Экологические методы

ЛЕКЦИЯ 15 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

 

1. Экологические методы при изучении  растительных сообществ.

2. Экологические методы при изучении животных.

3. Математические методы и моделирование.

 

Разнообразие методов экологических исследований обуславливается многообразием связей, формирующихся внутри макросистем: популяции → биоценозы → биогеоценозы (экосистемы) → биосфера.

Первостепенное значение – полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и сообществ популяций в естественной обстановке (природе). При полевых исследованиях применяются:

а) физические методы;

б) биохимические методы;

в) систематические методы;

г) математические методы.

Все эти методы рассматривают констелляцию (совместное действие) всех внешних и внутренних факторов на жизнедеятельность организмов, внутри- и межпопуляционные взаимоотношения.

Значение полевых исследований: позволяют установить результат влияния на организм или популяцию комплекса факторов; выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида или особи в конкретных условиях. Но полевые исследования не дают точного представления о принципах и закономерностях жизнедеятельности особи, популяции или сообщества.

Полевой и лабораторный эксперимент: объясняет причины наблюдаемых в природе отношений, позволяет проанализировать и изучить все разнообразие экологических механизмов, обуславливающих существование сообщества.

Пример экологического эксперимента: исследования, проводимые при создании лесозащитных полос при мелиоративных с/х работах.

 

1. Экологические методы при изучении растительных сообществ

За единицу растительного сообщества принимается растительная ассоциация – основная единица растительного покрова, которая представляет собой совокупность однородных фитоценозов с однородной структурой, видовым составом и со сходными взаимоотношениями организмов как друг с другом, так и с внешней средой.

Ассоциация называется по двум или более господствующим видам: бор-брусничник (сосна + брусника), бор-кисличник (сосна + кислица), ельник сфагново-травяной (ель + мох сфагнум + разнотравье), бор-черничник с моховым покровом (сосна + черника + мхи) и т.д.

Сходные ассоциации → группы → формации → группы формаций → классы формаций → типы растительности.

Экологический метод при изучении растительных ассоциаций – закладка и описание пробных площадей и учетных площадок.

Пробная площадь – участок территории, выделенный произвольно или имеющий естественные границы, характеризующийся однородностью растительных ассоциаций (для трав – 1-100 м2, для лесов – 100-5000 м2).

Учетная площадка – участок территории пробной площади, выделяемый для более точного описания растительности ассоциации (площадь – 1-4 м2, для определения биомассы – 0,25 м2).

При характеристике растительных сообществ пробных площадей проводятся следующие качественные и количественные описания:

1) В первую очередь составляется  список растений в определенной  последовательности: деревья → кустарники и полукустарнички → многолетние и однолетние травы → мхи → лишайники → грибы → водоросли.

Растения в каждой группе располагаются в систематическом или алфавитном порядке.

2) Отмечается жизненность видов, т.е. наличие угнетенных или буйно развитых видов (путем взвешивания сухой массы того или иного вида растений, приходящейся на единицу площади).

3) Описание ярусности: обозначается римскими цифрами, начиная с верхнего. Верхний ярус (1) – высокие деревья, 2 – средние деревья, 3 – подлесок и т.д.

4) Описание мозаичности (микрогруппировок): в пределах пробной площади закладываются мелкие, метровые площадки, где описываются преобладающие виды растений условия среды (микрорельеф, влажность, накопление ветоши и др.).

5) Описание фенологии (периодичности в развитии): отмечается фенологическая фаза каждого описанного вида (стадия развития).

6) Описание физиономичности – состояние ассоциации, ее общий вид. Учитывается моменты появления цветущих, плодоносящих, отмирающих и вегетирующих растений.

После описание структуры растительной ассоциации характеризуют местообитание сообщества:

1) описание рельефа склона (если  он имеется);

2) описание почвы: а) скелет; б) механический состав; в) органические включения; г) тип почвы (чернозем, подзолистые, торфяные и т.д.); д) химический состав; е) особенности микрофлоры и микрофауны.

3) описание геоботанического профиля: выбирают какой-либо ориентир, в  данном направлении отмечают все изменения в растительности по уклону местности, вычерчивают профиль описываемой площади.

Дополнительные методы при изучении растительных ассоциаций:

1) Хозяйственная оценка: отмечается  бонитет древостоя и обеспеченность  семенным возобновлением, наличие в травостое полезных и вредных растений, степень плодородия почв и др.

2) Химические методы: устанавливается  накопление тех или иных органических  веществ в отельных растениях, и данные экстраполируются на  ассоциацию в целом.

3) Физиологические методы: прослеживают  физиологические процессы, происходящие  в отдельных растениях и сообществах  в целом.

Завершающий этап исследований – геоботаническое картирование: в зависимости от масштаба на карту наносятся растительные ассоциации, либо группы ассоциаций, формации; широко применяется аэрофотосъемка.

 

 

 

2. Экологические методы при изучении животных

Основной единицей животного сообщества является популяция.

С целью изучения популяций животных исследуют их питание, степень влияния на них абиотических факторов, размножение, физиологию, биохимию и др.

1) Трофическая  структура популяции:

- определение состава пищи, количества  ее компонентов. Анализируется содержимое  желудков, погадок, остатков пищи, химический  состав самой пищи, значение компонентов пищи для жизни животных на разных фазах развития и в разные сезоны.

2) Половозрастная структура популяций:

- определение соотношения полов и возрастных групп в популяции; на основании полученных данных определяется состояние популяции (ее жизненность или угнетенность).

3) Репродуктивная  структура популяции:

- изучается динамика размножения: фенология размножения, степень участия в нем особей разного возраста и различного физиологического состояния, интенсивность размножения и др.

4) Поведенческая (этологическая) структура популяции:

Изучение особенности поведения животных в разные сезоны, периоды жизни, взаимоотношения между особями внутри популяции.

5) Пространственная  структура популяции:

Изучаются закономерности миграций и размещения популяций. Используются методы мечения животных (кольцевание, закрепление меток, окраска, прикрепление радиопередатчиков, введение в организм меченых атомов и т.д.).

6) Морфометрическая и фенетическая структура популяций:

- изучение морфологических особенностей  особей в популяциях; на основании полученных данных определяется степень влияния на популяцию условий окружающей среды, степень разобщенности популяционных группировок.

Изучаются интенсивность газообмена, водного обмена, накопление питательных веществ, темпы роста и другие показатели на уровне макросистемы (популяции или сообщества).

 

3. Математические  методы и моделирование.

При изучении природных популяций зачастую данные, полученные на небольшой выборке особей, экстраполируются на всю популяцию, что вносит большую погрешность в итоговом результате. Кроме того, выбор особей из популяции носит случайный характер. И лишь применение методов математической статистики дает возможность по случайному набору различных вариантов определить достоверность тех или иных результатов и получить объективное представление обо всей популяции.

В последнее время широкое распространение получило моделирование биологических явлений и использование живых моделей.

1. Моделирование биологических явлений – воспроизведение в искусственных системах различных процессов, свойственных живой природе.

Примеры биологических моделей: аппарат искусственного кровообращения, искусственная почка, моделирование фотосинтетических реакций.

2. Использование живых  моделей – изучение сложных биологических процессов и явлений на простых существах.

Пример: зоохлорелла служит моделью для изучении реакций пластического и энергетического обменов.

Т.о. основной задачей биологического моделирования является экспериментальная проверка гипотез относительно структуры и функций биологических систем. Сущность моделирования заключается в том, что вместе с оригиналом, т.е. с какой-то реальной системой, изучается его искусственно созданное подобие – модель. В сравнении с оригиналом модель обычно упрощена, но свойства их сходны.

В зависимости от особенностей оригинала и задач исследования применяются следующие модели:

1) Реальные (натурные, аналоговые) модели – отражающие самые существенные черты оригинала (аквариум – модель естественного водоема). Однако создание таких моделей сопряжено с большими техническими трудностями, т.к. затруднительно добиться точного воспроизведения оригинала.

2) Знаковые (идеальные) модели – условное отображение оригинала с помощью математических выражений или подробного описания. В свою очередь они делятся:

а) Концептуальные (вербальные, графические)  модели – характеризуются подробным описанием системы (научный текст, схемы систем, таблицы, графики и др.);

б) Математические модели – наиболее эффективный метод изучения экологических систем, особенно при определении количественных показателей. Математические символы позволяют сжато описать сложные экологические системы, а уравнения дают возможность формально определить взаимодействия различных их компонентов.