Получение количественных фенологических характеристик экосистем на основе анализа динамики индекса NDVI с использованием макрокинетической модели роста клеточных популяций

Оценка состояния компонентов природной среды, нормирование их качества и выработка управляющих воздействий основаны на результатах анализа динамики экосистем по материалам космического мониторинга с использованием разнообразных вегетационных индексов. Выявление закономерностей динамики вегетационных индексов основано на эмпирических методах. Дополнение этих методов теоретической макрокинетической моделью роста клеточных популяций позволяет увеличить количество показателей кинетики, их содержательность и надежность. Кроме того, использование теоретической модели открывает возможности содержательной интерпретации многопиковых кривых динамики вегетационных индексов, а также анализа показателей динамики в фазовом пространстве их зависимости от химического состава компонентов субстрата (для фиксированного времени от начала роста). Ограничения модели оговариваются при ее выводе. Модель выведена из балансовых соотношений в рамках механики сплошной среды и при фиксированном начальном содержании ведущего компонента субстрата имеет вид: q = A*t^(-b)*exp(-k/t), где q – показатель, связанный с биомассой, в данном случае индекс NDVI, A – масштабирующий множитель, t – время от начала роста, b – коэффициент скорости уменьшения биомассы в результате отмирания клеток, k – коэффициент скорости увеличения биомассы в результате размножения и роста клеток. Для получения коэффициентов модели она подгоняется к экспериментальным данным по динамике NDVI в диапазоне между минимумами, ограничивающими вегетационный сезон, по способу наименьших квадратов с использованием пакета программ для ПЭВМ, в данном случае Sigma Plot. Модель характеризуется наличием шести особых точек, включая точку максимума при t = k/b, делящих вегетационный сезон на интервалы с собственными кинетическими характеристиками индекса NDVI (скорость, знак скорости, направление изменения скорости; ускорение, знак ускорения, направление изменения ускорения, и ускорение роста), для нахождения которых анализируются производные первого, второго и третьего порядков от q по t. Абсциссы особых точек, ассоциируемые с границами фенофаз, и интегралы функции, ассоциируемые с показателями продуктивности, являются количественными характеристиками, индивидуализирующими вегетационный сезон экосистемы, обеспечивающими возможности пространственного и временного обобщения с целью оценки, нормирования и выработки управляющий воздействий. В докладе излагаются результаты апробации модели (Гендугов, Глазунов, Евдокимова, 2011) на примере динамики индекса NDVI для бореальных экосистем Северной Евразии по экспериментальным данным С.А. Барталева и др. (2010) для выявленных ими типов земного покрова (леса, кустарники, травы, болота, тундра, смешанная растительность, без растительности) в пределах территории, ограниченной 42-75 град. с.ш. и 5 - 180 град в.д., за период с третьей декады марта по первую декаду ноября 1999 года. Успешная апробация позволяет увеличить количество показателей динамики экосистем в рамках космического мониторинга с использованием вегетационного индекса NDVI и разработанной теоретической модели.