Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових праць, з них 8 статей у фахових наукових журналах і збірниках.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 226 сторінках машинописного тексту і містить 199 сторінок основного тексту та список літератури із 222 найменувань.

 

 

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та основні задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також викладено короткий зміст роботи.

У першому розділі на основі аналізу літератури дано загальну характеристику вуглецю, роль його сполук в природному і антропогенному парниковому ефектах. Описано глобальний кругообіг вуглецю та глобальний вуглецевий баланс. Досліджено основні біохімічні процеси кругообігу вуглецю та вплив факторів навколишнього середовища на ці процеси, наведено детальний вуглецевий баланс наземних екосистем різного типу. Проаналізовано основні відомі математичні моделі кругообігу вуглецю в наземних екосистемах. Розглянуто особливості оцінки адекватності математичних моделей кругообігу вуглецю.

Вуглець є одним з найбільш поширених хімічних елементів у природі, він здатен утворювати довгі і стійкі ланцюги із своїх атомів, що є однією з причин величезної кількості органічних сполук з різними хімічними й фізичними властивостями. Вуглець в атмосфері планети представлений, в основному, вуглекислим газом (99%), метаном, моноксидом вуглецю та іншими сполуками в значно менших кількостях. Концентрація атмосферного СО2 постійно зростає, крім того, присутні періодичні зміни, які пояснюють, перш за все, регулярними змінами у фотосинтезі наземних рослин. На даний час вуглекислий газ атмосфери є визначальним чинником антропогенного парникового ефекту, а середня температура повітря біля поверхні землі зросла приблизно на 0, 45оС за 1958-1999рр. Також атмосферний вуглекислий газ забезпечує зв'язок між геологічними, біологічними, фізичними й антропогенними процесами.

Біогеохімічний кругообіг вуглецю – це переміщення й перетворення хімічного елемента через неживу й органічну природу при активній участі живої речовини. Звичайно, розглядають чотири основних резервуари (атмосфера, наземна біосфера, включаючи прісноводні водойми, океани і відклади, включаючи викопне паливо), де вуглець знаходиться у певних сполуках і поводиться певним чином. Вуглецевий баланс – арифметична сума вхідних та вихідних потоків вуглецю у певному вибраному резервуарі, або підсистемі вуглецевого циклу, наприклад, атмосфера-рослинність-грунт. Дослідження вуглецевого балансу резервуара дозволяє визначити, чи даний резервуар функціонує як джерело чи стік вуглекислого газу (вуглецю, в загальному). Задача оцінки вуглецевого балансу набула особливого значення в контексті Кіотського протоколу.

Вуглець, акумульований в біомасі рослин, ґрунті та мертвій органічній речовині, є другим по величині резервуаром (2190ГтС) після океану (39973ГтС) і більше, ніж у два рази перевищує вуглець атмосфери (750ГтС). Тому чутливість екосистем до глобальних змін та людської діяльності вимагає всестороннього вивчення. Рівняння глобального вуглецевого балансу (середньорічні потоки вуглецю, усереднені за 1980-1989, виражені в ГтС/рік, 90% довірчий інтервал) :

Вуглець в атмосфері = Викопне паливо + Зміни в землеко-ристуванні – Стік в океан – Стік у північних лісах – Невизначений стік

3, 2±0, 2 5, 5±0, 5 1, 6±1, 0 2, 0±0, 8 0, 5±0, 5 1, 4±1, 5

Невизначений стік вуглецю пояснюють посиленням поглинання вуглецю екосистемами, спричиненим ефектами підвищеної концентрації атмосферного СО2, депозиції азоту, варіації клімату, а також як результат значних неточностей у визначених компонентах вуглецевого балансу.

Кругообіг вуглецю в наземних екосистемах відбувається через ряд біохімічних процесів: фотосинтез, дихання та ріст рослин, відмирання та розклад органічної речовини, які залежать від факторів навколишнього середовища (температури, кількості опадів, концентрації СО2 в атмосфері, забруднення, користування природними ресурсами та ін.). Для моделювання цих процесів часто застосовують принцип лімітуючих факторів Лібіха.

Математичні моделі наземних екосистем умовно можна розділити на біогеографічні – моделюють географічний розподіл рослинності при певних умовах навколишнього середовища (напр., Biome, MAPSS, Doly) ; біогеохімічні – моделюють цикли вуглецю та, в загальному, інших хімічних елементів (напр., Biome-BGC, Century, TEM) ; моделі, які поєднують властивості двох попередніх груп.

Математичне моделювання кругообігу вуглецю в наземних екосистемах має певні особливості, пов'язані із складністю модельованих систем, недостатністю знань про основні процеси, що в них відбуваються, трудністю прогнозування основних параметрів. Визначити точність математичних моделей екосистем, в класичному розумінні, неможливо. Тому науковцями розроблено та адаптовано специфічні методики оцінки неточностей для таких математичних моделей, які включають: аналіз чутливості, статистичні перевірки, співставлення, порівняння моделей та результатів моделювання між собою. Окремо ні один з цих методів не може забезпечити повноцінної перевірки та контролю якості, а необхідна комбінація методів, яка залежить від ділянки та етапу робіт з моделювання, а також наявності даних та ресурсів. Джерела неточностей можна згрупувати в три класи: неточності у вхідних даних та параметрах моделі; неточності, спричинені структурою моделі та використовуваними функціональними відношеннями; неточності, які є результатом неповноти моделі.

У другому розділі проаналізовано основні екосистеми Карпатського