Огромное количество исследователей «атакует»  проблему изменения биоразнообразия лесной растительности с самых различных сторон. Но такие явления как конвергенция и дивергенция растительности оставались совершенно без внимания. О них нам известно только то, что дивергенция огромная, а конвергенция имеет место.  В природе эти явления проявляются повсеместно и для теории динамики биоразнообразия лесной растительности имеют далеко не последнее значение.

В лесах под влиянием антропогенных воздействий формируется громадное количество различных растительных сообществ (вырубки, гари, луга-сенокосы, производные мелколиственные леса разного состава, возраста, полноты) (т.е. дивергенция). Все это приводит к резкому увеличению биоразнообразия в экотопе (как на видовом, так и экосистемном уровнях). С другой стороны сходные процессы идут и в других лесорастительных условиях, что приводит к повсеместному формированию однотипных нестабильных растительных сообществ (конвергенция) и снижению биоразнообразия региона (за счет уничтожения коренной растительности, характерной только в данном экотопе). К сожалению, эти явления оставались до сих пор без внимания.

Цель нашей работы – выявление закономерностей естественной и антропогенной динамики лесной растительности в горах Южного и Среднего Урала.

Основная задача – изучение процессов дивергенции и конвергенции лесной растительности, множественности линий развития лесных экосистем в пределах одного коренного типа леса на основе серии постоянных и временных пробных площадей, охватывающих основное разнообразие природных ландшафтов, естественных и антропогенных направлений восстановления и развития биогеоценозов, что представляет собой дальнейшее развитие идей генетической типологии Б.П. Колесникова [5].

Для решения поставленных задач имеется два идеальных полигона исследований: Катав-Ивановский лесхоз Челябинской области (Россия, Южный Урал) и территория планируемого природного парка «Истоки реки Исети» в Зауральской холмисто-предгорной провинции Свердловской области (Россия, Средний Урал). В этих районах гетерогенные в типологическом плане горные леса, сильно фрагментированы рубками. На природную гетерогенность лесной растительности накладывается антропогенная. В итоге сформировался невероятно сложный мозаичный растительный покров, который идеален для целей наших исследований.

Катав-Ивановский лесхоз Челябинской области расположен в западной ветви гористой части Южного Урала, преобладают выровненные поверхности (нагорные террасы, плато, седловины); нередки скалистые пики, гребни, останцы. Последние представляют собой древнюю кору выветривания. Абсолютные высоты 400–800 м над ур. м. Климат умеренно холодный, умеренно влажный. Годовое количество осадков – 580–680 мм. Продолжительность безморозного периода по данным метеостанции «Катав-Ивановская» 120 дней, среднегодовая температура +2.1,  снежный покров 56–64 см. Отчетливо выражены температурные инверсии.

Зауральская холмисто-предгорная провинция Свердловской области представляет собой расчлененное предгорье, образованное чередованием меридиональных возвышенностей и гряд с широкими межгорными вытянутыми понижениями, в которых расположены крупные озера, окруженные торфяниками. Абсолютные высоты 200-500 м над ур. м. Возвышенности имеют мягкие очертания, тупые и широкие вершины. Склоны – длинные и пологие. Климат умеренно холодный, умеренно влажный. Безморозный период 90–115 дней, среднегодовая температура +1, снежный покров 40-50 см. Выражены температурные инверсии.

Нами проведены детальные многоуровневые (ландшафты, экотопы, лесные фитоценозы, синузии, пространственные высечки 1х1 м) количественные исследования]. Изучен древостой, естественное возобновление видов-эдификаторов, травяно-кустарничковый ярус. Определены обилие и фитомасса сосудистых растений. Статистическая обработка выполнена традиционными методами (в том числе использован метод главных компонент (PCA)) и методами нелинейной динамики. Для анализа сопряженности динамики ярусов лесной растительности использованы системы связанных дифференциальных уравнений.

Нами проверяются три основные гипотезы:

Гипотеза 1. Расхождение линий развития лесных экосистем в зависимости от вида и интенсивности внешнего воздействия и формирование на месте одного коренного типа леса принципиально различных растительных сообществ и линий развития экосистем: естественных – ельников, пихтарников, сосняков, березняков и осинников (коротко-, длительно- и устойчиво-производных) и антропогенных – лугов-сенокосов, пастбищ, культур сосны, ели и др.

Проблема: особенности дестабилизации структуры и динамики лесных экосистем в зависимости от вида и интенсивности внешнего воздействия; диапазон  и закономерности варьирования структуры растительных сообществ; скоррелированность динамики видов; наличие ведущих и подчиненных признаков.

Рис.1 иллюстрирует дивергенцию лесной растительности после сплошных рубок в западных низкогорьях Южного Урала в пределах одного коренного типа леса  ельников мелкотравно-зеленомошных, произрастающих на пологих склонах с мощными дренированными бурыми горно-лесными почвами. Формируется спектр растительных сообществ, которые длительное время отличаются от коренных лесов. По структуре растительности наиболее близки к коренным лесам послерубочные ельники и пихтарники, а также коротко-производные березняки старших возрастов (60-120 лет). Наиболее удалены устойчиво-производные осинники и длительно-производные березняки.

 Гипотеза 2. Схождение различных линий развития в пределах одного коренного типа леса и возврат к исходному (коренному) состоянию. Решаются проблемы обратимости и необратимости изменений структуры лесных экосистем; пределов устойчивости сообществ;  времени, необходимого для восстановления исходной (близкой к коренной) структуры лесов в зависимости от вида и интенсивности внешнего воздействия.

Для решения перечисленных проблем построены нелинейные модели восстановительно-возрастной динамики лесной растительности после сплошных рубок (рис 2, 3).

Использована следующая система дифференциальных уравнений:

                        Здесь: А – специфицеская скорость естественного увеличения функции; ограниченность внешних ресурсов и следующая из нее невозможность неограниченного роста учитывается введением отрицательного члена Вх2,  x1 – абсолютная полнота ели сибирской, x2 – проективное покрытие мхов, произведение x1 и x2 – описывают зависимость подчиненных ярусов от формирующегося древостоя, а C – интенсивность этого взаимодействия. Первое уравнение в системе описывает динамику древостоя (таксационные характеристики получены Г.В. Андреевым [1]), второе – подчиненного яруса (мохового) и его зависимость от древостоя.

Решение системы дифференциальных уравнений проведено в программе MathCAD 2001 по методике Г.П. Быстрая [7] с  использованием разработанного им программного продукта [7]. Решалась обратная задача – по статистическим данным методом последовательных приближений определялись параметры динамических уравнений.

Системы связанных дифференциальных уравнений позволили количественно описать восстановительно-возрастную динамику лесной растительности, определить динамические характеристики экосистем (характерные периоды динамики, характерные моменты времени, время необходимое для восстановления исходной структуры лесной экосистемы), характер и уровень взаимозависимостей между отдельными подсистемами, оценить устойчивость развития и сделать прогнозы на будущее. Кроме этого на основе полученных моделей проведено корректное сравнение на количественном уровне двух эколого-динамических рядов восстановления и развития сообществ: коротко- и длительно-производных березняков [3, 4].

Гипотеза 3. В изначально различных типах леса сходные внешние воздействия приводят к формированию сходных растительных сообществ со сходными тенденциями динамики. В различных лесорастительных условиях формируются однотипные производные экосистемы. Различия между коренными лесами нивелируются. Здесь решается проблема зависимости уровня конвергенции от вида и интенсивности внешнего воздействия.

Для выявления особенностей и уровня конвергенции в развитии лесных экосистем совместно с М.В. Ермаковой изучены в Зауральской холмисто-предгорной провинции Среднего Урала молодняки сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) естественного и  искусственного происхождения в широком градиенте лесорастительных условий: от хорошо инсолированных крутых склонов с мелкими каменистыми слабооподзоленными почвами и крайне неустойчивым увлажнением (условно-коренной тип леса по Б.П. Колесникову и др. – сосняк лишайниково-брусничниковый) до нижних частей пологих дренированных склонов с мощными бурыми горно-лесными почвами на суглинистом элювии-делювии горных пород, обеспечивающих устойчивое увлажнение почвогрунтов с временным переувлажнением в весенний период (условно-коренной тип леса – сосняк разнотравный). В  изучавшемся топоэкологическом профиле представлены различные режимы увлажнения: устойчиво-сухие; свежие, периодически сухие; устойчиво свежие; свежие, периодически влажные, что свидетельствует о резко различных условиях для роста хвойных деревьев. С целью получения динамических характеристик их роста нами проведены замеры приростов в высоту более чем у 1000 деревьев за 1998–2007 годы. За этот промежуток времени для каждого изученного типа леса определены: средний прирост дерева в высоту за год в процентах от величины прироста 1998 г. (прирост 1998 г. принят за 100 %) (рис. 4). Рисунок 4 наглядно показывает наличие различий в росте естественных молодняков сосны обыкновенной в различных лесорастительных условиях (рис. 4а) и их нивелировку в культурах (рис. 4б).

 Таким образом, решение перечисленных задач дает ключ к пониманию развития растительности региона и одновременно является базой для сохранения биоразнообразия его природных комплексов с одной стороны и  для формирования оптимальной структуры лесного фонда в целях устойчивого лесопользования с другой. Однако, решение этих задач затруднено на основе традиционных линейных методов анализа: глубокое понимание функционирования живого требует учета сети связей и взаимодействий, приводящих к множественным нелинейным эффектам. Во многих случаях простые математические модели сталкиваются  с "горизонтом прогноза". Проблема требует нетривиальных решений. Теоретические и практические наработки таких наук, как синергетика, теория динамических систем, теория самоорганизованной критичности очень полезны и необходимы для дальнейшего развития лесной экологии. Наше исследование инициирует новое междисциплинарное научное направление, в основе которого лежит понимание нелинейности, аттрактивности, адаптивности, фрактальности и сетевой организации экологических систем. Это направление и разрабатываемые методы анализа открывают новые резервы для развития лесной науки.