Грант РФФИ № 15-04-08714 «Моделирование и анализ динамики популяций и сообществ кустарничков при изменении условий произрастания» (2015-2017)

Цель проекта: разработка математических моделей развития и длительного существования популяций и сообществ кустарничков и анализ их возможной динамики и вклада в экосистемные функции при изменении условий произрастания.

Задачи:

  1. Разработка и обоснование методов построения новых математических моделей динамики популяций и сообществ растений, основанной на концепции дискретного описания онтогенеза растений по Т.А.Работнову и А.А.Уранову с одной стороны, и объединения модельных подходов в терминах вероятностных клеточных автоматов и L-систем, с другой.
  2. Разработка программных продуктов, реализующих 1. описание динамики популяций и сообществ кустарничков в терминах динамики парциальных кустов и/или проективного покрытия и 2. описание суммарной динамики биомассы кустарничков и их фракций на основе данных, полученных при дискретном описании онтогенезов и привлеченных дополнительных данных по продуктивности и биомассе фракций растений, опубликованных в литературе.
  3. Прогноз динамики популяций и экосистемных функций кустарничков (регулирование биогеохимических циклов, поддержание биоразнообразия, участие в создании недревесной продукции) при изменении климатических условий и сильных разрушающих воздействиях.
  4. Объединение разработанных моделей с существующей моделью динамики органического вещества в почве ROMUL для описания круговоротов углерода и азота в системе кустарнички-почва и их изменений при изменении условий.

Важной частью недревесной продукции являются широко распространенные в бореальных лесах и тундре кустарнички рода Vaccinium. В их числе доминирующие во многих типах сообществ черника и брусника. Эти виды дают значительную долю ягод, а также лекарственного сырья, собираемого в бореальных лесах. В силу сложной морфологической структуры до настоящего времени недооценена роль этих кустарничков в биогеохимическом круговороте элементов, и их участие в восстановлении сообществ после сильных изменяющих среду воздействий, таких как сплошные рубки, лесные пожары, подтопления и пр.

Накопленные экспериментальные данные о морфологическом строении, особенностях структуры популяций положены в основу созданных сценариев геометрии роста растений черники и брусники в модели CAMPUS.

Модель CAMPUS относится к классу вероятностных клеточных автоматов с элементами сложной геометрии ветвления корневищ, аналогичной известным во фрактальных моделях и структурно-функциональных моделях растений L-системам. В модели для описания развития и роста растений используется концепция дискретного описания онтогенеза растений по Т.А.Работнову и А.А.Уранову, что позволяет получить детальное описание каждого растения или клона.

Модель включает четыре основных модуля: конструктор жизненных форм растений, блок онтогенетического развития, блок популяционного развития, блок параметров моделирования:

Блок конструктор жизненных форм растений – предназначен для задания параметров развития растения по 10 онтогенетическим состояниям по следующим показателям: длительность состояния, вероятность гибели растения в нем; размер фитогенного поля, его напряженность. В графическом поле для каждого онтогенетического состояния задается схематическое отображение проекции побегов и подземной части обеспечивающей вегетативное размножение. Сведения о развитии рамет (растение из семени) и генет (растение возникшее при вегетативном размножении) могут кодироваться независимо.

Блок онтогенетического развития – содержит матрицу переходов между возрастными состояниями.

Блок популяционного развития – содержит форму для ввода начальных условий моделирования: число растений каждого вида; преимущества какого либо из видов при занятии территории; размер моделируемой площади; её неоднородность и др.

Блок моделирования – задается число шагов моделирования (месяцев, лет), после чего в графической области можно наблюдать процесс роста модельного сообщества. В процессе моделирования выводятся графики, демонстрирующие динамику проективного покрытия и текущее проективное покрытие на каждом шаге. В результирующем файле сохраняются данные о проективном покрытии всех видов, каждого вида по отдельности и возрастной структуре популяций на каждом шаге. Визуализация изменения покрытия и числа растений каждого возрастного состояния каждого шага моделирования может быть сохранена в виде рисунка и как видеоролик.

Модель позволяет проверить гипотезы о влиянии разных параметров: размеры растений, расстояния и геометрия распространения вегетативных зачатков, наличие или отсутствие семенного размножения, длительности возрастных состояний на развитие ценопопуляций. В частности, в результате модельных экспериментов показано, что на успешность развития популяции (при отсутствии семенного размножения) оказывает влияние геометрия расположения вегетативных зачатков на подземных побегах брусники. Показано, что более стабильное развитие имеют популяции с разными темами развития парциальных кустов черники по сравнению с популяциями имеющими одинаковые для всех парциальных кустов длительности онтогенетических состояний.

Дальнейшая разработка модели предполагает учет влиянии внешних условий (богатство почвы, освещенность, водный режим) на популяционную динамику, биомассу и продуктивность кустарничков.

Аналогов разрабатываемой модели, описывающих динамику популяций кустарничков и обеспечивающих прогноз их продуктивности в зависимости от условий, в настоящее время в мировой науке не существует.

Публикации по теме гранта:

  • Комаров А.С., Зубкова Е.В., Фролов В.П. Клеточно-автоматная модель динамики популяций и сообществ кустарничков // Сибирский лесной журнал. Вып. 3. С. 57–69.
  • Фролов П.В., Зубкова Е.В., Комаров А.С. Клеточно–автоматная модель сообщества двух видов растений разных жизненных форм // Известия академии наук, сер. биологическая, 2015. №4. С. 341–349.
  • P. V. Frolov, E. V. Zubkova, and A. S. Komarov A Cellular Automata Model for a Community Comprising Two Plant Species of Different Growth Forms // Biology Bulletin, 2015, Vol. 42, No. 4, pp. 279–286.
  •   Зубкова Е.В., Комаров А.С., Жукова Л.А., Фролов П.В. Использование данных об онтогенезах растений для моделирования динамики популяций растений разных жизненных форм // Принципы и способы сохранения биоразнообразия: материалы IV Всероссийской научной конференции с международным участием / Мар. Гос. ун-т., Йошкар-Ола, 2015. С. 159–161.
  • Зубкова Е.В., Полянская Т.А., Фролов П.В. О моделировании развития ценопопуляций кустарничков на основании материалов исследований их онтогенезов // Принципы и способы сохранения биоразнообразия: материалы IV Всероссийской научной конференции с международным участием / Мар. Гос. ун-т., Йошкар-Ола, 2015. С. 161–163.
  • Зубкова Е.В. , Фролов П.В., Комаров А.С. Обоснование алгоритмов моделирования динамики популяций и сообществ кустарничков в терминах онтогенетических состояний // Математическое моделирование в экологии / Материалы Четвертой Национальной научной конференции с международным участием, 18-22 мая 2015 года. Пущино, ИФХиБПП РАН, 2015. С. 206–207.
  • Комаров А.С. Зубкова Е.В. , Фролов П.В., Быховец С.С. Моделирование динамики популяций и круговорота органического вещества и азота в популяциях кустарничков // Математическое моделирование в экологии / Материалы Четвертой Национальной научной конференции с международным участием, 18-22 мая 2015 года. Пущино, ИФХиБПП РАН, 2015. С. 204–205.
  • Фролов П.В., Комаров А.С. Зубкова Е.В. Имитационное моделирование пространственно-временной динамики популяций растений разных жизненных форм – модель CAMPUS-S. Материалы Четвертой Национальной научной конференции с международным участием, 18-22 мая 2015 года. Пущино, ИФХиБПП РАН, 2015. С. 193–194.
  • Комаров А.С., Зубкова Е.В., Фролов П.В., Быховец С.С. Моделирование углерода и азота в популяциях кустарничков // Фундаментальные и прикладные вопросы лесного почвоведения: Материа­лы докладов VI Всероссийской научной конференции по лесному почвоведению с международным участием. Сыктывкар, 2015. (Коми НЦ УрО РАН). С. 9899.
  • Komarov A., Frolov P., Zubkova E., Salemaa M., Mäkipää R. A model of population dynamics of dwarf shrubs. Abstracts of the 17th IBFRA Conference, May 24–29, 2015, Rovaniemi, Finland (Eds. R. Mäkipää and T. Kilponen), P. 73.