Ю. Одум - Основы экологии (1975) (1135319), страница 110
Текст из файла (страница 110)
На фиг. 135 — 138 показаны модели, в которых сочетаются черты метода анализа экспериментальных компонентов и блоковых моделей. Модель степной экосистемы (фиг. 135) была построена в связи с Международной биологической программой и предназначалась для изучения основных аспектов потока энергии.
Основными вынуждающими функциями были уравнения для солнечной энергии, температуры и осадков. Каждый блок, для которого моделировались изменения во времени, представлен в модели по меньшей мере одним разностным или дифференциальным уравнением. В Для изучения использования земель в лесистых районах Северной Америки была построена модель продукции растительности и популяций диких животных (фиг.
136 — 138). Продуктивность растений н сукцессия имитируются при помощи своего рода блоковой модели, основанной на использовании нелинейных Рецен тор гнергии Кланан рабстве Фс сток Светов гнерги Све гне се Работа, создасоисая нотенциал А Д (",'с гнергии гнгрсии сток Я~ З р нониляция консйлсентов с Обработка ганги 377 ГЛ. 1О. СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ хлад/л(аваев ГвгУЛироеаиив ЛРЛГВЛВВ садк вм 15 Чйм ввк фнг. )Зз, Пример аналоговой модели в виде электрической цепи (по Одуму, )967, )967а).
Л. Символы элементов энергетической сети (более подробные абъяснеимя приведены в тексте). Б. Электрическая модель логистическога роста популяции и уравнений для каждой ответной реакции: о — биологическая схема популяции с обратной связью на размножение (источник энергии с постоянной тягай); б — биофильтр. резонансный илн затухающий сдвиг фазы (1 — сложная программа с временной задержкой); е — пассивный аналог; г — кривая логистического роста. Логнстический рост получается в цепи, для которой: )=ь(9 — Мп — приток; ! ю Л Мз — работа по петле обратной связи; С ау — пропускная способность. регулируемая ра- ж ез ботой Б=ПГС Т=Л№)Л( — аая-иый налог на энтропию, когда она положительна; Л)гг)а) У-Т-У вЂ” баланс потопов.
О~сюда следует уравнение Ф цмз)мзв(= (л (2) (М№ — №)-и. Энергозависимая пропускная способность (а№-1))а В. Энергетическая схема примитивной системы в Уганде. Г. Энергетическая схема сельского хозяйства в Индиа, где главным источнином энергии служит свет, но поток энергии через скот н зерновые регулируется человеком. Д. Энергетическая сеть высокомеханизированного сельского хозяйства.
высокие урожаи основаны на значительном вложении энергии путем использования ископаемогп топлива, за счет которого выполняетсн работа, ранее сронзводивюаяся человекам и животными; лри этом выпадает пищевая сеть животных н растений. которых првходилось «кпрмитьз в двух предыдущих системах. дифференциальных уравнений. Основные параметры продуктивности растений были получены из экспериментальных исследований, а общее направление сукцессии оценивали, «проигрывая» различные значения параметров, характеризующих конкуренцию между растениями.
Для представления возрастной структуры, рождаемости и смертности в популяциях диких животных применялись разностные уравнения и методы балансового учета. Питание этих популяций и влияние количества пищи на размножение и смертность моделировали по экспериментальным данным, с использованием как разностных, так и дифференциальных уравнений. Два последних примера приведены не столько для того, чтобы показать, как строятся модели, сколько для того, чтобы читатель мог представить себе, какие сложные биологические ситуации можно описать в математических терминах. На фиг.
139 приведены четыре примера электрических аналогов блоковой модели (см. также фиг, 30). Отдельные блоки обозначены специальными символами, показанными на фиг. 139, А; имеются символы для источников энергии, популяций растений (первичные продуценты), консументов, запасов, тепловых стоков (где часть потенциальной энергии превращается в тепло — неизбежный спутник любого перехода одной формы энергии в другую) и рабочие клапаны (поток работы, облегчающий вторичный поток работы). Приводим пояснение Г. Одума (1967а, стр. 59); «Каждый символ определен математически и для каждого существует граф функциональных входных и выходных сигналов.
Так как каждый символ представляет нечто математически определенное, сетевая диаграмма является одновременно записью машинной программы, кото- ЧАСТЬ 1. ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И КОГ1ЦЕПЦИИ 378 рая может быть использована,для моделирования на цифровой машине. Если изучается ответ группы связанных частей, то его можно также моделировать электрической системой, где электрический ток соответствует потоку углерода, а тепловые потери энергии в реальной системе имитируются тепловыми потерями в системе электрической. Напряжение соответствует потенциальной энергии>.
Если система собрана в виде реальной электрической схемы, то можно, меняя поступление энергии на входе, определять поступление энергии в любую точку системы, например к человеку в конце пищевой цепи. Если упущено что-либо важное, то ответ будет отличаться от того, что происходит в реальной системе. В таком случае можно вводить в модель какие-либо, дополнительные свойства или изменять схему, т, е. продолжать строить модель до тех пор, пока она не будет имитировать реальную систему. тАБЛицА аз Сравнение трех систем сельского хозяйства Чксло людей, которое может прокермкть 1 кмз Выхода ккэл/ма в тод Выход, акал/мз ° тод Ткп хозяйства Тяп хозяйства хаеюр-~ в оню ме ~ де Имсокомеханизированное сельское хозяйство с вложением дополнительной зпергии Примитивное сельское хозяйство Сельское хозяйство без вложений знер- гии 20 20 0 245 240 40 1000 60 940 На фиг.
!39, Б показано, как модель логистического роста популяции (подробно рассмотренная в гл. 7, равд. 8) может быть изображена в виде электрической аналоговой схемы либо с прямой линейной петлей обратной связи, либо с временнбй задержкой, которые выравнивают рост популяции на некоторой пропускной способности й. На фиг.
139,  — Д показаны три системы, отражающие последовательные стадии в развитии сельского хозяйства: от примитивного сельского хозяйства (фиг. 139, В) до высокомеханизированного сельского хозяйства США, основанного на использовании ископаемого топлива (фиг. 139, Д). Обратные связи на этих схемах показывают количественно значение работы, выполняемой человеком, животными и ископаемым топливом для обеспечения потока пищи, направленного к человеку.
Концепция «вложения дополнительной энергии» уже рассматривалась в гл. 3. Как показано на фиг. 139, Г, в Индии рабочий скот играет важную роль в обработке и удобрении полей; изъятие рабочего скота потребовало бы замены источника энергии ископаемым топливом и широкой механизации. Считая, что одному человеку требуется получать с пищей 10з ккал в год, можно примерно оценить выход моделей трех систем сельского хозяйства (табл.
40). Быстрый переход от несубсидируемого к субсидируемому сельскому хозяйству вызывает серьезные экологические, социальные и экономические неурядицы. Увеличивается загрязнение среды, происходит вынужденное массовое переселение мелких фермеров в города, где они могут прокормиться, но не могут найти удовлетворительную работу, жилье и возможность сохранить свое человеческое достоинство. Мод~ели, подобные рассмотренным, помогают оценить стоимость таких ГЛ. 1П. СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ 379 изменений, которая должна как-то оплачиваться, раз общество в целом от этих изменений выигрывает.
Необходимы модели, которые рассматривали бы город и остальную часть страны как единую и мутуалистически связанную систему жизнеобеспечения. Обычная практика «субоптимизации» модели только для части системы, например рассмотрение только производства пищи без учета зкономических и социальных последствий роста производства, а также стресса, оказываемого при этом на окружающую среду, крайне опасна и может ввести в заблуждение, если такие модели рассматривать как «истину в последней инстанции».
ЧАСТЬ 2 ЧАСТНАЯ ЭКОЛОГИЯ (ЛАНДШАФТН ЫЙ ПОДХОД~ В первой части мы определили предмет экологии, пользуясь принципами и концепциями, относящимися к различным уровням организации, а именно к уровням индивидуума, популяции, сообщества и экосистемы (гл. 1, равд. 2). Такой способ изложения, во-первых, позволяет представить совокупность основных тем, объединяющих экологию, н, во-вторых, появляется конструктивная основа для практических приложений в интересах всего человечества. Кроме того, если мы хотим иметь ясное представление о мире, в котором живем, то необходимо сконцентрировать внимание на непосредственном изучении четко ограниченных участков земной поверхности.
Опыт преподавания (мы включаем сюда и самообразование) показал, что оправдывает себя только такая процедура обучения, которая состоит из лекционных и лабораторных, или теоретических н практических, курсов. В соответствии с этим первая часть книги представляет собой «теорию», а вторая — «лабораторию», в которой мы глубже знакомимся с предметом, изучаем необходимый «жаргон» н проверяем теории практикой.
В первой части мы придавали особое значение функциональным аспектам экологии, т. е. тому, как «действуют» природные системы. Хотя невозможно, да и нельзя, проводить резкую границу между структурой и функцией, все же вторая часть будет посвящена преимущественно структуре, илн, если можно так сказать, тому, как природа «выглядит». Иными словами, мы особо отметим то, что может увидеть студент во время экскурсий, когда он уже перестает быть просто сторонним наблюдателем. Изучая какой-то определенный участок, мы знакомимся с конкретными организмами и физическими факторами, объединенными в настоящее время в некую частную экосистему.
Это помогает нам избежать ошибок, которые могут возникнуть в результате чрезмерного обобщения, и, кроме того, дает возможность понять сущность методов, ознакомиться с приборами и предусмотреть те трудности, с которыми придется столкнуться при изучении тех или иных конкретных ситуаций. Если читатель не знаком с первой частью, то ему следует обратиться.к разделам, посвященным концепции экосистемы (гл. 2, равд. 1), описаниям местообитаний и ниш (гл. 8, равд. 1), биогеохимических круговоротов (гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
