WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1422 htttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/118.pdf Исследования развития лесных экосистем водосборов на основе моделей Придня М. В., Ромашин А. В. (niigorec@sochi.ru) ФГУ НИИ горного лесоводства и экологии леса Стационарные многолетние исследования важной экологической проблемы - естественноисторического развития лесных экосистем водосбора бассейна р. Хаббард Брук периодически обобщаются коллективом авторов. Рассматриваются процессы нарушения компонентов экосистем рубками, их восстановление после разных способов рубок с применением концептуальных, математических и физических моделей процессов нарушения, динамики и устойчивого состояния экосистем в экспериментальном лесном резервате Хаббард Брук (Белые Горы, Нью-Гемпшир, США). Дается сопоставление результатов этих работ с аналогичными данными, поученными по сходной методологии на стационаре Северного Кавказа Аибга (НИИгорлесэкол) и в северных лесах Финляндии.

Исходные концепции и предпосылки. В 1950-е годы в разных странах и регионах мира одновременно появились сходные концепции исследования естественноисторического развития лесных экосистем водосборных бассейнов, влияния на этот процесс хозяйственной деятельности человека:

в Северных Аппалачах (США) [13], на Северном Кавказе (Россия) [1] и в Северной Финляндии [16]. Результаты этих многолетних исследований пока малоизвестны широкому кругу заинтересованных специалистов в России, более того, каждая из творческих групп названных стран мало информированы об аналогичных исследованиях за пределами собственных стран. Задействованные группы различны и по численности (сотни лиц в США и единицы в России). Поэтому сопоставление результатов упомянутых исследований, несомненно, будет содействовать прогрессу в данной, актуальной в глобальном плане, проблеме поддержания стабильной динамики бореальных лесов мира.

Появление нового раздела экологии, связанного с функционированием экосистем (экосистемной экологии), создало ряд трудностей для биоэкологов, но поскольку они неизбежно «воспитывались в поле», эта наука поглощала компоненты других дисциплин, прежде всего иностранных для большинства экологов, все же интуитивно понимающих существенные структуры и функции экосистем.

С точки зрения биоэколога, стремящегося понять огромную сложность биологических функций в пределах экосистемы, существовавшая настоятельная необходимость объединения биологии с геохимией, гидрологией, метеорологией, геоморфологией, почвоведением и прикладными науками подобным лесоводству и управлению использованием земли, часто казались невозможным требованием. Экологи часто реагировали на это, как ограничение их перспективы в биологии, так что в результате моделирование видовых взаимодействий иногда рассматривалось как моделирование экосистем, или моделирование живых частей экосистем рассматриваемых, в свою очередь, как моделирование целостных экосистем. Это конечно неслучайно, так как понимание структуры и функций экосистем требует понимания и неживых процессов в той же степени, как и живых, более того часто они не могут быть вообще поняты друг без друга.

Примерно 40 лет назад появились новые взгляды в экологии существенно отличающиеся от большинства господствовавших тогда точек зрения. Рассмотрение абиотических аспектов экосистемных функций представляло наибольшую сложность, расшифровка которой и должна обеспечить значительные достижения в изучении экосистем.

Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1423 htttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/118.pdf Исследуя эти возможности, были предложены два шага, которые выполняются более или менее одновременно. Развили модель экосистемы, которая включает как абиотические, так и живые процессы, при этом предложен путь расчета некоторых главных параметров этой модели. Модель охватывает территориальную экосистему как ограниченную часть биогеохимических циклов Земли. Экосистема - открытая структура получающая энергию от солнца, материалы и энергию от биогеохимических циклов.

Она производит переработку этих материалов и вырабатывает продукцию для больших циклов. Действия в пределах экосистемы в значительной степени управляются природой входов, и человек может воздействовать главным образом на структуру и функцию экосистемы тонкими или грубыми воздействиями на эти входы. Точно так же человек может воздействовать на природу выходов из экосистемы разными видами манипуляций, сознательно или грубо проделанных в пределах самой экосистемы. Эти выходы (продукции), в свою очередь, входят в большие биогеохимические циклы и имеют потенциал воздействия на взаимосвязанные экосистемы; другими словами, продукция одной системы станет входами другой. В этом свете входы и выходы могут быть рассмотрены как связи, передающие эффекты естественных или искусственных воздействий между экосистемами. Это не только подчеркивает роль отношений между системами в данной концепции экосистемы, но она обеспечивает каркас, посредством которого последняя может наращиваться или уменьшаться в ответ на естественные или искусственные события, наложенные на нее. Явления типа выветривания, фиксации азота, или накопление биомассы могут быть оценены в контексте экосистемы, а стратегии видов могут быть изучены в отношении к временным и пространственным биохимическим вариациям.

Данный подход рассматривает малый водонепроницаемый водосбор как отграниченную экосистему. Это дает возможность довольно точно измерить связи входавыхода определенных питательных веществ и позволяет построить частные бюджеты питания. Эти бюджеты вместе с измерением параметров в пределах самой экосистемы, таких как производительность, накопление биомассы, выщелачивание подстилки, накопление мертвого опада и т. п. позволяют достаточно полно количественно определить бюджеты питания. Балансирование бюджета позволяет оценить процессы, которые являются иначе очень трудно оцениваемыми: выветривание горных пород, нитрогенная фиксация или воздействие серы.

Наряду с тем, что методика малого водосбора позволяет производить количественное определение структуры и функции естественных экосистем, но однажды получив установленную базовую биохимическую линию, можно развить программу в экспериментальной экосистеме, производя наложение на полные водосборные экосистемы, регистрируя ответы отработанной системы и сравнивая их с ненарушенными системами.

В издании «Биохимия лесной экосистемы» [13], представлена детальная экспертиза биохимии в восстанавливающейся северной твердолиственной водосборной экосистеме.

Первичным было рассмотрение на уровне физических аспектов гидрологического и питательного потоков, протекающих в экосистеме, а также гидрологические и питательные бюджеты.

На следующем этапе, (результаты конкретно рассматриваются в основном издании [14]) предлагается обобщенный взгляда на структуру, функции и динамику северных лесных экосистем. Внимание концентрируется на взаимосвязях между биогеохимическими процессами, живыми и неживыми компонентами экосистем, поведением видов в их пределах и на том, как эти отношения меняются со временем через последующие нарушения. Особый аспект представляет цикл работ по исследованию взаимодействия между наземными и водными экологическими системами, включая обмен веществами питательными веществами между лесными сообществами и водотоками разных порядков, а также ими и озерной экосистемой [15]. В работе целью было не Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1424 htttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/118.pdf только представить интегрированный образ развития экосистемы, но и преследовалась задача дать основу для повышения уровня знаний исследователей-натуралистов, заинтересованных структурой и функцией экосистемы.

Результаты многолетних исследований [1,2,3, 13,14,15] ниже представлены по разделам.

Модель развития экосистемы: Северные твердолиственные леса.

Модель накопления биомассы отражает долгосрочное развитие Северной твердолиственной экосистемы. Она получена из многочисленных данных, собранных при изучении экосистемы Хаббард Брук службой леса США и сотрудниками ряда университетов и научно-исследовательских институтов, работавшими в северной части Новой Англии.

При построении модели введены некоторые ограничения: функционирования ее берет начало со сплошной вырубки; она применяется к горной стадии северной твердолиственной экосистемы в пределах указанного географического и высотного диапазона; только незначительные экзогенные нарушения имеют место после сплошной рубки. Модель основана на изменениях в общей биомассе экосистемы, то есть живой и неживой биомассы, сосредоточенной в мертвой древесине лесного яруса и в почве.

Модель отражает четыре стадии развития:1) реорганизация, в период одного или двух десятилетий сразу после сплошной рубки, в течение которого экосистема теряет общую биомассу, несмотря на накопление живой биомассы; 2) восстановление, охватывает период более чем сто лет, когда система накапливает полную биомассу, достигающую пика в конце этой стадии; 3) переходная стадия (переменный отрезок времени), в течение который полная биомасса снижается; и 4) устойчивое состояние, когда накопленная биомасса колеблется относительно среднего значения. Модель обеспечивает основу, используемую в последующих исследованиях, для представления объединенной картины развития экосистемы, которая соединяет биотические и абиотические явления.

Переходная стадия Рис. 1. Фазы экосистемного развития после сплошной рубки вторичного Северного твердолиственного леса. Фазы ограничены изменениями в аккумуляции общей биомассы (живой биомассы и органического вещества в мертвой древесине, лесной подстилке и минеральной почве).

Северная твердолиственная экосистема леса бассейна Хаббард Брук представлена доминантными листопадными видами: кленом сахарным (Acer saccharum), буком Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1425 htttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/118.pdf американским (Fagus grandifolia), березой желтой (Betula allegheniensis) и ясенем американским (Fraxinus americana). Ель красная (Picea rubens), пихта бальзамическая (Abies balsamea), береза бумажная (B. papyrifera) обильны на верхних высотных отметках и на выходах горных пород. Тсуга канадская (Tsuga Canadensis) распространена по основной долине Хаббард Брук. Менее обильны сопутствующие виды: клен пенсильванский (A. pencylvanica), клен горный (A. spicatum) и осина (Populus tremuloides).

Рис.2. Распределение биомассы в экосистеме. Локализация накопленного урожая живой и мертвой биомассы в Северной твердолиственной экосистеме и перенос между ее компонентами.

Валовая первичная продукция (ВПП) запускает экосистему. Растительные и животные гетеротрофы представляют очень малую долю урожая, но их дыхание (Дг) вместе с дыханием автотрофов (Да) является ответственным за конечное разложение биомассы в экосистеме. Стрелки «в» и «из» гетеротрофных компонентов представляют выход разложившихся и/или ввод отделенных органических материалов и реализацию результатов выделения, экскреции и накопления мертвого опада. Звездочка представляет активность сапробионтов, в то время как две – показывают активность растений-паразитов и травоядных животных. Для устойчивой экосистемы: ВПП=Дг + Да, в то время как для восстанавливающейся экосистемы: ВПП=Дг + Да + нетто увеличения компонентов биомассы.

Энергетика, биомасса, гидрология и биогеохимия восстанавливающейся экосистемы. Исследования восстанавливающихся лесных экосистем показывают, что потоки воды, питательных веществ и энергии в значительной мере регулируются биотическими и абиотическими компонентами экосистемы. Устойчивость восстанавливающейся экосистемы характеризуется следующими моментами: скромным, но постоянным превышением накопления первичной продукции над разложением, которое позволяет предсказывать скорость накопления живой и мертвой биомассы;

жестким регулированием химии дренажных вод и выветривания; значительным контролем над межсистемными аспектами гидрологического цикла, типа потерь воды при Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1426 htttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/118.pdf транспирации. Эти процессы, интегрированные в рамках ограниченного набора параметров климата, геологии, топографии, биоты и уровня развития экосистемы, определяют размер питающих бассейнов и образуют пищевые циклы, представленные минимальными выходами растворенных и специфических веществ, обеспечивающие максимальную устойчивость к эрозии.

Способность биотической части экосистемы, используя внешние источники энергии, конвертировать жидкую воду в пар посредством транспирации, позволяет этим эффектом сохранять питательные вещества в объеме потока в самой экосистеме и темпы их выхода за ее пределы.

Сокращение потока имеет прямым эффектом удержание питательных веществ в пределах экосистемы, потому что в восстанавливающейся экосистеме концентрации растворенных веществ в дренажной воде слабо зависит от скорости потока. Выход растворенных веществ тесно связан с размером потока, выходящего из экосистемы.

Частные потери веществ - нелинейная функция от скорости вывода. В восстанавливающейся экосистеме испарение и перехват влаги могут снижать скорость выхода, понижая количество воды, запасенной в ее пределах. Таким образом, в сильный ливень, когда заполняется весь объем системы, она будет продуцировать относительно слабый поток и демонстрировать скромную скорость потерь, пока заполнение емкости не завершится. Испарение поддерживает гидрологический запас на минимуме в течение вегетационного сезона, и поток в течение летних месяцев - типично низок даже при том, что осадки распределены равномерно в течение года.

Частные потери вещества - функция не только скорости их потерь, но также и степени эрозионности. Хотя геологические и другие абиотические факторы важны в определении свойства эрозионности экосистемы, биота и ее неорганические продукты оказывают значительный контроль над этим явлением. Эффективность всех этих механизмов в поддержании целостности восстанавливающейся экосистемы против действия внешних сил геологической деградации кажется реальной, так что 55-ти-летняя лесная экосистема Хаббард Брук имеет среднее валовое брутто растворенного вещества и частные потери вещества соответственно в 13 и 2.5 т/км2-год. Эти потери составляют лишь малую долю элементов, запасенных в различных частях экосистемы. Данное условие существует, несмотря на расположение бассейна на относительно крутых склонах, подверженных воздействию ливней в среднем в 130 cм/год. Как пример питательного цикла в восстанавливающейся экосистеме, рассмотрен цикл азота:

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.