Разработаны численные модели для изучения долгосрочного воздействия на озёрные экосистемы

Хотя среднегодовая температура во многих озёрах мира растёт последние десятилетия, оценить долгосрочные последствия потепления для водоёмов с разными физико-химическими свойствами и сообществами по-прежнему сложно.

Изучение этих последствий важно не только для рыб, макробеспозвоночных или водных макрофитов, но и для планктонных организмов, которые формируют основу водной пищевой сети и существенно влияют на круговорот веществ.

Несмотря на множество современных методов изучения этой важной группы, выяснить, как взаимосвязанные факторы среды влияют на функционирование планктона, остаётся сложной задачей из-за быстрой динамики этих сообществ.

Мониторинг на основе полевых работ — ключевая часть исследований водных систем, но он трудоёмок, что ограничивает усилия по отбору проб в пространстве и времени. Это похоже на попытку понять сюжет сериала, глядя лишь на несколько кадров из каждой серии.

Необходимы дополнительные подходы для улучшения оценки и прогнозирования экологических эффектов изменения климата. Численные модели — перспективные кандидаты на эту роль, они постепенно набирают важность в экологических исследованиях. В общем виде такие модели описывают фундаментальные взаимосвязи в форме математических уравнений на основе текущих данных и научных знаний. К таким взаимосвязям относятся, например, рост вида как функция доступности пищи или зависимость фотосинтетической активности растений от интенсивности света.

Сила моделирования — в возможности создавать компьютерные симуляции изменений в популяции, сообществе или экосистеме и их среде в пространстве и/или времени, помогая найти причинность природных явлений. Таким образом, пока полевые и экспериментальные наблюдения дают данные о серии временных состояний и условий, моделирование нацелено на процессы, вызывающие временные изменения этих состояний и условий.

В венгерско-греческом сотрудничестве исследователь Ка́рой Палфи из группы экологии планктона института изучал динамику планктонных водорослей (фитопланктона, основных первичных продуцентов водных местообитаний), используя подход экологического моделирования. Статья опубликована в журнале Limnology and Oceanography.

Анализируя в предыдущем исследовании данные по озеру Балатон в Венгрии, он обнаружил, что долгосрочный рост среднегодовой температуры воды сопровождался усилением сезонных колебаний в составе фитопланктона (возрастающей сезонной изменчивостью), что может указывать на снижение стабильности экосистемы. Ему и коллегам также удалось продемонстрировать нечто очень похожее в мезокосм-эксперименте, что подняло вопрос о существовании более общей связи между потеплением и динамикой планктонных водорослей.

Новая разработанная модель позволила симулировать изменения в фитопланктоне на уровне видов при различных температурных сценариях.

Результаты симуляций согласуются с предыдущими наблюдениями: повышенная средняя температура вызывала более выраженные сезонные изменения в составе фитопланктона. Однако степень этого воздействия также сильно зависела от того, как сообщества получали неорганические питательные вещества, необходимые для их роста.

Соответственно, соотношение двух важнейших из них — азота и фосфора, а также временные колебания в поступлении питательных веществ существенно влияли на эффект потепления. Это тесно согласуется с недавними исследованиями, предполагающими важность учёта условий питательной нагрузки (так называемого трофического статуса водоёма) при оценке влияния изменения климата на водные экосистемы.

Помимо питательных веществ, на реакцию смоделированных сообществ на потепление влияло и начальное видовое богатство. С методологической точки зрения это важное открытие, поскольку оно предполагает, что выбор адекватного числа видов может быть решающим при планировании экспериментов по изменению климата на уровне сообществ.

Статья также проливает свет на то, какие долгосрочные последствия может иметь увеличение сезонной изменчивости фитопланктона с точки зрения стабильности.

При более высоких средних температурах сезонные крайности в составе сообщества становились более выраженными, смещая сообщества в сторону меньшей общей выравненности (evenness).

В более длительной перспективе повышенные температуры также увеличивали вероятность потери видов, давая математическое объяснение роли потепления в снижении стабильности планктонных сообществ и, следовательно, изменении функционирования водных экосистем. Исследовательская группа планирует дальнейшее расширение модели, чтобы облегчить симуляцию воздействия изменения климата в пространственном контексте, а также на уровне планктонной пищевой сети.