Чернишенко Сергій Вікторович. Динаміка лісових біогеоценозів степової зони України (нелінійні процеси: сукцесії, інформаційні взаємодії, рекультивація) : дис... д-ра біол. наук: 03.00.16 / Дніпропетровський національний ун-т. - Д., 2006.
Анотація до роботи:
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.
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.
Публікації автора:
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.
