Динаміка лісових біогеоценозів степової зони України (нелінійні процеси: сукцесії, інформаційні взаємодії, рекультивація)

Запропоновано кілька формальних оцінок витрат на лісову рекультивацію та розроблено базові постановки задач управління її перебігом: а) про мінімізацію витрат на виконання вимог щодо строків проведення та якості робіт; б) про швидкодію, коли необхідно максимально швидко досягти заданого ступеня рекультивації без перевищення відпущених коштів; в) про максимальну ефективність, коли в зазначений термін і за певних обмежень щодо витрат необхідно досягти максимального рівня рекультивації.

Лінійні моделі оптимізації лісової рекультивації. Розглянуто проблеми оптимального проведення рекультиваційних робіт для випадку, коли розвиток фітоценозу описується лінійною моделлю експоненціального зростання. Витрати на рекультивацію оцінювалися квадратичним функціоналом. Показано, що в оптимальному випадку “функція догляду” (інтенсивність меліоративних і лісокультурних робіт) має бути постійною упродовж перебігу усього процесу, а “функція впровадження” (лісопосадки) повинна бути максимальною на початку здійснення робіт, а потім знижуватися за експоненціальним законом. Розглянуто випадок, коли паралельно проводиться відновлення двох лісових біогеоценозів, і визначено умови для оптимального розподілу зусиль між цими процесами.

Плануючи рекультиваційні роботи, слід враховувати ефект старіння лісопосадок та неоднакову чутливість особин різного віку до несприятливих умов середовища. Для врахування цих ефектів на основі безперервного аналога моделі Леслі розроблено спеціальну модель процесу рекультивації. Показано, що залежно від якості посадкового матеріалу та інтенсивності збирання й аналізу інформації про приживлюваність тих чи інших видів можливі різні оптимальні розподіли зусиль протягом процесу: від монотонно спадних до монотонно зростаючих.

Нелінійні задачі оптимізації процесу рекультивації. До суттєво нелінійних відносяться задачі про одночасне використання функцій впровадження і догляду, а також управління рекультивацією з урахуванням обмеженості середовища (з використанням логістичної моделі) та наявності граничної величини, починаючи від якої біогеоценоз може розвиватися (з використанням моделі розвитку у ворожому середовищі). Результати розв'язку оптимізаційної задачі для випадку одночасного проведення лісонасаджень та лісокультурних робіт показують, що інтенсивність лісокультурних заходів з часом має дещо збільшуватися, а не залишатися постійною, як це мало місце для лінійної моделі. У випадках, коли процес розглядається як процес з обмеженим розміром середовища, вирішальним у задачах оптимізації є сприятливе співвідношення бажаного рівня розвитку лісового біогеоценозу та його рівноважного стану. Бажано вибирати такі вимоги до динаміки системи, щоб вони збігалися з рівноважним значенням.

ПРИКЛАДИ ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-МАТЕМАТИЧНИХ МЕТОДІВ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ БІОІНДИКАЦІЙНИХ ТА ЕКОТОКСИКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ СТЕПОВОГО ПРИДНІПРОВ'Я

Інформаційні аспекти біоіндикації. Біоіндикаційні дослідження, що полягають у збиранні та інтерпретації екологічної інформації, розглядаються як інформаційний процес. З позицій системного підходу йдеться про вибір (на основі доступної інформації) макропараметрів біогеоценозу, які характеризують його глобальні системні властивості, зокрема тенденції розвитку та ступінь антропогенної трансформації (Дідух, Плюта, 1994). Використання інформаційних моделей у біоіндикації розглядається в двох аспектах. По-перше, інформаційним процесом вважається сама робота з інформацією дослідника-еколога. По-друге, моделі інформаційних процесів у біогеоценозах дозволяють використовувати як біоіндикаційні показники певні інформаційні характеристики, які, за своєю природою, мають інтегральний характер.

Інформаційний підхід до вибору біоіндикаційних показників складається з кількох етапів, кожен з яких передбачає застосування як статистичних, так і системних методів. До основних етапів відносимо: вибір рівня деталізації опису біогеоценозу; визначення значущості окремих елементів та їх параметрів; вибір оптимальних ансамблів показників на основі критеріїв їх інформаційної комп-лементарності. Наявність множини значущих показників дає можливість будувати біоіндикаційні моделі. Процес побудови моделі також розбивається на етапи: вибір конкретного виду моделі; її тестування і коригування; перевірка достовірності й достатності вихідної інформації та аналіз можливих шляхів її поповнення; розв'язання на основі отриманих моделей спеціальних біоіндикаційних проблем (визначення критичних значень біоіндикаційних параметрів; чисельні експерименти з моделлю; оптимізація навантаження на екологічні системи і т. ін.).

Біоіндикація контрастних біотопів та дослідження міграції важких металів. Розроблену методику було застосовано для розв'язання кількох біоіндикаційних та екотоксикологічних проблем степового Придніпров'я. За основний об'єкт застосування методики було обрано біогеоценози в заплаві р. Дніпро, що зазнають промислового хімічного забруднення різного ступеня. Як потенційні біоіндикаційні показники рівня антропогенного навантаження використовувалися популяційні та біохімічні характеристики озерної жаби (Rana ridibunda Pall., 1771), фонового для Придніпров'я виду. Доведено, що частина з цих показників інтегрально відображають стан природного середовища. Дослідження здійснювалися з використанням екологічних даних, зібраних А. М. Місюрою та його колегами по Комплексній експедиції ДНУ.

Дослідження стосувалися таких напрямків: визначення біоіндикаційної значущості індивідуальних показників особин Rana ridibunda; побудова класифікуючої дискримінантної функції для біоіндикації рівня забруднення біотопу; еколого-фізіологічна інтерпретація одержаних результатів; визначення ролі популяції Rana ridibunda в перенесенні важких металів за трофічним ланцюгами і вивчення особливостей ланки “жаба-безхребетні”.

Біоіндикаційні дані мали такі особливості: вони стосувалися біотопів з двома контрастними рівнями антропогенного впливу; кількість вивчених особин була достатньо великою (понад 1000); кількість екологічних і біохімічних параметрів, визначених для цих особин, також була великою (понад 50); дані мали велику кількість пропусків. Розроблений алгоритм ґрунтується на ідеях дискримінантного і кластерного аналізів та на можливостях запропонованої моделі даних. Побудована дискримінантна функція, яка дозволяє ідентифікувати тип біотопу за екологічними та фізіологічними показниками популяцій, що в ньому проживають.

Нелінійна модель внутрішньопопуляційних міграцій та проблеми екотоксикології. Для опису ситуації, коли спостерігається плавний перехід між екологічними характеристиками контрастних частин біотопу та є можливими переміщення (сезонні міграції) особин в його межах, було розроблено спеціальну модель, в основу якої покладено модель дифузії та неперервну модель Леслі вікової динаміки популяцій (Гинзбург, 1970).

Модель може бути віднесена до “складних” моделей розселення (Коли, 1979), вона ґрунтується на досить загальних припущеннях і може бути використана для опису великої кількості екологічних об'єктів. На базі реальних даних щодо популяцій озерної жаби здійснена ідентифікація параметрів моделі міграцій та виконані імітаційні експерименти. Досліджено екотоксикологічні ефекти, пов'язані з міграціями, проаналізована залежність показників популяції жаби від протяжності її нерестовища.

ВИСНОВКИ

Багаторічні (1982-2005 pp.) біогеоценологічні дослідження довели ефективність використання сучасних методів нелінійного системного аналізу для пізнання динамічних процесів у лісах степової зони України. Продемонстрована необхідність формування нового наукового напрямку - нелінійної лісової біогеоценології.

Опис широкого спектра нелінійних властивостей лісових екосистем (таких як екстремальність динаміки, дискретність інформаційних процесів, циклічність і стрибкоподібність змін у часі та просторі) можливий з використанням базової множини динамічних моделей (побудованих на уявленні про елементарні процеси - “стереотипи динаміки”).

Для розв'язання проблем охорони, відновлення й утворення лісових угруповань у степу можна рекомендувати використання принципових моделей нелінійних екологічних процесів (конкуренції, сукцесії, лісової рекультивації) та конструювання більш складних моделей на їх основі.

Аналіз результатів комп'ютерної імітації та фундаментальних екологічних даних показав високий рівень емерджентності біогеоценозів і важливість коеволюційних і селектогенетичних процесів, що перебігають у них.

Використання нелінійних моделей підтверджує екстремальний характер динаміки лісових біогеоценозів і демонструє переваги (порівняно з іншими аналогічними підходами) поглядів, що запропоновані у працях А. Лотки та Г. Одума, про потужність як про основний оптимізаційний критерій (що підтверджується кількісними співвідношеннями).

На основі уявлення про екстремальний характер динаміки лісових біогеоценозів вдалося отримати балансні енергетичні співвідношення для популяцій продуцентів і консументів.

Аналіз особливостей динаміки лісових екосистем дозволяє сформулювати нову теорію про внутрішні біфуркації в екосистемах, яка пояснює стрибкоподібний характер змін їхнього стану. Теорія дає можливість отримати нові моделі таких типових нелінійних процесів у біогеоценозах, як інформаційні взаємодії; вона також придатна для оцінки складності екосистем.

Інформаційний підхід продемонстрував свої достоїнства під час проектування екологічної бази даних Комплексної експедиції ДНУ. З використанням ідей техногенної біогеоценології і теорії баз даних сформульовані загальні принципи побудови екологічних баз даних, орієнтованих на розв'язання задач біоіндикації.

Системний аналіз підтвердив вирішальну роль конкурентних міжпопуляційних взаємодій у формуванні сукцесійної динаміки лісових біогеоценозів. Розроблені нелінійні моделі, що описують енергетичні аспекти конкуренції.

Продемонстрована обмеженість відомої r/K-концепції життєвих стратегій рослин. Нова R/C-концепція, яка є розвитком попередньої, дала можливість уточнити уже відомі класифікації сценаріїв конкуренції. Концепція ґрунтується на уявленні про дві основні стратегії популяцій: коли енергія використовується переважно для власного розвитку і коли вона витрачається на пригнічування конкуруючих популяцій.

Показано безпосередній зв'язок форм сукцесій і сценаріїв конкуренції, для чого використані моделі вольтеррівського типу та їх узагальнення. Нова класифікація лісових сукцесій, що ґрунтується на використанні динамічних моделей і є узагальненням відомих класифікацій, коректно відображає відомі дані про динамічні процеси в лісових біогеоценозах.

Для сукцесій толерантності та інгібування базові моделі лісових сукцесій вдається побудувати на основі вольтеррівської моделі конкуренції з визначенням відповідних діапазонів значень параметрів. Комп'ютерна імітація демонструє задовільну якісну схожість динаміки моделей з реальними біологічними процесами.

Для опису сукцесій “полегшення” врахування конкуренції недостатньо, тому запропоновані дві нові оригінальні моделі: модель розвитку у ворожому середовищі та відкритий гіперцикл (модифікація відомої моделі М. Ейгена).

Дискретний характер лісових сукцесій обмежує застосування неперервних моделей. Запропоновано метод перегляду результатів чисельних експериментів з неперервними моделями для адекватного врахування дискретного процесу.

Біогеохімічні цикли, як структуроутворюючі процеси, відіграють значну роль у формуванні нелінійної динаміки лісових біогеоценозів. Урахування циклічності процесів важливе для розуміння природи сукцесій, які можуть трактуватися як процеси покрокової зміни типів кругообігів внаслідок переваги ефективності одних порівняно з іншими.

Біологічні кругообіги розглянуто як елементарні одиниці сукцесійної динаміки лісових біогеоценозів. Розроблені їх нелінійні циклічні моделі, зокрема з урахуванням ефектів лімітування в ланках трофічних ланцюгів. Проведено всебічний якісний аналіз моделей, проаналізована їх екологічна коректність.

Циклічні моделі кругообігів у степових лісах дали можливість вивчити процеси перенесення речовини, енергії та інформації між основними блоками кругообігів (продуцентами, мертвою органікою, редуцентами і ґрунтом). Розглянуто рівноважний розподіл біомаси і хімічних елементів між блоками, продемонстрована роль ґрунту як ключового блоку. Досліджені ефекти накопичення елементів в окремих блоках та загальна стійкість кругообігів.

Циклічні нелінійні моделі дозволили виявити тісний зв'язок теорії сукцесій і теорії амфіценозів О. Л. Бельгарда та його типології лісів. Модель амфіценозу дозволила математично описати різні форми сукцесій як результат взаємодії й “розбіжності” елементарних кругообігів. Досліджено аналогічний принципу Ю. Лібіха ефект вилучення кругообігів із біогеоценозів, а також ефект переходу блоку редуцентів між кругообігами.

Моделі сукцесійної динаміки біогеоценозів придатні для постановки і розв'язання задач планування лісової рекультивації порушених ландшафтів, а також відновлення природних і створення штучних лісових біогеоценозів. Відповідні моделі побудовані на основі ідей теорії амфіценозів і техногенної біогеоценології з використанням моделі розвитку у ворожому середовищі та рівнянь динаміки вікової структури популяцій.

Моделі рекультивації дали можливість ставити і розв'язувати задачі про оптимізацію цього процесу. Системний аналіз дозволив виокремити два види рекультиваційних робіт: “лісопосадки” і “лісокультурні роботи”. Показано, що для підвищення ефективності рекультивації інтенсивність першого виду робіт повинна бути найбільшою на початку процесу, а другого - на наступних етапах.

Запропоновано інформаційно-математичні методи, придатні для дослідження конкретних екологічних проблем степового Придніпров'я та інших територій степової зони. Оригінальний метод вивчення біоіндикаційної значущості екологічних показників застосовано для розв'язання задачі про індикацію екологічних умов на основі характеристик тестових об'єктів -- популяцій озерної жаби із біотипів з різним рівнем забруднення. Методи нелінійної біогеоценології дозволили дослідити (з використанням даних, зібраних ученими Комплексної екологічної експедиції Дніпропетровського національного університету) кілька екотоксикологічних проблем, пов'язаних з поширенням важких металів через харчові ланцюги або внаслідок міграції тварин. Чисельні експерименти з новими нелінійними моделями показали їх задовільну відповідність даним реальних спостережень.

22. Запропоновано еколого-математичні моделі, які спрямовані на використання в теорії та практиці степового лісівництва. Вони довели свою ефективність під час використання в науковій роботі Комплексної експедиції ДНУ та Присамарського міжнародного біосферного стаціонару, а також у практичній діяльності з лісової рекультивації порушених земель, яка проводиться вченими ДНУ. Методи нелінійної біогеоценології, що ґрунтуються на використанні нелінійного системного аналізу для об'єктивного опису динамічних процесів у природних екосистемах, мають стати важливою складовою сучасного степового лісознавства. Для опису властивостей біогеоценозів, розташованих на краях екологічного оптимуму, які зазнають постійного деструктивного впливу “крайових ефектів” і, відповідно, не характеризуються значною стійкістю, нелінійні підходи є природними й ефективними.

СПИСОК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Чернышенко С. В. Нелинейные методы анализа динамики лесных биогеоценозов. - Днепропетровск: Изд-во ДНУ, 2005. - 512 с.

Chernyshenko S. V. Ecological models with integer phase coordinates: the connection of differential equations and stochastic flows // Вестн. Днепропетр. ун-та. Биология. Экология. - 1993. - Т. 1. - С. 20-27.

Чернышенко С. В. Термин “информация” и математическое описание информационных процессов в экологических системах // Екологія та ноосферологія. - 1995. - Т. 1, № .1-2. - С. 137-150.

Чернышенко С. В. Системный подход к задаче моделирования сукцессионных процессов в фитоценозах // Вопросы степного лесоведения и лесной рекультивации земель. - Днепропетровск, 1996. - С. 71-77.

Чернышенко С. В. О математическом моделировании динамической структуры биогеоценозов // Екологія та ноосферологія. - 1997. - Т. 3, № 1-2. - С. 65-81.

Чернышенко С. В. Системный анализ динамической структуры биогеоценоза // Вопросы степного лесоведения и лесной рекультивации земель. - Днепропетровск, 1997. - С. 18-31.

Чернишенко С. В. Принципові математичні моделі оптимального природокористування // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. - Д., 1998. - С. 78-82.

Chernyshenko S. V. Computer-based approach to bioindication of contrast biotops with different level of pollution // Екологія та ноосферологія. - 1998. - Т. 4, № 1-2. - С. 115-122.

Чернышенко С. В. Иерархические двухуровневые модели биогеоценозов: построение и оценка сложности // Екологія та ноосферологія. - 1999. - Т. 6, № 1-2. - С. 38-45.

Чернышенко С. В. К вопросу о применении методов информатики в биогеоценологии: принципы хранения и обработки данных // Екологія та ноосферологія. - 1999. - Т. 7, № 3. - С. 23-30.

Белозеров В. Е., Чернышенко С. В., Черная Н. А. Экологические системы типа В. Вольтерры: инвариантный анализ и классификация топологий // Екологія та ноосферологія. - 1999. - Т. 8, № 4. - С. 126-133.

Чернышенко С. В. Моделирование конкурентных замещений в фитоценозах // Екологія та ноосферологія. - 2000. - Т. 9, № 1. - С. 107-121.

Чернышенко С. В. Случайные потоки в экологических системах: к вопросу о математическом описании сукцессий // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. - Д., 2000. - С. 76-84.

Чернышенко С. В. Оптимизационный подход к изучению конкурентного взаимодействия популяций продуцентов // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2001. - Т. 9, вип. 1. - С. 178-183.

Чернышенко С. В. Математическая теория сукцессионных смен: сукцессии ингибирования и толерантности // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2001. - Т. 9, вип. 2. - С. 204-215.

Чернышенко С. В. Сукцессионные смены облегчения: математическая модель с гистерезисом // Екологія та ноосферологія. - 2002. - Т. 11, № 1-2. - С. 110-119.

Чернышенко С. В., Мисюра А. Н., Марченковская А. А. Модель миграционных процессов в популяциях с неоднородной областью обитания // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія.- 2002.- Т. 10, вип. 1. - С. 209-217.

Чернышенко С. В. Математические модели сукцессионных смен облегчения : использование метода нормирования Эйгена // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. - Д., 2002. - С. 173-185.

Чернышенко С. В. Методы информатики в биогеоценологии: информационные основы биоиндикации // Екологія та ноосферологія. - 2002. - Т. 12, №3-4. - С. 105-122.

Чернышенко С. В. Непрерывная модель внутрипопуляционных миграций с экотоксикологическими приложениями // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2002. - Т. 10, вип. 2. - С. 194-202.

Чернышенко С. В. Системный анализ функций почвенного блока в моделях биогеоценотических круговоротов // Ґрунтознавство. - 2002. - Т. 3, №3-4.-С. 111-125.

Чернышенко С. В. Задачи оптимального управления процессами лесной рекультивации нарушенных земель // Екологія та ноосферологія. - 2003. - Т. 13, № 1-2.-С. 136-150.

Чернышенко С В. Оптимизация процесса рекультивации с учетом возрастной структуры лесонасаждений и их жизнестойкости // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2003. - Т. 11, вип. 1. - С. 222-228.

24. Чернышенко С. В. Оптимальное управление одномерной моделью лесной рекультивации с учетом возрастной неоднородности посадок // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2003. - Т. 11, вип. 2. - С. 196-205.

Чернышенко С. В. Оптимизация процесса рекультивации в случае нескольких искусственных биогеоценозов // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. - Д., 2003. - С. 236-251.

Чернышенко С. В. Исследование процессов накопления биогенных элементов в почве и подстилке лесных биогеоценозов на основе модели ценомы // Ґрунтознавство. - 2004. - Т. 5, № 1-2. - С. 70-81.

Чернышенко С. В. Применение методов информатики в биогеоценологии: экстремальные принципы и управление экологическими системами // Екологія та ноосферологія. - 2004. - Т. 15, № 1-2. - С. 84-95.

28. Чернышенко С. В. Системный подход в биогеоценологии: проблема эмерджентности надорганизменных систем // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2004. - Т. 12, вип. 1. - С. 182-194.

29. Чернышенко С. В., Чернышенко В. С. Математическая модель динамики и пространственной структуры амфиценоза А. Л. Бельгарда // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. - Д., 2004. - С. 276-289.

30. Мисюра А. К, Чернышенко С. В. Исследование миграции тяжелых металлов через звенья пищевых цепей прибрежных экосистем Приднепровья // Вісн. Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2004. - Т. 12, вип. 2. - С. 96-106.

Чернышенко С. В. Амфиценотичность и биоразнообразие лесных биогеоценозов степной зоны Украины // Екологія та ноосферологія. - 2005. - Т. 16, №3-4.-С. 121-134.

Chernousenko V. М., Chernyshenko S. V, Chernenko I. V, Misyura A. N. Nonlinear diffusion model of population evolution // Nonlinear and turbulent processes in physics: Proc. of 3rd Intern, workshop, Kiev, April 13-26, 1987. - Kiev: Naukova Dumka, 1988. - Vol. 1. - P. 244-247.

Мисюра А. К, Чернышенко С. В., Варенко Н. И. Сохранение и использование популяций озерной лягушки в условиях влияния на экосистемы промышленных сточных вод // Зоокультура амфибий. - М., 1990. - С. 112-119.

Чернышенко С. В. Комплексные статистические алгоритмы в биоиндикации на примере анализа параметров популяций озерной лягушки из контрастных зон обитания // Биоиндикаторы и биомониторинг. Тр. Междунар. симпоз., Загорск, сент. 1991 г. - Загорск, 1991. - С. 294-299.

Мисюра А. Н., Леонтьева С. А., Чернышенко С. В. Использование статистических методов в задачах биоиндикации и биологической экспертизы //

Биоиндикация и биомониторинг. - М., 1991. - С. 224-229.

Криволуцкий Д. А., Чернышенко С. В. Методы теории информации и проблемы биоиндикации // Вестн. Днепропетр. ун-та. Биология и экология. - 1993. - Вып. 1. - С. 34-35.

Чернышенко С. В., Лындя И. Л. Биоиндикационные исследования в системе мониторинга Днепровско-Орельского заповедника // Вестн. Днепропетр. ун-та. Биология и экология. - 1993. - Вып. 1. - С. 39-40.

Chernyshenko S. V. Comparative analysis of discrete and continuous models in socio-ecology // Catastrophe, Chaos, and Self-Organization in Social Systems. - Koblenz, Germany, 1993. - P. 131-142.

Чернышенко С. В., Чумакова И. А. Об одной реляционной базе данных для компьютерной системы обработки экологической информации // Биологические и технические системы управления. - Днепропетровск, 1995. - С. 109-118.

Chernyshenko S. V. Dynamic processes in biogeocoenoses: mathematical modelling on the base of M. Eigen's hypercycle // J. of Ecology of Industrial Regions. - 1996. - Vol. 2, № 1-2. -P. 77-90.

Чернышенко С. В., Черная Н. А., Шестопалова Е. Н. О стабилизации конкурентных межвидовых отношений для вольтерровских систем с неограниченным ростом // Екологія та ноосферологія. - 1998. - Т. 4, № 1-2. - С. 137-140.

Чернышенко С. В. Системный анализ роли почвы как основного детерминирующего звена биогеохимических циклов // Агрохімія і ґрунтознавство. - X., 1998. - Т. 2. - С. 104-106.

Чернышенко С. В. Информация как третья генеральная мера состояния экосистем и ее использование в экологическом контроле // Биоиндикация радиоактивных загрязнений. - М.: Наука, 1999. - С. 356-367.

Chernyshenko S. V, MisyuraA. N., Gasso V. Y., Zhukov A. V. Biotesting as a method of environmental assessment in industrial areas // Biomarkers: A Pragmatic Basis for Remediation of Severe Pollution in Eastern Europe. - Amsterdam: Kluwer Academic Publishers, 1999. -P. 317-318.

Чернышенко С. В., Дронь И. М. Интернет-моделлер - программная среда для построения и исследования математических моделей в среде Интернет // Информатизация образования - 2004: Сб. тр. Всерос. науч.-метод, конф., 21-24 июня 2004 г. - Екатеринбург, 2004. - С. 166-171.

Цветкова Н. Н., Дубина А. А., Чернышенко С. В. Создание специализированного банка данных по анализу почв лесных биогеоценозов в степи // Принципы и методы экоинформатики: Материалы Всесоюз. совещ. по экоинформатике и экологическим базам данных. - М., 1986. - С. 99-100.

Чернышенко С, В. Разработка принципов создания банка эколого-биохимических характеристик герпетофауны степного Приднепровья и его использование для прогнозирования состояния популяций различных видов // Вопросы герпетологии: 7-я Всесоюз. герпетолог, конф., Киев, 26-29 сент. 1989 г. - К., 1989. - С. 280-281.

Чернышенко С. В., Мисюра А. Н. Прогнозирование устойчивости популяций бесхвостых амфибий в техногенных биотопах степного Приднепровья // Проблемы устойчивости биологических систем: Тез. докл. всесоюз. шк. - Харьков, 1990. - С. 277-278.

Pokarzhevskii A. D., Krivolutskii D. A., Chernyshenko S. V. Information in ecosystems: bioindication aspects // Bioindicators and Biomonitoring: Symp. Proc. - Zagorsk, Russia, 1991. -- P. 117--119.

Лындя А. Г., Лындя И. Л., Чернышенко С. В. Комплексный подход к моделированию экологических процессов в Днепровско-Орельском заповеднике // Екологічні основи оптимізації режиму охорони і використання природно-заповідного фонду: Тези доп. Міжнар. наук.-практ. конф., присвяч. 25-річчю Карпатського біосферного заповідника, Рахів, 11-15 жовт. 1993 р. - Рахів, 1993. - С. 259-260.

Chernyshenko S. V, Chumakova I. A. Integrated computer package for handling ecological monitoring data //Abstr. of 3rd European Conf. on Ecotoxicology, Ziirich, Switzerland, Aug. 28-31. - Zurich, 1994. - P. 8-13.

Chernyshenko S. V. The open Eigen Hypercycle and selforganization of ecological systems // Sustainable Development: Environmental Pollution and Ecological Safety: Abstr. of First Practical Conf., Dniepropetrovsk, Ukraine, Dec. 4-8, 1995. - Dniepropetrovsk, 1995. - P. 42-43.

Chernyshenko S. V, Chernaya N. A., Shestopalov I. V. Model of anti-entropy effect of ecosystem evolution // Sustainable Development: System Analysis in Ecology: Abstr. of 2nd Intern. Conf., Sebastopol, Ukraine, Sept. 9-12, 1996. - Sebastopol, Ukraine, 1996. - P. 28.

Чернышенко С. В. О математическом моделировании динамической структуры биогеоценозов // Нелинейный мир: Тез. конф. - Воронеж, 1997.

Чернышенко С. В., Шестопалова Е. Н. Оптимальное управление спектральными характеристиками экологических дифференциальных моделей // Проблемы теоретической биофизики: Тез. междунар. шк., Москва, 15 июня 1998 г. - М., 1998. - С. 187.

Чернышенко С. В. Системный подход к теоретическому изучению сукцессии // Проблеми фундаментальної та прикладної екології: Матеріали 1-ї міжнар. наук. конф. - Кривий Ріг, 1999. - С 95-96.

57. Чернышенко С. В. Теория амфиценозов А. Л. Бельгарда и проблемы биоразнообразия // Біорізноманіття та роль зооценозу в природних і антропогенних екосистемах: Матеріали 3-ї Міжнар. конф. Дніпропетровськ, 4-6 жовтня 2005 р. - Д.: Вид-во ДНУ, 2005. - С 172-173.

АНОТАЦІЯ

Чернишенко С. В. Динаміка лісових біогеоценозів степової зони України (нелінійні процеси: сукцесії, інформаційні взаємодії, рекультивація). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - Екологія. - Дніпропетровський національний університет. - Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню нелінійних форм динаміки лісових біогеоценозів степової зони України. Побудована базова множина нелінійних моделей динамічних процесів у лісових біогеоценозах; сформульовано принципи нелінійної біогеоценології і розглянуті особливості їх використання в лісовому господарстві.

Вивчені особливості конкурентних взаємодій популяцій, що становлять основу сукцесійної динаміки; розроблена класифікація конкурентних стратегій популяцій та запропоновані моделі основних форм сукцесій.

Проведено системний аналіз сукцесійних процесів на основі теорії амфіценозів О. Л. Бельгардата його лісової типології; проаналізовано роль біогеохімічних циклів у формуванні нелінійної динаміки лісових біогеоценозів. Розроблена модель амфіценозу як системи протиборчих біологічних кругообігів.

На основі ідей теорії амфіценозів та техногенної біогеоценології розроблені моделі процесу лісопосадок та лісової рекультивації в умовах степової зони; розроблено й апробовано алгоритми оптимізації для цих моделей.

Застосування запропонованих системних та інформаційних підходів проілюстровано на прикладі дослідження таких екологічних проблем степового Придніпров'я, як біоіндикація рівня техногенного забруднення, прогнозування міграції полютантів за харчовими ланцюгами і т. ін.

Ключові слова: лісовий біогеоценоз, нелінійна динаміка, сукцесія, інформаційна взаємодія, лісова рекультивація, моделювання, оптимізація, біоіндикація.

Чернышенко С. В. Динамика лесных биогеоценозов степной зоны Украины (нелинейные процессы: сукцессии, информационные взаимодействия, рекультивация). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.16 - Экология. -Днепропетровский национальный университет. - Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена исследованию нелинейных форм динамики лесных биогеоценозов степной зоны Украины. Построено базовое множество нелинейных моделей динамических процессов в лесных биогеоценозах; сформулированы принципы нелинейной биогеоценологии и рассмотрены особенности их использования в лесном хозяйстве.

Изучены особенности конкурентных взаимодействий популяций, лежащих в основе сукцессионной динамики, разработана классификация конкурентных стратегий популяций и предложены модели основных форм сукцессий.

Проведен системный анализ сукцессионных процессов на основе теории амфиценозов А. Л. Бельгарда и его лесной типологии; проанализирована роль биогеохимических циклов в формировании нелинейной динамики лесных биогеоценозов. Разработана модель амфиценоза как системы противоборствующих биологических круговоротов.

На основе идей теории амфиценозов и техногенной биогеоценологии разработаны модели процесса лесопосадок и лесной рекультивации в условиях степной зоны, предложены и опробованы алгоритмы оптимизации для этих моделей.

Использование предложенных системных и информационных подходов проиллюстрировано на примере исследования таких конкретных экологических проблем степного Приднепровья, как биоиндикация уровня техногенного загрязнения, прогнозирование миграции поллютантов в пищевых цепях и т. п.

Ключевые слова: лесной биогеоценоз, нелинейная динамика, сукцессия, информационное взаимодействие, лесная рекультивация, моделирование, оптимизация, биоиндикация.

Chernyshenko S. V. Dynamics of forest biogeocoenoses of Ukrainian steppe zone (nonlinear processes: successions, information interactions, revegetation). - Manuscript.

Thesis for the doctor degree on biology, speciality 03.00.16 - Ecology. - Dni-propetrovsk State University, Dnipropetrovsk, 2006.

Dissertation is devoted to research on nonlinear forms of forest dynamics in the steppe zone of Ukraine. A base set of nonlinear models for forest development description has been elaborated. Principles of nonlinear biogeocoenology, as a science of non-linear dynamic effects in ecosystems and their mathematical modelling, are formulated; applications of the new principles in the forestry have been considered.

Some methods of using the information approach in biogeocoenology have been analysed. Methodological problems of information concepts' usage in ecology are discussed. The general approach is applied to the problems of effective ecological data storage and bioindication research.

A general approach to the problem of ecosystem dynamic and corresponding non-linear models has been considered. Optimisation "target" of biogeocoenose and "variation principles" of its behaviour are discussed. Special attention is paid to population dynamics of producers. The approach is illustrated by mathematical models of the main ecosystem levels: populations, trophic webs, biogeocoenose.

Features of populations' competitive interactions are studied as a basis of successions. A classification of populations' competitive strategies is elaborated, process of competitive replacements in phytocoenoses is studied. It is also shown, that population reactivity to changes in the competitive situation is one of important factors of its vitality. The R/C-concept of competitive strategies of producer populations is proposed. The concept develops the well-known r/K-concept.

Systems analysis of the biological phenomenon of succession has been carried out. Classifications of both successions and separate succession stages have been proposed. The connection between two main gears of succession - competition of plant species and their interaction with abiotic part of the biogeocoenose - is considered. Polygenetic structure of biogeocoenose, as a result of succession, are demonstrated.

A description of succession models, based on generalisations of Volterra models, has been proposed. The study is started from a general view of natural mechanisms, producing ecosystems dynamics, and concluded by the design of special differential models and computer simulation. The models describe a change of ecosystem structure as a result of changing ecological conditions, determined by internal and external factors.

It is proposed to consider the successions as an information-producing mechanism. There are several mathematical models describing negentropy growth during evolution. In the chapter, a model (constructed on the basis of Eigen model) illustrates the complication of ecosystems structure during such relatively short-term evolution process as successions. During successions, ecosystems repeat some main properties of the global evolution, and the model may be useful for the illustration of general evolution properties.

Discrete nature of successions is connected both with discreteness of the population sizes and jump character of successions. It is proposed to take into account the first factor by establishment of conformity between continuous differential models and discrete stochastic flows. The method of reconstruction of quasi Poisson's flow on the basis of non-linear multidimensional differential equations is proposed. Mathematical correctness of the algorithm is proved.

A system analysis of successions has been carried out on the base of A. L. Belgard's amphicoenose theory and his forest typology. A role of biogeochemical cycles for forming nonlinear forest dynamics are analysed; sketch models of cycles are constructed. Succession stages are considered as amphicoenoses, i.e. a system of antagonistic cycles.

A model of amphicoenose, as a system of antagonistic biological cycles, is elaborated. The term "coenome" is used in the course of biogeocoenose analysis for the definition of an elementary biogeocoenotic cyclic element. The coenome includes one or several populations of producers (as a source of energy and a kernel of the association); reducers, that close biogeochemical cycles; and consumers, that stimulate energetic processes in the system. The matter, energy and information flows in the coenome have been qualitatively analysed.

The problems of mathematical modelling of biogenic elements' accumulation in forest soil and bedding are considered. Two types of ecological cycles are studied: with the limitation of element flows and without it. The simulation of the process has been carried out. It has been shown that main dynamical properties of amphicoenoses (competitive exclusion of plant associations, crossing of reducer populations between associations, etc.) are described correctly.

Problems of artificial forests' cultivation in the steppe zone conditions have been formulated on the base of the amphicoenose theory and the technogenic biogeocoenology. The models of amphicoenose and Volterra-type models are used. Optimisation algorithms for different models of forest revegetation have been proposed and tested. The problems of minimal expenses and extreme speed are solved for the cases of forest plantation and amelioration.

Use of the proposed system and information approaches has been illustrated by the example of investigation of special ecological problems of the steppe Pridniprovye, such as bioindication of technogenic pollution, prediction of pollutants' migration in food webs, etc. The examples are based on the research of ecologists of the Complex Ecological Expedition of Dnipropetrovsk National University, carried out in the Dnipropetrovsk Region of Ukraine.

Keywords: forest biogeocoenose, nonlinear dynamics, succession, information interaction, forest revegetation, modelling, optimisation, bioindication.

Размещено на Allbest.ru