myth_neues: (Default)

Сегодня я расскажу о насекомом, которое является одним объектов пристального внимания на моей работе.
            Также привожу более научные тексты, посвящённые этому вопросу (по сути то, чем я и занимаюсь целыми днями у ЭВМ, когда холодно, и в лесу, когда тепло):     раз     два    три


Как  известно,  памятники сооружают для  увековечивания  памяти  не только великих людей, но и о замечательных  событиях  отечественной  истории. Например, к числу подобных редких  мемориальных сооружений относятся памятники насекомым. Размножаясь временами на больших площадях в огромном количестве, насекомые способны оказывать существенное влияние на природу и производственную  деятельность  человека.  Впервые памятник насекомым был воздвигнут в России в начале прошлого столетия. В конце 19 в.  И начале 20 в. на юге Западной Сибири произошло массовое размножение кобылки из семейства саранчовых (Orthoptera, Acrididae). По данным Н.М. Ярдинцева, члена Русского географического общества, только в бывшем Ишимском уезде в 1891 г. саранча уничтожила 129,5 тыс. десятин  хлебов. В память  об  этом  крестьяне бывшего Курганского округа (ныне Курганская область) воздвигли каменный памятник, увенчанный крестом.

В связи с чрезвычайными обстоятельствами, возникшими в результате вспышки массового размножения белополосого (сибирского) шелкопряда в 1919–1922 гг. на о-ве Сахалин, в 1926 г. японскими властями был сооружен памятник гусенице этого вредителя. Памятник был поставлен в августе 1926 г. на склоне в районе нынешнего городского парка г. Южно-Сахалинск. Памятник был установлен на фундаменте высотой 75 см. На памятнике иероглифами был написан следующий поучительный текст: «В июле 1919 года в елово-пихтовых насаждениях государственного леса Накасато, район Тоёхара (ныне – Южно-Сахалинск. – Прим. автора), впервые обнаружен очаг размножения сибирского шелкопряда, однако ущерб от него был еще незаметный. Всему этому посвящается настоящий памятник, который в то же время воздвигается совместными усилиями как объект панихиды по погибшим рабочим, а также для сведения будущих поколений. Количество рабочих, принимавших в участие в лесозаготовках – 3200000 человек; объем вырубленных деревьев – 2576000 м . Людские жертвы составили 22 человека. Август 1926 года. Временная лесозаготовительная  контора.  Наниматели. Инициаторы по покупке товаров. Сотрудники и другие заинтересованные лица».

Read more... )

myth_neues: (Default)

Газетдинов М.В., инженер-лесопатолог отдела защиты леса и лесопатологического мониторинга

Филиал ФБУ«Российский центр защиты леса» ЦЗЛ Приморского края, ул.Вторая, д.25, 690024,  г.Владивосток

Понимание механизмов работы биологических систем одна из важнейших задач экологии на современном этапе. Модель системы - это математический образ, позволяющий формализовать и обобщить в терминах теории представления о многочисленных свойствах и характеристиках сложных процессов. Расширение понятийного и образного круга не меньше, чем количественные расчеты представляет собой ценный результат междисциплинарных исследований с применением аппарата математики для изучения живых систем. В этом смысле имитационное моделирование динамики численности занимает особое место.  Отличительной чертой биологических популяций, как и всех живых систем, является их удаленность от термодинамического равновесия, использование для своего роста и развития энергии внешних источников. Это обуславливает необходимость использования для описания таких систем нелинейных моделей, позволяющих отразить основные характерные черты популяционной динамики лабораторных и природных популяций. Математические результаты, полученные при изучении моделей популяционной динамики служат для практических целей управления биотехнологическими и природными системами и, дают пищу для развития собственно математических теорий.

Цель данной работы ознакомление с возможностями имитационного моделирования на примере моделей, созданных автором. Основные задачи, которые ставились при этом стали разработка моделей, связанных с основными законами и уравнениями в экологии, сравнение с ними, а также поиск возможностей данной методики для решения производственных задач и её эффективности.

Для исследования использовался программный пакет Stella 9.0.1,  в котором производились основные манипуляции с возможными факторами при условии использования математических уравнений.

В 1797 году английский учёный Томас Мальтус в работе «Опыт о законе народонаселения» поставил вопрос об устойчивости популяции в условиях неограниченного роста. Математически подобную модель можно описать следующим уравнением: dX/dt=kX. Согласно этому уравнению, в условиях, когда у популяции численностью Х особей нет недостатка в ресурсах, изменение её численности dX/dt пропорционально самой численности N. Решением этого дифференциального уравнениея является величина X(t) – численность популяции со временем растущая по экспоненте. Для решения этого уравнения в рамках указанного программного пакета была составлена простая модель потока, сравнение которой с классическим графиком представлено на рисунке 1.

A   Рисунок 1_1   Б Рисунок 1_2
Рис. 1. Изменение во времени численности неограниченно растущей популяции: классический график (а), модель в Stella (б)

В середине XIX в. немецкий химик Ю.Либих рассмотрел ситуацию, когда особь для своего роста нуждается в ресурсах нескольких типов, при этом интенсивность её роста определяется ресурсом, ограниченным в большей степени. Математическая модель описывающая этот механизм впервые была предложена бельгийским математиком П.Ферхюльстом (1838 г.), а ввёл её в теорию американский эколог Р.Перл в 1920. dX/dt=kX-bX2=rX(A-X), где r=k/bA=1/b – максимально возможная численность популяции. Для решения этого уравнения в виде модели в классическом виде значение коэффициента размножения b было принято равным 0,1.  Логистическая кривая, представляющая это уравнение и её фазовый портрет, а также сравнение с разработанной моделью представлены на рисунках 2 и 3.

АРисунок 2_1     Б  Рисунок 2_2

Рис. 2 Логистическая кривая роста численности популяции: классический график (а), модель в Stella (б)
АРисунок 3_1            Б Рисунок 3_2
Рис.3 Фазовый портрет уравнения Ферхюльста-Перла: классический график (а), модель в Stella (б)

В 1920х годах итальянский математик В.Вольтерра  создаёт математическую модель для конкурентной парадигмы, предложенной Дарвином и описывающую конкуренцию за ресурс между двумя видами: хищником и жертвой:dX/dt=k1X(A-X )-b1XY; dY/dt= k2Y(A-X )-b2XY. В решении этих уравнений графическим способом представлены две колеблющиеся кривым с запаздывающими колебаниями в динамике численности вида «хищник». Для описания этого уравнения методом имитационного моделирования была необходима случайность развития популяций при неизменном условии запаздывающих колебаний. В данном случае потоки потребления ресурсов и хищником, и жертвой были случайными, что в свою очередь оказало влияние на коэффициенты рождаемости обоих видов. Сравнение графиков представлено на рисунке 4.

А  Рисунок 4_1       Б  Рисунок 4_2
Рис. 4 Колебания численности популяций в системе «хищник-жертва»: классический график (а), модель в Stella (б)

Для решения прикладных задач требуются модели, позволяющие выяснить те или иные закономерности развития процессов в течении заданного времени. Случайные и коррелирующие с основными законами и стандартами схемы необходимы в настоящий момент в такой области как лесопатологический мониторинг вредителей лесного хозяйства. В частности вредители хвойных пород, как особо ценных в производстве.

Натурное изучение вспышек хвоегрызущих насекомых даёт лишь описание предшествующих настоящему процессов, а не возможное развитие ситуации.  Для поиска возможных сценариев развития нужна универсальная модель, дающая случайное многовариантное распределение динамики численности популяции исследуемых видов для последующей корреляции с начальными данными и прогнозом дальнейшего развития.

Для составления модели бралась модель взаимоотношений «хищник-жертва». В которой на численность личиночной стадии насекомого, влияла популяция вида энтомофага. Также в модели принималась возможность использования основным моделируемым видом использования ресурса, выраженного в долях. Случайное соотношение параметров рождаемости и смертности в данной модели выдавало случайные вариации развития популяции вредителя и как следствие разные динамики численности популяции, отображенные на рисунке 5.

Рисунок 5
Рис.5 Динамика численности в популяции хвоегрызущих насекомых (E – количество яиц в кладке, М – количество имаго, С – количество гусениц), дефолиация крон (F), численность имаго паразитов  (р).

Анализ различных случайных схем в модели предполагает развитие популяции от начала её вспышки, прохождения пика численности и гибели от всевозможных факторов, включая гибель от паразитов и истощения ресурса. При сравнении с ранее описанным вспышками численности различных видов насекомых вредителей хвойных пород было отмечено сходство в протекании натурных процессов и процессов, представленных в модели. Использование модели позволит произвести прогноз динамики численности хвоегрызущих насекомых на ранних стадиях вспышки. Однако модель даёт лишь приблизительное вычисление и предполагает корреляцию и сравнение с процессами происходящими in vivo. В дальнейшем предполагается усовершенствование и разработка более точной модели.

Представленные модели, разработаны на основе уравнений экологических процессов, описанных ранее другими исследователями. Сравнение графического отображение показало эффективность использования метода имитационного моделирования в данном ключе. Использование данной методики для решения производственных задач показало практическую возможность реализации в ключе прогнозирования динамики численности совместно с натурными исследованиями.

myth_neues: (Default)

Третья Всероссийская научная конференция с международным участием

Иркутск, 23-27 апреля 2012 г.

Газетдинов М.В.

Филиал ФБУ«Российский центр защиты леса» ЦЗЛ Приморского края, г.Владивосток

Понимание механизмов работы биологических систем одна из важнейших задач экологии на современном этапе. Раскрытие этих механизмов сталкивается с рядом проблем, таких как факторы взаимодействия компонентов внутри систем, воздействие внешних биологических и небиологических факторов, а также структура и соотношение воздействующих элементов внутри и за пределами системы. Модель системы - это математический образ, позволяющий формализовать и обобщить в терминах теории представления о многочисленных свойствах и характеристиках сложных процессов. Расширение понятийного и образного круга не меньше, чем количественные расчеты представляет собой ценный результат междисциплинарных исследований с применением аппарата математики для изучения живых систем. В этом смысле имитационное моделирование динамики численности занимает особое место.  Популяционная динамика представляет собой область математической биологии, описывающая с помощью моделей типы динамического поведения развивающихся систем, представляющих собой одну или несколько взаимодействующих популяций или внутрипопуляционных групп. Отличительной чертой биологических популяций, как и всех живых систем, является их удаленность от термодинамического равновесия, использование для своего роста и развития энергии внешних источников. Это обуславливает необходимость использования для описания таких систем нелинейных моделей, позволяющих отразить основные характерные черты популяционной динамики лабораторных и природных популяций. Это - ограниченность роста, вызванная совокупностью факторов. Возможность нескольких стационарных исходов в зависимости от начальных условий роста популяции. Математические результаты, полученные при изучении моделей популяционной динамики служат для практических целей управления биотехнологическими и природными системами и, дают пищу для развития собственно математических теорий.

Для решения же чисто прикладных задач требуются модели, позволяющие выяснить те или иные закономерности развития процессов в течении заданного времени. Случайные и коррелирующие с основными законами и стандартами схемы необходимы в настоящий момент в такой области как лесопатологический мониторинг вредителей лесного хозяйства. В частности вредители хвойных пород, как особо ценных в производстве.

Натурное изучение вспышек хвоегрызущих насекомых даёт лишь описание предшествующих настоящему процессов, а не возможное развитие ситуации.  Для поиска возможных сценариев развития нужна универсальная модель, дающая случайное многовариантное распределение динамики численности популяции исследуемых видов для последующей корреляции с начальными данными и прогнозом дальнейшего развития.

В связи с этим, в рамках основной работы специалистами филиала ФБУ «Рослесозащита» ЦЗЛ Приморского края для решения и упрощения производственных вопросов, связанных с прогнозированием динамики численности таких вредителей, как сибирский шелкопряд, шелкопряд-монашенка и др., вызывающих вспышки массового размножения и наносящих ущерб лесному хозяйству, была поставлена цель по созданию подобной универсальной модели. Основные задачи, которые были поставлены в поиске, явились сравнение с основными механизмами течения вспышек хвоегрызущих насекомых, подбор достаточного удобного визуального отображения с помощью программ по имитационному моделированию биологических процессов, а также выяснения эффективности модели.

Для исследования использовался программный пакет Stella 9.0.1,  в котором производились основные манипуляции с возможными факторами и динамикой численности предполагаемой виртуальной популяции насекомых.

Для составления модели бралась модель взаимоотношений «паразит-хозяин». В которой на численность личиночной стадии насекомого, влияла популяция вида энтомофага. Также в модели принималась возможность использования основным моделируемым видом использования ресурса, выраженного в долях. Случайное соотношение параметров рождаемости и смертности в данной модели выдавало случайные вариации развития популяции вредителя и как следствие разные динамики численности популяции, отображенные на рисунке 1.

Рис.1 Динамика численности в популяции хвоегрызущих насекомых (E – количество яиц в кладке, М – количество имаго, С – количество гусениц), дефолиация крон (F), численность имаго паразитов  (р).

Рисунок 1

Общая схема модели представлена в рисунке 2.

Рисунок 2. Общая схема модели

Рисунок 2

Анализ различных случайных схем в модели предполагает развитие популяции от начала её вспышки, прохождения пика численности и гибели от всевозможных факторов, включая гибель от паразитов и истощения ресурса. При сравнении с ранее описанными вспышками численности различных видов насекомых вредителей хвойных пород было отмечено сходство в протекании натурных процессов и процессов, представленных в модели.

Использование модели на практике позволит произвести прогноз динамики численности хвоегрызущих насекомых на ранних стадиях вспышки. Однако модель даёт лишь приблизительное вычисление и предполагает корреляцию и сравнение с процессами происходящими in vivo. В последующем предполагается усовершенствование и разработка более точной модели.
myth_neues: (Default)

Третья Всероссийская научная конференция с международным участием

Иркутск, 23-27 апреля 2012 г.
Газетдинов М.В.

Филиал ФБУ«Российский центр защиты леса» ЦЗЛ Приморского края, г.Владивосток

Одним из географических подвидов сибирского шелкопряда является белополосый шелкопряд (Dendrolimus albolineata) (БШ), обитающий на острове Сахалин. В 1920 г., в различных местах о.Сахалин появились очаги массового  размножения шелкопряда,  которые  постепенно  расширились, поэтому всевозможные  меры борьбы, которые были приняты губернатором, оказались малоэффективными. В период максимального размножения в 1921 г. гусеницы шелкопряда, переходя с одного дерева на другое, образовывали слой толщиной до 10 см. В случае дальнейшего размножения имелись все основания ожидать колоссального ущерба. Однако вследствие вспышки массового размножения естественных врагов вредитель начал исчезать, а в следующем году он окончательно исчез. Огромный запас древесины в поврежденных древостоях уже через несколько лет мог утратить свою хозяйственную ценность. С целью сохранения деловых качеств древесины была организована экстренная вырубка поврежденных лесов. Огромный  ущерб,  причиненный  БШ  на  Карафуто (Сахалине), является одним из редких и поражающих событий в истории мировой лесной практики. И в начале 20 века и в настоящий момент сибирский  шелкопряд (Dendrolimus sibiricus Tshtvr.)  является  опасным вредителем хвойных лесов Сибири и Дальнего Востока, очаги массового размножения этого вида ежегодно охватывают миллионы гектаров лесов [Кузнецов, 2006].

В 1998-2002 годы в Охинском и Ногликском лесничествах Сахалинской области действовали очаги массового размножения БШ и хвойной волнянки. Массовое размножение происходило в насаждениях с участием в древостоях кедрового стланика и лиственницы. Очаги затухли под влиянием естественных факторов. Популяция БШ до 2008 года находилась в фазе депрессии. Повышенная численность гусениц белополосого шелкопряда обнаружена осенью 2008 года в Красногорском лесничестве на площади 2500 га в урочище между озерами Бакланье, Угловское, Айнское и побережьем Татарского пролива. Насаждения относятся к категории запретных полос вдоль нерестовых рек. При проведении авиапатрулирования 04.09.2010 г. специалистами ОГУ «Сахалинская база авиационной охраны лесов» визуально обнаружены пихтово-еловые  насаждения  с дефолиацией крон до 80-100% в результате повреждения БШ на общей площади 4295,1 га. Данные насаждения примыкали к действующему очагу. Общая площадь  действующего очага БШ на конец 2010 года составляла 9389 га. В 2011 году обследование очага специалистами филиала ФБУ «Рослесозащита» ЦЗЛ Приморского края выявило увеличение очага до 11649,7 га, дефолиация на обследованных территориях в насаждениях пихты достигала 100%.

Основной целью исследования явилось установление особенностей вспышки белополосого шелкопряда для последующей борьбы с вредителем. Основными задачами стали установление структурных характеристик популяции БШ и выявление их зависимости от среды обитания вредителя, а также прогноз дальнейшего существования популяции.

Район исследования расположен на берегу Татарского пролива вблизи посёлка Красногорск, в 170 км от Южно-Сахалинска, между реками Красногорка, Чёрная, Медвежья, а также между озерами Угловское и Айнское. На климат района, в котором проводились исследования, оказывает влияние северная часть теплого Цусимского течения и большое количество озер, самое крупное Айнское, и рек. В зимний период акватория вблизи не замерзает, только в сильные морозы и после снегопадов покрывается шугой на небольшое расстояние от берега. Летом вода в море прогревается к десятым числам июля. Зима снежная, первый снег выпадает в октябре и сходит в апреле, лед на реках с ноября по март, на озерах с ноября по конец апреля. Весна поздняя и туманная. Близость большого количества водных источников и моря обуславливает частое явление — морось (мелкий дождь) и туманы. На территории в насаждениях преобладает пихта, реже ель, на побережье лиственница. Местность холмистая, с преобладанием морских песчаных дюн к западу и отрогов гор к востоку и северо-востоку, местами сильно заболоченная в виду расположения основной территории между озёрами и в долинах ручьёв и рек.

При обследовании территории на предмет наличия гусениц БШ, учёта их численности и определения дефолиации насаждений пихты использовались стандартные лесопатологические методы оценки: метод околота и интегральная оценка по категориям состояния (визуально и при закладке пробных площадей). Отобранные образцы гусениц помещались в садки для выращивания на предмет установления зараженности бактериальными заболеваниями и паразитами-энтомофагами. Анализ и обработка собранной информации производились в программном пакете M. Office Excel.

Одним из основных факторов возникновения вспышек массового размножения насекомых являются погодные условия. Из-за бедности почв в лиственничных лишайниковых лесах физиологическое состояние кормовых растений в засушливые периоды быстро изменяются в сторону, благоприятную для выкармливания гусениц белополосого шелкопряда [Юрченко, Турова, 2007]. Возникновении вспышки на указанной территории благоприятствовали года с высоким тепловым индексом, немного засушливым летом, а также снегопады, позволявшие сохраняться гусеницам вредителя в зимний период. На основании данных, полученных в ходе исследования в 2008-2011 годах в пихтово-еловых древостоях, расположенных на территории очага были произведены расчеты динамики численности вредителя, согласно которым была выявлена тенденция развития очага БШ, представленная на рисунке 1.

Рис.1 График динамики численности белополосого шелкопряда в течении 2008-2011 гг.

Рисунок 1_1

Популяция БШ состоит из двух лётных колен. Лёт первой генерации бабочек проходит с начала и до середины июля, второй – ближе к концу августа. В конце июня гусеницы пятого и шестого возрастов, отродившиеся в прошлом году и ушедшие на зимовку в третьем и четвёртом возрастах, завершают своё питание и окукливаются. Гусеницы, отродившиеся в сентябре прошлого года и ушедшие на зимовку, во время первого лёта находятся в третьем и четвёртом возрастах и заканчивают питание с последующим окукливанием в августе, составляя при этом вторую лётную генерацию.

Обследование территории показало, что даже при довольно небольшой численности гусениц на дерево практически повсеместно в пихтовых насаждениях наблюдается практически 100% дефолиация крон. За период с 2008 по 2010 годы динамика ухудшения состояния насаждения была пропорциональна динамики численности популяции.

Однако 2010 год для численности популяции БШ оказался пиковым. Сырое лето, развитие бактериальных заболеваний и волна размножения энтомофагов способствовало резкому сокращению личиночной фазы вредителя. Проведение камеральных исследований вредителя показало, что на протяжении вспышки от 20 до 40% гусениц было заражено апантелесом. Низкая численность гусениц при основной массе гусениц младших возрастов, а также их зараженность паразитами и бактериальными инфекциями, поспособствовали сокращению популяции БШ в течении зимы 2010-2011 года. При благоприятных погодных условиях зимой 2011-2012 года, возможная численность в 2012 году составит от 10 до 15 гусениц на дерево. На территории Красногорского лесничества степень дефолиации составит более 75%, а усыхание от 60 до 80%, с учетом повреждений прошлых лет.

Особенностями данной вспышки БШ явились нехарактерные для вида проявления биологических характеристик, свойственные материковой форме сибирскому шелкопряду. Объедание крон пихты до 70-80% в первые два года наблюдались при довольно невысокой численности в 3-4 раза меньше, чем обычно. Также было отмечено низкое число яиц 70-90 штук при вскрытии вылетевших в садках самок шелкопряда. Экологическая особенность обитания вблизи водных источников обычно сдерживает развитие шелкопряда, однако это противоречит факту данной вспышки [Кондаков, 1974].

В течении 2008-2011 гг. произошла резкая вспышка, рост численности и быстрое затухание очага БШ. Численность гусениц вредителя колебалась от 50 до 300 единиц на дерево. Несмотря на особенности экологических характеристик среды, таких как высокая влажность и обитание вблизи больших водных источников, популяция белополосого шелкопряда смогла адаптироваться к ним. Нехарактерные для вида биологические особенности не оказали существенного влияния на общую картину развития очага, что способствовало дефолиации и нарушению жизнеспособности насаждений пихты в обозначенном районе. Низкая численность вредителя, а также сокращение кормовой базы за счёт значительного ухудшения состояния насаждений, ограничит возможность дальнейшего распространения вредителя и образования вторичных очагов. Правомерно утверждать о переходе очага в фазу кризиса в 2012 году.

Литература

Кузнецов В.Н. Памятник сибирскому шелкопряду (Dendrolimus sibiricus Tshtvr.) на Сахалине// Чтения памяти А.И.Куренцова. вып.XVII. Владивосток. 2006. С.134-138.

Сибирский и белополосый шелкопряды на Дальнем Востоке//сост. Г.И.Юрченко, Г.И.Турова; Хабаровск: ФГУ «ДальНИИЛХ», 2007.- 98 с.

Кондаков Ю.П. Закономерности массовых размножений сибирского шелкопряда / Экология популяций лесных животных Сибири. Новосибирск. 1974. С.206-265.

Profile

myth_neues: (Default)
myth_neues

November 2016

S M T W T F S
  12345
6789 101112
13141516171819
202122232425 26
272829 30   

Syndicate

RSS Atom

Most Popular Tags

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Sep. 24th, 2017 03:08 am
Powered by Dreamwidth Studios