Введение к работе
Актуальность темы исследования. Конец ХХ и начало ХХI века характеризуются значительными достижениями биологических наук, что, безусловно, серьёзно повышает интерес к биологическим аспектам существования биосферы и даёт право говорить об «информационном взрыве» в биологии вообще и в экологии в частности.
Лес - основной компонент биосферы и изучение его жизнедеятельности в условиях глобальных изменений климата выдвигает на первый план проблемы прогнозирования состояния, продуктивности и устойчивости лесных ценозов. Задачи прогнозирования развития процессов в экосистемах – актуальнейшая проблема современной математической биологии, пути решения которых возможны на основе биометрического моделирования. Эмпирические модели локального уровня – первый этап изучения закономерностей роста и развития лесных ценозов, представлены в достаточно большом количестве (Усольцев, 2007; Швиденко, 2008). Обобщение локальных эмпирических результатов с целью выявления общих закономерностей биопродукционного процесса, абстрагированных от влияния географических, эдафических и, в определенной мере, климатических факторов среды – актуальная задача современной ботаники. Леса Северной Евразии – это значительная доля лесного покрова планеты, выполняющая функции фильтра воздушной среды континента и стабилизатора газового состава атмосферы.
Степень разработанности темы исследования. Диссертация является законченным научным исследованием.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы – изучение закономерностей процессов роста и накопления фитомассы в естественных насаждениях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на основе базы данных о фитомассе лесов Северной Евразии (Усольцев, 2002) и разработка математической модели биопродукционного процесса.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. изучить изменения относительного текущего прироста линейных показателей древостоев (высота Zотн(Н), диаметр Zотн(D));
2. изучить закономерности относительного текущего прироста нелинейных показателей (сумма площадей сечения стволов Zотн(G), запас стволовой древесины в коре Zотн(М));
3. изучить закономерности относительного текущего прироста массовых показателей (фитомассы в абсолютно сухом состоянии стволов в коре Zотн(PS), листвы Zотн(PF), ветвей Zотн(PB) и надземной фитомассы Zотн(Pabo));
4. разработать математическую модель для исследованных закономерностей;
5. провести верификацию полученной математической модели.
Научная новизна. Впервые на примере сосняков естественного происхождения получена математическая модель, позволяющая прогнозировать относительный текущий прирост линейных, нелинейных и массовых таксационных показателей древостоев сосны обыкновенной.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в разработке методических основ построения обобщённой эмпирической модели биопродукционного процесса в древостоях. Полученные результаты используются в курсе “Системный анализ и моделирование экосистем”, читаемом в Оренбургском государственном аграрном университете.
Методология и методы исследования. Методика исследований базировалась на принципах системного анализа, и предусматривает следующие этапы:
1. стадия измерения изучаемой системы – сбор данных;
2. стадия анализа полученных данных статистическими методами – первоначальный этап;
3. стадия моделирования системы – разработка математической модели, отражающей связи между переменными, определяющими состояние системы;
4. стадия имитация системы – ретроспективные, прогнозные и др. расчёты;
5. стадия оптимизации системы – этап верификации математических моделей и выбора оптимального варианта.
Использована база данных о биологической продуктивности лесообразующих пород Северной Евразии (Усольцев, 2002) где отобраны 38 локальных эмпирических моделей, представленных таблицами биологической продуктивности (ТБП) сосняков по различным лесорастительным провинциям в возрасте от 20 до 120 лет включительно, с интервалом времени десять лет. Дополнительно были взяты 4 ТБП сосняков различных лесорастительных провинций в возрасте от 25 до 120 лет включительно, с интервалом в пять лет. Общее количество возрастных рядов составило 1336. Для абсолютных величин текущего прироста исследуемых показателей каждого из рядов был определён относительный текущий прирост, что составило 14688 значений.
Сравнение величин на однородность осуществлялось по критериям: “хи-квадрат” (Пирсона) и Колмогорова-Смирнова, а для оценки адекватности моделей – Фишера-Снедекора и t-критерия Стьюдента.
На этапе верификации модели из базы данных пробных площадей (Усольцев, 2001) было взято 6 рядов абсолютных величин текущего прироста по 145 значений в каждом и затем, по математической модели, рассчитаны теоретические значения относительного текущего изменения показателей, которые сопоставлены с фактическими по критерию хи-квадрата Пирсона.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа относительного текущего изменения основных таксационных показателей в древостоях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.);
- особенности моделирования относительного текущего прироста древостоев сосны обыкновенной;
- математическая модель биопродукционного процесса в древостоях.
Степень достоверности и апробация результатов. Использование обширной базы данных и современных методов статистического анализа, реализация поставленных задач методами математического моделирования, использование современной вычислительной техники и адекватных компьютерных программ определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.
Все виды работ по теме диссертации осуществлены автором или при её участии.
Результаты исследований докладывались на региональной конференции молодых учёных и специалистов Оренбургской области «Наука – технологии – производство – рынок» (Оренбург, 2006); III Международной научно-практической конференции «Эколого-технологические аспекты лесного хозяйства в степи и лесостепи» (Саратов, 2009); ежегодных научно-практических конференциях «Студенты и аспиранты в науке» (Оренбург, 2011, 2012).
Основное содержание диссертации изложено в 4 печатных работах, в том числе 2 – в рецензируемых журналах (список ВАК).
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов и 4 приложений. Список использованной литературы включает 157 наименований, в том числе 9 на иностранных языках.
