Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных особенностей природи является цикличность большинства происходящих в ней процессов. Некоторые из природных ритмов обусловлены внешними космогеннымн факторами, определяющими световой, тепловой режимы и другие физические характеристики экосистем. Помимо внешних циклических воздействий абиотической природы все организмы имеют свои внутренние циклы, связанные прежде всего с физиологическими процессами. Существенно, что внешние ритмические факторы оказывают не только прямое действие на экосистемы, но и косвенное - через изменение взаимоотношений между составляющими их компонентами. В итоге относительно четкая цикличность внешних факторов трансформируется в сложные нерегулярные колебания, характерные для многих процессов в экосистемах.
Именно такие нерегулярные колебания представляет собой динамика численности насекомых-фитофагов. Вредителям листвы посвящено очень много работ, в то же время некоторые вопросы экологии насекомых в периоды их депрессий и массовых размножений еще недостаточно изучены. Велика роль листогрызущих насекомых в ослаблении и усыхании дубрав, поэтому справедливо мнение многих специалистов о необходимости предотвращения их массовых размножений или прерывания их в самом начале. Решение этих задач непосредственно связано с прогнозом развития популяций филлофагов и-оценкой предполагаемого ущерба насаждению. Ввиду сложности организации лесных экосистем этого нельзя достичь путем исследования отдельных одно-, двухфакторных'процессов. Необходим системный подход, учитывающий особенности динамики численности филлофагов, характер взаимодействия их с древостоем, другими видами насекомых. Это, в свою очередь, предполагает знание основных модифицирующих и регулирующих плотность популяция механизмов, реакцию древостоя на дефолиацию в условиях конкретной экологической ситуации. Осу^ ществить анализ колебательных процессов в такой системо моапо только с помощью соответствующих математических моделей, созданиэ которых представляет из себя весьма актуальную и сложную задачу.
Большие территории в России занимают заболоченные и избыточно увлажненные лесные экосистемы с малыми запасами древесины плохого качества. Наиболее эффективным способом повышения продуктивности этих лесов является гидролесомелиорация. Динамика уровней
почвенно-грунтовых вод (УПГВ).в течение вегетационного периода на осушенных долотах наряду с характерными периодами общего подъема и уменьшения, обусловленных весенним и осенним паводками, обильными дождями, теплой и сухой погодой, отличается постоянными колебаниями. Эти колебания нерегулярны по амплитуде и периоду, параметры их зависят от водно-физических свойств болота, степени его осушения, метеорологических факторов. Важнейшая задача гидролесомелиорации состоит в обосновании и раочете параметров осушительной сети, которая надежно обеспечит экологически оптимальный диапазон колебаний почвенно-грунтовых вод. Вследствие ряда объективных особенностей гидролесомелиорация не может обеспечить оптимальное увлаяненне корнеобитаемого слоя почвы ва всей площади между каналами в течение периода вегетации. Поэтому пелесо-образно сформулировать дополнительные требования к осушительной сети, например: максимизировать продолжительность периода оптимального водного режима, либо максимизировать размер осушаемой площади, на которой обеспечивается оптимальный водный режим и т.п. Актуально рассмотрение задач, где в качестве дополнительных условий используется экономические и экологические критерии эффективности гидролесомелиорации.
Развитие методов математического моделирования, вычислительной техника в комплексе со специально организованными широкомасштабными экспериментами, использование накопленного специалистами в этой области опыта даст возможность подойти к постановке и решению таких вадач на качественно другом уровне.
Цели, исследований сформулированы следующим образом: 1). По-отроить математическую модель взаимодействия насекомых-фитофагов о дубовым древостоем, которая должна давать возможность имитировать с помощьв ЭВМ следующие основные колебательные процессы: динамику плотности популяции фитофага, интенсивность дефолиации крон древостоя, величину прироста древесины и его потерю насаждением вследствие дефолиации. 2). Для разработки структуры, оценивания параметров и верификации модели, провести в дубравах на постоянных пробных площадях длительные наблюдения, в результате которых установить модифицирующие и регулирующие факторы и их вклад в колебания плотности популяции филяофагов (на примере одного из основных вредителей дубрав - зеленой дубовой листовертки) влияние интенсивности и характера дефолиаций, в том числе много-
летних, на потерю стволового прироста и состояние насаждений. 3). Исследования провести в различных типах дубрав, на разных фонологических формах дуба и дать сравнительную оценку результатов. 4). По итогам работы охарактеризовать перспективы применения моделей для прогнозирования развития системы "вредитель - лес". '' Во второй части работы: 1). Проанализировать 11-летние наблюдения и выявить основные закономерности колебаний уровней по-чвенно-грунтовых вод на болотах с различным типом водно-минерального питания и параметрами осушительной сети в Калининской л Ленинградской областях. 2). Разработать метод и математические модели для расчета параметров осушительной сети, обеспечивающих экологически благоприятный диапазон колебаний УПГВ в течение вегетационного периода. 3). Решить ряд актуальных для гидролесомелиорации задач оптимизации водногр решит на осушаемых болотах.
Следует сказать, что если в случае моделирования взаимодействий листогрызущих насекомых с древостоем основной целью является достаточно точное и реалистичное воспроизведение колебательных процессов во времени, то во втором случае задача другая: дать для больших временных периодов вероятностную оценку основных статистик колебаний УПГВ. Эта модель долина обладать высокой степенью общности и точностью вероятностных оценок.
Научная новизна и практическая значимость. 17-летние исследования, проведенные на постоянных пробных площадях, позволили установить ряд особенностей взаимоотношений листогрызущих насекомых с древостоем в разных типах дубрав. Полевые наблюдения и вычислительные эксперименты с математическими моделями показывают, что сильные'многократные дефолиации очень неблагоприятны для дубрав: снигается способность деревьев восстанавливать листву, падает годичный прирост древесины и количество запасных веществ, деревья слабеют. Оценены потери раннего, позднего стволового прироста и их соотношения в зависимости от интенсивности и кратности повреядений листвы: показана неоднозначность этой реакции па дефолиацию по типам леса, фенофоркам дуба, у деревьев разного класса роста и зависимость'ее от погодных условий. Подробно изучены модифицирующие и регулирующие плотность популяции факторы для зеленой дубовой листовертки. Построены и проанализированы,фазовые портреты динамики численности ее популяции в двух типах леса с 1969 по 1S90 гг. Разработана имитационная модель взаимодей-
7L-J61
ствия насекомых-фитофагов с дубовым древостоем. Выполненные исследования расширяют представление о факторах динамики численности и роли листогрызущих насекомых в дубравах', а предлагаемые математические модели создают хорошие предпосылки для более тонких методов прогнозирования развития системы "вредитель - лес", основанных на количественных данных о взаимосвязях в экосистеме. Они также могут применяться для анализа конкретных популяций и выработки стратегии интегрированной защиты леса.
Проанализированные во второй части диссертации материалы и полученные выводы позволяют решить вопрос: какие параметры осушительной сети обеспечат с определенной гарантией оптимальный диапазон колебаний УПГВ с учетом типа болота, его местоположения и ряда дополнительных условий. Для этих целей разработан метод и построена математическая модель динамики почвенно-грунтовых вод на больших временных интервалах, связывающая функциональными зависимостями координаты положения точки в пространстве между каналами, параметры функции распределения уровней почвенно-грунтовых вод в течение вегетационного периода, уклон поверхности болота, основные параметры осушительной сети. Модель идентифицирована для болот олиготрофного, евтрофного и мезотрофного типов водно-минерального питания, расположенных в разных климатических эонах. По результатам моделирования рассчитаны и построены соот-ветствупцие номограммы, которые переданы для практического использования в институт "Союзгипролесхоз".
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Всесоюзной научной конференции "Математическая теория биологических процессов" (Калининград, 1976), 1-й и 2-й Всесоюзных научно-технических конференциях "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (Москва, 19Є7, 1991) Всесоюзном совещании "Эксперимент и математическое моделирование в изучении биогеоценозов лесов и болот" (Западная Двина, 1967), Всесоюзном совещании "Проблемы лесоведения и лесной экологии" (Минск, 1990), Всесоюзной конференции."Научные основы ведения лесного хозяйства в дубравах" (Воронеж, 1991), Международном сим позиуме ИЮШ) "Экологические группировки лесных насекомых: их взаимодействие с кормовыми растениями" (Абакан, 1989), Всесоюзных школах по математическому моделированию сложных биологических систем.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 29 печатных работах, в том числе одной монографии (в соавторстве).
Организация исследований. Исследования выполнены в Лаборатории лесоведения АН QCCP (в настоящее время - Институт лесоведения РАН) в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских" работ. Методологические разработки и научные результаты принадлежат автору. Полевые работы (1975-1991 гг.), статистический анализ и моделирование выполнены под руководством и при непосредственном участии соискателя. В 1969-1977 гг. в исследованиях активно участвовала Н.Н.Рубцова, с 1982 г. - И.А.Уткина, оказавшие автору большую помощь. Использованный во второй части диссертации экспериментальный материал собран сотрудниками лаборатории лесного болотоведения и гидрологии под руководством члена-корр. РАН С.Э.Вомперского. Соавторство всех участников работы оговорено в соответствующих разделах диссертации.
Объем -работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы (441 наименование) и приложения. Изложена на 332 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц и 92 рисунка.