Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

РАЗНООБРАЗИЕ СУКЦЕССИЙ ПРИ ЗАРАСТАНИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ НА ЮГЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

1Бобровский М.В., 2Ханина Л.Г., 1Шашков М.П., 2Иванова Н.И., 2Смирнов В.Э.

1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия 2Институт математических проблем биологии РАН, Пущино, Россия

maxim.bobrovsky@gmail.com

Аннотация: На основе анализа космических снимков среднего разрешения и результатов наземного обследования разработана ГИС земель Заокского участка Серпуховского района Московской области. Выделены основные типы биотопов с учетом типов экосистем, формирующихся при зарастании пашен и вариантов восстановительных сукцессий.

На залежных землях в центре Европейской России, в том числе в Московской области, преобладают аллогенные восстановительные сукцессии, когда внешние воздействия (прежде всего травяные палы) создают сложную мозаику местообитаний. Цель исследования - изучение разнообразия экосистем при разных вариантах сукцессий на заброшенных сельскохозяйственных землях южного Подмосковья. В качестве модельной территории выбран Заокский участок Серпуховского района (северная граница участка проходит по р. Ока, южная – по границе с Тульской областью).

На основе анализа космических снимков среднего разрешения и результатов наземного обследования исследуемой территории разработана ГИС, создана серия тематических карт для анализа особенностей зарастания залежей в зависимости от разных параметров. Общая площадь модельной территории 67300 га. Выделены основные категории земель: населенные пункты (13,7% от общей площади территории), водоемы (0,6%), лес (19,8%), луга и кустарники (7,0%), пашни (18,3%), зарастающие пашни (39,8%), прочие земли (0,7%). В некоторых случаях карта-схема требует уточнения после проведения маршрутных исследований в вегетационный период.

С учетом типов экосистем, формирующихся на землях, выведенных из сельскохозяйственного оборота, и характера восстановительных сукцессий, зарастающие пашни подразделены на автогенно (без нарушений) зарастающие пашни и четыре варианта аллогенно (экзогенно) зарастающих пашен: без деревьев, с единичными деревьями, с подростом (древостоем) средней густоты, с густым подростом (древостоем). Для дистанционного различения автогенно и аллогенно формирующихся вариантов растительности на зарастающих пашнях анализировали особенности пространственной структуры древесной растительности. В результате автогенной сукцессии на пашне формируются участки древесной растительности с относительно равномерным размещением деревьев по площади при их высокой сомкнутости. При аллогенной сукцессии в зависимости от интенсивности и частоты травяных палов древесная растительность может отсутствовать, присутствовать в виде единичных деревьев или групп деревьев. На отдельных участках (обычно небольшой площади) размещение особей деревьев может быть сходным с размещением при автогенных сукцессиях, однако такие участки являются элементами более сложной мозаики в пределах угодья.

Зарастающие пашни преобладают по периферии Заокского участка, тяготея к границе Московской и Тульской областей. Из них только 1,8% площади приходится на автогенно зарастающие пашни. Все отмеченные участки автогенно зарастающих пашен граничат со среднеили старовозрастными лесами, обычно они защищены ими полностью либо с нескольких сторон. При практически повсеместном распространении травяных палов условием автогенного протекания восстановительной сукцессии является защищенность

19

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

участка лесным массивом либо рекой; однако как показывает анализ карты биотопов, в большинстве случаев небольшие речки и ручьи не являются значимыми препятствиями для распространения огня; леса являются единственной надежной защитой.

Рис. Карта-схема биотопов на территории Заокского участка Серпуховского района Московской области

98,2% площади зарастающих пашен представляют участки, восстановление растительности на которых прерывалось (или прерывается) травяными палами разной частоты. Из них по площади 37,8% – залежи без деревьев, 31,2% – зарастающие пашни с единичными деревьями, 18,1% – с подростом (древостоем) средней сомкнутости и 10,6% – с подростом (древостоем) высокой сомкнутости. В этом же ряду уменьшаются средние площади контуров: от залежей без деревьев (100,3 га) к залежам с единичными деревьями (42,8 га), участкам со средней сомкнутостью древесной растительности (16,6 га) и высокой сомкнутостью древесной растительности (7,8 га).

Пространственная структура биотопов на Заокском участке Серпуховского района, включая структуру разных вариантов зарастающих пашен, характеризуется большим разнообразием. Здесь представлены разнообразные варианты конфигурационной и композиционной неоднородностей, отражающих формальную структурную неоднородность ландшафта (например, соотношение лесных и нелесных площадей; размеры, форму, изменчивость форм контуров/полигонов) и функционально различные варианты сочетаний угодий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 14-44-03666.

20

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА ЗООПЛАНКТОНА УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ ПРИТОКА РАВНИННОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ ЖАРКИХ ЛЕТ

Болотов С.Э.

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, пос. Борок, Россия alhimikhmu@yandex.ru

Аннотация: В устьевой области притока по сравнению с рекой и водохранилищем происходит значительное увеличение обилия зоопланктона, регистрируется повышенное видовое богатство, возрастают значения параметров хаотических аттракторов сообществ. Под влиянием погодных термических аномалий снижается фаунистическая и биоценотическая специфика зоопланктона зон устьевой области, а параметры аттракторов сигнализируют о переходе зоопланктоценозов в область патологии.

Введение

Среди многообразия водных объектов бассейнов водохранилищ особое значение имеет изучение малых и средних рек, устьевые области которых формируют обширную площадь специфических пограничных участков. Однако сведения о гидробиологическом режиме устьевых областей притоков равнинных водохранилищ весьма ограничены и противоречивы, и к настоящему времени они оказались фронтиром между относительно изученными экосистемами водохранилищ и малых рек. Системный анализ и синтез экодинамики зоопланктона устьевых областей притоков на основе методов многомерной статистики и теории хаоса и самоорганизации позволяет комплексно охарактеризовать поведение вектора состояния зоопланктоценозов и прогнозировать развитие патогенетических состояний, связанных с нарушениями в системе гемостаза сообществ в изменяющихся условиях среды, в том числе климатических аномалий жарких лет.

Объекты и методы

Зоопланктон собирали планктобатометром 1–2 раза в месяц с мая по октябрь фонового 2009 и аномально жарких 2010-2011 гг. в зоне свободного течения реки Ильдь, зонах ее устьевой области (переходная притока с преобладанием (90%-я обеспеченность) речных вод, фронтальная – со значительными вертикальными градиентами и отчетливым расслоением минерализованных речных и опресненных водохранилищных вод, и переходная приемника – с преобладанием водных масс водохранилища) и Волжском плесе Рыбинского водохранилища. Сообщества зоопланктона характеризовали на основе комплекса 23-х экологически значимых параметров развития, рассчитанных в авторской программе «FWZooplankton», реализующей также идентификацию параметров хаотических квазиаттракторов (КА), описывающих хаотическое движение вектора состояния зоопланктоценозов в 23-х мерном фазовом пространстве синэкологических параметров. Производили расчет координат граней, их длины и объема m-мерного параллелепипеда (vX), ограничивающего КА, внутри которого варьировал вектор состояния зоопланктоценоза, а также показателя асимметрии между стохастическим и хаотическим центром КА (rX).

Результаты и их обсуждение

Наибольшее видовое богатство и специфическая биоценотическая структура характерны для устьевой области притока и, особенно, ее фронтальной зоны. По сравнению с сообществами граничащих водных объектов устьевая область характеризуется наиболее высокими величинами удельного числа видов, численности, биомассы и продукции

21

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

зоопланктона. Погодные термические аномалии приводят к нарушению фоновой структуры сходства видового состава зоопланктона зон устьевой области, снижению их фаунистической специфики. Максимальная численность и биомасса планктонных животных в целом за вегетационный период и в каждую дату наблюдений устойчиво отмечается в устьевой области реки. Экстремумы обилия формируются, как правило, во фронтальной зоне, иногда регистрируются в переходной зоне притока или приемника. Основными факторами, определяющими различия обилия сообществ, выступают гидроэкологическая специфика районированных зон и межгодовая погодно-климатическая изменчивость. Анализ влияния экологических факторов среды методом CCA показывает, что структура зоопланктона районированных зон определяется главным образом уровнем их гидрогеоморфологической устойчивости, характеризуемой числом Фруда и температурой воды; в меньшей степени связана с электропроводностью воды и уровнем сапробности. Зоопланктоценозы зон устьевой области значимо различаются по видовой структуре, как между собой, так и в сравнении с граничными водными системами реки и водохранилища. Однако под влиянием сильного прогрева воды в жаркие годы стираются биоценотические различия зоопланктона устьевой области, в частности между фронтальной и переходной зоной приемника.

Максимальные значения основных параметров хаотических квазиаттракторов (КА) сообществ, а именно величины асимметрии центров КА и его объем, как правило, регистрируются во фронтальной зоне устьевой области (rX = 14.0×105, vX = 5.2×1061), которую по совокупности признаков (повышенному видовому богатству и развитию краевого эффекта) мы определяем как зону напряжения – экотон. Минимальные значения параметров КА наблюдали в реке (rX = 0.2×105, vX = 1.3×1039), жестко стабилизированной высокой скоростью течения, и водохранилище (rX = 1.1×105, vX = 1.1×1049). По сравнению с периодом климатической нормы в годы аномальной жары происходит увеличение значений параметров КА, расширение их границ. Это свидетельствует о неудовлетворительной адаптации сообществ зоопланктона к термическому эвтрофированию и сигнализирует об их переходе в область патологии.

Относительно фонового периода в жаркие годы повышается вариабельность поведения вектора состояния сообществ, увеличивается площадь их хаотических аттракторов. Наиболее значительные экологические модификации сообществ зоопланктона, выражаемые отклонением хаотических центров аттракторов для фонового и жаркого года регистрируются в устьевой области притока. По сравнению с фоновым периодом в жаркие годы увеличиваются межаттракторные расстояния, происходит экологическая дифференциация сообществ, а их аттракторы «разбегаются» в многомерном фазовом пространстве друг относительно друга. При этом наиболее сильно от референсных состояний удаляются аттракторы сообществ экотонной фронтальной зоны.

В устьевой области экстремально высокий прогрев воды оказывает наиболее сильное влияние на зоопланктон переходной зоны приемника, где отмечается увеличение его видового разнообразия и выравненности, наблюдается повышение обилия коловраток, происходит увеличение встречаемости и обилия мезо-эвтрофных видов, а плотность и биомасса сообществ возрастает в 2-3 раза. Аналогичные структурные изменения наблюдаются во фронтальной зоне, однако интегральные количественные характеристики сообщества – плотность, биомасса, продукция и объем хаотических аттракторов – по сравнению с фоновым годом практически не изменяются. Это может свидетельствовать о сильной «забуференности» фронтальной зоны, в результате чего здесь, по сравнению с водохранилищем и переходной зоной приемника, наблюдается ослабленная реакция зоопланктона на аномальный прогрев воды.

Выводы

22

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

Таким образом, по сравнению с периодом климатической нормы 2009 г. в годы аномальной жары – 2010-2011 гг., когда наблюдали продолжительный (> 1.5 месяца) аномальный прогрев всей водной толщи до 29-33оС, глубокий дефицит растворенного кислорода, гиперцветение синезеленых водорослей и катастрофическое ухудшение качества воды, зоопланктон водной системы характеризовался сильнейшими структурными перестройками, необычно высоким обилием и пребывал на грани «функционального срыва». В этих условиях происходит увеличение значений параметров КА, расширение их границ. Это свидетельствует о неудовлетворительной адаптации сообществ зоопланктона к термическому эвтрофированию и сигнализирует об их переходе в область патологии.

23

Материалы Четвертой конференции«Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАРАСТАНИЯ ВЫРУБОК В ЧЕРНИЧНИКАХ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Бутусов О.Б.1, Редикульцева Н.И.2, Никифорова О.П.3

1 Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), Москва, Россия,

butusov-1@mail.ru

2 Московский гуманитарный университет, Москва, Россия

redik_ni@mail.ru

3 Государственный университет управления, Москва, Россия olga.nikiforova2013@yandex.ru

Аннотация: проведен статистический анализ данных о количестве не облесившихся вырубок в различных типах лесорастительных условий лесов Вологодской обл. С помощью метода наименьших квадратов получены эмпирические модели статистических функций распределения количества заросших вырубок, по которым рассчитан ряд статистических характеристик.

Введение

Зарастание вырубок является одним из важных процессов, которые необходимо учитывать при моделировании динамики лесного фонда. К числу этих процессов относятся: динамика площадей с различными преобладающими породами, сукцессионные переходы площадей, рубки и пожары, возобновление пород на вырубках и гарях, а также зарастание вырубок (Коровин и др., 2011). Цель данной работы построение эмпирических математических моделей для описания процессов зарастания вырубленных площадей.

Объекты и методы

Объектом исследования являются статистические данные о количестве вырубок. В таблице 1 приведены статистические данные о распределении не облесившихся вырубок.

Таблица 1. Количество не облесившихся вырубок в черничном типе лесорастительных условий Вологодской обл.

Данные таблицы 1 были аппроксимированы с помощью метода наименьших квадратов (МНК) и трехпараметрической логистической функции следующего вида:

24

Материалы Четвертой конференции«Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

n(t) = a1 (1−e−a2t )a3 , где: a1, a2 , a3 - эмпирические параметры, n – количество не облесившихся

вырубок. Для вычисления эмпирических функций распределения использована следующая формула F(t) =1− n(t) , где n(t) – гладкие кривые, аппроксимирующие данные о количестве не

nmax

облесившихся вырубок, nmax – начальные значения количества не облесившихся вырубок. Для расчета эмпирических плотностей распределения вероятностей зарастания вырубок использованы следующие формулы, полученные дифференцированием МНКаппроксимаций:

где p(t) эмпирические плотностей распределения вероятностей зарастания вырубок.

Результаты

Графики результатов аппроксимации количества вырубок и плотности распределения вероятностей зарастания вырубок, рассчитанные по формуле (1) представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Полученные результаты: а - графики аппроксимации количества вырубок; б - плотности распределения зарастания вырубок для различных типов леса

25

Материалы Четвертой конференции«Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

Эмпирические плотности распределения (1) были использованы для расчета оценок математических ожиданий и оценок стандартных отклонений времени зарастания вырубок по следующим формулам:

M = ∫x a3 (1−e−a2t )a3 −1 a2 e−a2t dt, x2 = ∫x2 a3 (1−e−a2t )a3 −1 a2 e−a2t dt, σ = x2 − M 2

где M – математическое ожидание, σ – стандартное отклонение. Результаты расчетов представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Численные оценки статистических параметров времени зарастания вырубок

Выводы

Описанная методика позволяет получать оценки статистических характеристик времени зарастания вырубок в различных типах леса и может быть предложена для математического моделирования и научно обоснованного планирования динамики лесного фонда.

Литература

Коровин Г.Н., Корзухин М.Д., Бутусов О.Б., Голованов А.С. Долгосрочное прогнозирование динамики породно-возрастной структуры // Лесоведение – 2011. - №6. – С.94-110.

26