛОК Экосистема бореального леса Данные спутникового зондирования Данные наземных наблюдений ГИДРОБЛОК Блоки модели Блоки контроля O2 CO2 Е O2 CO2 животные бактерии дерево O2 CO2 подстилка останки животных травяной покров O2 CO2 биогенные элементы Е почва бактерии Блок-схема математической модели ценоза бореального леса Каждый из блоков модели в свою очередь может представлять собой сложную структуру – субмодель. атмосфера лес почва животные ручьи, реки седименты Схема потоков углерода в экосистеме бореального леса Используются дифференциальные уравнения вида dX n F ( X 1 ,..., X n ,..., X m ) dt где - X n одна из переменных экосистемы Зеленая фитомасса A A dX 1 Х 1 ( Х1 Х1 ) 1 dt YX1 1 1 1 2 R ( at bt c ) 1 K T ( T Topt ) 1 K W ( W Wopt ) 1 K E ( E Eopt ) X1 0 t – время, прошедшее с начала вегетативного сезона, Т – температура, W – влажность, E освещенность Нефотосинтезирующая фитомасса dX 2 Х 1 Х 2 dt ̂ X 2 N X2 N KN Древесина dX 3 0 dt X 2 t t end Трава A2 A dG G(G G ) dt YG 1 1 1 2 R ( a t b t c ) G 1 1 1 1 K T 1 ( T Topt1 ) 1 KW 1 ( W Wopt1 ) 1 K E1 ( E Eopt1 ) G 0 Подстилка B B2 dP 2 dt YP Гетеротрофы dA A( A A ) dt A A1 A 2 A1 1 ˆ A1 1 X1 G , A 2 2 ̂ A2 X1 K X1 G KG X1 1 1 G , 2 , A X1 K X1 A G KG A X1 G X1 K X1 G KG Останки гетеротрофов B dD A A D 1 dt YD Бактерии 1 dB1 B1 ( B1 B1 ) dt D B1 ̂ B1 D KD Бактерии 2 dB2 B2 ( B2 B2 ) dt P B2 ̂ B2 P KP Азот X 1 X 2 1 1 dN B* 1 1 D B1 B* 2 1 P B2 dt YN YD YD Традиционным подходом для глобальных вегетационных моделей является так называемый "клеточный" (cell grid) метод. В представляемой модели используется более простой в техническом плане, но не менее действенный метод. Этот метод основан на разделении рассматриваемого региона на компартменты, однородные по своим структурно-функциональным характеристикам (биоценозы), и каждый из этих компартментов будет рассматриваться как единое целое. Моделирование компартмента-биоценоза происходит при помощи обыкновенных дифференциальных уравнений. Число компартментов и границы между ними определяются путем анализа баз данных по исследуемому региону спутниковых и других. Подобный подход позволяет совместить как простоту описательной части, так и возможность глубокой проработки исследуемых процессов. Данный метод предпочтительнее еще и потому, что имеет дело с реальным биологическим объектом – биоценозом, тогда как традиционные методы создают искусственную градацию. Биоценоз как условно независимая часть биосферы Модельное представление биоценоза Параметр Х расстояние Центр биоценоза границы биоценоза Схема компартментов включает границы биоценозов, а также их условные центры. Модельный центр не обязательно физический центр компартмента-биоценоза, это точка, в которой значения определяющего компонента биоценоза равно среднему по всему биоценозу. Эта точка считается центром координат при определении координат всех других точек биоценоза (показано пунктирными линиями). Параметры, влияющие на динамику биомассы определяющего компонента биоценоза изменятся по отношению к центральной точке, т.е. имеется их градиент. Форма записи зависимости параметров может быть разной, в данном случае выбрана простая линейная (векторная) зависимость (x, y). Имея два изменяющихся параметра (направление их векторов показано на рисунке), мы рассчитываем отклонение фитомассы в точках А и Б от средней. Таким образом можно рассчитать динамику любого компонента системы в любой интересующей нас точке. Расчет значений параметров экосистемы в любой точке компартмента B Пример расчета изменения фитомассы (условные еденицы) при условии линейного изменения градиентов внешних условий для точек A A (x1,y1), B(x2,y2) Градиент Температуры Градиент влажности Универсальная система для расчета экологических моделей (на основе MatLab) Вывод результатов в виде зависимости одной переменной от другой Главное меню и используемые файлы Вывод результатов в табличном виде формата Excel Ввод информации о модели – формулы, коэффициенты, параметры, начальные условия Вывод результатов в виде зависимости от времени 60 ф ито ма с с а , т/га 50 о б щ а я ф и то м а с с а 40 з е л е н а я ф и то м а с с а 30 20 10 0 0 500 1000 в р е м я , с у тки Численный расчет модели – условный лиственный лес 1500 Численный расчет модели на больших временах влияние лесных пожаров fitomass kg 103 ha -1 53 52,5 52 51,5 51 50,5 50 49,5 49 48,5 48 no changing temperature single increase of temperature permanetly increasing temperature 0 500 1000 time, days Численный расчет модели – влияние изменения температуры 1500 CO2 flux velosity, g 10 3 ha -1 day -1 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 200 400 600 800 1000 -100 -150 -200 time, days Численный расчет модели – скорость потока CO2 1200 1400 1600