Застосування моделі FORKOME у прогнозуванні змін лісових ландшафтів
Реферат на тему:
Застосування моделі FORKOME у прогнозуванні змін лісових ландшафтів
Головним плюсом компютерного моделювання є те, що за допомогою моделей можна прогнозувати наслідки спрямованих дій на багато років чи століть наперед. Модель FORKOME дає можливість проімітувати видовий склад дерев, їх кількість та біомасу, а також наслідки різних сценаріїв вирубки. Прогнози наслідків потепління клімату сягають кількох тисяч років.
Модель FORKOME належить до моделей платових. Інформацію про цього типу моделі можна знайти в літературі [2, 12, 11, 1, 4, 3, 5]. Модель FORKOME створена за допомогою програми DELPHI. Детальнішу інформацію про цю модель, а також її опис можна дізнатися у наших публікаціях [6, 7, 9, 10].
Модель FORKOME складається з окремих блоків: блок РІСТ з аналізом впливу на нього світла, вологості, природних умов; блок СМЕРТНІСТЬ; блок ВІДНОВЛЕННЯ дерев. У моделі FORKOME оригінально вирішена можливість вирубування дерев, встановлення параметрів температури повітря й атмосферних опадів, а також діаметра, висоти і віку дерев. Модель дає змогу подати дані у вигляді графіків та діаграм, проведення розрахунків кореляцій та аналізу вразливості. Можна також встановити сценарії можливих кліматичних змін, таких, як: контроль – у реальних умовах на час проведення досліджень; сценарій 1 – коли середньорічна температура може збільшитись на 20 С, сценарій 2 – зменшення середньорічної температури на 20 С.
Застосоване рівняння росту дерев дає можливість визначити цифрові параметри на основі легкодоступних даних. Такими параметрами є діаметр, висота, вік, а також максимальний діаметр, максимальна висота і максимальний вік дерев певного виду. Визначено також вартості максимальної суми ефективних температур (DGDmax) і мінімальної суми ефективних температур (DGDmin) для аналізованих видів дерев.
У моделі FORKOME більшість процесів має випадковий характер. Тому
необхідно було проводити більше, ніж одну імітацію. Для того, щоб встановити тенденцію можливих змін біомаси дерев, їхньої кількості та видового складу, застосовано аналіз Monte Carlo. Полягає він у тому, що з тих самих початкових умов проведено 30 імітацій. Після проведення таких імітаційних прогнозів модель видає середні результати у вигляді діаграм та таблиць з поданням середніх величин і стандартних відхилень у кожному прогнозованому році.
Модель FORKOME застосована на дослідних площах сільських гірських ландшафтів у Карпатах (Бещади Польські, Бескиди Українські), а також рівнинних ландшафтів Люблінсько–Львівської височини, Середньопольської низовини і Поліс-ся. Блокова конструкція моделi дає можливість широко застосовувати її до змінних умов клімату у різних типах лісу при різних формах лicoкористування.
Застосування моделі FORKOME у гірських та рівнинних сільських ландшафтах дає можливість спрогнозувати динаміку видового складу деревостану, кількості дерев та біомаси, акумульованої у деревостані в різного типу лісах і при різних сценаріях господарcької діяльності .
Середні результати прогнозування (30 імітацій) змін різновікової ялиново-ялицевої бучини на площі 1 га у Бескидах засвідчили динамічні зміни біомаси бука та ялиці протягом 400 років з перевагою першого. На одногектарній площі ввесь час буде домінувати бук (рис.1а), займаючи понад 60% біомаси в першій та понад 70% у другій половині прогнозу. Участь ялиці також буде сталою 18–20%, а смереки (Picea abies) (L.) Karsten) на рівні 5–12%. З мішаних видів спорадично виступає явір (Acer pseudoplatanus), участь якого буде триматися на рівні кількох відсотків на початку і в середені прогнозу.
Моделювання сукцесії цього деревостану на менших площах (25х25м) свідчить вже про значно більшу мінливість результатів. Особливо помітно це з вибраних серед 17 двох площ, що відрізняються між собою домінуючими деревними породами. Це є, наприклад, площа №5, на якій під час проведення дослідів домінував бук, займаючи 83% біомаси (рис. 1b) і площа №16, на котрій домінувала ялиця (рис.1с), займаючи 78% біомаси.
На буковій ділянці №5 бук увесь час утримує домінуючу позицію. Участь його біомаси, яка була в першому році імітації на рівні 83%, вже після 270 року знов повертається до цього рівня. Модель FORKOME прогнозує не тільки постійну перевагу бука в деревостані, але також у середині прогнозу збільшення біомаси ялиці від 12% у 80 році до 40% в 200 році. До кінця прогнозу біомаса ялиці буде утримуватись на рівні 20%. Інші мішані види не є сталими у деревостані: у перші 150 років появляється тільки явір (до 10% загальної біомаси).
На ялицевій ділянці №16, де в пeршому році біомаса ялиці становила 78%, модель FORKOME постійно прогнозує зменшення кількості ялиці до 37% в кінці імітації та збільшення біомаси букa від 8% в першому році і – до 61% в кінці прогнозу. Видно також зменшення біомаси явора (від 11% у першому році і до 2% у 385 році). Участь смереки сягає кількох відсоткiв у першій половині прогнозу. Cмерека майже зникає в другій половині.
Враховуючи те, що найближчими роками у ландшафтах помірно-кліматич-них зон відбуватимуться зміни в структурах рослинних угруповань, а вирішaльною причиною щодо напрямків сукцесії буде глобальне потепління клімату, розпочато дослідження над впливом кліматичних та гідрологічних процесів на сукцесію у сільських ландшафтах за допомогою моделі FORKOME.
Якщо у сценарій моделі введено поступове потепління клімату (лінійний зріст температури повітря), то за 400 років деревостан на 5 буковій площі зазнає таких змін:
зникне ялина, зменшиться частка ялиці, збільшиться частка бука та явора (Риc. 2). Для ялицевої площі №16 потепління клімату стане причиною домінації букa і яворa в кінці імітації.
а) б) в)
Рис. 1. Прогноз біомаси дерев у контрольному сценарії, в %: а –1 га;
б –буковий плат – N5; с – ялицевий плат – N16
За умови похолодання клімату зміни прогнозуються вже значно суттєвіші: частка бука зменшиться практично вдвоє (рис. 3), а його місце займе ялина, явір випаде з деревостану. Частка ялиці буде на площі №16 трохи більша, ніж на площі №5.
В умовах розвитку лісового господарства на Україні практичний інтерес для нас має прогнозування динаміки біомаси у різних сценаріях проведення вирубувань. Оптимальним, на нашу думку, є проведення добровільно-вибіркових вирубувань дерев цільового діаметра в розмірі річного приросту. Це дає можливість підтримувати потрібне співвідношення основних порід у деревостані (рис. 4).
Розроблена модель дає можливість візуально оцінити результати прогнозів для букової (рис. 4а) і для ялицевої площі (рис. 4б) щодо біомаси.
Рис. 2. Плат No 5 у сценарії потепління клімату (фрагмент інтерфейсу моделі)
Рис. 3. Плат No 5 у сценарії похолодання клімату (фрагмент інтерфейсу моделі)
Рис. 4. Прогноз змін біомаси дерев у сценарії сталого лісокористування (т/га): а – No 5 – буковий плат, б – No 16 – ялицевий плат.
За допомогою моделi FORKOME підтвердженo нестабільність посаджених смерекових деревостанів на місці бука в гірських карпатських ландшафтах. Ті деревостани, як свідчать результати імітації, зникають. На їхньому місці постають букові ліси.
Використана література
Botkin D.B. Forest Dynamics: An Ecological Model. Oxford, New York, 1993.
Botkin D.B., Janik F.J., Wallis, J.R. Some ecological consequences of computer model of forest growth // J. Ecol., 1972. № 60.
Brzeziecki B. Ecologiczny model drzewostanu. Zasady konstrukcji, parametryprzyklady zastosowaс. Warszawa, 1999.
Bugmann H. Sensitivity of forests in the European Alps to future climatic change // Climate Research, 1997. № 8.
Hong S.He., David J.; Mladenoff T.; Crow R.. Linking an ecosystem model and a landscape model to study forest species response to climate warming // Ecological Modelling. 1999. № 114.
Kozak I., Menshutkin V. Computer simulations of forest Ecosystem Dynamics // Biology Bulletin 26, 1999. № 6.
Kozak I., Menshutkin V. Prediction of beech forest succession in Bieszczady Mountains using a computer model // Journal of Forest Science 47, 2001. № 8.
Kozak I., Menshutkin V., Jуџwina M., Potaczaіa G. Computer simulation of fir forest dynamics in Bieszczady Mountains in response to climate change // Journal of Forest Science. Prague 48, 2002. № 10.
Kozak I., Menshutkin V., Jуџwina M., Potaczaіa G. Modelling of beech forest dynamics in the Bieszczady Mountains in response to climate change // Ecology Bratislava 22, 2003. № 2.
Kozak I., Menshutkin V., Klekowski R.Z. Modelowanie elementуw krajobrazu. Wydawnictwo Towarzystwa Naukowego KUL, 2003.
Shugart H.H. A Theory of Forest Dynamics. New York, 1984.
Shugart H.H., West D.C. Development of an Appalachian deciduous forest succession model and its application to assessment of the impact of the chestnut blight // J. Environ. Manag., 1977. № 5.
Застосування моделі FORKOME у прогнозуванні змін лісових ландшафтів
Головним плюсом компютерного моделювання є те, що за допомогою моделей можна прогнозувати наслідки спрямованих дій на багато років чи століть наперед. Модель FORKOME дає можливість проімітувати видовий склад дерев, їх кількість та біомасу, а також наслідки різних сценаріїв вирубки. Прогнози наслідків потепління клімату сягають кількох тисяч років.
Модель FORKOME належить до моделей платових. Інформацію про цього типу моделі можна знайти в літературі [2, 12, 11, 1, 4, 3, 5]. Модель FORKOME створена за допомогою програми DELPHI. Детальнішу інформацію про цю модель, а також її опис можна дізнатися у наших публікаціях [6, 7, 9, 10].
Модель FORKOME складається з окремих блоків: блок РІСТ з аналізом впливу на нього світла, вологості, природних умов; блок СМЕРТНІСТЬ; блок ВІДНОВЛЕННЯ дерев. У моделі FORKOME оригінально вирішена можливість вирубування дерев, встановлення параметрів температури повітря й атмосферних опадів, а також діаметра, висоти і віку дерев. Модель дає змогу подати дані у вигляді графіків та діаграм, проведення розрахунків кореляцій та аналізу вразливості. Можна також встановити сценарії можливих кліматичних змін, таких, як: контроль – у реальних умовах на час проведення досліджень; сценарій 1 – коли середньорічна температура може збільшитись на 20 С, сценарій 2 – зменшення середньорічної температури на 20 С.
Застосоване рівняння росту дерев дає можливість визначити цифрові параметри на основі легкодоступних даних. Такими параметрами є діаметр, висота, вік, а також максимальний діаметр, максимальна висота і максимальний вік дерев певного виду. Визначено також вартості максимальної суми ефективних температур (DGDmax) і мінімальної суми ефективних температур (DGDmin) для аналізованих видів дерев.
У моделі FORKOME більшість процесів має випадковий характер. Тому
необхідно було проводити більше, ніж одну імітацію. Для того, щоб встановити тенденцію можливих змін біомаси дерев, їхньої кількості та видового складу, застосовано аналіз Monte Carlo. Полягає він у тому, що з тих самих початкових умов проведено 30 імітацій. Після проведення таких імітаційних прогнозів модель видає середні результати у вигляді діаграм та таблиць з поданням середніх величин і стандартних відхилень у кожному прогнозованому році.
Модель FORKOME застосована на дослідних площах сільських гірських ландшафтів у Карпатах (Бещади Польські, Бескиди Українські), а також рівнинних ландшафтів Люблінсько–Львівської височини, Середньопольської низовини і Поліс-ся. Блокова конструкція моделi дає можливість широко застосовувати її до змінних умов клімату у різних типах лісу при різних формах лicoкористування.
Застосування моделі FORKOME у гірських та рівнинних сільських ландшафтах дає можливість спрогнозувати динаміку видового складу деревостану, кількості дерев та біомаси, акумульованої у деревостані в різного типу лісах і при різних сценаріях господарcької діяльності .
Середні результати прогнозування (30 імітацій) змін різновікової ялиново-ялицевої бучини на площі 1 га у Бескидах засвідчили динамічні зміни біомаси бука та ялиці протягом 400 років з перевагою першого. На одногектарній площі ввесь час буде домінувати бук (рис.1а), займаючи понад 60% біомаси в першій та понад 70% у другій половині прогнозу. Участь ялиці також буде сталою 18–20%, а смереки (Picea abies) (L.) Karsten) на рівні 5–12%. З мішаних видів спорадично виступає явір (Acer pseudoplatanus), участь якого буде триматися на рівні кількох відсотків на початку і в середені прогнозу.
Моделювання сукцесії цього деревостану на менших площах (25х25м) свідчить вже про значно більшу мінливість результатів. Особливо помітно це з вибраних серед 17 двох площ, що відрізняються між собою домінуючими деревними породами. Це є, наприклад, площа №5, на якій під час проведення дослідів домінував бук, займаючи 83% біомаси (рис. 1b) і площа №16, на котрій домінувала ялиця (рис.1с), займаючи 78% біомаси.
На буковій ділянці №5 бук увесь час утримує домінуючу позицію. Участь його біомаси, яка була в першому році імітації на рівні 83%, вже після 270 року знов повертається до цього рівня. Модель FORKOME прогнозує не тільки постійну перевагу бука в деревостані, але також у середині прогнозу збільшення біомаси ялиці від 12% у 80 році до 40% в 200 році. До кінця прогнозу біомаса ялиці буде утримуватись на рівні 20%. Інші мішані види не є сталими у деревостані: у перші 150 років появляється тільки явір (до 10% загальної біомаси).
На ялицевій ділянці №16, де в пeршому році біомаса ялиці становила 78%, модель FORKOME постійно прогнозує зменшення кількості ялиці до 37% в кінці імітації та збільшення біомаси букa від 8% в першому році і – до 61% в кінці прогнозу. Видно також зменшення біомаси явора (від 11% у першому році і до 2% у 385 році). Участь смереки сягає кількох відсоткiв у першій половині прогнозу. Cмерека майже зникає в другій половині.
Враховуючи те, що найближчими роками у ландшафтах помірно-кліматич-них зон відбуватимуться зміни в структурах рослинних угруповань, а вирішaльною причиною щодо напрямків сукцесії буде глобальне потепління клімату, розпочато дослідження над впливом кліматичних та гідрологічних процесів на сукцесію у сільських ландшафтах за допомогою моделі FORKOME.
Якщо у сценарій моделі введено поступове потепління клімату (лінійний зріст температури повітря), то за 400 років деревостан на 5 буковій площі зазнає таких змін:
зникне ялина, зменшиться частка ялиці, збільшиться частка бука та явора (Риc. 2). Для ялицевої площі №16 потепління клімату стане причиною домінації букa і яворa в кінці імітації.
а) б) в)
Рис. 1. Прогноз біомаси дерев у контрольному сценарії, в %: а –1 га;
б –буковий плат – N5; с – ялицевий плат – N16
За умови похолодання клімату зміни прогнозуються вже значно суттєвіші: частка бука зменшиться практично вдвоє (рис. 3), а його місце займе ялина, явір випаде з деревостану. Частка ялиці буде на площі №16 трохи більша, ніж на площі №5.
В умовах розвитку лісового господарства на Україні практичний інтерес для нас має прогнозування динаміки біомаси у різних сценаріях проведення вирубувань. Оптимальним, на нашу думку, є проведення добровільно-вибіркових вирубувань дерев цільового діаметра в розмірі річного приросту. Це дає можливість підтримувати потрібне співвідношення основних порід у деревостані (рис. 4).
Розроблена модель дає можливість візуально оцінити результати прогнозів для букової (рис. 4а) і для ялицевої площі (рис. 4б) щодо біомаси.
Рис. 2. Плат No 5 у сценарії потепління клімату (фрагмент інтерфейсу моделі)
Рис. 3. Плат No 5 у сценарії похолодання клімату (фрагмент інтерфейсу моделі)
Рис. 4. Прогноз змін біомаси дерев у сценарії сталого лісокористування (т/га): а – No 5 – буковий плат, б – No 16 – ялицевий плат.
За допомогою моделi FORKOME підтвердженo нестабільність посаджених смерекових деревостанів на місці бука в гірських карпатських ландшафтах. Ті деревостани, як свідчать результати імітації, зникають. На їхньому місці постають букові ліси.
Використана література
Botkin D.B. Forest Dynamics: An Ecological Model. Oxford, New York, 1993.
Botkin D.B., Janik F.J., Wallis, J.R. Some ecological consequences of computer model of forest growth // J. Ecol., 1972. № 60.
Brzeziecki B. Ecologiczny model drzewostanu. Zasady konstrukcji, parametryprzyklady zastosowaс. Warszawa, 1999.
Bugmann H. Sensitivity of forests in the European Alps to future climatic change // Climate Research, 1997. № 8.
Hong S.He., David J.; Mladenoff T.; Crow R.. Linking an ecosystem model and a landscape model to study forest species response to climate warming // Ecological Modelling. 1999. № 114.
Kozak I., Menshutkin V. Computer simulations of forest Ecosystem Dynamics // Biology Bulletin 26, 1999. № 6.
Kozak I., Menshutkin V. Prediction of beech forest succession in Bieszczady Mountains using a computer model // Journal of Forest Science 47, 2001. № 8.
Kozak I., Menshutkin V., Jуџwina M., Potaczaіa G. Computer simulation of fir forest dynamics in Bieszczady Mountains in response to climate change // Journal of Forest Science. Prague 48, 2002. № 10.
Kozak I., Menshutkin V., Jуџwina M., Potaczaіa G. Modelling of beech forest dynamics in the Bieszczady Mountains in response to climate change // Ecology Bratislava 22, 2003. № 2.
Kozak I., Menshutkin V., Klekowski R.Z. Modelowanie elementуw krajobrazu. Wydawnictwo Towarzystwa Naukowego KUL, 2003.
Shugart H.H. A Theory of Forest Dynamics. New York, 1984.
Shugart H.H., West D.C. Development of an Appalachian deciduous forest succession model and its application to assessment of the impact of the chestnut blight // J. Environ. Manag., 1977. № 5.
