14.5 Общая характеристика промысловых экологических систем
14.5.1. Рассмотренные выше материалы дают общее представление об экосистемном подходе и моделированию экологических систем. Однако с учетом задач управления запасами промысловых рыб наибольшее значение имеет изучение промысловых экологических систем. Такая система содержит различные виды растений и животных (биоты), начиная от фитопланктона и зоопланктона и кончая высшими хищниками (млекопитающие, птицы, человек). В ней происходят разнообразные физические и химические процессы, влияющие на распределение, численность и другие показатели биоты, в том числе под влиянием условий внешней среды.
14.5.2. К основным процессам в промысловой экосистеме, которые влияют на биомассу промыслового объекта, относятся: пополнение, питание, рост, различные виды естественной смертности на этапах жизненного цикла рыбы, начиная от гибели икры, промысловая смертность, миграции. Благодаря нестабильности отдельных процессов, нестабильна также сама промысловая экологическая система, численность и распределение промысловых видов рыб. Популяции отдельных видов рыб часто подвержены существенным колебаниям. Однако общая биомасса всех рыб может меняться меньше и определяется доступностью фитопланктона, зоопланктона, бентоса как основного источника питания. Общая биомасса в отдельных регионах может существенно уменьшаться под влиянием слишком активного промысла и ухудшения условий внешней среды. Характерно, что промысел влияет на изменение численности объекта лова, но и других рыб, связанным с основным видом рыб пищевыми отношениями или отношениями хищник-жертва.
14.5.3. Чтобы объединить и использовать всю информацию об экосистеме, строить модели экосистеме, полезно изображать схемы наиболее важных процессов и взаимодействий в системе, которые целесообразно учитывать при разработке моделей. На рис. 14.1. показана схема таких процессов и взаимодействий в морской экосистеме.
Рис. 14.1. Схема основных процессов и взаимодействий в морской промысловой экосистеме
На рис. 14.1 в трех первых сверху прямоугольниках (блоках) показаны основные процессы и условия, которые необходимо оценить количественно с помощью модели экосистемы. В остальных прямоугольниках приведены процессии и связи, которые прямо или косвенно определяют процессы в основных блоках. Стрелки обозначают взаимодействие блоков. Стрелки, которые не замыкаются на блоках, показывают, что часть биомассы уходит из экосистемы.
14.5.4. Рассмотрим, по Л. Левасту и Г. Ларкинзу, краткий обзор развития многовидовой теории промысла, характерной для экосистемного подхода.
Первые попытки такого подхода относятся к 20-м годам прошлого века, когда разработали первые математические модели хищник-жертва (см. п. 14.4).
В 40-х годах прошлого века созданы элементарные модели продуктивности планктона, в которых различные трофические уровни экосистемы связаны через потребности в пище.
В 50-е годы прошлого века при разработке теории одновидовых скоплений промысловых рыб Бивертон и Холт заложили основы многовидовой теории промысла. Одно из основных уравнений Бивертона-Холта характеризует рост рыбы в зависимости не только от ее массы, но также от потребностей в пище для обеспечения роста и поддержания обмена веществ. В этих выражениях, в частности, все виды естественной смертности рассмотрены совместно. Не учтено изменение состава пищи в пространстве и времени.
Дальнейшее серьезное уточнение многовидовой модели принадлежит Андерсену и Урсину, которые предложили уравнение для определения потребности в пище в зависимости от массы рыбы и переменного во времени уровня питания. Многовидовая имитационная модель позволяет получать численное решение уравнений. В различных модификациях модели использовали от 14 до 81 вида растений животных и биогенных веществ. Такое число переменных требует решения от 42 до 308 дифференциальных уравнений. В уравнения учитывают переменный уровень питания с учетом различных объектов питания. Скорость роста зависит от наличия пищи и сезона промысла. Естественная смертность складывается из гибели от хищничества, голода и болезней, нерестового стресса.
Дальнейшим развитием экосистемного подхода с учетом решения конкретных промысловых задач является разработка моделей промысловых экосистем для конкретных районов промысла. Так, для северо-восточной части Тихого океана разработана прогностическая модель биомассы PROBUBи динамическая численная модель морской экосистемыDYNUMES.
Прогностическая модель PROBUBпредназначена для получения единственного решения при заданных входных данных и оценивает биомассу различных видов в определенном состоянии равновесия. Соответственно, в результате многократного расчета она позволяет определять колебания величины запаса с учетом изменения условий внешней среды и промысла.
Модель DYNUMESучитывает сезонные миграции, временные и пространственные колебания состава пищи.
Применение этих и других подобных моделей показало, что для регулирования промысла, проверки адекватности, необходим сбор и обработка большого экспериментального материала. Важно, что этот материал касается не только состояния запасов и промысла, но и данных об условиях внешней среды и пищевых взаимоотношений, влияния кормовой базы на рост и численность объектов экосистемы, оценку промысловой и естественной смертности от возраста, раздельное определения естественной смертности от различных причин.
14.5.5. Целесообразность использования экосистемного подхода для управления рыболовством во многом зависит от качества теоретических и экспериментальных исследований. Как обычно при системном подходе, цели и задачи исследования промысловых экосистем, особенно при математическом моделировании процессов, сводятся к анализу и оптимизации работы систем. Анализ включает экологические исследования для количественной оценки состояния экосистем, изучение другой информации, установление очередности будущих исследований. Обычно в результате анализа оценивают целесообразность или нецелесообразность создания в той или иной форме модели, обобщающей всю известную информацию об экосистеме. Такая модель обычно служит не только для оптимизации работы системы, но и последующего изучения и количественной оценки внутривидовых и межвидовых взаимоотношений, определения воздействия среды на состояние запасов. Оптимизация работы систем возможна управлением рыболовством. Разработанная в результате анализа модель должна давать количественную оценку динамики запасов и всей экосистемы на колебания интенсивности и селективности промысла и условий внешней среды.
14.5.6. Как отмечают Т. Левасту и Г. Ларкинз для адекватности модели и состояния экосистемы математическая модель должна отвечать следующим требованиям.
Включать все объекты сообщества, влияющие на состояние запасов промысловых объектов. Особое значение имеет взаимоотношение тех объектов сообщества, которые влияют на питание и рост на всех трофических уровнях. Модель должна также учитывать и другие факторы и взаимоотношения, влияющие экосистему и динамику ее состояния.
Давать представление об исходных условиях и прогноз необходимых показателей за соответствующие интервалы времени.
Давать решение не только во времени, но и в пространстве в пределах заданного промыслового района.
Воспроизводить известные процессы и распределение объектов, т.е. моделировать следует в достаточной степени подтвержденное и известное. Соответственно, модель должна быть детерминированной, основанной на доступных данных.
Не содержать теоретические рассуждения и сложные математические выражения, выходящие за рамки известных данных и опираться нормальную логику.
Должна учитывать, что определение уравновешенной биомассы и трофических связей следует начинать в высших хищников и учета промысла.
Должна способствовать определению зависимости промысловой и естественной смертности от возраста, особенно с учетом хищничества и влияния нереста (нерестового стресса).
В заданных условиях должна давать единственное решение, например, при оценке биомассы.
Не должна описывать только стабильное состояние системы (за исключением частных решений), т.к. фактически промысловая экосистема нестабильна.
Должна позволять выполнить проверку отдельных переменных, характеризующие состояние системы, процессы в системы, скорости протекания процессов и т.д. на любой стадии и в любом месте акватории.
Должна учитывать миграции по различным причинам и случайные перемещения, если они влияют на состояние биомассы, в том числе путем изменения в пространстве и времени в системе «хищник-жертва».
Должна учитывать изменение продукции планктона во времени и на рассматриваемой акватории.
Должна учитывать изменения основных факторов внешней среды (температуры, течений, светового режима и т.д.).
Результаты вычислений должны давать удовлетворительное пространственно-временное разрешение.
Должна соответствовать исходным данным и процессам, характерным для заданного региона.
При постепенном накоплении данных и разработке детерминированных моделей необходимо все шире использовать вероятностно-статистические методы для описания частных процессов и явлений. Сочетание детерминированных и стохастических моделей значительно расширяет представления о работе экосистем и способствует совершенствованию их работы.
14.5.7. Для того чтобы модель соответствовала перечисленным требованиям, необходимо обладать обширной и подробной информацией по всем элементам экосистемы, экологии и внешней среды, иметь доступ ко всей необходимой информации.
Для разработки и успешной работы с моделью необходимо иметь достаточно крупные компьютеры, знания в области прикладной математики, опыт работы с большими моделями.
Важно понимать также ограниченные возможности математики при моделировании экосистем.
Очевидно, что многие требования к моделям экосистем и их успешное использование характерно и для одновидового подхода в теории рыболовства.