ОБОБЩЕНИЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ДИНАМИКИ ФИТОЦЕНОЗОВ ОСУШЕННОГО ДНА АРАЛЬСКОГО МОРЯ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Задача обобщения и выявления закономерностей многолетней динамики фитоценозов – это осушенное дно Аральского моря. Проблема актуальна и требует своего решения для определения тенденций эволюции осушенного дна Аральского моря и прогнозирования его состояния. Крайняя необходимость решения этой задачи продиктована также проблемой ветрового выноса солей, для ослабления которого в данное время единственной мерой является фитомелиорация.

В данной работе представлены результаты моделирования эволюции фитоценозов осушенного дна Аральского моря, с учетом фактографических данных, заключающихся в выявлении закономерностей динамики развития растительного покрова.

ABSTRACT

The task of generalizing and identifying patterns of long-term dynamics of phytocenoses of the drained bottom of the Aral Sea is relevant and requires its solution to determine trends in the evolution of the drained bottom of the Aral Sea and predict its condition. The urgency of this task is also dictated by the problem of wind removal of salts, for the weakening of which at this time the only measure is phytomelioration.

This paper presents the results of modeling the evolution of phytocenoses of the drained bottom of the Aral Sea, taking into account factual data, which consist in identifying patterns of the dynamics of vegetation cover development.

Ключевые слова: многолетняя динамика, фитоценоз, Аральское море, растительный покров, ветровой вынос солей.

Keywords: long-term dynamics, phytocenosis, Aral Sea, vegetation cover, wind removal of salts.

Введение. Важной части ландшафтов осушенного дна Аральского моря – растительному покрову – посвящено множество исследований, выполненных на основе экспедиций, предпринятых в разные годы в отдельных частях данного географического участка. Наиболее подробно исследовалась южная часть осушенного дна Аральского моря как наиболее доступная для полевых исследований Кабулова С.К [5], Курбаниязова А.К [9], Кузьминой Ж.В и Трешкина С.Е [7; 8]. Динамика растительного покрова северо-восточной части с акцентом на сукцессиях исследована Димеевой Л.А [2; 3]. Растительный покров части осушенного дна Арала, соответствующей валу Архангельского, описывалась Шомурадовым Х.Ф и др. [13; 14] и Шеримбетовым С.Г [12]. Растительный покров причинковой части осушенного дна Арала изучался в ходе экспедиций Института Океанологии имени П.П.Ширшова Российской Академии наук под руководством О.П Завьялова [4]. Осушка восточного бассейна последнего десятилетия как отмечено во многих работах, лишена растительного покрова и почти не изучена в флористическом отношении вследствие недоступности этих территорий.

Существенная площадь выноса динамичности фитоценозов осушенного дна Арала, скорость сукцессий, значительно превосходящая скоростьестественных природных процессов развития растительного покрова, обусловлены динамикой экологических условий, прежде всего засоленности почв. В связи с этим возникают существенные трудности для обобщения многолетней динамики растительного покрова на базе мозаичной картины многочисленных и разнообразных фактографических данных. Вместе с тем задача обобщения и выявления закономерностей динамики фитоценозов осушенного дна Арала актуальна и требует своего решения с целью определения тенденций эволюции осушенного дна Арала и прогнозирования его состояния. Актуальность этой задачи продиктована также проблемой ветрового выноса солей, для ослабления которого в данное время единственной мерой является фитомелиорация. Поставленную задачу практически невозможно решить качественными методами, поскольку для этого необходимо выполнить процедуры обоснованного агрегирования, абстрагирования, аппроксимации, интерполирования и экстраполяции, являющиеся количественными методами исследования.

Целью данной работы является обобщение многолетней (1961−2020гг.) динамики фитоценозов осушенного дна Арала на основе систематизации имеющейся фактографической информации.

Научная новизна результатов исследования заключается в количественном представлении методами математического моделирования многолетней (1961−2020гг.) динамики фитоценозов на всем осушенном дне Арала.

Методы исследования. Поскольку основным методом исследования являются математические моделирования, изложим неизбежные при моделировании упрощения и принятые условия.

Период моделирования – 1961−2020 гг. – разделен на десятилетия (1961−1970, 1971−1980 и т.д.), так как это время существенных природных трансформаций, а также это традиционное в эколого-географических исследованиях разделение времени эволюции Аральского кризиса [6].

Пространственное квантование соответствует разделению периода моделирования на десятилетия: осушенное дно разделено на полосы осушения в 1961−1970гг., 1971−1980 гг. и т.д. Разнообразие и разбросанность типов ландшафтов осушенного дна Арала не позволяют использовать при формализации как аргумент декартовы координаты. Поэтому для идентификации пространственной локализации используются полосы осушения различных десятилетий.

1. Как условие моделирования принято, что при исследовании многолетней динамики растительного покрова на осушенном дне Арала можно исключить фактор межгодовой климатической изменчивости (водность, осадки, засухи и др.) как незначительные шумы.

2. Идентификация растительного покрова только общим проективным покрытием (ОПП) без видовых различий требует более подробного обоснования. Во-первых, большое видовое разнообразие (более 400 видов) и скорость сукцессий не позволяет моделировать многолетнюю динамику по видовому признаку. Во-вторых, результаты   численных экспериментов по чувствительности моделей влияния растительного покрова на окружающую среду к таким параметрам как проективное покрытие, транспирация и эвапотранспирация [11] показали, что доминирующим (70-90% вклада в то или иное воздействие на окружающую среду) является общее проективное покрытие без видовых различий. Достаточно большая выборка (180 случаев с различными растениями) обосновывает правомерность выбора общего проективного покрытия как количественной характеристики растительного слоя. Этот вывод подтверждается также аналогичными модельными исследованиями растительного покрова без видовых различий [15; 16; 17; 21].

3. Среднегодовое соленакопление на осушке N-го десятилетии в поверхностных слоях постаквальной суши определяется 3-мя процессами: 1) перенос солей из грунтовых вод при испарении (И); 2) осаждение водорастворимых солей при регрессии моря (Д) и 3) вынос солей, то есть увеличение запасов соли.

4. Зависимость динамики растительного покрова от засоленности осушенного дна Арала считается инвариантной для всего осушенного дна Арала [18; 19]:

δ_f(Т,t) = -0,0002(S_ПС)³+0,0334(S_ПС)²-2,0651S_ПС+100                 (1)

где δ_f(Т,t) – общее проективное покрытие, S_ПС = Среднегодовое соленакопление на осушке N-го десятилетии [10; 18; 19; 20].

5. Вынос солей идентифицируется при оценке связи ВС®РП приповерхностной среднегодовой концентрацией солевого аэрозоля. Влияние выноса солей на растительный покров, несмотря на актуальность вопроса остается малоизученным. Поэтому уменьшение общего проективного покрова под влиянием выноса солей в первом приближении оценивается соотношением [11]:

∆ δ_f= С_w/ С_кр                                                  (2)

где С_w=-311N+7685, N-номер десятилетия, С_кр=1500 мкг/м³[11].

6. Динамика РП в зависимости от обеих модельных характеристик постаквальной суши вычисляется из следующего уравнениями [10; 19]:

δ_f(Т,t) = -0,0002(S_ПС)³+0,0334(S_ПС)²-2,0651S_ПС+100-∆ δ_f                (3)

Ратификация результатов моделирования проводилась по имеющимся фактическим данным по ОПП, пространственное (площади) сопоставление модельных и реальных данных выполнялось обработкой снимков с ИСЗ при помощи программы LpSquare.

Результаты исследования. Из расчетов математического моделирования выяснилось, что помимо засоленности почвогрунтов существенным фактором ухудшения состояния растительного покрова является ветровой вынос солей с осушенного дна Арала. В целом, результаты моделирования показали, что факторами динамики общего проективного покрытия растительного покрова являются засоленность почв (91%) и ветровой вынос солей (9%).  (Рис.1-3).

Рисунок 1. Динамика проективного покрытия осушенном дне Арала в зависимости от засоленности постаквальной суши

Рисунок 2. Среднегодовое влияние выноса солей на растительной покрова (З.Ч) в осушенном дне Аральского моря

Рисунок 3. Среднегодовое влияние выноса солей на растительной покрова (В.Ч) в осушенном дне Аральского моря

Результаты расчетов отражены на в табл.1-2 и на рис.1

Таблица 1

Динамика фитоценоза ОПП причинковой части осушенного дна (%) в зависимости от засоленности почв(г/кг) и ветрового выноса солей

Таблица 2

Динамика фитоценоза ОПП фитоценоза восточной части ОДА (%) в зависимости от засоленности почв(г/кг) и ветрового выноса солей

В таблицах 1-2 в первом столбце обозначены номера десятилетий, на которые разделен период моделирования. Далее попарно даны засоленность почв (г/кг) в Т- ом году осушения и соответствующее проективное покрытие (%) для каждого из десятилетий.

Рисунок 4. Современное (2020г.) состояние растительного покрова на осушках разных лет

Результаты моделирования свидетельствуют о нелинейном снижении общего проективного покрытия осушающихся полос дна Аральского моря. С увеличением Т разница в темпах для различных десятилетий постепенно снижается.

Результаты моделирования согласуются с выводами относительно тенденций развития других исследователей фитоценозов осушенного дна Арала. Например, в работе [1] говорится, что «современное состояние (2017 г.) общего проективного покрытия и видового состава профиля показало низко прогрессивные тенденции (r = 0,03), т. е. в будущем прогнозируется образование растительных сообществ с низким проективным покрытием и видовым составом» [1].

Заключения. Закономерность формирования растительности на ОДА для всего рассматриваемого периода (1961−2020 гг.) проявляется в том, что с неуклонным увеличением засоленности почв осушающихся территорий, происходит снижение ОПП фитоценозов на данной территории с нарастающими темпами. Рассоление старых осушек тормозится осаждением солей, поднятых с очагов выноса при пылевых бурях, таким образом нарушается и эволюционный ход сукцессий псаммофильного типа.

1. Динамика зарастания ОДА по десятилетиям отрицательная. Так, если в первом десятилетии на первый год осушения ОПП составляла 88%, то в последнем десятилетии ОПП снизилась до 1%.
2. Расчеты по анализу чувствительности модели показали, что учет фактора ветрового выноса солей при моделировании динамики растительного покрова на ОДА обязателен ввиду его существенного влияния на растения, как путем иссечения надкорневой части, так и засолением почв, влияющим на физиологические процессы корневой системы.
3. В целом геосистема Аральского моря и осушенного дна представляет собой яркий пример экосистемы, находящейся в кризисных условиях, с солевым параметром управления. 
4. Результаты математического моделирования могут быть использованы при разработке оптимального варианта создания лесных насаждений на осушенном дне Аральского моря.

Список литературы:

1. Адилов Б.А., Рахимова Т., Шомуродов Х.Ф., Рахимова Н.К., Абдураимов О.С., Айтмуродов Р.П., Вохидов Ю.С., Абдиниязова Г. Сукцессия растительных сообществ восточного чинка плато Устюрт (Республика Узбекистан) в связи с изменением климата // Вестник современных исследований. – 2018. – № 23. – С.9-12
2. Димеева Л.А. Динамика урожайности фитоценозов осушенного дна Аральского моря // Известия НАН Республика Казахстан. Серия биологическая. – 1997. – № 5. – С. 17–24.
3. Димеева Л.А. Закономерности первичных сукцессий Аральского побережья // Аридные экосистемы. – 2007. – Т. 13. – № 33–34. – С. 89–100.
4. Завьялов П.О., Андрулионис Е.Е., Арашкевич Е.Г., Грабовский А.Б. и др. Экспедиционные исследования в Западном бассейне Аральского моря в сентябре 2006 г. // Океанология. – М., 2008. – Т.48. – № 4. –  С. 648-654.
5. Кабулов С.К. Изменение фитоценозов пустынь при аридизации. – Ташкент: Фан, 1990. – 240 с.
6. Кубланов Ж.Ж., Тлеумуратова Б.С. динамика засоленности осушенного дна Аральского моря как функция увеличения солености воды // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2022. 11(101). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14418
7. Кузьмина Ж. В., Трешкин СЕ., Мамутов Н.К. Системное изучение аридных территорий результаты опытного формирования естественной растительности на засоленных землях обсохшей части Аральского моря // Аридные экосистемы, 2006. – Т. 12. – № 29. – С. 27–39.
8. Кузьмина Ж.В., Трешкин С.Е. Формирование растительности на солончаках обсохшего дна Аральского моря в изменяющихся климатических условиях // Доклады Российской Академии сельскохозяйственных наук. – 2009. – № 1. – С. 32–35.
9. Курбаниязов А.К. Эволюция ландшафтов обсохшего дна Аральского моря.  – М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2017. – 148 с.
10. Тлеумуратова Б.С., Кубланов Ж.Ж., С.А.Кочкарова., С..Мамбетуллаева. Моделирование эволюции фитаценозов осушенного дна Аральского моря // Доклады Академии наук Республики Узбекистан (ДАН). –  С.81–85.
11. Тлеумуратова.Б.С. Математическое моделирование влияния трансформаций экосистемы Южного Приаралья на почвенно–климатические условия : дисс. … д–ра физ.–мат. наук. – Ташкент, 2018. – 209 с.
12. Шеримбетов С.Г. Галофильная растительность высохшего дна Аральского моря и ее роль в формировании биологического разнообразия // Вестник Гулистанского государственного университета. – 2015.  – № 3 (58). – C. 29 –32.
13. Шомуродов Х.Ф., Адилов Б.А. Современное состояние растительности острова возрождения (Узбекистан) // Аридные экосистемы. – 2019. – Т. 25. – № 2 (79). – С. 27–34.
14. Шомуродов Х.Ф., Сарибаева Ш.У., Ахмедов А. Распространение и современное состояние редких видов растений на плато Устюрт в Узбекистане // Аридные экосистемы. Отраслевые проблемы освоения засушливых земель. – 2015.– Т.21.– № 4 (65).– С.75–83.
15. Cox P.M. et al., Increasing risk of Amazonian drought due to decreasing aerosol pollution// Nature. – 2008. – Vol. 453. – Pp. 212– 215.
16. Fritschen L. J, van Bavel C.H.M. Energy balance components of evaporating surfaces in arid lands// J.Geophysics Res. – 1962. – Vol. 67. – Pp. 5179–5185.
17. Hudetz W. J. Sensitivity analysis applied to ecosystem models / In: Progr. Cybern. And Syst, Ress. – Vol. I. – Washington. – 1975. – Pp. 23–39.
18. Tleumuratova B.S, Kublanov J.J, Kochkarova S.A, Mambetullaeva S.M. Modeling of the Processes of Formation and Development of Phytocenoses of the Dried Bottom of the Aral Sea. // International Journal of Science and Research (IJSR). – Vol. 9. – Issue 10. – October 2020. Pр.1066–1071. – URL: www.ijsr.net. (дата обращения: 20.07.2023).
19. Tleumuratova B.S., Kublanov J.J., Kochkarova S.A., Mambetullaeva S.M. Mathematical Model of Long – Term Dynamics of Phytocenoses in the Eastern Part of the Dry Bottom of the Aral Sea International Journal of Science and Research (IJSR). – Vol. 9. – Issue 10. – 2020. – Pр. 462–465.
20. Tleumuratova B.S., Kublanov J.J., Mambetullaeva S.М. Modeling of the Long–Term System Dynamics of Salt Removal of Wind and Plant Cover on the Dry Bottom of The Aral Sea // Journal of Positive School Psychology, 2022. – Vol.6. – №4. – Pр. 1630–1638. URL: http://journalppw.com (дата обращения: 20.07.2023).
21. Wu J. Modelling the energy exchange processes between plant communities and environment// Ecological Modelling.–1990. – №53. – Pр. 233–250.