Надіслати статтю
вул. Інститутська 11, м. Хмельницький, 29016
visnyk.khnu@khmnu.edu.ua
(0382) 67-51-08

РОЗРОБКА МЕТОДИКИ МОДЕЛЮВАННЯ СТАНУ ВОДНОЇ ЕКОСИСТЕМИ НА ОСНОВІ МЕТОДІВ ЕКОЛОГІЧНОЇ СТЕХІОМЕТРІЇ З УРАХУВАННЯМ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ПІДХОДУ

DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR MODELING THE STATE OF THE WATER ECOSYSTEM BASED ON THE METHODS OF ECOLOGICAL STOICHIOMETRY, TAKING INTO ACCOUNT THE ENERGY APPROACH

 Сторінки: 10-23. Номер: №6, 2022 (315)  
Автори:
АНДРЄЄВ Вячеслав
Чорноморський національний університет імені Петра Могили
0000-0003-1143-8043 
e-mail: avi@chmnu.edu.ua
СЛУЧАК Олександр
Чорноморський національний університет імені Петра Могили
0000-0001-5051-0648
e-mail: slu4ok@gmail.com
СЛУЧАК Олена
Чорноморський національний університет імені Петра Могили
0000-0002-4065-7707  
e-mail: ill69mill@gmail.com
АЛЕКСЄЄВА Анна
Чорноморський національний університет імені Петра Могили
0000-0003-0345-8538
e-mail: anna.aleksyeyeva@chmnu.edu.ua
КРИСІНСЬКА Діана
Чорноморський національний університет імені Петра Могили
0000-0002-3117-6039 
e-mail: d_krysinska@chmnu.edu.ua
ANDREEV Viacheslav, SLUCHAK Oleksandr, SLUCHAK Olena, ALEKSEEVA Anna, KRYSINSKA Diana
Petro Mohyla Black Sea National University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-315-6-10-23

Анотація мовою оригіналу

Авторами статті представлено розробку методики моделювання стану харчового ланцюга водної екосистеми в аспекті приросту біомаси продуцентів за екологічною енергетичною стехіометрією. В основі дослідження лежить ряд функцій-синусоїд, розроблених в ході моделювання помісячного надходження сонячної енергії на одиницю площі за широтою. На етапі аналізу харчового ланцюга пропонується додатково використовувати виведену закономірність впливу солоності на ріст макролітів та поправочні коефіцієнти рибопродуктивності для різних ґрунтів. Закладено основу для автоматизації та локального моделювання.
Ключові слова: екологічна стехіометрія, моделювання біоценозів, ККД фотосинтезу, альбедо водойм, енергетика водної екосистеми, біопродуктивність риб.

  Розширена анотація англійською  мовою

The article develops a methodology for modeling the state of the food chain of the aquatic ecosystem in terms of biomass growth of producers based on ecological energy stoichiometry. The research is based on a number of sinusoidal functions developed during the simulation of the monthly solar energy arrival per unit area by latitude. The average forecast indicator of energy input for southern Ukraine of 2518 MJ/m2 is very close to the results of similar applied measurements in Odesa. For modeling, the average latitude for Ukraine is 48°23′, the average inclinations of the sun for each of the 8 months according to the astronomical calendar (about 14), as well as the average duration of a sunny day, and the angle of incidence and reflection of the sun’s rays on water are determined based on them, taking into account only the angle of incidence at noon, and changes during the day (the angle of reflection ranges from 17.5 in June to 29.26 in September). Correction coefficients for latitude were derived, the percentage ratio of days with cyclonic weather, due to which there is an increase in reflection due to cloudiness and waves, was calculated – 638 hours and 30 minutes. The efficiency of photosynthesis for the main groups of phytoplankton organisms was calculated, which is 1.98 % for Chlorophyta, 2.38 % for Cyanophyta, 1.96 % for Euglenophyta and 1.65 % for all others. The overall average efficiency of photosynthesis was thus 1.83 %. Taking into account the area of ​​the water mirror, the arrival of energy, reflection, scattering and absorption. Taking into account the efficiency of photosynthesis, a stoichiometric simulation of the increase in biomass of producers was carried out. The potential of carbon dioxide deposition is 2.6 kg/m2 per year, oxygen release is 1.92 kg/m2, and biomass growth is 1.8 kg/m2. This is the maximum potential. The study is supplemented by derived correction factors based on energy and toxicological indices of environmental safety, ORP and the Redfield ratio. This gives a real total energy per square meter of 12335.66473 kJ, biomass growth of 773.1266184 g/m2. The predictive model yields 577.6 kg/ha per year of fish, which is close to the value of natural bioproductivity for herbivorous fish (505 kg/ha). At the stage of food chain analysis, it is proposed to additionally use the deduced regularity of the effect of salinity on the growth of macroliths and correction coefficients of fish productivity for different soils. The basis for automation and local modeling is laid.
Keywords: ecological stoichiometry, modeling of biocenoses, efficiency of photosynthesis, albedo of water bodies, energetics of water ecosystem, bioproductivity of fish.

Література

  1. Sterner R. W. and Elser J. J. (2002) Ecological Stoichiometry: The Biology of Elements from Molecules to the Biosphere. Princeton University Press. P.584. ISBN 069107491.
  2. UNSD (2020): Using the SEEA EA for Calculating Selected SDG Indicators, United Nations Statistics Division, Department of Economic and Social Affairs, New York, 2020. URL: https://seea.un.org/sites/seea.un.org/files/documents/Indicators/3._using_the_seea_ea_for_calculating_selected_sdg_indicators.pdf
  3. Lindeman R. L. The Trophic-Dynamic Aspect of Ecology (PDF): 23 (4). P. 399–417. URL: https://doi.org/10.2307/1930126).
  4. Ling Meng, Fanzhu Qu, Xiaoli Bi, Jiangbao Xia, Yunzhao Li, Xuehong Wang, Junbao Yu, Elemental stoichiometry (C, N, P) of soil in the Yellow River Delta nature reserve: Understanding N and P status of soil in the coastal estuary. Science of The Total Environment, Volume 751, 2021. Р. 141737, ISSN 0048-9697. URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141737
  5. Лакуста О. Н., Руденко С. С. CNP-стехиометрия трансграничных рек – Днестра, Прута и Сирета – на выходе из Украины. Наукові доповіді НУБіП України, № 5 (69), 2017. URL: http://dx.doi.org/10.31548/dopovidi2017.05.002.
  6. Yong Li, Enze Kang, Bing Song, Jinsong Wang, Xiaodong Zhang, Jinzhi Wang, Meng Li, Liang Yan, Zhongqing Yan, Kerou Zhang, Haidong Wu, Xiaoming Kang, Soil salinity and nutrients availability drive patterns in bacterial community and diversity along succession gradient in the Yellow River Delta. Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 262, 2021. Р. 107621, ISSN 0272-7714. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecss.2021.107621.
  7. Qiongqiong Lu, Junhong Bai, Guangliang Zhang, Qingqing Zhao, Jianjun Wu, Spatial and seasonal distribution of carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur and their ecological stoichiometry in wetland soils along a water and salt gradient in the Yellow River Delta, China. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, Volume 104, 2018, Pages 9-17, ISSN 1474-7065. URL: https://doi.org/10.1016/j.pce.2018.04.001.
  8. Руденко С. С.  Вплив антропогенних чинників на CNP-стехіометрію води річкових екосистем. Біологічні системи. Т. 10, Вип. 2, 2018. С. 169-175. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/biolsist_2018_10_2_12.
  9. Annette B.G. Janssen, Sven Teurlincx, Arthur H.W. Beusen, Mark A.J. Huijbregts, Jasmijn Rost, Aafke M. Schipper, Laura M.S. Seelen, Wolf M. Mooij, Jan H. Janse, PCLake+: A process-based ecological model to assess the trophic state of stratified and non-stratified freshwater lakes worldwide. Ecological Modelling, Volume 396, 2019, Pages 23-32, ISSN 0304-3800. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.01.006
  10. Рибченко Л. С., Ревера Т. О. Сумарна сонячна радіація та альбедо підстильної поверхні в Україні. Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. Вип. 256, 2007. С. 99– URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51523
  11. Дмитренко Л. В., Барандіч С. Л. Оцінка кліматичних ресурсів сонячної енергії в Україні. Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. Вип. 256, 2007. С. 121– URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51525
  12. Jaromír Petržala. Simple analytic formula for the light. URL: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.10.032
  13. Андрєєв В.І., Случак О.І., Случак О.І. Енергетика водної екосистеми. Збір. тез доп. конф. Ольвійський форум – 2022: стратегії країн Причорноморського регіону в геополітичному просторі. Екологія та раціональне природокористування. Миколаїв : Вид-во ЧНУ ім. Петра Могили, 2022. С. 5-10.
  14. Кондратьев К. Я. Радиационные факторы современных измерений глобального климата. Л., 1980. 279 с.
  15. Redfield, A.C. On the Proportions of Organic Derivatives in Sea Water and Their Relation to the Composition of Plankton. James Johnstone Memorial Volume, University Press of Liverpool. рр. 176-192. URL: https://www.scirp.org/(S(351jmbntvnsjt1aadkposzje))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID= 1883475
  16. Водний фонд України. Штучні водойми – водосховища і ставки : довідник / за ред. В. К. Хільчевського, В. В. Гребеня. Київ : Інтерпрес, 2014. 164 с.
  17. Han J., Lee D., Lee S., Chung S.–W., Kim S., Park M., Lim K., Kim J. (2019). Evaluation of the Effect of Channel Geometry on Streamflow and Water Quality Modeling and Modification of Channel Geometry Module in SWAT: A Case Study of the Andong Dam Watershed. Volume 11. Р. 718. URL: https://doi:10.3390/w11040718
  18. Схилення : астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України, Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. С. 465.
  19. Астрономічний календар / ред. кол. : А. П. Відьмаченко (гол. ред.)  та  ін. ;  ГАО  НАН  України.  Київ :  Академперіодика,  214 с. URL: https://www.mao.kiev.ua/docs/artid080_calendar-2022.pdf
  20. Давыдов Л.К., Дмитриева А.А., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л., 1973. 462 с.
  21. Краковська С. В., Паламарчук Л. В., Білозерова А. К., Шпиталь Т. М. Загальна хмарність в Україні до середини ХХІ ст. за даними ансамблю регіональних кліматичних моделей. Геоінформатика. 2017. № 3. С. 56-66. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/geoinf_2017_3_9
  22. Miyamoto, K. (1997). Renewable Biological Systems for Alternative Sustainable Energy Production. Issue 128 of FAO Agricultural Services Bulletin, Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations. URL: https://www.fao.org/3/w7241e/w7241e05.htm#1.2.1
  23. Мінаєва Г. М. Структурно-функціональні характеристики фітопланктону водотоків нижнього Дніпра. Природничий альманах (біологічні науки. 2021, (30). С. 75-83. URL: http://na.kspu.edu/index.php/na/article/view/653
  24. Урмыч Е. М., Бердыкулов Х. А., Эшпулатова М. Б. Продуктивность микроводорослей в интенсивных условиях культивирования. Альгология. 2008, Т. 18, № 3. С. 347-352. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/algol_2008_18_3_14
  25. Mitryasova O., Pohrebennyk V., Bezsonov Y., Mats A. Environmental Risk and State of Surface Water Resources. Climate Change & Sustainable Development: New Challenges of the Century: Monograph. Mykolaiv: PMBSNU. Rzeszow: RzUT, 2021. Р. 279-288. URL: https://chmnu.edu.ua/wp-content/uploads/MONOGRAPH-2.pdf.
  26. Bezsonov Y., Andreev V. Justification and formalization of approach to regional environmental safety evaluation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. URL:  https://doi.org/2.9.10.15587/1729-4061.2016.64843
  27. Андрющенко А. І., Алимов С. І. Ставове рибництво. Київ : НАУ, 2008. 636 с. URL: https://uteka.ua/ua/publication/agro-4-gospodarski-operacii-v-agrosektori-35-praktichni-rekomendacii-shhodo-zariblennya-viroshhuvalnix-staviv

References

  1. Sterner R. W. and Elser J. J. (2002) Ecological Stoichiometry: The Biology of Elements from Molecules to the Biosphere. Princeton University Press. P.584. ISBN 069107491.
  2. UNSD (2020): Using the SEEA EA for Calculating Selected SDG Indicators, United Nations Statistics Division, Department of Economic and Social Affairs, New York, 2020. URL: https://seea.un.org/sites/seea.un.org/files/documents/Indicators/3._using_the_seea_ea_for_calculating_selected_sdg_indicators.pdf
  3. Lindeman R. L. The Trophic-Dynamic Aspect of Ecology (PDF): 23 (4). P. 399–417. URL: https://doi.org/10.2307/1930126).
  4. Ling Meng, Fanzhu Qu, Xiaoli Bi, Jiangbao Xia, Yunzhao Li, Xuehong Wang, Junbao Yu, Elemental stoichiometry (C, N, P) of soil in the Yellow River Delta nature reserve: Understanding N and P status of soil in the coastal estuary. Science of The Total Environment, Volume 751, 2021. R. 141737, ISSN 0048-9697. URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141737
  5. Lakusta O. N., Rudenko S. S. CNP-stehiometriya transgranichnyh rek – Dnestra, Pruta i Sireta – na vyhode iz Ukrainy. Naukovi dopovidi NUBiP Ukrainy, № 5 (69), 2017. URL: http://dx.doi.org/10.31548/dopovidi2017.05.002.
  6. Yong Li, Enze Kang, Bing Song, Jinsong Wang, Xiaodong Zhang, Jinzhi Wang, Meng Li, Liang Yan, Zhongqing Yan, Kerou Zhang, Haidong Wu, Xiaoming Kang, Soil salinity and nutrients availability drive patterns in bacterial community and diversity along succession gradient in the Yellow River Delta. Estuarine, Coastal and Shelf Science, Volume 262, 2021. R. 107621, ISSN 0272-7714. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecss.2021.107621.
  7. Qiongqiong Lu, Junhong Bai, Guangliang Zhang, Qingqing Zhao, Jianjun Wu, Spatial and seasonal distribution of carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur and their ecological stoichiometry in wetland soils along a water and salt gradient in the Yellow River Delta, China. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, Volume 104, 2018, Pages 9-17, ISSN 1474-7065. URL: https://doi.org/10.1016/j.pce.2018.04.001.
  8. Rudenko S. S. Vplyv antropohennykh chynnykiv na CNP-stekhiometriiu vody richkovykh ekosystem. Biolohichni systemy. T. 10, Vyp. 2, 2018. S. 169-175. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/biolsist_2018_10_2_12.
  9. Annette B.G. Janssen, Sven Teurlincx, Arthur H.W. Beusen, Mark A.J. Huijbregts, Jasmijn Rost, Aafke M. Schipper, Laura M.S. Seelen, Wolf M. Mooij, Jan H. Janse, PCLake+: A process-based ecological model to assess the trophic state of stratified and non-stratified freshwater lakes worldwide. Ecological Modelling, Volume 396, 2019, Pages 23-32, ISSN 0304-3800. URL: https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2019.01.006
  10. Rybchenko L. S., Revera T. O. Sumarna soniachna radiatsiia ta albedo pidstylnoi poverkhni v Ukraini. Naukovi pratsi Ukrainskoho naukovo-doslidnoho hidrometeorolohichnoho instytutu. Vyp. 256, 2007. S. 99–111. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51523
  11. Dmytrenko L. V., Barandich S. L. Otsinka klimatychnykh resursiv soniachnoi enerhii v Ukraini. Naukovi pratsi Ukrainskoho naukovo-doslidnoho hidrometeorolohichnoho instytutu. Vyp. 256, 2007. S. 121–129. URL: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51525
  12. Jaromír Petržala. Simple analytic formula for the light. URL: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.10.032
  13. Andrieiev V.I., Sluchak O.I., Sluchak O.I. Enerhetyka vodnoi ekosystemy. Zbir. tez dop. konf. Olviiskyi forum – 2022: stratehii krain Prychornomorskoho rehionu v heopolitychnomu prostori. Ekolohiia ta ratsionalne pryrodokorystuvannia. Mykolaiv : Vyd-vo ChNU im. Petra Mohyly, 2022. S. 5-10.
  14. Kondratev K. Ya. Radiacionnye faktory sovremennyh izmerenij globalnogo klimata. L., 1980. 279 s.
  15. Redfield, A.C. On the Proportions of Organic Derivatives in Sea Water and Their Relation to the Composition of Plankton. James Johnstone Memorial Volume, University Press of Liverpool. rr. 176-192. URL: https://www.scirp.org/(S(351jmbntvnsjt1aadkposzje))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID= 1883475
  16. Vodnyi fond Ukrainy. Shtuchni vodoimy – vodoskhovyshcha i stavky : dovidnyk / za red. V. K. Khilchevskoho, V. V. Hrebenia. Kyiv : Interpres, 2014. 164 s.
  17. Han J., Lee D., Lee S., Chung S.–W., Kim S., Park M., Lim K., Kim J. (2019). Evaluation of the Effect of Channel Geometry on Streamflow and Water Quality Modeling and Modification of Channel Geometry Module in SWAT: A Case Study of the Andong Dam Watershed. Water. Volume 11. R. 718. URL: https://doi:10.3390/w11040718
  18. Skhylennia : astronomichnyi entsyklopedychnyi slovnyk / za zah. red. I. A. Klymyshyna ta A. O. Korsun. Lviv : Holov. astronom. observatoriia NAN Ukrainy, Lviv. nats. un-t im. Ivana Franka, 2003. S. 465.
  19. Astronomichnyi kalendar / kol. : A. P. Vidmachenko (hol. red.)  ta  in. ;  HAO  NAN  Ukrainy.  Kyiv :  Akademperiodyka,  2021. 214 s. URL: https://www.mao.kiev.ua/docs/artid080_calendar-2022.pdf
  20. Davыdov L.K., Dmytryeva A.A., Konkyna N.H. Obshchaia hydrolohyia. L., 1973. 462 s.
  21. Krakovska S. V., Palamarchuk L. V., Bilozerova A. K., Shpytal T. M. Zahalna khmarnist v Ukraini do seredyny KhKhI st. za danymy ansambliu rehionalnykh klimatychnykh modelei. Heoinformatyka. 2017. № 3. S. 56-66. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/geoinf_2017_3_9
  22. Miyamoto, K. (1997). Renewable Biological Systems for Alternative Sustainable Energy Production. Issue 128 of FAO Agricultural Services Bulletin, Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations. URL: https://www.fao.org/3/w7241e/w7241e05.htm#1.2.1
  23. Minaieva H. M. Strukturno-funktsionalni kharakterystyky fitoplanktonu vodotokiv nyzhnoho Dnipra. Pryrodnychyi almanakh (biolohichni nauky. 2021, (30). S. 75-83. URL: http://na.kspu.edu/index.php/na/article/view/653
  24. Urmych E. M., Berdykulov H. A., Eshpulatova M. B. Produktivnost mikrovodoroslej v intensivnyh usloviyah kultivirovaniya. Algologiya. 2008, T. 18, № 3. S. 347-352. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/algol_2008_18_3_14
  25. Mitryasova O., Pohrebennyk V., Bezsonov Y., Mats A. Environmental Risk and State of Surface Water Resources. Climate Change & Sustainable Development: New Challenges of the Century: Monograph. Mykolaiv: PMBSNU. Rzeszow: RzUT, 2021. R. 279-288. URL: https://chmnu.edu.ua/wp-content/uploads/MONOGRAPH-2.pdf.
  26. Bezsonov Y., Andreev V. Justification and formalization of approach to regional environmental safety evaluation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. URL: https://doi.org/2.9.10.15587/1729-4061.2016.64843
  27. Andriushchenko A. I., Alymov S. I. Stavove rybnytstvo. Kyiv : NAU, 2008. 636 s. URL: https://uteka.ua/ua/publication/agro-4-gospodarski-operacii-v-agrosektori-35-praktichni-rekomendacii-shhodo-zariblennya-viroshhuvalnix-staviv

Post Author: Горященко Сергій

Translate