Сегодня мы расскажем вам о блоковых моделях биотического круговорота в экосистемах

Сегодня мы расскажем вам о блоковых моделях биотического круговорота в экосистемах — одном из научных направлений Лаборатории математической экологии ИФА им. А.М. Обухова РАН.

Блоковые модели круговорота вещества в экосистемах вошли в обиход сначала в биофизике и биохимии, а затем перешли в экологию. Одним из первых их применил американский эколог Р. Линдеман (1942) для описания перетоков органического вещества в трофических сетях водных биологических сообществ. В СССР модели этого типа начали разрабатывать в 60-70-е годы XX века в пору первого расцвета моделирования в экологии. Накопление данных о потоков органического вещества и биогенных элементов в наземных экосистемах и разработка методов количественных запасов позволили изобразить структуру биотического круговорота с запасами в блоках в виде узлов и потоками в виде стрелок между ними (см. рисунок). Метод построения динамической модели по такой измеренной в ходе наблюдений схеме был впервые предложен основателем Лаборатории математической экологии проф. Ю.М. Свирежевым в 1997 г.. Предложенный им метод в последующие годы получил развитие под руководством проф. Д.О. Логофета и к.г.н. Е.А.Денисенко в работах их учеников – сотрудников ЛМЭ (Н.Н. Завалишин, О. В. Фельдман, И.Н. Белова)(см. Завалишин, Логофет, 1997).

Моделирование биотического круговорота направлено не только на изучение функционирования компонентов экосистем (растительности, животных, микроорганизмов и разложения органического вещества) в текущих условиях, но и на оценку их эволюции под воздействием климатических изменений и человеческой деятельности. В последние десятилетия болота стали традиционными объектами для блоковых моделей круговорота, особенно в контексте их углеродного потенциала в условиях глобального изменения климата. Блоковые модели также удобно представляют глобальные круговороты воды, углерода, азота и фосфора. Примером таких моделей является совокупность моделей глобального цикла углерода (Гинзбург, Завалишин, 2008). В последние годы группа сотрудников ЛМЭ под руководством Л.Л. Голубятникова (Н.Н. Завалишин, Г.А. Александровы и Г.Г. Александров, И.Н. Белова) развивает методы построения и анализа блоковых моделей в рамках ВИП ГЗ, направленного на изучения экосистем тундры и лесотундры Арктической зоны РФ. В ходе этой работы сделан переход с локального пространственного уровня отдельной экосистемы на уровень целого биома в связи с необходимостью оценки его динамики при характерных для арктических широт интенсивных климатических изменений (Н.Н. Завалишин и др.,2024). Создание и исследование динамических блоковых моделей выявило необходимость их биологической корректности и калибровки параметров с использованием термодинамических принципов, что делает перспективным принцип максимальной скорости изменения термодинамической энтропии, на котором сосредоточены усилия сотрудников ЛМЭ ИФА им. А.М. Обухова РАН в данный момент. Рис.: Агрегированная схема глобального круговорота углерода с верхним квазиоднородным слоем океана (ВКС) по данным отчета МГЭИК AR-6 (2021). Подробнее о подходах к моделированию биотического круговорота в экосистемах - в видеозаписи семинара Н.Н. Завалишина.