Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2025
Ключевые слова: mathematical modeling, greenhouse gases, ecosystem stability, математическое моделирование, парниковые газы, устойчивость экосистем
Аннотация: Биосфера представляет собой «лоскутное одеяло» региональных экосистем, взаимодействия между которыми слабее, чем внутри экосистемы, но тем не менее могут оказывать влияние на их динамику. Основным каналом взаимодействия таких экосистем является атмосфера, переносящая углекислый газ. Исследования показывают возможность существенных Показать полностьюотличий локальной концентрации углекислого газа от средней глобальной и значительное ее влияние на растения. Для оценки вклада экосистем в мировую динамику парниковых газов представляется полезным создание математической модели региональных экосистем, взаимодействующих через атмосферу, что и было целью данной работы. Динамика региональной экосистемы описывалась точечной моделью, включающей 6 переменных: массу (Гт) углерода в атмосфере, в биомассе наземных растений, в органике почвы, в почвенной микрофлоре, а также температуру атмосферы и почвы. Одной из проблем применения качественной теории дифференциальных уравнений к нелинейным системам высокой размерности является поиск стационарного решения. В данной работе был предложен способ обхода данной проблемы путем использования текущих показателей биосферы в качестве стационарных. Устойчивость найденного таким образом стационарного состояния по Ляпунову была оценена посредством локализации собственных чисел матрицы линеаризованной системы и численным интегрированием уравнений модели. Показано, что стационарные значения переменных модели, равные оценкам реальных значений, могут быть неустойчивы в достаточно широкой области значений модельных параметров. При этом наибольшая устойчивость модели региональной экосистемы ожидается при стационарных значениях биомассы, равных половине предельной емкости среды. Показано, что взаимодействие с внешним атмосферным пулом стабилизирует систему и практически исключает возникновение автоколебательных режимов и пороговых переключений. В то же время из аналитических оценок и вычислительных экспериментов следует, что взаимодействие экоклиматических систем через общий воздушный пул может приводить к различным последствиям - от полного отсутствия какого-либо эффекта, до гашения релаксационных колебаний. The biosphere is a “patchwork” of regional ecosystems the interactions between which are weaker than within the ecosystems, but, nevertheless, can influence their dynamics. The main channel of interaction between such ecosystems is the atmosphere, which transports carbon dioxide. Research shows that the local concentration of carbon dioxide may differ considerably from the global average and exert a substantial effect on plants. To assess the contribution of ecosystems to the global dynamics of greenhouse gases, it is useful to create a mathematical model of regional ecosystems interacting through the atmosphere, and that was the purpose of the current study. The dynamics of the regional ecosystem was described by a point model that included 6 variables: the mass of carbon (Gt) in the atmosphere, in terrestrial plant biomass, in soil organic matter, and in soil microflora, and the atmospheric and soil temperatures. One of the problems of applying the qualitative theory of differential equations to nonlinear systems of high dimension is the search for a stationary solution. The present study proposes a way to circumvent this problem by using the current indicators of the biosphere as stationary ones. The Lyapunov stability of the steady state found in this way was estimated by localizing the eigenvalues of the matrix of the linearized system and numerically integrating the equations of the model. The results show that the stationary values of the model variables, equal to the estimates of the real biosphere values, can be unstable in a fairly wide range of values of the model parameters. At the same time, the greatest stability of the regional ecosystem model is expected at steady-state biomass values equal to half of the limiting capacity of the medium. The interaction with an external atmospheric pool stabilizes the system and practically eliminates the occurrence of self-oscillatory modes and threshold switching. However, analytical estimates and computational experiments suggest that the interaction of eco-climatic systems through a common air pool may lead to various consequences, from the complete absence of any effect to the damping of relaxation oscillations.
Журнал: Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Биология
Выпуск журнала: Т. 18, № 4
Номера страниц: 578-601
ISSN журнала: 19971389
Место издания: Красноярск
Издатель: Сибирский федеральный университет