Введение к работе
Решение многих проблем взаимодействия общества и природы и задач, связанных с пониманием процессов функционирования природных комплексов -ландшафтов, большей частью осложняются не недостатком информации, а отсутствием надежных теоретических построений и апробированных методик использования такой информаиии для оценки состояния экосистем, выступающих в качестве основных единиц природных комплексов, и прогноза их изменения.
Наиболее переспектнвным метолом таких оценок, в св«зи с практической невозможностью постановки активных натурных экспериментов в природных комплексах, является математическое моделирование процессов их функционирования.
В условиях быстрого развития и усиления прнродно-ресурсных экологических и социальных факторов воздействия на ландшафты и появлением новых технических возможностей изменения природной среды, возникает необходимость разработки научных основ регионального геоэкологического мониторинга. В их основу положена разработка особого направлення в математическом моделировании функционирования природных экосистем для научно обоснованного прогнозирования изменений природных комплексов и рационального управления природопользованием в регионах.
Актуальность темы. Наиболее адекватны эти проблемы кругу задач, решаемых тем направлением в современной географической науке, которое принято называть "геоэкологическим", по существу и по форме наиболее органично соответствующим процессу экологизации целей, задач, объектов и получаемых результатов исследований. Оно открывает новые перспективы для дальнейшего развития традиционных научных" направлений, которые вооружившись новыми количественными методами и новыми принципами и методами математического моделирования природных экосистем переходят на более высокую ступень развития.
Такое направление в географии возникло тогда, когда перед географией встала задача не только достоверно описывать современное состояние изучаемых ею ландшафтов, но и обеспечивать обоснованные прогнозы их возможного изменения, а в последние годы и снабжать органы, принимающие решения, необходимой информацией и методами управления современным и будущим экологическим состоянием конкретных регионов.
При этом,природная экосистема должна восприниматься как целостная система, которая возникла не потому, что основные компоненты, ее "составляющие", обладают
общим свойством, а потому, что они получают интегративные характеристики в процессе образования системы - носителя общих свойств. Исследование таких систем должно быть основано на системно-функциональном подходе, который позволяет формализованное описание и выделение основных закономерностей интегрального круговорота вещества в экосистеме, положенных в основу математического моделирования природных экосистем.
Осознание объективного характера процесса постоянного изменения экологических систем и того, что по истечении определенного периода времени эти изменения неизбежно становятся качественными, позволило сделать вывод о том.что устойчивость положения равновесия природных систем не имеет абсолютного смысла.Поскольку изменения происходили всегда.то факты исчезновения тех или иных их элементов являются закономерностями и оказываются лишь своеобразными индикаторами обьективного процесса. Задача исследования не состоит в том, чтобы только определить условия, при которых эти изменения прекратятся, а связана с установлением быстроты их проявления, характеризующей закономерности изменения и функционирования природных экосистем.
Работа проводилась в рамках комплексной программы советско-монгольского "Эксперимента Убсу-Нур" и плановой темы Института географии РАН. В работе получили свое развитие идеи особого направления в математическом моделировании природных комплексов. На природном тестовом полигоне Центрально-Азиатского региона определялись комплексные характеристики природных экосистем, проводилась аэрокосмическая съемка. Сконструированные математические модели адаптировались для оценки реального состояния и прогноза динамики основных природных экосистем. Создан банк данных для целей регионального геоэкологического мониторинга.
Цель работы. Целью диссертационной работы является решение комплексной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и социальное значение,- разработка новых принципов и методов математического моделирования природных экосистем и на этой базе - создание научных основ регионального геоэкологического мониторинга.
Научная новизна. Впервые на базе системно-функционального подхода разработано и реализовано особое направление в математическом моделировании природных экосистем, в основу которого положены закономерности функционирования интегрального круговорота вещества в экосистеме. Создан комплекс математических моделей, включающий модели основных природных экосистем, эдификаторами которых являются травяные и древесные растения.
Построены интегральные модели решональной геосистемы с учетом динамики климатических параметров и культурно-экологического фактора пастбищного животноводства. Разработан эколог'о-географнческий ЭВМ банк данных специфической структуры на базе" граф-классифйкаторов природных обьектов тематических карт регнйна и предложенных интегральных показателей состояния природного комплекса.
Защищаемые положеним. Предметом защиты являются:
- особое направление в математическом моделировании природных экосистем, в
основу которого положены закономерности функционирования интегрального
круговорота вещества в экосистеме;
математические модели природных экосистем, эдификаторами которых являются травяные и древесные растения.скбнструированные на принципах интегральное и функциональности;
региональная модель геосистемы, построенная на основе интеграции природных экосистем, входящих в нее в соответствий с их высотной поясностью;
-динамическая модель геосистемы, используемой в пастбищном животноводстве,
с учетом одного из ведущих факторов се функционирования'"- культурно-
экологического; '.
- компьютерный граф-классификатор природных обьекгов тематических карт,
использованных при создании эколого-географического банка данных специфической
структуры для геосистемы Центрально-Азиатского региона.:
Практическая ценность и реализация результатов. Информация, собранная В' ходе многолетних полевых исследований, лабораторных работ и архивных изысканий, о состоянии и функционировании основных экосистем уникальной геосистемы -Убсунурской котловины - природного тестового полигона" Центрально - Азиатского региона, позволила успешно адаптировать полученные теоретические разработки к конкретному географическому обь'екту и получить ' тем самым практическое подтверждение правильности выбранного особого направления в моделировании природных экосистем. Разработанные новые принципы и методы математического моделирования, комплекс базовых математических моделей природных экосистем и научная основа регионального геоэкологического мониторинга использовались в создании и реализации Международных программ: "Азиатский экологический грансект" и "Убсу-Нур -Енисейский меридиан".
Основные положения работы широко использованы в ламдшафтно-экологических исследованиях Центрально-Азиатского региона: при составлении проекта "Региональная система экологического мониторинга Республики Тува"; в разработке "Программы и методы экологического мониторинга Монгольской Народной Республики"; при составлении проекта Государственного биосферного кластерного заповедника "Убсунурская котловина", а также при разработке технического задания на Автоматизированную систему зкоинформацші и управления экологической обстановкой г.Москвы и Московского региона; в работах по охране природы Верхнеокского бассейна и разработке цифрового банка данных водной системы Верхнеокского бассейна, проводимых Научным центром биологических исследований, ИПФС РАН, Институтом биолоши внутренних вод РАН и ИГРАН.
Апробация работы. Результаты исследований, теоретические и практические выводы докладывались на следующих международных конференциях: "Многостороннее совещание стран-членов СЭВ по проблеме советско-монгольский эксперимент Убсу-Нур" (Кызыл,I9S9). "Информационные системы" (Прага, 1991); "Глобальные изменения и Убсу-Нур" (Улан-Батор, 1991), "Информационные проблемы биосферы" (Ланьчжоу, 1992),. "Erforschung biologischer Ressourcen der Mongolischen Volkrepublik" (Галле, 1992), "Методика локального, регионального и глобального биосферного мониторинга" (Кызыл, 1993) , "Проблемы экологии и рационального . природопользования" (Барнаул, 1987, 1<ызыл.1987,1988) и семинарах Научного Совета по проблемам биосферы АН СССР (Кызыл, 1988; Москва, 1989; Пушино, 1990; Пущино,1991, Новосибирск, 1991; Улан-Батор. 1990). Итоги работы обсуждались на научных семинарах Института почвоведения к фотосинтеза РАН, Института водных проблем РАН, Института проблем управления РАН, Института географии РАН.
Осношной объект практического' приложении теоретических исследоеаний. Природным тестовым полигоном исследований были избраны ландшафты Убсунурской котловины в Центрально-Азиатском регионе. Котловина расположена на северо-западе Монголии и граничит с Республикой Тува РФ. Это уникальное место в Центрально-Азиатском регионе с огромным озером Убсу-Нур на ее днище и речами, стекающими с горных хребтов, обрамляющих котловину со всех сторон.
Распределение ландшафтов, обусловленное геолого-структурным сложением территории, отражает климатические особенности природного комплекса и прежде всего условий поверхностного увлажнения. Территориальная организация экосистем в котловине связана со структурой высотной поясности, которая обусловлена изменением
по градиенту высоты природных режимов (теплового, увлажненности, интенсивности солнечной радиации и т.д). Она также отражается и а территориальной организации жизни людей, связанной с их расселением, хозяйством, инфраструктурой. В хозяйственном отношении природный комплекс имеет животноводческое направление, преимущественно развито овцеводство и козоводство. Климат резко континентальный. Среднегодовое количество осадков колеблется в пределах 150-230 мм. Континентальность климата особенно четко проявляется в равнинной части котловины, где при весьма холодных малоснежных зимах отмечается сухое и жаркое лето.
Уникальной особенностью природы геосистемы является наличие на ограниченном пространстве почти всех основных природных экосистем, типичных для земной суши.На дне котловины лежат песчаные и глинистые пустыни. Выше идет степной пояс, который делится на горные степи н степи равнин. Но и равнины лежат здесь на значительной высоте (от 1000м до 1200м). Это подгорные равнины. Горные степи простираются в пределах высотных границ от 1200м до 1550м над уровнем моря.
На крутых склонах, расположенных в пределах высотных границ от 1700м до 2250м над уровнем моря, растут леса. Лиственничные лесные формации с хорошо развитым моховым напочвенным покровом, развиваются выше пояса парковых лиственничных формаций и простираются от 1800м до 1900м. В их почвах, на глубине 50-70 см, находится вечная мерзлота. В интервале высотного пояса от 1900 до 2250 м произрастают сосновые, еловые, кедровые и смешанные лесные формации. У верхней границы преобладает кедровая формация.
. В высокогорье в пределах от 2300 м до 2450 м располагаются сухие травянистые и болотистые тундры. Еще выше - каменистые пустоши, снега и ледники.
Природные зоны и переходы между ними занимают небольшое пространство и выражены очень определенно. Это свидетельствует о том, что процессы, формирующие природные экосистемы, также действуют очень четко и локально, что упрощает изучение функциональных связей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в числе хоторых авторская монография "Функциональные модели эко и геосистем различного иерархического уровня" (Москва, 1995), коллективная двухтомная монография "Эксперимент Убсу-Нур" (Москва, 1995) и крупные разделы в сборниках научных трудов по информационным проблемам биосферы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 194 страниц, из них І74Г Ир. машинописного текста, не считая списка литературы. Структура диссертации -
введение, пять глав, заключение и список, использованной литературы (265
наименований). ,, ,.-...