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

ДИНАМИКА ЗАПАСОВ И ПУЛА ДОСТУПНОГО АЗОТА В СОСНЯКАХ СЕРЕБРЯНОБОРСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА: МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ С УЧЕТОМ ВКЛАДА АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ

Припутина И.В., Шанин В.Н., Комаров А.С.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физикохимических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук, Пущино, Россия

irina.priputina@gmail.com

Аннотация: Представлены результаты ретроспективных модельных оценок динамики запасов и доступного пула азота в сосняках Серебряноборского лесничества за период 1950-2000-х гг. Расчеты выполнены с использованием системы моделей EFIMOD-ROMUL и двух сценариев поступления азота из атмосферы (фоновый и повышенный уровни). В модельном эксперименте выявлено влияние азота атмосферных выпадений на интенсивность эвтрофирования лесов.

1. Введение

Из литературы хорошо известно об увеличении почвенного богатства в ходе сукцессионной смены растительного покрова и поступательного развития аккумулятивных горизонтов почв с повышенным содержанием органического вещества. Этот процесс, характерный и для лесных почв, был назван биологической евтрофикацией (Чертов, Разумовский, 1980). Одновременно, этот термин и его синонимы (эвтрофикация, эвтрофирование) используются для характеристики процессов, связанных с влиянием на природные экосистемы соединений азота, поступающих в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека (применения минеральных удобрений, интенсивного животноводства и техногенной эмиссии NOx). Ранее, по данным геоботанических наблюдений и фитоиндикации было показано повышение в последние 40-50 лет доступности азотного питания в лесах Подмосковья, что связывалось как с природными, так и антропогенными факторами (Маслов, 1998; Рысин и др., 2003; Припутина и др., 2015). Целью данной работы была модельная оценка влияния одного из возможных факторов – азота атмосферных выпадений – на динамику запасов и пула доступного азота в лесных биогеоценозах столичного региона.

2. Объекты и модельные сценарии

Объекты модельного эксперимента – сложные сосняки Серебряноборского лесничества, произрастающие на дерново-слабоподзолистых почвах легкого гранулометрического состава, сформировавшихся на аллювиальных террасах р. Москва. Данные почвы характеризуются маломощной лесной подстилкой и пониженным содержание углерода и элементов питания. Характеристики модельных древостоев взяты из работы (Рысин и др., 2003). Возраст сосны на начало наблюдений (в 1957-1961 гг.) составлял 90-120 лет; второй ярус состоял из липы, березы или дуба; в подросте доминировала липа, в подлеске – лещина или рябина (Рысин, и др. 2003). Несмотря на расположение в границах столичной агломерации, условия функционирования данных лесов близки к естественному развитию. За 50 лет наблюдений существенных изменений в структуре древостоев не произошло (часть деревьев отмерла, а суммарная площадь сечения оставшихся увеличилась). В подросте произошло разрастание липы и рябины, а в напочвенном покрове возросло число видов, требовательных к азотному питанию. Начальные почвенные характеристики (запасы органического вещества и азота) были рассчитаны по данным (Мина, Васильева, 1965).

Для оценки динамики запасов и пула доступного азота в рассматриваемых лесах использована система моделей EFIMOD-ROMUL (Chertov et al., 2001; Komarov et al., 2003).

Моделировалось естественное развитие смешанных древостоев за 50 лет при разных уровнях

155

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

выпадений азота. В «фоновом» сценарии поступление составляло около 5 кг N га-1 год-1 в течение всего модельного периода. Сценарий «повышенных выпадений» совпадал с реальной динамикой поступления азота в 1955-2005 гг., когда уровень изменялся от 5 до 20 кг N га-1 год-1 с максимумом в 1985-1990 гг. Использование системы моделей EFIMODROMUL позволило проанализировать динамику пулов азота в основных компонентах биогеоценозов (фитомассе древостоя, опаде, лесной подстилке и минеральных горизонтах почв). Помимо суммарных запасов азота, для подстилки и почвы оценивался пул легкодоступных форм, являющихся основным фондом азотного питания растений и определяющих трофность экосистем.

3. Результаты и обсуждение

Полученные результаты не выявили заметного накопления азота в компонентах модельной экосистемы в сценарии фоновых выпадений. При сохраняющейся относительно постоянной продуктивности древостоев, запасы органического вещества и азота в фитомассе к концу модельного периода увеличились примерно на 5-10%, а суммарный почвенный пул азота остался практически неизменным. Пул легкодоступного азота, который образуется в почвах при минерализации опада и органического вещества и в течение вегетации может быть использован растительностью, согласно оценкам в среднем равен 50-55 кг N га-1 год-1. Эти значения ниже, но сопоставимы с измеренными величинами нетто-минерализации азота, полученными для южно-таежных березняков на легкосуглинистых палево-подзолистых почвах, которые составляли около 150 кг N га-1 год-1 (Разгулин, 2012).

Модельные оценки показали закономерный рост продуктивности древостоев и соответствующее повышение запасов С и N в модельной экосистеме при увеличении выпадений азота во втором сценарии, что может свидетельствовать о процессах эвтрофирования. Эти изменения наиболее заметно проявляются после того, как уровень атмосферного поступления азота превысил 10-12 кг N га-1 год-1. В зависимости от интенсивности выпадений почвенный пул легкодоступного азота в сценарии повышенных выпадений изменялся от 55-60 до 80-90 кг N га-1 год-1. При максимальных нагрузках разница в количестве доступного азота почвы по сравнению с фоновым сценарием составила около 25 кг N, что на 10-15 кг больше разницы в уровне выпадений между двумя сценариями. Таким образом, используемая модель адекватно отражает процесс усиления минерализации опада и органического вещества почв при повышении поступления азота в экосистемы. Дополнительным подтверждением этого служит анализ динамики значений C:N в подстилке, для которой получена обратная корреляция с уровнем выпадений азота.

Благодарности. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ и Министерства инвестиций и инноваций Московской области (проект №14-45-03610_Центр).

Литература

Маслов А.А. Динамика фитоцено-экологических групп видов и типов леса в ходе природных сукцессий заповедных лесов центра Русской равнины // Бюлл. МОИП. Отд. Биол. 1998. Т. 103(2). – С. 34-43.

Мина В.Н., Васильева И.Н. Влияние подлеска на лесорастительные свойства почв сложных сосняков // Леса Подмосковья. – М.: Наука, 1965. – С. 43-62.

Припутина И.В., Зубкова Е.В., Комаров А.С. Динамика обеспеченности азотом лесов Подмосковья: ретроспективные оценки по данным фитоиндикации // Лесоведение. 2015 (принято в печать).

Разгулин С.М. Минерализация азота в почве высокопродуктивного березняка южной тайги // Лесоведение. 2012. № 1. – С. 65-71.

Рысин Л.П., Савельева Л.И., Полякова Г.А., Рысин С.Л., Беднова О.В., Маслов А.А. Мониторинг рекреационных лесов. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2003. – 168 с.

Чертов О.Г., Разумовский С.М. Об экологической направленности процессов развития почв // Журнал общей биологии. 1980. Т. 41. №3. – С. 386-396.

Chertov O., Komarov A., Nadporozhskaya M. (2001) ROMUL – a model of forest soil organic matter dynamics as a substantial tool for forest ecosystem modeling // Ecological Modelling 38. – P. 289-308.

Komarov A., Chertov O., Zudin S. et al. (2003) EFIMOD 2 – a model of growth and cycling of elements in boreal forest ecosystems // Ecological Modelling 170 (2-3). – Р. 373-92.

156

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

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОХОТНИЧЬИХ ЖИВОТНЫХ ЕВРЕЙСКОЙ АВТОНОМНОЙ ОБЛАСТИ

Ревуцкая О.Л.1, Фетисов Д.М.2, Фрисман Е.Я. 3

ИКАРП ДВО РАН, Биробиджан, Россия

1oksana-rev@mail.ru, 2dfetisov@gmail.com, 3frisman@mail.ru

Аннотация: Проведен статистический анализ связей распределения охотничьих млекопитающих и биотопов на территории Еврейской автономной области. На его основе определены закономерности пространственного изменения плотностей животных. Показано, что пространственное распределение животных зависит от размещения и площадей типичных для них биотопов, средних размеров выделов биотопов, степени ландшафтной дробности и обилием границ выделов.

1. Введение

Изучение пространственного распределения населения животных и его моделирование является важной задачей в решении вопросов оценки ресурсного потенциала видов, рационального использования и охраны охотничьих ресурсов, сохранения биологического разнообразия. В современных меняющихся условиях среды особое внимание необходимо уделять анализу пространственной изменчивости плотности видов в зависимости от структуры их местообитаний (биотопов). Это связано с тем, что биотопы играют ключевую роль в сохранении и воспроизводстве популяций, поскольку в них реализуются основные этапы жизненного цикла популяций, и фактически, формируется ресурсный потенциал видов.

Целью работы является выявление закономерностей пространственного распределения охотничьих видов млекопитающих на территории Еврейской автономной области (ЕАО) в зависимости от структуры местообитаний и их формализация посредством множественных регрессионных моделей.

2. Материалы и методы

Основным источником информации о численности и плотности охотничьих животных являются материалы годовых отчетов по зимним маршрутным учетам, проведенных в период с 2008 по 2012 гг. государственными службами, отвечающих за охрану и использование объектов животного мира в Еврейской автономной области (http://www.eao.ru/?p=1898), а также экспертная оценка. Для территории ЕАО была создана карта-схема биотопов в результате дешифрирования космических снимков среднего пространственного разрешения (30 м) со спутника Landsat 7 сенсора ETM+, находящихся в свободном доступе на сервере Американской геологической службы. Их дешифрирование проводилось автоматическим (компьютерным) методом с последующей экспертной обработкой промежуточных картографических материалов. В качестве основных были выделены следующие типы биотопов: гольцы, горный тундры, горельники; хвойные (еловопихтовые с лиственницей) леса; хвойно-широколиственные, кедрово-еловые леса; смешанные широколиственные леса; дубовые леса; лиственничные леса; мелколиственные леса; луга, в том числе пойменные; мари, болота; освоенные земли.

Для каждого охотничьего хозяйства и особо охраняемой природной территории (ООПТ) были рассчитаны ландшафтные метрики, включающие такие показатели, как площади выделенных биотопов, средняя площадь выдела каждого типа биотопа, индексы ландшафтной дробности и обилия границ. Для выявления взаимосвязи между пространственным размещением популяций охотничьих животных и характеристиками биотопической структуры применялся корреляционный и регрессионный анализ.

157

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

3. Основные результаты

Согласно результатам количественного анализа реальных данных были построены множественные регрессионные модели зависимости наблюдаемой средней плотности охотничьих видов от показателей, характеризующих биотопическую структуру каждого охотничьего хозяйства и ООПТ. Полученные регрессионные кривые хорошо описывают основные тенденции фактических данных (коэффициент детерминации R2 варьируется в пределах 0.76-0.99). Отклонения реальных плотностей от расчетных, скорее всего, определяются не учтенными в модели факторами (урожайностью основных кормов, климатическими, перепромыслом и т.д.). В качестве примера на рисунке представлены учетные и модельные распределения плотностей лисицы и бурого медведя по территории ЕАО и приведены уравнения множественной регрессии.

Рисунок. Результаты моделирования и данные учетной плотности популяций (N) а) лисицы (факторы: площади освоенных земель S(ОЗ) и лугов S(Л)), б) бурого медведя (факторы: средний размер выделов хвойно-широколиственных S0(ХШЛ) и дубовых лесов S0(ДЛ)). Цифрами отмечены территории охотничьих хозяйств и ООПТ ЕАО

В результате статистического анализа определены общие закономерности пространственного изменения плотностей животных в зависимости от структуры местообитаний. Так, например, наибольшая плотность лисицы наблюдается в тех хозяйствах и ООПТ, где освоенные земли и луга занимают значительные площади и имеют мозаичное распределение, а пространственное распределение бурого и гималайского медведей обусловлено размещением хвойно-широколиственных и дубовых лесов. Показано, что с ростом суммарной площади дубовых лесов и освоенных земель, а также дробности луговых комплексов, увеличивается плотность населения популяции косули. Для других копытных (лося, изюбря и кабана) тесная корреляционная связь прослеживается с площадью как отдельных лесных типов угодий (смешанных широколиственных и дубовых лесов), так и их набором, в частности, суммарной площадью хвойно-широколиственных и дубовых лесов.

Таким образом, для ЕАО статистическими методами продемонстрированы интуитивно понятные закономерности, заключающиеся в том, что географические особенности биотопической структуры, включающие набор биотопов, их пространственное размещение и представленность на территориях охотничьих хозяйств и ООПТ, определяют степень пригодности для обитания и пространственную характеристику популяционных группировок животных. Универсальный характер выявленных закономерностей позволяет использовать анализ значений ландшафтных метрик совместно с рассмотрением других факторов при разработке рекомендаций для создания оптимальных стратегий природопользования региона, бонитировке угодий и определении ресурсного потенциала видов, а также оценки ожидаемого ущерба при промышленном освоении территории.

158

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

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-29-02658 офи-м.

159