CC BY
25
УДК 504.53
Р. С. Воропаев
МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ СМЕШАННЫХ ЛЕСОВ В БАССЕЙНЕ РЕКИ ПРЕГОЛИ
Смоделированы количественные значения и выполнен анализ динамики содержания гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи за 1960-2015 гг. Рассчитаны значения эвапотранспира-ции и проанализирована динамика данного параметра за указанный период. Проведены расчеты по оценке воздействия изменений метеорологических факторов на показатели динамики лесной фитомассы.
The long-term dynamics of humus in the mixed forests soils of in the Pregolya River Basin was modeled and analyzed for 1960-2015. Evapotranspiration values were calculated and a dynamics analysis of this parameter for period 1960-2015 was carried out. The impact of changes in meteorological factors on dynamics of forest phytomass has been defined.
Ключевые слова: изменение климата, гумус, смешанный лес, моделирование, река Преголя, Балтийское море.
Key words: climate change, humus, mixed forest, modeling, Pregolya River, Baltic Sea.
© Воропаев Р. С., 2016
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2016. Сер. : Естественные и медицинские науки. № 1. С. 94—99.
Введение
В конце XX и начале XXI в. наблюдается стремительное изменение глобальных и региональных климатических условий. Сохранение данной тенденции может привести к значительному изменению климата во всем регионе Балтийского моря. Это обстоятельство способно повлечь, в свою очередь, значительные изменения природных комплексов, биологического разнообразия, сельскохозяйственного и других видов природопользования.
В связи с тенденцией изменения климатических условий существует необходимость анализа влияния этих изменений на природные комплексы Калининградской области, в том числе на геосистему бассейна реки Преголи. Период исследования должен быть представлен в десятилетней ретроспективе. Такой анализ позволит количественно охарактеризовать геоэкологические последствия климатических изменений и обеспечить рациональное долгосрочное планирование зависящих от климата видов хозяйственной деятельности в регионе.
В качестве одного из показателей, отражающих изменение регионального климата, целесообразно рассматривать состояние лесных природных комплексов. Они выполняют значительную средоформи-рующую, ресурсоформирующую и природоохранную функции. Одним из индикаторов состояния лесных природных комплексов, наряду с величиной фитомассы лесной растительности [1; 3], является содержание гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи.
Модель бассейново-ландшафтной системы реки Преголи
Моделирование содержания гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи произведено на основе модели ее бассейново-ландшафтной системы, разработанной С. И. Зотовым (2001). Модель создана на основе бассейнового принципа. Она охватывает большое разнообразие геоэкологических показателей, в том числе содержание гумуса в почвенном покрове смешанных лесов. Автором данной статьи выполнено преобразование уравнений и адаптация их для использования в Microsoft Excel.
В настоящее время опубликованы результаты моделирования содержания гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи за 1960 — 1991 гг. [2]. Поэтому цель данной работы — смоделировать период 1991 — 2015 гг. и выполнить анализ динамики содержания гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Пре-голи за 1960 — 2015 гг. На входы в модель задаются годовые значения температуры воздуха и количества атмосферных осадков. В процессе моделирования использовались метеоданные со станций (в скобках указан индекс ВМО): Калининград (26702), Железнодорожный (26706) [7; 10], Кентшин (12185), Ольштын (12272) [8; 9].
95
Расчетные зависимости
Уравнение содержания гумуса в почвенном покрове смешанного леса имеет следующий вид:
МГП = МГП + П • At - ВМ • At - ВСМ • At, (1)
rnt+1 rnt ЛДГЛ1+1 МГЛ,+1 СМГЛ,+1 ' \ /
где М и М — содержание гумуса в почвенном покрове смешанного леса в момент времени t и t + 1, т/га;
ПЛДгл — образование гумуса за счет лиственного и древесного отпада, т/га;
96 ВМгл — потеря гумуса в связи с минерализацией, т/га;
ВСМгл — потеря гумуса в связи с поверхностным смывом, т/ га;
t + 1 — год, для которого рассчитывается М , то есть этот год;
t — год, для которого М уже рассчитано, то есть предыдущий год.
Масса гумуса, образовавшегося в течение года за счет лиственного и древесного отпада, вычисляется по формуле:
ПлДГЛ4+1 = КОГ • МФИЛt, (2)
где ПЛДгл — образование гумуса за счет лиственного и древесного отпада, т/га;
МФИЛ t — фитомасса древесной растительности смешанного леса в момент времени t, т/га;
K ОГ — коэффициент образования гумуса, равный 0,003 (получен расчетным методом в ходе упрощения уравнений). Данный коэффициент учитывает гумификацию лесных растительных остатков и коэффициент опадов листвы и древесины.
Масса гумуса, потерянная в течение года за счет минерализации, описана зависимостью:
Вмгл = 2,48 • 10-7Et++1 • M mt, (3)
4+1
"гл.
где ВМгл — потеря гумуса в связи с минерализацией, т/га; Е — эвапотранспирация, мм;
МГЛ)_ — содержание гумуса в почвенном покрове смешанного леса в
момент времени Ь, т/га;
Коэффициент 2,48 • 10 7 получен расчетным методом в ходе упрощения уравнений прироста фитомассы и доли минерализации гумуса.
Масса потери гумуса в связи с поверхностным смывом в смешанных лесах очень мала, поэтому при расчетах ей можно пренебречь:
ВСМГЛ = 0, (4)
где ВСМгл — потеря гумуса в связи с поверхностным смывом, т/га.
В итоге, подставив в уравнение 1 формулы 2, 3 и 4, получаем преобразованное уравнение содержания гумуса в почвенном покрове смешанного леса (формула 5):
Мгл1+1 = МГЛ1 + 0,003 • МФИЛ1 - 2,48 • Ю"^ • М^, (5)
где М ФИЛ — фитомасса смешанного леса.
Модель фитомассы смешанного леса (М ФИЛ ) и эвапотранспирации (Е) подробно представлена в работах автора данной статьи [1; 3]. Для их расчета использовалась вышеуказанная модель бассейново-ландшафт-ной системы реки Преголи. На входы в модель вводились годовые значения температуры воздуха и количества атмосферных осадков на территории бассейна реки. Расчеты фитомассы смешанного леса [5] и эвапотранспирации [4; 6] производились по формулам 6 — 10:
МФИЛ = МФИЛ + ПФ • Дt - ВЛ • Дt - ВХ • Д^ (6)
ФИ^;1 фИЛt фt+1 Лt+1 Xt+l ' V '
где М ФИЛt и М ФИЛ — фитомасса древесной растительности смешанного леса в момент времени t и t + 1, т/ га;
ПФ — прирост фитомассы смешанного леса, т/га; ВЛ — потеря фитомассы в связи с листовым опадом и древесным отпадом, т/ га;
ВХ — потеря фитомассы в связи с хозяйственным использованием древесины, т/га;
Пф;1 = 0,00025 • е!;6!8, (7)
где Е — эвапотранспирация, мм;
Р
Е=-3, (8)
Р
0.95+-
210•Т+2700,
где Р — годовая сумма атмосферных осадков, мм; Т — годовая температуры воздуха, °С;
Вл+, = К; • Мфи,, (9)
К1 = 0,02. (10)
Величина потери фитомассы в связи с хозяйственным использованием древесины определяется в соответствии с лесохозяйственной деятельностью.
97
Результат моделирования
Результатом моделирования являются ретроспективные показатели годовых значений массы гумуса в почвенном покрове смешанных лесов (т/га) на территории бассейна реки Преголи за период 1960 — 2015 гг.
На рисунке представлен график межгодового хода массы гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи, массы образования гумуса за счет опада и массы потери гумуса в связи с минерализацией. Из данного графика видно, что межгодовые колебания массы гумуса в почве смешанных лесов в значительной степени определяются межгодовой динамикой потери гумуса в связи с минерализацией.
98
Рис. Межгодовой ход и линейные тренды массы гумуса, массы образования гумуса за счет опада, массы потери гумуса в связи с минерализацией в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи за 1960—2015 гг.
Линейные тренды межгодового хода массы гумуса в почвенном покрове смешанного леса, массы образования гумуса за счет опада, массы потери гумуса в связи с минерализацией за период 1960 — 2015 гг. (рис.) имеют очень малые коэффициенты. Для межгодового хода массы гумуса в почвенном покрове смешанного леса коэффициент линейной регрессии составил - 0,022; для массы образования гумуса за счет опада — + 0,003; для массы потери гумуса в связи с минерализацией — + 0,004.
Амплитуды межгодовой динамики массы гумуса в почвенном покрове смешанного леса, массы образования гумуса за счет опада, массы потери гумуса в связи с минерализацией за период 1960 — 2015 гг. составляют 1,65 т/га; 0,82 т/га и 0,15 т/га соответственно. А их средне-квадратические отклонения равны 0,39 (для массы гумуса); 0,04 (для образования гумуса); 0,15 (для массы потери гумуса). Итак, колебания массы образования гумуса за счет опада и массы гумуса в почвенном покрове смешанного леса очень низкие, тогда как значения потери гумуса в связи с минерализацией в межгодовой динамике испытывают сильные колебания. Данное обстоятельство объясняется тем, что величина образования гумуса за счет опада в смешанном лесу в первую очередь зависит от фитомассы, которая не подвержена резким колебаниям. Значение потери гумуса в связи с минерализацией определяется прежде всего значением эвапотранспирации. Оно, в свою очередь, определяется температурой воздуха и количеством атмосферных осад-
ков, испытывающих значительные колебания. Таким образом, изменение климатических условий напрямую влияет на содержание гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи.
Выводы
Масса гумуса в почвенном покрове смешанных лесов бассейна реки Преголи за период 1960 — 2015 гг. испытывала межгодовые колебания от 99,83 т/га до 100,7 т/га. Динамика имела нисходящую тенденцию.
Масса образования гумуса за счет опада изменялась от 0,89 т/га до 1,04 т/га, линейный тренд положительный.
Масса потери гумуса в связи с минерализацией подвергалась сильным межгодовым колебаниям от 0,59 т/га до 1,41 т/га. За исследуемый период наблюдался положительный линейный тренд.
Благодарности. Автор искренне благодарен доктору географических наук, профессору С. И. Зотову за неоценимую помощь в ходе выполнения работы.
Подготовка данной статьи была поддержана грантом РФФИ Бонус № 14-0591730.
99
Список литературы
1. Воропаев Р. С. Влияние изменения климата на фитомассу лесов Калининградской области : матер. 17-й ежегодной межвуз. науч.-практ. конф. «Пути повышения уровня подготовки специалистов в высших учебных заведениях». Калининград, 2014. Ч. 1. С. 275-278.
2. Зотов С. И. Моделирование состояния геосистем : учеб. пособие. Калининград, 2001.
3. Зотов С. И., Воропаев Р. С. Геоэкологический анализ воздействия метеорологических факторов на леса Калининградской области // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2015. Вып. 1. С. 43 — 49.
4. Келлер Р. Воды и водный баланс суши. Введение в гидрогеографию. М., 1965.
5. Родин Л. Е., Базилевич Н. И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. М. ; Л., 1965.
6. Уиттикер Р. Сообщество и экосистемы. М., 1980.
7. Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных. URL: meteo.ru (дата обращения: 03.12.2015).
8. National Climatic Data Center. URL: ncdc.noaa.gov (дата обращения: 03.12.2015).
9. Информационный ресурс о метеорологических условиях в мире. URL: www. ogimet.com (дата обращения: 03.12.2015).
10. Официальный сайт ООО «Расписание Погоды». URL: www.pr5.ru (дата обращения: 03.12.2015).
Об авторе
Роман Сергеевич Воропаев — мл. науч. сотр., Атлантическое отделение Института океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук, Калининград.
E-mail: romeaspirant@gmail.com
About the author
Roman Voropaev, Junior Researcher, Atlantic Branch of the P. P. Shirshov Institute of Oceanology of Russian Academy of Sciences, Kaliningrad.
E-mail: romeaspirant@gmail.com
