CC BY
8НА УЧНЫЕ СТА ТЬИ
Гидрометеорология и экология №4 2013
УДК 910.1
Доктор техн. наук Ж.С. Мустафаев *
Доктор техн. наук А.Т. Козыкеева
Канд. экон. наук К.Ж. Мустафаев
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИРОДНОЙ СИСТЕМЫ
КЛИМАТ, ТЕПЛООБЕСПЕЧЕННОСТЬ, ВЛАГООБЕСПЕЧЕН-НОСТЬ, ЭКОСИСТЕМА, ПОЧВА, СРЕДА, ПРИРОДНАЯ ЗОНА, ИНДЕКС СУХОСТИ
В статье рассмотрены вопросы моделирования тепло- и влагообеспеченности природной системы и на их основе определены закономерности функционирования основных природных зон Казахстана при изменении климата.
Решение многих вопросов системы природопользования, связанных с пониманием процессов функционирования природных комплексов, во многом осложняется не недостатком информационного обеспечения, а отсутствием надежных теоретических построений и апробированного методического обеспечения, позволяющих оценить состояние и прогнозирование их изменения под воздействием природной и антропогенной деятельности.
Как известно, основные закономерности процессов развития природных систем формируются широтной зональностью, которая определяется распределением тепла и влаги на поверхности и высотной поясностью, обусловленной наличием географических зон с различными абсолютными высотами.
Высотная поясность служит ярким географическим следствием морфоструктурной дифференциации, обусловленной резким увеличением величины радиационного баланса, а также изменением количества осадков с возрастанием высоты поверхности суши над уровнем моря, при одновременном действии барьерного эффекта горной системы.
На основе этой закономерности был сформирован периодический закон географической зональности В.В. Докучаева-А.А. Григорьева-М.И. Будыко, который характеризуется соотношением между энергетическим балансом и количеством осадков, выраженным в тепловых единицах
* Таразский ГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз
81
[1-3]. В дальнейшем соотношение между энергетическим балансом и количеством осадков стало основным критерием для оценки продуктивности климата [4] и экологической продуктивности ландшафтов [5].
В настоящее время в результате антропогенной деятельности происходит повсеместная трансформация природной системы, что требует проведение комплексной оценки взаимодействия природы и общества, происходящего на одной территории в одно и то же время. Изменение структуры ландшафтов под воздействием антропогенной деятельности ведет, прежде всего, к трансформации растительного покрова, снижению природного потенциала и экологической устойчивости в целом. Для оценки изменения природной системы в условиях природной и антропогенной деятельности возникает необходимость построения интегральной математической модели природных систем в соответствии с законом географической зональности, который позволяет придать количественные значения качественным изменениям ареалов, занимаемых природными системами.
При моделировании природных систем, позволяющем придать количественные значения качественным изменениям ареалов, занимаемых природными экосистемами, при изменении климата можно использовать географические зоны, которые считаются однородными, характеризующиеся некоторыми интегральными величинами продуктивности ландшафтов.
В качестве интегральной величины, характеризующей состояние природной системы, была выбрана продуктивность растительного покрова. Она может быть определена соотношением таких осредненных индикаторных величин, как суммарная солнечная радиация (кДж/см2), продолжительность безморозного периода (сутки), продолжительность периода с вегетационной активной температурой выше 10 оС (сутки), сумма среднесуточных температур (°С), количество атмосферных осадков за год (мм), количество атмосферных осадков за теплый период (мм), испаряемость (мм) и длительность вегетационного периода (сутки).
Создание корректной математической модели формирования продуктивности растительного покрова крайне затруднительно. Приходится прибегать к уменьшению числа предикторов, сосредоточившись на самых главных, определяющих производственный потенциал природной системы.
При этом связь между продуктивностью растительного покрова (У) и индикатором природных систем, можно найти, используя зависимость суммы среднесуточных температур воздуха, длительности вегетационного периода, фактора плодородия почвы, а также количества осадков:
82
У = у . к ■ К ■ К (1)
где Уi - продуктивность растительного покрова природной системы; Утах - максимальная продуктивность растительного покрова при самых благоприятных гидротермических условиях; К( - коэффициент, определяющийся температурным режимом вегетационного периода; Кк - коэффициент, определяющийся режимом увлажнения; КГ - коэффициент, определяющийся длительностью вегетационного периода.
Потребности растений в тепле, влаге и длительности вегетационного периода в природной системе различны, поэтому различны и зависимости продуктивности от температурного режима, режима увлажнения и длительности вегетационного периода. Их удобно выражать в долях от оптимума, благодаря чему получается обобщенная для различных растений зависимость: К = //^опт), Кк = /(Ж /Жопт) и
КТ = /(Т / Топт), где - сумма среднесуточной температуры вегетационного периода; ^ /опт - оптимальная сумма среднесуточной температуры вегетационного периода; Ж, = Ос, - количество осадков; Жопт = Осопт - необходимое или оптимальное количество осадков; Т -длительность вегетационного периода; Топт - оптимальная длительность
вегетационного периода.
С учетом закона толерантности, продуктивность растительного покрова от влагообеспеченности (Кк) аппроксимируется уравнением параболы и для их математического описания можно использовать формулу В.В. Шабанова в следующем виде [6]:
^ Е -Е
( Е _ Е У( Z7 Z7
к =
min
E_ _ E
Emax Ei
E„ _ Еэ
Е _Е
'-■in '-■x
эо ^min
(2)
V onm min J \ max эо J
где Еопт - оптимальное биологическое водопотребление растений; Еэо -экологическое водопотребление растений; Е{ - фактическое водопотребление растений; Emin, Emax - нижняя и верхняя границы нормы водопо-требления сельскохозяйственных культур, соответственно, при которой урожай равен нулю.
83
При этом следует отметить, что первая часть уравнения полностью характеризует уровень влагообеспеченности при формировании урожайности сельскохозяйственных культур, а вторая часть - влияние нормы водопо-требности на почвообразовательные процессы орошаемых земель, которые в определенной степени оказывают влияние на продуктивность растений.
В качестве основного критерия теплообеспеченности сельскохозяйственных культур принимают сумму активных температур, получаемую суммированием всех среднесуточных положительных температур, равных и больших +10 °С за продуктивный период от всходов весной до созревания урожая. При этом для описания продуктивности сельскохозяйственных культур от теплообеспеченности использованы три термических показателя: максимальная сумма температур выше +10 оС (У *), характеризующая возможные теплоресурсы в регионе; минимальные (У t ) и
максимальные (У *тах ) суммы биологически активных температур, необходимые для вызревания растений.
Коэффициент (К(), определяемый температурным режимом вегетационного периода, описывается следующим выражением:
т* -У*
Ь / х Ь тах ¿—I опт
/ t / t / t / t v опт min
¿щ^ i min max onm
vYt - Yt.,
V^^ max ¿ш^ min J
Y -Y
опт m
(3)
Yt - Yt
max i
где Y t - фактическая сумма температуры воздуха за вегетационный период; Y t - оптимальная сумма температуры воздуха за вегетационный период, необходимая для вызревания растения; У t - минимальная сумма температуры воздуха за вегетационный период, необходимая для вызревания растения; Y tmax - максимальная сумма температуры
воздуха за вегетационный период, необходимая для вызревания растения.
Учитывая симметрию формы кривой коэффициента теплообеспе-ченности, примем оптимальную для фотосинтеза сумму температур воздуха за вегетационный период как среднее арифметическое между максимальными и минимальными для фотосинтеза суммами температуры воздуха за вегетационный период, т.е. Y t = (Y t + Y t ) /2 .
опт min ¿ш^ max7
84
Коэффициент (КТ), определяемый длительностью вегетационного периода можно определить как отношение продолжительности вегетационного периода к количеству дней в году, т.е. КТ = Т, /365.
При моделировании процесса изменения ареалов природных экосистем под влиянием изменения климата были также введены комплексные функции, характеризующие, с одной стороны, потепление и иссушение климата, а с другой - его похолодание и увлажнение, представленные в виде следующей зависимости: К = К(Ос, Т), где Т - температура вегетационного периода; Ос - количество осадков в вегетационный период.
Тогда потепление и иссушение климата будет характеризоваться величинами 1,2К = К (1,2Т ;0,80с) , а похолодание и увлажнение климата,
соответственно 0,8К = К (0,8Т;1,20с ) [7-9].
На основе полученных зависимостей К( = /С^!, / ),
К„ = /(Ж, / Жопт) и КТ = /(Т, /Топт) построены графики (рис. 1). На
рис. 1 видно, что при каждом температурном режиме для получения продукции необходима вполне определенная влагообеспеченность, т.е. существуют некие нормы водопотребности, при которых фотосинтез растений будет протекать благоприятным образом в конкретной географической зоне.
Очевидно, по мере повышения засухоустойчивости растений «купол» зависимости теплообеспеченности (^! ) сдвигается вдоль оси в сторону меньших значений, для более теплолюбивых - «купол» сдвигается вдоль влагообеспеченности (Е{) в сторону больших значений. Таким образом, если некоторая географическая зона характеризуется средними многолетними значениями теполообеспеченности (^! ) и влагообеспеченности (Е{), можно определить продуктивность ландшафтов в отношении
различных культур от тепло- и влагообеспеченности. Используя предлагаемый принцип, можно решить обратную задачу выяснить ареалы возможного возделывания сельскохозяйственных культур.
Всем известно, что природные экосистемы в географических зонах различаются по показателю продукции растительного покрова, а продуктивность ландшафтов определяется по выражению (1). В модели использованы изменения интегрального показателя продукции как критерий, определяющий положение границ природных экосистем.
85
С помощью комплексной модели была определена продуктивность экосистем Казахстана в зависимости от влаго- и теплообеспеченности территории (табл. 1 и 2).
■е-
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0 1000 2000 3000 4000 5000 Сумма биологически атктивных температур
8 1.0
И 0.9
^ 0.8 и
¡3 0.7
и
ЧВ 0.6
О
¡3 0.5
■з 0.4
У 0.3 я
§ 0.2
® 0.1
Л
3 0.0
0 500 1000 1500
Нормы водопотребности сельскохозяйственных угодий
1.0 г
3 » н к
0.8 -
с
^ 2 0.6 чд о н и
® и „ . § §0.4
я я к 3
Й 0.2 и
п и о ш Ы
0.0
0 100 200 300 400
Продолжительность вегетационного периода, сутки
Рис. 1. Климатические коэффициенты: К^ - коэффициент теплообеспеченности; К* - коэффициент влагообеспеченности; Кт - коэффициент длительности вегетационного периода.
0.0
86
Таблица 1
Продукция природных экосистем Казахстана в зависимости от влагообеспеченности территории
Природная зона Индекс сухости Основные типы ) почвы Нормы водопотребления сельскохозяйственных угодий, мм
Е = Ос Ешт Етах Еопт Еэо 0,80 1,00 1,20
0,8 • Е Е 1,2 • е
Лесостепь Степь 0,90...1,00 черноземы 1,00.. .1,20 южные черноземы 300 274 375 343 450 411 200 200 620 415 640 425 366 395 0,68 0,57 0,87 0,86 0,98 0,95
1,20.1,30 темно-каштановые 264 330 396 200 700 465 405 0,49 0,79 0,88
1,30.1,45 каштановые 248 310 372 200 740 495 425 0,40 0,66 0,76
Полупустыня 1,45 .1,80 светло-каштановые 200 250 300 200 820 545 500 0,16 0,41 0,52
Пустыня северная 1,80.3,00 бурые, светлобурые 200 250 300 200 1100 755 564 0,17 0,31 0,50
Пустыня южная 3,00.2,00 сероземы 184 230 276 200 1400 950 710 0,11 0,20 0,32
Предгорная полупустыня 2 00 1 45 сероземы, темные ' "' ' сероземы 280 350 420 200 1360 910 615 0,34 0,48 0,58
Предгорная степь 1,45.1,30 каштановые 1,30.1,20 темно-каштановые 360 368 450 460 540 552 200 200 1290 860 1060 710 535 450 0,51 0,59 0,62 0,67 0,69 0,68
Горные степи и леса 1,20.1,00 горные типы 392 490 588 200 840 560 335 0,62 0,68 0,70
00 00
Таблица 2
Продукция природных экосистем Казахстана в зависимости от теплообеспеченности территории (при V t = 200 °С; У t = 4400 оС; V t = 2600 оС)
¿ш^ min ^^ тах ¿ш^ опт
Природная зона Индекс сухости (R) Основные типы почвы У t,
0,80 1,00 1,20 0,80 1,00 1,20
Лесостепь 0,90. .1,00 черноземы 1360 1700 2040 0,21 0,30 0,44
1,01. .1,20 южные черноземы 1760 2200 2640 0,35 0,47 0,67
Степь 1,21. .1,30 темно-каштановые 1920 2400 2880 0,40 0,57 0,77
1,31. .1,45 каштановые 2080 2600 3120 0,45 0,64 0,90
Полупустыня 1,46. .1,80 с ветло -каштановые 2240 2800 3360 0,51 0,73 1,00
Пустыня северная 1,81. .3,00 бурые, светлобурые 2880 3600 4320 0,77 1,00 1,00
Пустыня южная 3,01. .2,00 сероземы 3360 4200 5040 0,95 1,00 1,00
Предгорная полупустыня 2,01. .1,45 сероземы, темные сероземы 2720 3400 4080 0,69 1,00 1,00
Предгорная степь 1,46. .1,30 каштановые 2240 2800 3360 0,51 0,73 1,00
1.31. .1.20 темно-каштановые 2080 2600 3120 0,45 0,64 0,90
Горные степи и леса 1.21. .1.00 Горные типы 1920 2400 2880 0,40 0,57 0,77
На основе предложенного подхода оценки продуктивности экосистем, можно определить закономерность функционирования ландшафтов при изменении климата. Оценка должна ответить на вопрос о том, будет ли граница природной зоны оставаться неизменной во времени и пространстве, либо она будет смещена вверх или вниз по вертикальной поясности, а ареал природной зоны будет либо сужаться, либо расширяться.
В табл. 1 и 2 показано, как изменяется продуктивность природной экосистемы и ее границы, если температура и количество осадков за вегетационный период изменяются на 20 %. При увеличении температуры вегетационного периода на 20 % ,теплообеспеченость территории увеличивается от 0,14 до 0,27; при снижение на 20 % уменьшается от 0,09 до 0,22, что, в определенной степени, оказывает влияние на ареал возделывания отдельных видов сельскохозяйственных культур. При увеличении влаго-обеспеченности территории на 20 % увеличивается продуктивность естественных сельскохозяйственных угодий от 0,11 до 0,19. При снижении влагообеспеченности на 20 % продуктивность уменьшается от 0,19 до 0,26, что приводит к опустыниванию огромных территорий Казахстана.
Итак, при изменении климата определенной территории в степной зоне, происходит наступление полупустыни, а полупустыня переходит в пустыню, что будет оказывать воздействие на переформирование природной системы Казахстана. Распределение экосистем в природной зоне Казахстана при существующих и ожидаемых климатических характеристиках представлено на рис. 2 и 3.
На основе разработанной модели продуктивности экосистемы, определена продуктивность природных экосистем Казахстана (табл. 3). Как видно из данных табл. 3, результаты моделирования продуктивности экосистем природных зон Казахстана при ожидаемом изменении климата изменят ареал географических зон. Это приведет к смещению их границ и размеров площади. Так, в связи с понижением температуры (похолодание) и увеличением влажности (увлажнение) продуктивность и площади степной и пустынной экосистемы будут заметно уменьшаться. А при потеплении и росте сухости климата продуктивность природной зоны возрастает незначительно, площади степной и пустынной экосистем будут увеличиваться, что необходимо учитывать при размещении производительных сил агропромышленного комплекса страны.
89
Рис. 2. Влияние колебаний климата на продуктивность экосистемы природных зон Казахстана при изменении
влагообеспеченности.
Рис. 3. Влияние колебаний климата на продуктивность экосистемы природных зон Казахстана при изменении
теплообеспеченности.
Таблица 3
Продуктивность природных экосистем Казахстана
Природная зона Индекс сухости (Я) Основные типы почвы = £ *
0,80 1,00 1,20
Лесостепь 0,90.1,00 черноземы 0,140 0,261 0,431
Степь 1,01.1,20 южные черноз. 0,200 0,404 0,636
1,21.1,30 темно-каштан. 0,196 0,450 0,677
1,31.1,45 каштановые 0,180 0,422 0,684
Полупустыня 1,46.1,80 светло-каштан. 0,082 0,299 0,520
Пустыня северная 1,81.3,00 бурые, светлобурые 0,131 0,310 0,500
Пустыня южная 3,01.2,00 сероземы 0,105 0,200 0,320
Предгорная полупустыня 2,01.1,45 сероземы, темные сероземы 0,235 0,480 0,580
Предгорная степь 1,46.1,30 каштановые 0,260 0,453 0,690
1,31.1,20 темно-каштан. 0,266 0,429 0,612
Горные степи и леса 1,21.1,00 горные типы 0,248 0,388 0,539
Таким образом, разработанная модель продуктивности экосистемы, на основе интеграции природных зон, входящих в нее в соответствии с их географической зональностью, позволяет определить закономерности функционирования природных экосистем не только при долговременном изменении климата, но и от степени антропогенного воздействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бугровский В.В., Лютов Л.И., Меллина Е.Г., Цельникер Ю.Л., Теблее-ва У.Ц. Моделирование лесных экосистем / Эксперимент «Убсу-Нур». - М.: Интеллект, 1995. - С.3-50.
2. Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. - Л.: Гидрометео-издат, 1956. - 255 с.
3. Григорьев А. А. Закономерности строения и развития географической среды. - М.: Мысль, 1966 . - 382 с.
4. Докучаев В.В. Избранные труды. / Под ред. акад. Б.Б. Полынова. - М.: Изд-во АН СССР, 1949. - 643 с.
5. Мустафаев Ж.С. Методологические и экологические принципы мелиорации сельскохозяйственных земель. - Тараз, 2004. - 306 с.
6. Мустафаев Ж.С. Почвенно-экологическое обоснование мелиорации сельскохозяйственных земель в Казахстане. - Алматы: Гылым, 1997. - 358 с.
92
7. Теблеева У.Ц. Интегральная математическая модель геосистемы Центрально-азиатского региона // Известия АН. Серия географическая. -2000. - №1. - С. 94-101.
8. Теблеева У.Ц. Функциональные модели эко- и геосистем различного иерархического уровня. - М.: Институт географии РАН, 1995. - 175 с.
9. Шабанов В.В. Влагообеспеченность яровой пшеницы и ее расчет. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 142 с.
Поступила 23.10.2013
Техн. гылымд. докторы Ж.С. Мустафаев Техн. гылымд. докторы Э.Т. Крзыкеева Экон. гылымд. канд. К.Ж. Мустафаев
ТАБИГИ ЖУЙЕНЩ ЦЫЗМЕТТ1К МАТЕМАТИКАЛЬЩ YЛГIСI
Мацалада табиги жуйетц жылумен жэне ылгалмен цамтамасыздыгын бейнелеу мэселелерг жэне олардыц неггзгнде климаттыц взгеру1 кез1нде Цазацстанныц нег1зг1 табиги аймацтарыныц жумыс гстеу зацдылыцтары аныцталган.
93
