Новости

На правах, рукописи

Зилов Евгений Анатольевич

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ОЦЕНКЕ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ В
УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
(НА ПРИМЕРЕ ОЗ. БАЙКАЛ)

03.00.16-Экология 03.00.18 - Гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва
2004

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте биологии при Иркутском государственном университете.

Официальные оппоненты:
     Член-корреспондент РАН. профессор, доктор биологических наук   Г.С. Розенберг
     Доктор биологических наук, профессор   В.А. Абакумов
     Доктор биологических наук   А.Т. Терехин

Ведущее учреждение - Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцева РАН

Защита состоится 25 ноября 2004г. в 16 час. на заседании диссертационного совета Д 212.203.17 при Российском университете дружбы народов по адресу; 113093, г, Москва, Подольское шоссе, д. 8/5, экологический факультет РУДН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу. 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан 25 октября 2004 г.

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Современная теоретическая экология, как и 30 лет назад [Margalef, 1973], зачастую оказывается бессильной при решении практических задач прогнозирования, необходимых для управления ресурсопользованием [Kumagai et al, 1999; Кондратьев, 1999]. По мнению Р. Петерса: 'Экология может давать полезные, количественные, общие прогнозы, если ее теории будут: эмпирическими, т. к. лишь эмпиризм позволяет реалистично оценивать неопределенность, связанную с неучтенными факторами; холистическими и упрощенными, поскольку сложные или механистические теории показали себя практически непригодными; практическими, более связанными с насущными вопросами о природе, нежели с академической схоластикой' [Peters, 1991, р. 304].

Уже сейчас в техногенных процессах образуется около 100 000 химических соединений - потенциальных загрязняющих веществ. Если учесть, что для предсказания поведения в окружающей среде каждого из этих соединений мы должны знать, по крайней мере 25 характеристик и. для прогноза его воздействия на биоту нужно изучить его взаимодействие пусть не с 5 000 000 видов, населяющих планету, а лишь с 25 000 'ключевых' видов, то мы получим количество необходимых исследований около 7,25-1010, что, естественно, совершенно нереально [J0rgensen, 1998]. Из этого, очевидно, что широко используемое сейчас биотестирование не способно решить проблемы экотоксикологической прогностики. Кроме того, нельзя не согласиться с Р. Маргалефом в том, что 'к сожалению, для биотестирования, эволюция не остановилась и тест-объекты подвержены изменениям при культивировании' [1992, с. 32].

Представляется, что математическое моделирование и эксперименты с модельными экосистемами на сегодня - едва ли не единственно возможные подходы к предсказанию последствий антропогенных воздействий на экосистемы [Beyers, Odum, 1993; J0rgensen, 1997].

Цель и задачи работы. Разработать методологические подходы к оценке функционирования крупных водных экосистем в условиях антропогенной нагрузки (на примере озера Байкал). Для достижения указанной цели следовало решить следующие задачи:

• проанализировать существующие методы предсказания антропогенных изменений водных экосистем и выбрать наиболее продуктивные из них;
• получить данные о взаимодействии планктонного сообщества озера Байкал с биоген- ными элементами и главными загрязнителями озера;
• обеспечить построение математической модели на основе этих экспериментальных данных; провести вычислительные эксперименты прогнозного характера с математическими моделями;
• исследовать пригодность различных интегральных показателей для оценки состояния экосистем и анализа их антропогенных изменений по литературным источникам, для мате матических моделей, результатов натурных экспериментов и полевых наблюдений.

Научная новизна. Впервые построены математические модели антропогенных возмущений экосистемы крупного олиготрофного водоема на основе идеологии сложного модельного эксперимента. В ходе их информационного обеспечения впервые проведены подледные экотоксикологические опыты с мезокосмами, по единой методике оценено воздействие основных загрязняющих веществ на компоненты планктонного сообщества оз. Байкал, обнаружены значительные различия в реакции подледного и летне-осеннего комплексов планктона на внешние воздействия. В вычислительных экспериментах с моделями показано наличие существенного отклонения динамики компонентов планктона оз. Байкал от невозмущенного.

Предложено в качестве индикатора состояния здоровья экосистем использовать такую целевую функцию, как структурная эксэргия. Впервые проведен анализ закономерностей изменения структурной эксэргии в экспериментах с модельными экосистемами, проведенных разными группами исследователей; в экспериментах с мезокосмами поставленных на оз. Байкал по единой методике; впервые проведено сравнение величины структурной эксэргии для чистого и подверженного антропогенному воздействию районов озера; доказана работоспособность структурной эксэргии в качестве индикатора состояния экосистем.

Практическая значимость. Полученные данные могут быть использованы для прогностических оценок антропогенной динамики компонентов экосистемы озера Байкал, методология сложного модельного эксперимента может быть приложена к другим водным объектам для предсказания результатов того или иного режимов хозяйственной деятельности в их бассейнах, оценки эксэргии могут применяться в качестве индикаторов состояния экосистем для мониторинга гидросферы.

. Результаты работы были использованы при выполнении работ по темам 'Оценить взаимодействие основных загрязнителей и важнейших биотических и абиотических компонентов экосистемы озера Байкал и обеспечить построение математической модели антропогенной динамики озера' (тема дополнительного финансирования ГКНТ СССР), 'Информационное обеспечение математической модели экосистемы озера Байкал' (хозяйственный договор с ЛИН АН СССР), 'Моделирование ресурсно-экономических региональных систем' (комплексная программа ВСФ, БурФ СО АН СССР и Минвуза РСФСР), 'Анализ и прогноз

состояния водных экосистем на основе модельных экспериментов', 'Исследование структуры, функционирования, эволюции экосистем байкальского региона' (Минобразование РФ), 'Математическое моделирование водной экосистемы на основе методов неравновесной термодинамики', 'Анализ приложимости метода гиперциклов для моделирования динамики надорганизменных биосистем' (программа 'Университеты России'), 'Оценка устойчивости экологических систем с помощью физического, математического и комплексного моделирования (на примере озера Байкал)' (грант РФФИ ? 94-04-12360), 'Оценка состояния планктонных сообществ открытого Байкала и параметров, характеризующих продуцирование и деструкцию органического вещества' (грант РФФИ ? 01-04-97227), 'Изучение механизмов функционирования экосистемы озера Байкал' (грант РФФИ ? 02-04-49362), а также использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций в Иркутском университете (на биолого-почвенном, физическом и географическом факультетах), в Королевской школе фармакологии и Техническом университете Копенгагена, в Университете Пэ Джэ (Республика Корея).

Основные положения, выносимые на защиту:

• Метод моделирования отклонений от невозмущенного состояния экосистемы позволяет получать работоспособные и реалистичные прогностические модели, поэтому может быть рекомендован для внедрения в практику экологического прогнозирования.
• Построение математических моделей на основе данных, полученных в экспериментах с модельными экосистемами, повышает надежность прогнозирования антропогенных изме- нений экосистем, поэтому должно использоваться как один из основных методов экологической прогностики.
• Такой интегральный показатель, как структурная эксэргия, из всех использующихся, наилучшим образом соответствует задачам прогностического характера при оценке антропогенных изменений экосистем и должен применяться для определения направленности этих изменений.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в получении и обработке эмпирического материала при постановке экспериментов с мезокосмами на оз. Байкал, оценке коэффициентов для модели возмущений, разработке сценариев для численного моделирования. Анализ результатов полевых, лабораторных и численных экспериментов, все расчеты эксэргии и структурной эксэргии выполнены автором. Им же лично разработаны модели экосистем на основе методов неравновесной термодинамики (как математический аппарат, так и программное обеспечение), программное обеспечение для работы с моделью возмущений на ПК. Основные идеи, методологические подходы и теоретические разработки принадлежат автору

Апробация. Основные положения диссертации докладывались на рабочих семинарах кафедр зоологии беспозвоночных и гидробиологии, теоретической физики, Вычислительного центра и Научно-исследовательского института биологии ИГУ, Иркутского Вычислительного Центра и Лимнологического института СО РАН, Института гидробиологии АН Украины, Института биологии АН Латвии, кафедры химии окружающей среды Королевской школы фармакологии Дании, Института географии и лимнологии АН Китая, биологических факультетов Университета Пэ Джэ и Сеульского Национального Университета (Ю. Корея), I Международной Верещагинской конференции (Листвянка, 1989), IV Международной конференции 'Проблемы экологии Прибайкалья' (Иркутск, 1993), Международной конференции 'Проблемы экологии' (Иркутск, 1995), Международном Симпозиуме по новой стратегии исследований водной среды (Нанкин, 1997), III Международном Конгрессе 'Вода: Экология и Технология' (Москва, 1998), 8-й и 9-й Международных конференциях по охране озер и управлению ими (Копенгаген, 1999, Оцу, 2001), VIII-м Международном Экологическом Конгрессе (Сеул, 2002), I Международном Симпозиуме по состоянию поверхностных и подземных вод горных стран (Иркутск, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ общим объемом 36 п. л., в том числе 23 в центральных изданиях, 24 - в международной печати.

Объем и структура работы. Работа изложена на 312 страницах, состоит из введения, 15 глав, сгруппированных в 4 раздела, заключения, выводов, списка литературы, включающего 504 работы, (в том числе иностранных - 354). Работа содержит 45 рисунков и 67 таблиц.