Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время все большее применение в решении задач стойчивости и стабильности развития экосистем находит концепция ритических нагрузок в противовес концепции ПДК. Теперь большее інимание уделяется текущему состоянию экосистемы, ее способности іьідерживать нагрузки загрязняющих веществ, стабильности и стойчивости. Особенно важен перенос внимания с абстрактной онцентрации загрязняющего вещества на конкретную нагрузку этого іещества на исследуемую экосистему. Районирование критических іагрузок для широкого спектра биотических и абиотических факторов ікосистем на территории Российской Федерации имеет решающее начение для изучения стабильности и устойчивости этих экосистем, картирование критических нагрузок позволяет делать существенные ізменения и улучшения в отношении к данным и методологиям. С 1991 вждые два года европейским Центром Координации Усилий (ССЕ) іьіпускаются карты критических нагрузок основных загрязняющих веществ іа территории Европы. С 1995 г. автор принимает в их создании активное 'частие.
Также все более популярным становится применение математических методов в экологических исследованиях. Одним из новых методов исследования является метод анализа чувствительности и ^определенности. Этот статистический метод, широко применяемый в Европе, помогает проникнуть в сущность биологических процессов, іроисходящих в экосистеме, определить степень влияния различных :омпонент этого процесса на его результаты. Но нигде как в России не іроявляется такая сильная вариабельность данных, которая дает юзможность наиболее полно проявиться этому статистическому методу. В іредлагаемой работе анализу подвергаются экосистемы практически всей ерритории России, а также лесные экосистемы Голландии. Представлены >азномасштабные данные: от сетки 1 на 1 для экосистем Сибири до сетки ЮО м на 500 м для экосистем Голландии. Представлены разные степени )бобщения данных: от усредненной экосистемы европейской части России \о конкретной экосистемы Куйбышевского водохранилища.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
В 1995-1996 годах работа проводилась по гранту UNECE Project Long-range transboundary air pollution: environmental risk assessment and critical loads of pollutants". С ноября 1997 г. представленная работа івляется составной частью тематического плана научно-ісследовательских работ ИЭВБ РАН по теме 2.33.6.4 - «Изучение іакономерностей формирования качества вод в пресноводных системах, сходящихся под антропогенным воздействием», бюджет 01.0.70001490.
Цели и задачи исследования
Основными целями настоящего исследования являются тестирование метода анализа чувствительности и неопределенности на примере критических и фактических нагрузок основных биогенных элементов - азота, серы и фосфора - на различные экосистемы, а также выявление с помощью этого метода зависимостей между компонентами различных биохимических процессов, происходящих в экосистемах, и критическими нагрузками как показателями результатов этих процессов.
Задачи исследования:
выполнить анализ применения математических и статистических методов в задачах, связанных с изучением биохимических процессов в экосистемах;
разработать методику анализа чувствительности и неопределенности в приложении к вычислению критических нагрузок азота и серы на наземные экосистемы;
разработать методику анализа чувствительности и неопределенности в приложении к анализу фактических нагрузок фосфора на искусственные водные экосистемы (водохранилища);
выявить с помощью анализа чувствительности и неопределенности основные факторы влияния на величины критических и фактических нагрузок основных биогенных элементов на исследуемые экосистемы;
выявить закономерности в изменении степени влияния некоторых параметров биохимических процессов в исследуемых экосистемах на величины критических и фактических нагрузок азота, серы и фосфора на эти экосистемы.
Предмет и объекты исследования
Предметом исследования в предлагаемой работе является зависимость между параметрами биохимических процессов, происходящих в различных экосистемах, и величинами критических и фактических нагрузок основных биогенных элементов - азота, серы и фосфора - на эти экосистемы.
Объектами исследования были 4 основных типа почв европейской части России, почвы 6 северо-западных областей России, 8 типов почв Сибири, лесные почвы Голландии, а также водная экосистема Куйбышевского водохранилища.
Научная новизна
До 1995 г. в отечественной практике не встречались подобные работы по применению такого многостороннего статистического метода, как анализ неопределенности в экологии. Автор впервые обратился к такой задаче. Более того, в качестве объекта исследования были взяты экосистемы, покрывающие практически всю территорию России.
Также впервые в России анализ неопределенности применяется к одной экосистеме. И хотя в Европе выпущено уже большое количество іабот по анализу водных экосистем с помощью статистических методов, в 'оссии такие методы еще не применялись.
Теоретическая и практическая значимость
Показана адекватность применения метода анализа іувствительности и неопределенности к оценке состояния инструментов юздействия на состояние экосистем.
Результаты, полученные при анализе критических нагрузок на >азнообразные наземные экосистемы России, математически доказали іекоторьіе закономерности, выявленные ранее экспериментальным путем. \пя европейского Центра Координации Усилий (ССЕ) был проведен анализ іасчета критических нагрузок азота и серы для лесных экосистем 'олландии.
Результаты же, полученные при анализе фактических нагрузок росфора на водную экосистему Куйбышевского водохранилища, ібнаружили новые, неизвестные ранее зависимости и закономерности.
Реализация результатов исследования
Полученные результаты вошли в отчет 1995 года европейского Центра Координации Усилий (ССЕ). В настоящее время представленная абота является составной частью тематического плана научно-ісследовательских работ ИЭВБ РАН по теме - «Изучение закономерностей формирования качества вод в пресноводных системах, находящихся под інтропогенньїм воздействием».
Апробация работы и публикации
Методология и результаты этой работы много раз докладывались ia 5th International Conference on Acid Deposition (Goteborg, Sweden, 1995), Second SETAC World Congress (Vancouver, Canada, 1995), Spatial and 'emporal Assessment of Air Pollutant Impacts on Ecosystems, International Vorkshop (Vienna, Austria, 1995), Ecosummit-96 (Copenhagen, Denmark, 996), Acid Deposition in East Asia (Taipei, Taiwan, 1996), SETAC 17th Annual fleeting (Washington, USA, 1996), ISEM-98, Annual Meeting (Baltimore, USA, 998), Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов рупных рек - 2» (Тольятти, Россия, 1998), XXVI школе-семинаре Математическое моделирование в проблемах рационального іриродопользования (Дюрсо, Россия, 1998), Международной конференции [Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (Самара, 'оссия, 1999), а также некоторых других конференциях. Всего по теме іиссертации в различных журналах и материалах конференций шубликовано 8 работ.
Декларация личного участия автора
В 1993-1994 гг. автор самостоятельно проводил тестирование программного пакета UNCSAM, предоставленного голландскими коллегами. В дополнение к пакету им было написано несколько программ. В 1994-1996 гг. работы по расчетам критических нагрузок и их анализ проводились с равным участием автора, к.т.н. М.Я.Козлова и д.б.н. В.Н.Башкина. В 1997-1999 гг. поиск данных, их анализ проводились автором совместно с к.г.н. Л.А.Выхристюк с долевым участием автора 80-85%.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Анализ неопределенности является методом, гарантирующим достаточно точные результаты для задач определения степени влияния разных факторов на исследуемый процесс.
-
Для анализа неопределенности критических нагрузок азота и серы по данным малой плотности основными характерными факторами влияния являются глобальные параметры, такие как максимальное поглощение азота растительностью и разность между величинами поглощения и выпадения основных катионов.
-
Для анализа неопределенности критических нагрузок азота и серы по данным высокой плотности основными характерными факторами влияния являются локальные параметры, такие как максимальная денитрификация азота и кислотно-нейтрализующая способность вследствие выветривания.
-
Для анализа неопределенности фактических нагрузок общего фосфора на водную экосистему существенными параметрами влияния на концентрацию являются тип донных отложений и уровень водности исследуемого объекта.
Структура и объем работы