CC BY
16
УДК 502
ПРОГНОЗИРУЕМАЯ ДИНАМИКА ОБЩЕЙ БИОМАССЫ, РАССМАТРИВАЕМАЯ В ГЛОБАЛЬНЫХ МОДЕЛЯХ БИОСФЕРЫ
ВОЛКОВА С.Н.,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, зав. кафедрой математики, физики и технической механики ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail: volkova_47@mail.ru.
СИВАК Е.Е.,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры стандартизации и оборудования перерабатывающих производств ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail: elenasivak77@mail.ru.
ПАШКОВА М.И.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры математики, физики и технической механики ФГБОУ ВО Курская ГСХА, e-mail: marina010104@yandex.ru.
ШЛЕЕНКО А.В.,
кандидат экономических наук, доцент кафедры экспертизы и управления недвижимостью, горного дела ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»; e-mail: shleenko77@mail.ru.
КРИВДИНА О.А.,
старший преподаватель товароведно-технологических дисциплин «Белгородский университет кооперации, экономики и права» Курский институт кооперации.
Реферат. В статье проанализированы оценки прогнозируемой динамики растительных блоков глобальных моделей динамики биосферы, разрабатываемых с 1971 года по настоящее время. В результате исследования выявлены катализаторы, которые позволяют менять темпы развития тех или иных путей, связанных с опасностью экологических ситуаций. Установлено, что развитие биосферы носит колебательный характер с периодом 360 лет. Рассмотренные имитационные модели растительных экосистем построены в рамках системной динамики. Катализаторами в земном плане являются условия, вызванные антропогенным воздействием, при которых происходят процессы трансформации, обладающие синергетическим эффектом, выводящим экосистему в новые области развития, минуя предельные переходы непрерывным или скачкообразным путем.
Ключевые слова: прогноз, динамика, биомасса, модель, биосфера, экология, продуктивность, растительность, глобальное развитие.
PREDICTED DYNAMICS OF THE TOTAL BIOMASS, CONSIDERED IN THE GLOBAL MODEL BIOSPHERE
VOLKOVA S.N.,
doctor of agricultural sciences, professor, head. department of mathematics, physics and technical mechanics FGBOU in «Kursk state agricultural academy», e-mail: volkova_47@mail.ru.
SIVAK E.E.,
doctor of agricultural sciences, professor, department of standardization and equipment
рererabatyvayuschih productions FGBOU in «Kursk state agricultural academy», e-mail: elenasiwak77@mail.ru. PASHKOVA M.I.,
candidate of agricultural sciences, associate professor, department of mathematics, physics and tech-mechanics FGBOU in «Kursk state agricultural academy», tel. (4712) 58-14-03.
SHLEENKO A.V.,
candidate of economic Sciences, associate Professor of examination and management of real estate, mining FGBOU in «Southwestern State University»; e-mail: shleenko77@mail.ru.
KRIVDINA O.A.,
Senior Lecturer tovarovednyh technological disciplines «Belgorod University of Cooperation, Economics and Law» Kursk Institute of Cooperation.
Essay. The article analyzes the assessment of the projected dynamics of vegetation units of global models of the biosphere dynamics, developed from 1971 to the present time. The study found catalysts that allow you to change the pace of development of those or other ways of involving the risk of environmental emergencies. It was found that the development of the biosphere is oscillatory with a period of 360 years. The above simulations of plant ecosystems are built within the system dynamics. The catalyst in the earth plane are conditions caused by anthropogenic influence, in which there are processes of transformation that have a synergistic effect that will appear in the new ecosystem development, bypassing the limit transitions continuous or discontinuous way.
Keywords: forecast, dynamics, biomass model, the biosphere, the environment, productivity, vegetation, global development.
Введение. Для преодоления экологического кризиса полезно исследовать его закономерности на глобальных математических моделях динамики биосферы в целом. Построением экономико-экологических моделей биосферы с 1971 года занимался Форрестер [1,2], который представил растительный покров Земли в единицах капиталовложений обобщенного значения «продуктивности сельскохозяйственных культур».
Очевидно, что взаимоотношение человека с растительным покровом не ограничивается только возделыванием сельскохозяйственных культур. Они очень сложны и в разных регионах Земли по-разному используются растительные ресурсы, изменяясь во времени и в пространстве [3, 4].
В нашей стране модели Н.Н. Моисеева [5, 6] и В.Ф. Крапивина [7] принципиально отличались от моделей американских исследователей форрестерского типа тем, что основной упор был в них сделан на экологическую, а не на экономическую составляющую сложной системы.
При построении моделей авторы [5-7] исходили из общесистемных представлений о биосфере, основу которых заложил В.И. Вернадский.
Материалы и методы. Чтобы не перегружать модель в ее рамках и учесть многообразие форм растительности, рассматривается три типа растительности: леса, естественная травяная растительность и сельскохозяйственные посевы растений [6, 8]. Изменение фи-томассы растительности каждого типа описываются дифференциальными уравнениями первого порядка, которые представляют собой сложные эмпирические функции освещенности, состояние гумуса, количества вносимых удобрений, влажности, годового режима атмосферы и т.д.
Результаты и обсуждение. Модель глобального развития биосферы позволяет проведение с ее помощью целого ряда экспериментов с целью оценки перспективности возможных управлений процессами воздействия на окружающую среду. В частности, на рисунке 1 приведена прогнозируемая динамика общей фитомассы растительности до 2300 года [7].
У, m/km'
180
140
100
2000
2100
2200
2275
сферу, которые наблюдаются в настоящее время связано с тем, что модель прогнозирует к 2300 г. еще более резкое сокращение численности животных и людей (следовательно, доля растений, идущих в пищу, уменьшится) и связанное с этим уменьшение замутнен-ности атмосферы за счет уменьшения количества пылевых частиц искусственного происхождения и общего уменьшения скорости генерации загрязнений окружающей среды, что влияет на увеличение скорости фотосинтеза.
Во втором случае при одновременном уменьшении скорости генерации загрязнения в два раза, расходования минеральных ресурсов - на 15 %, возрастании продуктивности животноводства - на 10 % и снижении интенсивности вылова рыбы - на 25 % общая фитомас-са растительности будет претерпевать колебательные изменения, оставаясь в исходных и допустимых пределах. Эксперименты с глобальными моделями показывают смысловую непротиворечивость сделанных предположений о связи тех или иных переменных. Необходимо учитывать определенную долю условности этих прогнозов, для которых справедливы лишь качественные выводы.
р, о с т°с о„% со ,%
17
16
15
-14
-20
"19
-18
-17
2000
2100
2200 2300 год
Рисунок 1 - Прогнозируемая динамика общей биомассы растительности по данным работы [7]:
1 - при условии сохранения в настоящее время темпов воздействия человека на биосферу;
2 - при сниженных темпах воздействия в регионах
Резкое увеличение фитомассы растительности в первом случае, более чем в 2 раза по сравнению с 2000 г. при сохранении темпов воздействия человека на био-
Рисунок 2 - Динамика содержания в атмосфере СО2 (1), О2 (2), глобальной температуры (3) и плотности растительности в относительных единицах (4) по данным работы [6]
На рисунке 2 приведены данные работы [6] по динамике интересующих нас параметров глобальной модели биосферы. Представляет интерес прогноз о том, что около 2200 г. возникнет ситуация, характерная для далекого геологического прошлого: достаточно жаркий климат, резкое увеличение содержание СО2 в атмосфере и еще более резкое падение содержания О2 и, как следствие этого, бурное развитие зеленой растительности. Этот прогноз сделан в предположении сохранения темпов развития всех параметров: роста народонаселения, загрязненности, промышленности, сельского хозяйства и т.д. Около 2400 года большая часть параметров модели «возвращается» к значениям, близким к современным, за исключением невозобновляемых ресурсов.
С учетом статической модели эволюционных процессов социально-экологической системы [8. - С. 130], а также условий исследований наступления трансформации [9-13], некоторые сценарии динамики общей биомассы растительности могут оказаться в одной из областей развития в зависимости от сложившихся ус-
ловий взаимодействия человека с окружающей средой, ускоряя или замедляя устремление системы к показателям, представленным на рисунках 1,2 и попадая в те или иные области эволюционного развития рисунок 3
Рисунок 3 - Диаграмма «Продуктивность-время» по данным работы [8]
Таким образом, в работе Форрестера [1] была показана принципиальная возможность объединения производственных, социальных и экологических процессов в рамках единого формализированного описания.
Модель была иллюстративной и содержала всего пять переменных, выступающих в качестве уровней. В модели Моисеева Н.Н. [6] содержится 218 эмпирических определяемых коэффициентов, которые все «наполнены» физико-биологическим содержанием.
В модели Волковой С.Н. [8] заложена возможность работы с неограниченным числом переменных, с классификацией эволюционных процессов социально-экономической системы в зависимости от соотношения потоков входящих А, выходящих В в единицу времени и имеющихся в системе С, позволяющим определять любые интересующие исследователя коэффициенты, сопоставляя их с прогнозными сценариями развития. Динамики, представленные на рисунках 1,2 в зависимости от создавшихся условий, по продуктивности Пр попадают в разные области на рисунке 3, ускоряя или замедляя темпы развития рассматриваемых процессов. Например, на рисунке 1 линия (1) - динамика биосистемы растительности при условии сохранения темпов воздействия человека на биосферу попадает в верхнюю полуплоскость областей 1-111 на участках, где идет возрастание, с тем, где убывание (2100-2150 гг.) в нижнюю полуплоскость (1У-У1). Аналогичная картина наблюдается и по другим динамикам. Следует отметить устойчивость процессов на нейтральной полосе линия к (рисунок 3), что характерно при возрастании для линии 2 (рисунок 1), в котором колебания происходят (из
I в VI область при убывании) вокруг нейтральной полосы [15].
Что же касается динамик самой биосферы в содержании СО2 (1), О2 (2), глобальной температуры (3) (рисунок 2), то скорее всего они попадают в менее устойчивые области развития: при возрастании - области II, III с предельным переходом линия 2 через экспоненту; при убывании - область IV, V с предельным переходом линия 2 .
Наши исследования показывают, что плотность растительности (4) рисунок 2 более устойчива по сравнению с другими динамиками.
На динамиках в период с 2000 по 2050 г. хорошо видна тенденция убывания О2, возрастания: СО2 глобальной температуры до максимума и плотности растительности (рисунок2), а также увеличение биомассы растительности (рисунок 1) при сниженных темпах воздействия в регионах человека на биосферу. Начиная с 2050 года, картина резко меняется по глобальной температуре, она начинает убывать и к 2100 году достигает своего минимума. Остальные динамики остаются в своих тенденционных изменениях.
Выводы.
1. Глобальные модели динамики биосферы позволяют качественно описать тенденции развития растительных блоков, что делает возможным создание условий для управления биомассой растительного покрова и в целом развитием социально-экологических систем.
2. Общая схема динамики фитомассы ничем не отличается от подобных схем более частных моделей, хотя различия проявляются в аналитической структуре моделей, т.е. в характере зависимости между входящими в модель параметрами.
3. При сохранении нынешних экономико-экологических условий, развитие биосферы будет носить колебательный характер с периодом 360 лет, причем при снижении темпов воздействия человека на биосферу в регионах, динамика биомассы растительности будет претерпевать колебательные изменения, оставаясь в исходных и допустимых пределах.
4. Основной задачей подобных моделей являются оценки тех или иных путей развития с тем, чтобы выявлять возможности опасных экологических ситуаций.
Заглянув в далекое будущее наши расчеты [14, С.24] показывают наступление в 32-м столетии новой эры третьей эпохи жизни и развития человечества во Вселенной, т.е. через 3 периода развития биосферы, считая с 2016 года. Первые две эпохи предсказал К. Маркс, а именно, эпоху естественного выживания сильнейшего и эпоху осознанной необходимости или неограниченного развития и применения способностей каждого человека. Третья эпоха будет эпохой необходимости познания или человека познающего и использующего Вселенную, эпохой исследования межзвездного (межгалактического) пространства. Освоение космоса и построение глобальных моделей динамики биосферы являются устремлениями человечества проникнуть в тайны Вселенной, чтобы не только выжить как виду, но и познать смысл жизни и своего явления в нее.
Список использованных источников
1. Форрестер Дж. Мировая динамика: Пер. с англ. - М.: Наука,1978. - 168 с.
2. Форрестер Дж. Динамика развития города: Пер. с англ.- М.: Прогресс,1974. - 288 с.
3. Волкова С.Н., Муха Д.В. Феномен плодородия и эволюция биосферы // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук.- 1997. - № 1. - С. 29.
4. Волкова С.Н., Муха Д.В. Прогнозирование и числовые характеристики непрерывных циклических процессов экосистемы // Доклады РАСХН. - 1996.- № 1.- С. 17.
5. Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент.- М.: Наука, 1979.- 224 с.
6. На пути к построению модели динамических процессов в биосфере / Н.Н.Моисеев, В.Ф. Крапивин, Ю.М. Свирежев, А.М. Тарко // Вестник АН СССР. - 1979. - №10. - С.88-104.
7. Крапивин В.Ф., Свирежев Ю.М., Тарко А.М. Математическое моделирование глобальных биосферных процессов. - М.: Наука, 1982. - 272 с.
8. Волкова С.Н., Муха Д.В. Моделирование и прогнозирование эволюционных процессов в социально-экологических системах.- 3-е изд. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2011. - 153 с.
9. Анализ динамики регионального развития экосистем / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, М.И. Пашкова и др. // Региональный вестник. - 2016. - № 1.- С.33-37.
10. Анализ динамики развития экосистемы города и условий формирования безопасной и комфортной городской среды / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, Н.В. Бакаева и др. // Экология урбанизированных территорий. - 2016. -№ 1. - С.35-43.
11. Проблема моделирования и прогнозирования процессов развития социально-экологической системы / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, М.И. Пашкова, А.В. Шлеенко // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016.- № 6. - С.76-80.
12. Определение точек бифуркации с «эффектом увлечения» загрязняющих веществ в водных объектах экосистем / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, А.В. Шлеенко, Т.В. Белова // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - № 3. - С.72-78.
13. Динамика развития экосистем в фазовом пространстве / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, М.И. Пашкова, Н.А. Костенко // Актуальные вопросы инновационного развития агропромышленного комплекса (материалы Международной научно-практической конференции, 28-29 января 2016 г., г. Курск, ч.2).- Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак.-2016. - С.188-190.
14. ШлеенкоА.В., Волкова С.Н. Особенности прогнозирования экономического развития современного мира // Провинциальные научные записки. - 2016. - № 1.- С. 20-26.
15. Эффективное использование природных ресурсов Курской области / И.Я. Пигорев, Е.Е. Сивак, С.Н. Волкова, М.В. Гейко // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 3. - С. 52-53.
List of sources used
1. Forrester J. World Dynamics:. Trans. from English. - M .: 1978 Nauka, P.168.
2. Forrester J. Dynamics of development of the city:. Trans. with angl.- M .: Progress, 1974-288.
3. Volkova S.N., Fly D.V. The phenomenon of fertility, and the evolution of the biosphere // Reports of the Russian Academy of Agricultural nauk.- 1997- № 1.- C. 29.
4. Volkova S.N., Fly D.V. Prediction and numerical characteristics of continuous processes cyclic ecosystem // Reports RASKHN.- 1996. - №1. - P.17.
5. Moiseev N.N. Mathematics puts eksperiment. - M .: Nauka, 1979. - P. 224.
6. Moiseev N.N., Krapivin V.F., Svirezhev Y.M., Tarko A.M. On the way to the construction of models of dynamic processes in biosfere. - Vestnik AN SSSR 1979. - №10. - S.88-104.
7. Krapivin V.F., Svirezhev Y.M., Tarko A.M. Mathematical modeling of global biosphere protsessov. - M .: Nauka, 1982. - P. 272.
8. Volkova S.N., Muha D.V. Modeling and prediction of evolutionary processes in the social and environmental systems.- 3rd izd.- Kursk edition of Kursk. state. agricultural ak., 2011. - S. 153 2011.
9. Analysis of the dynamics of the regional ecosystem development / S.N. Volkova, E.E. Sivak, M.I. Pashkova et al. // Reregional-Gazette. - 2016. - № 1.- S.33-37.
10. An analysis of the dynamics of the ecosystem of the city and the formation conditions of safe and comfortable city-tion medium / S.N. Volkova, E.E. Sivak, N.V. Bakaeva and etc. // Ecology of the urbanized territories. 2016. - № 1.- S.35-43.
11. The problem of modeling and forecasting of processes of social and environmental sistemy / S.N. Volkova, E.E. Sivak, M.I. Pashkoav, A.V. Shleenko // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy.- 2016. - № 6. - S.76-80.
12. Determination of the bifurcation points with the "drag effect" of pollutants into water bodies ECOS-tems / S.N. Volkova, E.E. Sivak, A.V. Shleenko, T.V. Belova // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2016. - № 3. -S.72-78.
13. Dynamics of ecosystem development phase space / S.N. Volkova, E.E. Sivak, M.I. Pashkova, N.A. Kostenko // Actual problems of innovative development of the agroindustrial complex (Interna-native materials of scientific-practical conference, January 28-29, 2016 in Kursk, p.2) .- Kursk: Publishing House of Kursk. state. agricultural ak. - 2016. - S.188-190.
14. Shleenko A.V., Volkova S.N. Features of forecasting the economic development of the modern-mira // Provincial scientific zapiski.- 2016. - № 1.- Pp. 20-26.
15. Efficient use of natural resources of the Kursk region / I.Y. Pigorev, E.E. Sivak, S.N. Volkova, M.V. Geiko // Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. - 2014. - № 3. - P. 52-53.
