МАМИХИН С ДИНАМИКА УГЛЕРОДА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВ

© 2004 Электронный журнал "Jahrbuch fur EcoAnalytic und EcoPatologic"
На главную страницу сайта
Сайт наш чаще посещай - будет выше урожай (Лозунг времен Н.С.Хрущева)

МАМИХИН С. В.

ДИНАМИКА УГЛЕРОДА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И РАДИОНУКЛИДОВ В НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
(имитационное моделирования и применение информационных технологий)

Издательство Московского университета
Москва 2003

Мамихин С. В. Динамика углерода органического вещества и радионуклидов в наземных экосистемах (имитационное моделирования и применение информационных технологий). М., Изд-во Моск. ун-та, 2003, 172 с.
ISBN 5-211-66145-4
Работа посвящена изучению ряда аспектов биологического круговорота углерода в наземных экосистемах и его нарушений, возникающих как естественным путем, так и в результате антропогенного воздействия на биосферу, а также исследованию сопряженной проблемы - радиоактивного загрязнения экосистем с использованием метода имитационного моделирования и информационных технологий. Излагаются основы компьютеризации как научной методологии проведения исследований, сформулированные на опыте применения данной методологии в рамках многолетних исследований экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС. Для экологов, радиобиологов, почвоведов, специалистов в области биогеохимии и охраны окружающей среды.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой общей экологии Биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, доктор биологических наук, профессор В.Н.Максимов

Заведующий лабораторией качества вод Института водных проблем, доктор физико-математических наук, Е.В. Венецианов

О г л а в л е н и е
Введение

Глава 1. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 2. ДИНАМИКА УГЛЕРОДА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В РАСТИТЕЛЬНОМ И ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ

2.1. Базы данных

2.1.1. ЭКОПРОД – база данных по запасам фитомассыв компонентах лесных экосистем
2.1.2. ЭКОМОД – база данных по экологическим математическим моделям
2.1.3. ЭКОЛИТ – база данных по литературным источникам экологической тематики

2.2. Математические модели

2.2.1. Модели многолетней динамики углерода органического вещества в компонентах лиственного леса, целинной степи и агроценоза
2.2.2. Модели сезонной динамики углерода органического вещества в растительном и почвенном покрове экосистем
2.2.2.1. Пустынная экосистема (илаковый белосаксаульник на пустынной песчаной почве)
2.2.2.2. Лесная экосистема умеренных широт (снытевая дубрава на темно-серой лесной почве)

Глава 3. ПОВЕДЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В РАСТИТЕЛЬНОМ И ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ

3.1. Базы данных

3.1.1. ЭКОРАД_Д – база данных по загрязнению растительного и почвенного покрова радионуклидами Чернобыльского выброса

3.2. Математические модели

3.2.1. Модели многолетней динамики содержания радиоуглерода в компонентах лиственного леса, целинной степи и агроценоза
3.2.2. Модели вертикальной миграции 137Cs в автоморфных и гидроморфных почвах лесного фитоценоза
3.2.3. Модели многолетней динамики содержания 137Cs в компонентах лесных экосистем (лиственный и хвойный лес) полного спектра гидроморфности

3.3. Информационно-прогностические системы

3.3.1. Информационно-прогностическая система ЭКОРАД

Глава 4. КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Литература

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа посвящена изучению ряда аспектов биологического круговорота углерода в наземных экосистемах и его нарушений, возникших в результате антропогенного воздействия на биосферу, а также исследованию сопряженной проблемы радиоактивного загрязнения экосистем с использованием метода математического моделирования и информационных технологий.

Биогеохимическая значимость углерода, одного из основных элементов, входящих в состав живых организмов и биокосных систем, аномалии его биогеохимического цикла, вызванные хозяйственной деятельностью человека, обусловливают необходимость всестороннего изучения его биологического круговорота. Чем больше мы будем знать о поведении углерода в биосфере, тем выше вероятность избежать последствий непродуманного отношения к природным ресурсам. Поскольку круг проблем, связанных с изучением биологического круговорота углерода, исключительно широк, наши исследования были связаны с отдельными аспектами этого глобального процесса. Интерес к конкретным объектам исследований диктовался, в первую очередь, наличием существующих или потенциальных серьезных проблем природоохранного характера.

Комплекс подобных проблем связан, например, с изменением статуса аридных территорий, прогрессирующим опустыниванием, влиянием глобальных изменений климата на состояние пустынных экосистем. Увеличение численности населения земного шара приводит к освоению территорий, которые ранее не использовались для ведения сельского хозяйства. В связи с растущими потребностями человечества в пастбищных и пахотных землях все большее значение приобретают экологические исследования аридных территорий как возможного резерва, пригодного для более полного освоения, чем в настоящее время. В рамках этих исследований, помимо изучения состава и структуры пустынных экосистем, одно из приоритетных направлений изучение их функционирования в условиях варьирования климатических условий и антропогенного влияния.

Аналогичные проблемы, связанные с хозяйственной деятельностью человека и возможным изменением климата, существуют и для экосистем умеренных широт. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, глобальное потепление, ухудшение плодородия и эрозия почв, исчезновение огромных лесных массивов, нарушение структуры экосистем и даже их исчезновение лишь малый список сопутствующих жизнедеятельности человеческой цивилизации явлений, оказывающих деструктивное воздействие на существующий биологический круговорот углерода или являющихся отражением этого воздействия.

Практически все процессы, происходящие в биосфере, так или иначе сопряжены с биологическим круговоротом углерода. Целый ряд проблем антропогенного происхождения тесно связан с динамикой углерода органического вещества. Одной из таких проблем, решение которой невозможно без достаточно полного представления о биологическом круговороте углерода, является радиоактивное загрязнение окружающей среды вследствие ядерных испытаний и аварий на предприятиях ядерно-топливного цикла. Радиационные аварии, такие как уральские радиационные инциденты и чернобыльская авария, привели к многолетнему отчуждению обширных территорий и нанесли огромный ущерб здоровью людей и их благополучию. В связи с радиоактивным загрязнением биосферы в настоящее время для экологов существуют две важнейшие проблемы изучение экологических последствий этих аварий и прогноз дальнейшего развития ситуации на загрязненных территориях. Необходимо также получить информацию о закономерностях поведения радионуклидов в компонентах экосистем для разработки научных основ радиоэкологической экспертизы при размещении предприятий ядерно-топливного цикла.

Следует отметить, что в современных условиях повышаются как ответственность экологов за решения, принимаемые в отношении объектов живой природы, так и требования к методологиям проведения экологических исследований, в первую очередь к их эффективности. Развитие и широкое использование новых, высокоэффективных методологий в области природоохранных исследований важнейшая задача экологов. Одно из наиболее динамично развивающихся направлений в современной науке это компьютеризация исследований, которую можно охарактеризовать как методологию, основанную на применении ЭВМ и информационных технологий для накопления, обработки, формализации и анализа информации. Использование этой методологии в совокупности с методологией системного подхода способно, по мнению автора, значительно продвинуть решение многих экологических проблем. Основания для такого утверждения дает успешный опыт компьютеризации исследований экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС, которые проводились коллективом лаборатории радиоэкологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в 19861995 гг.

Настоящая работа обобщает результаты исследований биологического круговорота углерода и динамики техногенных радионуклидов в различных типах наземных экосистем, которые проводились в течении более чем 20 лет и в завершающей стадии были поддержаны Международным Научным Фондом Сороса и Российским Фондом Фундаментальных Исследований.

Автор выражает глубокую признательность профессору Ф.А. Тихомирову, профессору В.Д. Васильевской, профессору Т.Г. Гильманову, профессору В.Н. Максимову, доктору биологических наук А.И. Щеглову, а также сотрудникам лаборатории радиоэкологии МГУ, оказавшим содействие и помощь в выполнении настоящей работы.

Автор будет благодарен всем, кто выскажет критические замечания по книге.

Глава 1

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Структура исследований, их логическая организация, использованные методы и средства основаны на применении ЭВМ и информационных технологий для накопления, обработки, формализации и анализа информации, что выразилось в создании баз данных, математических моделей изучаемых процессов, информационной системы "Экологическая литература" и информационно-прогностической системы ЭКОРАД.

Необходимость применения ЭВМ и информационных технологий диктовалась, в первую очередь, большим объемом информации, которую пришлось систематизировать, обрабатывать и анализировать. Естественно, что реализация математических имитационных моделей и построение информационной и информационно-прогностической систем также были бы невозможны без использования соответствующих программных и аппаратных средств.

Предпосылкой к успешной обработке информации, собранной в ходе литературного поиска, полевых и лабораторных исследований послужили унификация и сохранение данных в форме, позволяющей автоматизировать процесс обработки, а именно, на магнитных носителях в виде баз данных. Для работы с базами данных последовательно использовались специальные программные комплексы – системы управления базами данных (СУБД), такие как dBase III Plus (Ashton-Tate), FoxPro 2.0 (Fox Software), Access 2.0 (Microsoft). СУБД использовались для создания баз данных, ввода, редактирования, хранения, поиска и обработки информации, а также как среды программирования, позволившие создать специализированные пакеты прикладных программ для работы с данными. Для дополнительной обработки данных информация импортировалась из баз данных в специализированные пакеты – электронные таблицы SuperCalc (Computer Associates), Qutttro Pro (Borland International Corp.), Excel (Microsoft), интегрированный статистический пакет STADIA (НПО "Информатика и компьютеры"), графический пакет SURFER (Golden Software).

Основной метод, использовавшийся при проведении исследований, –математическое моделирование, а именно имитационное моделирование. Создавались имитационные модели, которые можно охарактеризовать следующими общими чертами:
– в основе лежит камерный (блочный) принцип, топологическая структура модели может быть отражена потоковой диаграммой;
– аналитически модели описываются системами дифференциальных или конечностно-разностных уравнений;
– потоки между блоками формализованы уравнениями различной сложности, отражающими действительные механизмы процессов и позволяющими учитывать влияние внешних и внутренних по отношению к системе факторов на прохождение процесса.

Применение имитационного моделирования позволило наиболее полно использовать всю имеющуюся информацию об объектах моделирования, что было немаловажно при недостаточной изученности данных объектов. Разработка моделей предварялась и сопровождалась сбором информации об объекте, необходимой для построения и проверки модели, и ее анализом. В ряде случаев для преодоления трудностей, возникших в связи с неполнотой информации, при моделировании пришлось прибегнуть к экстраполяции или использованию косвенных сведений, полученных при решении других задач. В этом случае уточнение параметров модели достигалось методом итераций, т.е. последовательных приближений результатов моделирования к имеющимся экспериментальным данным при многократном проигрывании модели на ЭВМ.

Изначально модели реализовались на алгоритмическом языке FORTRAN (версия ФОРТРАН–ДУБНА) на ЭВМ БЭСМ-6 Вычислительного центра Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Усовершенствованные версии этих моделей и модели, созданные после 1989 г., реализованы на языке BASIC в системе Microsoft Quick Basic на IBM- совместимых компьютерах. Для использования в составе информационно-прогностической системы ЭКОРАД и для демонстрационных версий моделей созданы автономные выполняемые модули. Это позволяет эксплуатировать их на любых IBM-совместимых компьютерах без установки какого-либо дополнительного программного обеспечения за исключением операционной системы.

Первая версия информационно-прогностической системы ЭКОРАД была реализована также на языке BASIC в системе Microsoft QuickBASIC. Последующая версия ЭКОРАД и информационная система "Экологическая литература" были разработаны в среде объектно-ориентированного программирования системы управления базами данных Access 2.0, входящей в состав пакета Microsoft Office.

Более подробное изложение использованных в работе методов и подходов, а также краткие обзоры по темам представлены в соответствующих главах. В гл. 4 сделана попытка обобщить представления о компьютеризации экологических исследований как одной из наиболее эффективных и перспективных методологий, доступных экологам в настоящее время.