Новый подход к моделированию динамики продуктивности и газообмена бореального леса Бархатов Ю.В., Дегерменджи А.Г. Институт биофизики СО РАН, Красноярск, Академгородок, Институт биофизики СО РАН, Красноярск, Академгородок,

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.

Динамика количества статей по глобальной биосферной тематике за 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.

Динамика роста доли публикаций по тематикам «сток углерода» и «моделирование бореальных лесов» (по базе данных ISI)

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.

Блоки модели Блоки контроля АТМОСФЕРНЫЙ БЛОК ГИДРОБЛОК Экосистема бореального леса Данные спутникового зондирования Данные наземных наблюдений

Блок-схема математической модели ценоза бореального леса Каждый из блоков модели в свою очередь может представлять собой сложную структуру – субмодель. O2O2 CO 2 O2O2 дерево бактерии животные травяной покровподстилка биогенные элементы Е Е останки животных O2O2 CO 2 O2O2 бактерии почва

Схема потоков углерода в экосистеме бореального леса животные лес ручьи, реки седименты почва атмосфера

Используются дифференциальные уравнения вида где - одна из переменных экосистемы

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.

Биоценоз как условно независимая часть биосферы Данный метод предпочтительнее еще и потому, что имеет дело с реальным биологическим объектом – биоценозом, тогда как традиционные методы создают искусственную градацию.

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 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 Градиент Температуры Градиент влажности B A Пример расчета изменения фитомассы (условные еденицы) при условии линейного изменения градиентов внешних условий для точек A (x 1,y 1 ), B(x 2,y 2 )

Универсальная система для расчета экологических моделей (на основе MatLab) 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 Вывод результатов в виде зависимости одной переменной от другой

Численный расчет модели – условный лиственный лес

Численный расчет модели на больших временах влияние лесных пожаров

Численный расчет модели – влияние изменения температуры

Численный расчет модели – скорость потока CO 2