Тема 1 Методы экологии

Экология изучает взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой и адаптации организмов к действию разнооб­разных экологических факторов. Экология изучает главным образом биологические системы организменного и надорганизменного уровня. Элементарной единицей экологии считается особь популяции. Совместно функционирующие организмы, взаимодействующие с физической средой, образуют экосистему. Экологические исследования имеют своей задачей поиск законов формирования, функционирования и гибели природных экосистем с целью управления этими процессами.

Цель занятия: уяснить комплексный характер экологии как нау­ки, являющейся в своей основе биологической, и ознакомиться с современным арсеналом методов исследования надорганизменных сис­тем.

В современной экологии имеются разнообразные методы иссле­дований с привлечением имеющегося на сегодняшний день инструментария. Можно выделить три основные группы методов: 1) полевые наблюдения; 2) эксперименты в поле и в лаборатории; 3) моделирова­ние. Каждый из них имеет свою историю развития, отражающую пос­ледовательные этапы углубления знаний об экосистемах и соответст­вует вполне определенной стадии единого процесса системного эко­логического исследования.

Полевые наблюдения. Метод непосредственного наблюдения изучаемой экосистемы или ее отдельных компонентов в естественных условиях, подразумевающий минимальное вмешательство наблюдателя. При полевых наблюдениях обычно определяют видовой состав организ­мов, параметры внешней среды, получают общую картину отношений между видами и видами и средой, измеряют важнейшие части экосистемы, описывают динамику компонентов. Изучается разнообразие жиз­ненных форм организмов, показатели разномасштабных популяций, адаптации организмов к конкретным условиям среды.

Эксперимент. С целью проверки гипотез о характере взаимосвязей между переменными проводят полевые или лабораторные экспе­рименты. В эксперименте исследователь следит за откликом экосис­темы, в которой им сознательно произведены определенные изме­нения. Например: слежение за процессом роста и развития участков леса после определенной рубки. Полевые эксперименты в большинстве случаев относятся к неконтролируемым, так как возможности ис­следователя контролировать экологические факторы в природных условиях очень ограничены.

В л абораторных экспериментах можно обеспечить контроль боль­шого числа факторов и, тем не менее, большинство лабораторных опытов также относится к категории частично контролируемых. Наиболее полного охвата экологических факторов можно добиться в установках типа фитотронов.

Эксперименты подразделяют на однофакторные и многофакторные. Классической схемой естественнонаучных экспериментов считается однофакторный, когда изучается влияние одного избран­ного фактора при фиксированных значениях всех остальных. Напри­мер: изучается влияние процента выборки деревьев при проведении рубки ухода за лесом на накопление стволовой древесины в од­ном и том же типе леса.

При многофакторных экспериментах изучают эффект от изменения различных комбинаций факторов на отклик изучаемой величины. Например: изучение накопления стволовой древесины к возрасту рубки в связи с лесорастительными условиями и различными соче­таниями мер ухода за лесом.

Для уменьшения количества экспериментальных участков при многофакторных экспериментах, но с целью получения репрезентативных результатов при планировании экспериментов используют различные методы оптимизации: греческий и латинский квадраты, метод золотого сечения, скользящей средней и др.

Наблюдения и эксперименты служат базой для важнейшего эта­па системного анализа – моделирования. Основной задачей моде­лирования, т.е. составления упрощенных версий экосистем, являет­ся нахождение закона функционирования системы, показывающего, как реагирует эта экосистема на изменение параметров какого-либо ее элемента.

В зависимостиот задач исследования применяют разнообраз­ные модели. По реализации различают реальные (аналоговые) и идеальные (знаковые) модели. Реальные модели представляют со­бой физические воспроизведения экосистем, например аквариум. Недостаток аналоговых моделей - трудность установления степени адекватности модели биологической системе.

Знаковые модели делят на концептуальные и математические. Концептуальные модели применяют на этапе постановки задачи и ограничения степени ее сложности. Они представляют собой ва­риант традиционного описания экосистем (текст, схема, табли­ца и т.д.). Однако описание в такой форме биологических процессов сталкивается с трудностями количественной оценки динамики компонентов, возможной неоднозначностью понимания.

Для получения надежного количественного прогноза применяют математическое моделирование, т.е. формальное описание связей с помощью символьной логики. ЭВМ, при исследовании моделей, позволяют получать данные об отклике экосистемы при изменении тех или иных ее параметров. Если значения переменных определяются однозначно, то такие модели яв­ляются детерминистскими. Стохастические модели для каждой переменной дают распределение возможных значений на основе статистического распределения случайных величин.

Модели, в которых для определения значений предсказываемых величин получают выражение в явном виде, относят к аналитическим. Имитационные модели строятся с применением дифференциальных урав­нений, переходных матриц или других математических операций.

Наиболее часто в экологии применяют следующие семейства мате­матических моделей: динамические, матричные, многомерные, оптимизационные.

Для наглядного представления результатов моделирования наибо­лее часто используется способ развертки во времени, который состоит в построении таблиц или графиков изменения пере­менных как функций времени (рис.1, а). При всей его наглядности этот способ не всегда (особенно при большом числе переменных) дает наглядное представление взаимосвязей между переменными. Поэтому, в дополнение к нему, часто используется способ фазо­вых портретов, когда на график наносится изображение траектории системы в пространстве состояний (при n =2 или 3) или проекции этой траектории на координатные плоскости (X_i, X_j), образованные раз­личными парами координат при n > 3 (рис.1, б), Время присутствует на фазовом портрете неявно, через указание тем или иным способом направления движения изображающей точки вдоль траектории (с помощью стрелок или отметок времени вдоль траектории). Соотношение способов развертки во времени и фазового портрета поясняет рис.1в.

Метод биоклиматических расчетов. Главным фактором физической сре­ды является климат, который тесно связан с характером экосистем и имеет определяющее значение вих функционировании. Климатические факторы предопределяют выживаемость, жизнеспособность, плодови­тость популяций, слагающих сообщества. К важнейшим метеоэлементам относятся температура и влажность. Чаще всего воздействие этих факторов взаимосвязано. Так, температура оказывает лимитирующее влияние на организмы при критических значениях влажности. Критические же значения влажности во многом зависят от температуры. Для влажностно-температурной характеристики агроклиматических условий региона анализируют ряд многолетних наблюдений. В зависимости от поставленной задачи рассчитывают связь изменения каких-либо параметров сообщества с одной или несколькими гидро­термическими характеристиками.

Для графического изображения месячного хода осадков и тем­пературы применяют метод климаграмм, известный в двух вариантах (рис.2). Климаграммы могут быть построены для средних многолетних значений или по данным какого-либо одного года. Для этого по оси ординат откладывают средние месячные величины температуры, а по оси абсцисс - средние месячные величины количества осадков. Точ­ки пересечения, найденные для каждого месяца, соединяются в го­дичной (месячной) последовательности. Полученный многоугольник показывает условия температуры и влажности и позволяет наглядно сравнивать один год с другим или один биотический район с другими.

Вторым способом графического анализа соотношения влажность-температура являются омбротермические диаграммы. Для их построе­ния на оси абсцисс отмечают месяцы, а на оси ординат - количест­во осадков и удвоенные значения температуры. Если кривая темпе­ратур проходит выше кривой осадков, то период считают сухим, если ниже - влажным.

Рис.1. Изменение численности конкурирующих популяций с течением

времени: а) - динамика численности от времени; б) - разовый портрет системы; в) - соотношение развертки во времени и разового портрета

Рис.2. Графический анализ связи температуры и влажности: а - климаграмма; б - омбротермическая диаграмма: штриховка вертикальная - влажный период; I - кривая температур, П - кривая осадков

Для оценки увлажнения территории используют отношение ко­личества осадков к испаряемости. Широко применяют гидротермичес­кий коэффициент (ГТК) Г.Т.Селянинова:

ГТК = М/Т× 10

где: М - сумма осадков за вегетационный период (период с температурой выше +10^оС), мм; Т - сумма активных температур за тот же период, ^оС.

Испаряемость в этой формуле (в мм) численно примерно равна сумме средних суточных температур за период между датами перехода температуры через +10°С, деленный на 10. При вели­чине ГТК за июль-август более 1, 6 -

В числителе – среднемесячная температура воздуха, ⁰С;

В знаменателе – сумма осадков за месяц, мм.

имеем избыточно влажные усло­вия, I, 6-1, 3 - влажные условия (лесные), 1, 3-1, 0 - недостаточ­ное увлажнение (лесостепь), 1, 0-0, 7 - засушливые условия (степь), 0, 7-0, 4 - очень засушливые условия (сухая степь).

ГТК нельзя применять для оценки увлажнения зимы, весны и осени, когда средняя суточная температура воздуха ниже +10°С.

Для оценки зимних условий применяют коэффициент жесткости зимы (КЖЗ):

KЖЗ = Σ t_a/Σ r_n

где Σ t_a - абсолютная сумма отрицательных температур за период устойчивых морозов (период с температурой ниже 0, °С); Σ r_n - сумма осадковза этот же период, мм.

Задание: I) описать основные группы методов, применяемые в экологических исследованиях; 2) уяснить и описать типы моде­лей и форм графической интерпретации результатов математическо­го моделирования; 3) построить 2 варианта климаграмм и по данным, приведенным ниже (таблица 1), расчитать ГТК, КЖЗ, считая по номеру варианта, совпадающего с последней цифрой зачетной книжки.