Сукцесійна динаміка мікробних угруповань ґрунту за антропогенного впливу: підходи до математичного моделювання

Анотація

У статті узагальнено сучасні наукові підходи до вивчення та моделювання сукцесії ґрунтових мікроорганізмів в антропогенних екосистемах, зокрема в українських агроценозах в умовах зміни клімату та воєнного впливу. Показано, що ґрунтова мікробіота є ключовим регулятором циклів карбону, азоту та інших елементів живлення, а сукцесійні зміни мікроорганізмів визначають родючість ґрунту, його стабільність і здатність до самовідновлення. Проаналізовано внесок провідних іноземних і українських учених у розроблення концепцій мікробної сукцесії, зокрема trait-based моделей, мікробно-орієнтованих моделей типу MIMICS, підходів, що враховують мікробну біомасу у процесах гумусоутворення, а також концепції функціональної сукцесії. Особливу увагу приділено впливу антропогенних чинників — інтенсивного землеробства, хімізації, змін землекористування, глобального потепління та воєнних дій — на траєкторію мікробної сукцесії. Показано, що забруднення ґрунтів важкими металами, вибуховими залишками, паливно-мастильними матеріалами спричиняє регресивну сукцесію, спрощення структури мікробіоценозу та порушення екосистемних функцій. Узагальнено результати досліджень українських учених щодо трансформації мікробних спільнот за різних систем землеробства, ролі мікроорганізмів у циклі азоту, фітопатогенних і антагоністичних грибів, а також можливостей керованої сукцесії через застосування біологічних препаратів. Розглянуто основні методи моделювання мікробної сукцесії: класичні математичні моделі (Моно, Лотки–Вольтерри, регресійні підходи), мережевий аналіз, стохастичні та нульові моделі асемблювання, а також сучасні методи машинного навчання (Random Forest, Gradient Boosting, нейронні мережі, MaxEnt). Обґрунтовано доцільність їх використання для прогнозування деградації та відновлення ґрунтів, оцінювання екологічного стану агроекосистем і розроблення практичних рекомендацій щодо рекультивації земель, уражених антропогенним і воєнним впливом. Отримані результати та узагальнені підходи до моделювання сукцесії ґрунтових мікроорганізмів сприятимуть глибшому розумінню механізмів функціонування ґрунтових екосистем за умов інтенсивного антропогенного та воєнного навантаження. Використання сучасних математичних і комп’ютерних моделей дасть змогу підвищити точність прогнозування змін мікробіоценозів, своєчасно ідентифікувати ризики деградації ґрунтів і науково обґрунтувати заходи щодо їх відновлення. У практичному вимірі це сприятиме розробленню екологічно безпечних технологій землеробства, оптимізації застосування біологічних препаратів, збереженню родючості ґрунтів і продовольчої безпеки України, а також формуванню наукових основ відновлення агроекосистем у районах, постраждалих від воєнних дій.