Как живые. О самочувствии лесов расскажут их имитационные модели
 

Как получить представление о естественном развитии леса, если почти все процессы в нем длительные, исчисляются десятками и даже сотнями лет, а какие-то сведения нужны прямо сейчас? Например, для того, чтобы понять, как воздействуют на лесную экосистему антропогенные вмешательства, в частности рубки и лесопосадки. Выход, как известно, можно найти всегда. Особенно если за решение задачи берутся молодые талантливые исследователи, такие как научный сотрудник лаборатории математического моделирования динамики региональных систем Института комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН Алексей Колобов. Проект, который он сейчас выполняет, поддержан грантом Президента России. Молодой ученый рассказал, как можно ускорить лесные процессы, правда, не в реальности, а с помощью имитационной модели.

– Алексей Николаевич, для начала хотелось бы знать, что это такое – “имитационная модель”?

– Такая модель принадлежит к особому виду математических моделей, которые детально описывают структуру и воспроизводят поведение реальной системы во времени. Как правило, в такой модели учитывается большое число параметров, они подбираются для более точного описания объекта. По существу, это компьютерная программа, которая выдает результаты расчетов при различных значениях вводимых данных. Это, можно сказать, воспроизведение натурного эксперимента. Моделирование обычно используют в тех случаях, когда эксперимент над реальной системой невозможен или нецелесообразен, например, из-за длительности его проведения. Для леса такой временной масштаб измеряется десятками и сотнями лет. Это создает серьезные трудности в исследовании естественного развития леса, реакции лесных насаждений на управляющие воздействия (например, рубки, лесопосадки) с помощью прямых измерений и наблюдений. Поэтому для решения этой проблемы используют имитационные компьютерные модели. В нашей модели описывается рост каждого дерева на определенном участке леса площадью порядка одного гектара, мы учитываем их пространственные координаты и взаимное затенение. Это помогает строить прогнозы естественного развития лесных древесных сообществ, то есть следить за тем, как меняется видовой состав и с какой скоростью. Так как в модели учитывается рост каждого дерева на участке, это позволяет легко имитировать различные виды рубок. А также предсказывать последствия негативных воздействий на деревья, таких как ветровалы, пожары, нашествия насекомых. В ходе компьютерного эксперимента исследователь получает нужные статистические данные (количество деревьев, объем, высота, диаметр ствола, видовая принадлежность) и следит, как они изменяются во времени. Особенность нашей модели в том, что большинство эмпирических данных для настройки параметров модели можно взять из лесотаксационных справочников. Это освобождает от необходимости проводить трудоемкие полевые исследования. 

– Что подразумевают под “лесными древесными сообществами”? 

– Это совокупность различных видов деревьев, совместно произрастающих на одном участке леса, не считая кустарников и травяного яруса. Динамика многовидовых древесных сообществ характеризуется процессами сукцессии, то есть смены одних видов деревьев другими в результате конкуренции за ресурсы (свет, вода, минеральное питание). В нашей модели ведущий фактор конкуренции - свет, это характерно для лесов умеренной климатической зоны. Различные виды деревьев отличаются разной степенью затенения и потребностью в освещении, что определяет их динамику, то есть совместное сосуществование или вытеснение одних видов другими. Ярким примером может служить сукцессия, когда светолюбивый березовый древостой сменяется коренным темнохвойным лесом.

– Какие конкретно древесные сообщества вы изучаете? 

– Полевые исследования мы проводили в пихтово-еловом древостое, расположенном в Еврейской автономной области. Собрали эмпирические данные, необходимые для проверки адекватности модели. Изучали темнохвойные древостои, в состав которых входят ель, пихта, кедр, произрастающие на территории ЕАО, Хабаровского и Приморского краев. Особенность этих видов в том, что они покрывают значительную часть лесной территории Дальневосточного региона и подвергаются различным лесозаготовительным мероприятиям. 

– Как имитационная модель помогает изучать процессы лесовосстановления и разрабатывать стратегии устойчивого лесопользования? 

– Устойчивое лесопользование, как известно, означает расходование лесных ресурсов с такой интенсивностью, которая обеспечивает их биологическое разнообразие, продуктивность, способность к возобновлению и жизнеспособность, а также способность выполнять соответствующие экологические и экономические функции. Другими словами, это такой метод лесозаготовок, при котором на участке вырубаются отдельные деревья - в количестве, гарантирующем сохранение всех функций леса и эффективное восстановление лесного массива. Исключаются сплошные рубки, после которых остаются полностью пустые территории. Как я уже говорил, наша модель учитывает рост каждого дерева на участке. Это позволяет проигрывать сценарии лесопользования, при которых удаляются конкретные деревья определенного размера, вида и месторасположения. Таким образом, компьютерный эксперимент дает возможность наблюдать и изучать процесс лесовосстановления так же, как и при натурном эксперименте. Используя имитационную модель, можно обоснованно предлагать оптимальные режимы рубок.

– Как давно вы занимаетесь имитационной моделью? 

– Работу над этой моделью начали в 2007 году. Примерно через год получили первый, довольно грубый вариант модели. Затем постоянно модифицировали ее, стремясь наиболее точно описать отдельные процессы (движение солнца по небосводу), компоненты (например, крона дерева) древостоя и воспроизвести динамику лесных насаждений. Любая модель направлена на решение определенных задач и имеет ограниченную область применения. Если говорить о нашей модели, то мы находимся на завершающем этапе и в ближайшем будущем планируем ее запатентовать. Потом можно увеличивать область применения, например вводить данные о почвенных условиях, климате, то есть этот процесс постоянно развивающийся.

– Насколько, на ваш взгляд, перспективно использование имитационной модели? 

– Первые имитационные модели лесных насаждений появились более 40 лет назад. Сейчас активно разрабатываются различные типы моделей лесных экосистем, направленные на решение довольно широкого круга задач. Как уже говорилось выше, такие модели находят свое применение в области лесного хозяйства при выборе и обосновании эффективных стратегий лесопользования. Они позволяют строить прогнозы с учетом изменения климата, почвенных условий, влияния внешних факторов (пожары, нашествия насекомых), оценивать запасы углерода в лесах и лесных почвах. Перспективность этого направления исследований еще и в том, что мощное развитие вычислительной техники позволяет разрабатывать все более сложные имитационные модели.

– Расскажите немного о своей команде. 

– Сначала чуть о себе. В 2013 году защитил кандидатскую диссертацию по специальности “Биофизика”. Исследование, поддержанное грантом Президента России, можно считать развитием моей диссертационной работы “Моделирование пространственно-временной динамики древесных сообществ”. Основная часть задачи, связанная с построением модели, испытаниями на конкретных видах деревьев, проведением компьютерных экспериментов, выполнялась совместно с моим научным руководителем директором нашего института членом-корреспондентом РАН Ефимом Яковлевичем Фрисманом. Соисполнитель гранта - старший научный сотрудник лаборатории генетики и эволюции нашего института Оксана Леонидовна Ревуцкая, она занимается моделированием динамики численности растительноядных животных в зависимости от изменений видовой и пространственной структуры лесных насаждений. Нельзя не отметить и наших коллег, вносящих заметный вклад в развитие этой работы. В частности, данные полевых исследований для испытаний имитационной модели предоставила заведующая лабораторией региональных биоценологических исследований института доцент Тамара Александровна Рубцова. Сотрудник лаборатории математического моделирования динамики региональных систем Матвей Павлович Кулаков активно участвовал в обсуждении некоторых математических тонкостей и вопросов программирования. Мы все работаем в тесном содружестве, плодотворной исследовательской атмосфере.

Фирюза Янчидина. Газета «Поиск»

Иллюстрации предоставлены А. Колобовым

На среднем фото: Модель динамики древостоя

На нижнем фото: Пространственное размещение деревьев