А.К.Гуц, Л.А.Володченкова КИБЕРНЕТИКА КАТАСТРОФ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ Омск: Изд-во КАН, 2012. 220 стр.

В книге излагается описание кризисов и катастроф лесных экосистем в рамках математической теории катастроф. Строится мозаично-ярусная модель леса. Описываются лесные катастрофы, явившиеся следствием вымокания и пожара.

Предлагаются методика прогнозирования лесных катастроф и методика определения предельного антропогенного воздействия на лесную экосистему.

Для экологов, лесоведов, математиков и студентов факультетов кибернетики, биологических и математических факультетов.

Оглавление

Введение 9

• 0.1. Лес как кибернетическая система . . . . . . . . . 9
  
• 0.2. Цель, задачи и основные результаты проведенных исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
  
• 0.3. Кибернетика лесных экосистем . . . . . . . . . . 13

• 1.1. Факторы, влияющие на видовое разнообразие и богатство лесной экосистемы . . . . . . . . . . . 16
  
• 1.2. Видовое разнообразие . . . . . . . . . . . . . . . . 17
  
• 1.3. Конкуренция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
  
• 1.4. Описание лесного биоценоза . . . . . . . . . . . . 18
  
• 1.5. Структура фитоценоза . . . . . . . . . . . . . . . 20
  • 1.5.1. Вертикальная структура. Ярусность . . . 20
    
  • 1.5.2. Горизонтальная структура. Мозаичность 23
    
  • 1.5.3. Горизонтальная структура. Оконная динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
• 1.6. Атмосфера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
• 1.7. Влажность почвы. Засуха. Избыток влаги . . . . 26
  • 1.7.1. Влажность почвы . . . . . . . . . . . . . . 26
  • 1.7.2. Засуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
  • 1.7.3. Вымокание . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
  • 1.7.4. Деградация лесов при вымокании . . . . 29
  • 1.7.5. Стадии вымокания мелколиственных лесов 31
• 1.8. Биологическая продукция, продуктивность и биомасса лесной экосистемы . . . . . . . . . . . . 32
• 1.9. Доброкачественность . . . . . . . . . . . . . . . . 32
• 1.10. Пожары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
  • 1.10.1. Три вида лесных пожаров . . . . . . . . . 36
    
  • 1.10.2. Влияние пожаров на лес . . . . . . . . . . 37
• 1.11. Вырубка лесов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
• 1.12. Динамика лесной экосистемы. Сукцессия . . . . 38
  • 1.12.1. Первичные и вторичные сукцессии . . . . 39
  • 1.12.2. Первичные сукцессии . . . . . . . . . . . . 41
  • 1.12.3. Вторичные сукцессии . . . . . . . . . . . . 41
• 1.13. Информационные потоки и каналы лесного биоценоза . . . . . . . . . . 43
  • 1.13.1. Понятие информации . . . . . . . . . . . . 44
    
  • 1.13.2. Носители информации в растениях . . . . 45
    
  • 1.13.3. Носители информации в фитоценозах . . 46
    
  • 1.13.4. Специфика кибернетического описания леса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
• 1.14. Проблемы экологического прогнозирования состояния лесных экосистем . . . . . . . . . . . . . 48

2 Оценка состояния лесной экосистемы 50

• 2.1. Критерии оценки состояния экосистем . . . . . . 51
• 2.2. Устойчивость лесной экосистемы . . . . . . . . . 52
• 2.3. Экологический потенциал ландшафта . . . . . . 54
• 2.4. Характеристика экологического потенциала Омских лесов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
• 2.5. Основные факторы антропогенных воздействий на леса Омской области . . . . . . . . . . . . . . 58
  • 2.5.1. Классификация отраслей экономики по уровню отрицательного воздействия на окружающую природную среду . . . . . . 59
    
  • 2.5.2. Выбросы в атмосферу . . . . . . . . . . . 60
    
  • 2.5.3. Пожары омских лесов . . . . . . . . . . . 61
    
  • 2.5.4. Превышение расчетной лесосеки . . . . . 63
    
  • 2.5.5. Захламление лесов . . . . . . . . . . . . . 63
• 2.6. Эколого-ландшафтное районирование Омского Прииртышья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
• 2.7. Вымокание омских лесов . . . . . . . . . . . . . .5
  • 2.7.1. Вымокание березовых (осиновых) колков в Называевском лесничестве . . . . . . . . 66
• 2.8. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3 Модели лесных экосистем 73

• 3.1. Классификация моделей леса . . . . . . . . . . . 74
• 3.2. Модели роста древесины (growth-yields models) . 77
  • 3.2.1. Модель Берталанффи . . . . . . . . . . . 77
  • 3.2.2. Модель прироста древесины Ферхюльста-Перла . . . . . . . 78
  • 3.2.3. Модель Митчерлиха . . . . . . . . . . . . 79
  • 3.2.4. Модели Исаева и др. . . . . . . . . . . . . 80
• 3.3. Экологические модели леса . . . . . . . . . . . . 81
  • 3.3.1. Gap-модели лесных экосистем . . . . . . . 81
  • 3.3.2. Модель лесной экосистемы Глазунова . . 83
• 3.4. Модели сукцессии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
  • 3.4.1. Модель смены стадии сукцессии . . . . . 84
• 3.5. Теоретико-катастрофические модели лесных биоценозов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
  • 3.5.1. Катастрофа сборки в динамике природных пастбищ в Африке . . 86
  • 3.5.2. Катастрофа сборки в динамике северо-американских древостоев . . . . . . . . . . 86
    
  • 3.5.3. Катастрофы типа <сборка> системы <лес-степь> . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
    
  • 3.5.4. Моделирование динамики лесной растительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
• 3.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4 Теория катастроф Тома 95

• 4.1. Равновесные системы, их смена и математическая теория катастроф . . . . . . . . . . 95
• 4.2. Типы катастроф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
  • 4.2.1. Катастрофа <сборка> . . . . . . . . . . . . 99
  • 4.2.2. Катастрофа <ласточкин хвост> . . . . . . 101
    
  • 4.2.3. Катастрофа <бабочка> . . . . . . . . . . . 103
    
  • 4.2.4. Катастрофа <вигвам> . . . . . . . . . . . 103
    
  • 4.2.5. Катастрофа <звезда> . . . . . . . . . . . . 104
• 4.3. Определения экологической ситуации и экологических катастроф . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
• 4.4. Пример. Здоровье человека в лесных экосистемах 107
  • 4.4.1. Экологические катастрофы в экологии человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
    
  • 4.4.2. Описание модели здоровья человека . . . 109

• 5.1. Модель доброкачественного леса . . . . . . . . . 117
• 5.2. Структурная устойчивость модели . . . . . . . . 121
• 5.3. Измерение факторов k,a,m,w, x . . . . . . . . 123
  • 5.3.1. Измерение коэффициента взаимовлияния ярусов . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
    
  • 5.3.2. Измерение фактора конкуренции k . . . . 123
    
  • 5.3.3. Измерение фактора мозаичности m . . . 125
    
  • 5.3.4. Измерение антропогенного фактора a . . 126
    
  • 5.3.5. Измерение фактора влажности w . . . . . 128
    
  • 5.3.6. Измерение доброкачественности леса x . 131
• 5.4. Бифуркационные соотношения между внешними факторами . .. . . 133
• 5.5. Методика мониторинга лесной экосистемы, направленная на прогнозирование экологических катастроф лесных экосистем . . . . . . . . . . . . 134
• 5.6. Методика оценки границ предельного антропогенного воздействия на фитоценоз . . . . . . . . 135
• 5.7. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6 Качественная адекватность модели лесной экосистемы 137

• 6.1. Катастрофы при вырубке лесов, пожарах . . . . 138
  • 6.1.1. Случай: нет мозаичности, есть сильная конкуренция, влажность любая . . . . . . 138
  • 6.1.2. Случай: нет мозаичности, нет сильной конкуренции, влажность любая . . . . . . 139
    
  • 6.1.3. Катастрофы при вырубке лесов, пожарах. Есть чистая хорошая атмосфера, нет сильной конкуренции. Влажность любая 140
    
  • 6.1.4. Случай: m = w = 0, влажность w = 0 . . 141
    
  • 6.1.5. Наблюдение. Состояния восстановленного леса после пожаров . . . . . . . . . . . 142
    
  • 6.1.6. Наблюдение. Разные состояния леса после вырубок . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
• 6.2. Смена равновесия при вымокании леса . . . . . 147
  • 6.2.1. Предсказание модели . . . . . . . . . . . . 147
    
  • 6.2.2. Наблюдение. Равновесия после подтопления (вымокания) лесов . . . . . . . . . . . 148
• 6.3. Катастрофы в плоскости <атмосфера (освещенность) m - антропогенный фактор a> . . . . . . 150
• 6.4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

7 Количественная адекватность модели лесной экосистемы 152

• 7.1. Предсказания для конкретных типов лесов . . . 155
• 7.2. Сосняки. Саргатский лесхоз Омской области . . 157
• 7.3. Вымокание леса. Омская область . . . . . . . . . 159
  • 7.3.1. Вымокание березово-осинового леса . . . 159
  • 7.3.2. Уменьшение биоразнообразия при вымокании леса . . . . . . . 168
  • 7.3.3. Проверка устойчивости текущего равновесия . . . . . . . . 169
• 7.4. Пожары сосновых боров. Омская область . . . . 170
  • 7.4.1. Потенциалы леса до и после пожара . . . 171
  • 7.4.2. Прогнозирование состояний соснового насаждения при пожаре и после пожара . 174
• 7.5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

• 8.1. Стадия сукцессии как равновесие . . . . . . . . . 180
• 8.2. Шестиярусная модель леса . . . . . . . . . . . . . 183
• 8.3. Равновесия биоценоза. Cукцессия как последовательная смена равновесий . . . . . . 186
• 8.4. Смены климаксных сообществ . . . . . . . . . . . 187
  • 8.4.1. Бифуркации в плоскости <пожары (вырубка) a - влажность w> . . 189
  • 8.4.2. Бифуркации в плоскости <атмосфера m - пожары (вырубка) a> . . 189
• 8.5. Смена сообщества на фоне межвидовой конкуренции и изменения горизонтального распределения деревьев .. . . . . 189
• 8.6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

• 9.1. Динамика четырехярусного вымокающего леса . 194
• 9.2. Динамика пятиярусного вымокающего леса . . . 198

Литература 204