Методи дослідження екологічних систем

Різноманіття зв'язків, що формуються в экосистемах, обумовлює різноманіття методів екологічних досліджень. Вони бувають польовими, лабораторними, експериментальними. При цьому використаються методи фізіології, біохімії, анатомії й ін.

Полеві методи дозволяють установити результат впливу на організм або популяцію певного комплексу факторів, з'ясувати загальну картину розвитку й життєдіяльності виду в конкретних умовах.

Експериментальні методи, штучно підсилюючи або послабляючи (ізолюючи) окремі фактори, дозволяють проаналізувати роль конкретних факторів у різноманітних екологічних механізмах.

На підставі результатів аналітичного експерименту можна організувати нові польові спостереження або лабораторні експерименти. Прикладом широкомасштабних експериментів можуть служити дослідження, проведені при створенні лісозахисних смуг, при меліоративних й інших сільськогосподарських роботах. Вивчаються температура, вологість, їжа й багато чого іншого, як фактори, що визначають основні на сьогодні екологічні проблеми, такі, як динаміка чисельності організмів, сезонний розвиток, розселення й акліматизація корисних і шкідливих видів, прогнози розмноження й поширення.

Вивчення рослинності припускає визначення:

ролі фітоценозу в нагромадженні органічних речовин й енергії й перетвореннях речовини й енергії в загальній системі біогеоценозу;

характеру й ступеня впливу фітоценозу на інші компоненти біогеоценозу;

ролі фітоценозу в динаміку біогеоценозу;

характеру й ступеня впливу фітоценозу на сусідні біогеоценози;

форми, способів і засобів прямого й непрямого впливу на фітоценоз із боку господарської діяльності людини з метою підвищення біологічної продуктивності біогеоценозу й посилення інших його корисних властивостей.

Рослинний покрив вивчається в розрізі рослинних асоціацій. Рослинна асоціація (по В.Н. Сукачеву) - основна одиниця класифікації рослинного покриву, що являє собою сукупність однорідних фітоценозів з однаковою структурою, видовим складом і з подібними взаєминами організмів як один з одним, так і із середовищем. Найчастіше асоціацію називають по пануючим у ній рослинам (бор-зеленомошник, бор-кисличник, ялинник сфагново-травяной, сосновий бор-черничник з моховим покривом і т.п.). Подібні асоціації поєднують у групи, групи - у формації, групи формацій, класи формацій і типи рослинності.

Види, властиві даної асоціації, називаються константами. Константність багатьох видів у міру збільшення розмірів облікових площадок спочатку росте, а потім стає постійною. Найменший розмір території, що включає всієї її константи, називається мінімальним ареалом асоціації.

До специфічних методів дослідження фітоценозів, що представляють відповідні асоціації, ставляться закладка й опис пробних площ й облікових площадок. Плани опису лугового й лісового біогеоценозів методом пробних площ наведені в прил. 1 й 2.

Розміри пробних площ для трав'яних співтовариств звичайно коливаються в межах від 1 до 100 м², для лісів – від 100 до 5000 м². Розмір може бути збільшений, тому що розмір пробної площі повинен перевищувати мінімальний розмір площі, необхідної для виявлення всіх особливостей відповідного співтовариства.

Пробні площі можуть мати строго певну форму (прямокутник, квадрат) або природні границі досліджуваного співтовариства.

Для більше точного підрахунку сходів дерев, пагонів, окремих видів рослин у межах пробних площ виділяються облікові площадки розміром 1-4 м², а для визначення біомаси травостою – 0,25 м². При характеристиці рослинних співтовариств виробляється докладний якісний і кількісний їхній опис: список рослин у певному порядку, ярусность і мозаїчність, пригніченість або буйний розвиток (зважування сухої біомаси або інші способи), фенологія (періодичність у розвитку), характеристика місця перебування (рельєф, схил, ґрунт, органічні залишки й т.д.).

Крім опису пробних площ при дослідженні рослинного покриву території використається метод геоботанического профілювання, що дозволяє виявити закономірності просторового розподілу рослинних співтовариств. Для цього вибирають певний орієнтир й у даному напрямку відзначають всі зміни в рослинності (наприклад, по ухилі місцевості). За отриманими результатами вичерчують профіль досліджуваної площі.

Істотна господарська оцінка фітоценозів: бонітет древостоя й забезпеченість насінним поновленням для лісу, наявність у травостої корисних і шкідливих рослин, родючість ґрунтів, поедаемость рослин різними тваринами - для косовиць і пасовищ.

На основі опису пробних площ, профілів і т.п. виробляється геоботаническое картирование: на карту наносяться або рослинні асоціації, або їхні групи або формації. При цьому широко застосовується аерофотознімання. Дане картографування здійснюється із застосуванням спеціальних методів.

Екологічне вивчення тварин включає вивчення сезонних змін показників складу й кількості їжі, абиотических умов середовища, биотических зв'язків, динаміки розмноження, закономірностей міграцій і розміщення популяцій.

Кількісний облік може бути візуальним (окомірним) і інструментальним. При візуальному обліку організми враховуються на певній ділянці (майданний облік), маршруті (лінійний облік) або в певному обсязі води, ґрунту (об'ємний облік). У гідробіології широко використаються дночерпатели, планктоночерпатели. Розрізняють повний і вибірковий облік. Вибірковий облік може бути абсолютним і відносним. При абсолютному враховуються всі організми на пробній площі або в якомусь обсязі.

При відносному обліку чисельність організмів ураховується приблизно. Наприклад, кількість звірків, що потрапили в певне число пасток на тій або іншій території за добу; кількість птахів або рослин, виявлених на маршруті.

Ботаніки користуються показником зустрічальності виду. Це показник відносного числа вибірок, у яких представлений вид. Якщо вид зустрічається менш чим в 25% вибірок, він уважається випадковим. Достаток - це кількість особин виду, що доводиться на одиницю площі або обсягу. Для рослинних асоціацій використають п'ятибальну шкалу Хульта: 5 - дуже рясно, 4 - рясно, 3 - не рясно, 2 - мало, 1 - дуже мало. Широко використають також шкали Ж. Браун-Бланке й О. Друде (див. прил. 1 й 2).

Досліджується покриття - площа, що покриває надземними частинами того або іншого виду рослини (щире покриття - площа, зайнята підставами пагонів, проективне - площа, що покриває верхніми частинами рослин).

Біомаса, що враховує: фітомаса, зоомасса; разова (початкова - на початку вегетаційного сезону, кінцева - наприкінці вегетаційного сезону); середня.

Математичні методи й моделювання. Вибір досліджуваних особин з популяцій, співтовариств носить випадковий характер, тому одержати достовірне подання про всю популяцію, про все співтовариство можна тільки застосовуючи методи математичної статистики (облік ступеня відхилення від норми, випадковість або закономірність відхилень і т.д.).

Тому що біологічні системи - системи саморегулюючі, крім методів математичної статистики застосовуються методи теорії інформації й кібернетики, пов'язані з такими областями математики, як теорія імовірності, математична логіка, диференціальні й інтегральні вирахування, теорія чисел, матрична алгебра. Широке поширення одержало моделювання біологічних явищ.

Моделі бувають реальні (натурні, аналогові) і знакові (ідеальні).

Знакові моделі підрозділяються на концептуальні (вербальні, графічні) і математичні.

Математичні моделі: аналітичні (оператор відомий в аналітичній формі) і чисельні (імітаційні).

І аналітичні, і чисельні моделі розрізняються по групах: дискретні - безперервні; детерміновані - стохастические; крапкові - просторові; статичні - динамічні.

Математичні моделі - це неповне абстрактне вираження реального миру. Вони являють собою ряд математичних залежностей, що описують які-небудь фізичні або біологічні функції.

Фоновий екологічний моніторинг і математичне моделювання становлять основу сучасного екологічного прогнозування.

Вивчення атмосфери як компонента біогеоценозу і її впливу здійснюють на глибину так називаного «діяльного шару» (термін увів А.И. Воейков в 1904 р.). Глибина діяльного шару при розгляді водно-теплового режиму всієї сукупності «ґрунт - рослина - атмосфера» визначається гіпотетичною границею поширення кореневої системи рослин. При розгляді радіаційно-теплового режиму нижню границю діяльного шару можна прийняти по глибині загасання добової температурної хвилі в ґрунті, тобто на глибині 20-40 див. В основному ж вивчається мікроклімат рослинного пологу, зокрема, енергетичний баланс і його складові - радіаційний баланс, тепловий баланс, баланс вуглекислоти, водообмен, енергетична ефективність фотосинтезу й транспірації, фізичний режим атмосфери БГЦ (градиентные виміру метеоэлементов - температури, вологості повітря, швидкості вітру).

Вивчення води як компонента БГЦ вивчається по ланках:

опади у вигляді дощу й снігу;

затримка опадів рослинністю (диференціюють затримка опадів кронами дерев і випар їх із крон, затримка опадів іншими ярусами рослинності й випар з них, стік вологи по стовбурах);

стік води по поверхні ґрунту;

внутріґрунтовий стік;

ґрунтовий стік;

русловий стік;

фізичний випар вологи з поверхні ґрунту;

режим вологості ґрунту;

надходження вологи із ґрунтових вод;

замерзання й відтавання;

випар (десукция) вологи деревними й трав'янистими рослинами, мохами, лишайниками;

режим вологості рослин різних биоэкоморф.

Вивчення ґрунту як компонента біогеоценозу ведеться по трьох напрямках:

вивчення перетворення гірської породи (пухкої або масивної) у ґрунт із метою встановлення етапів або стадій розвитку її як компонента, що участвуют у формуванні біогеоценозу;

вивчення ґрунту як природного тіла, що визначає, поряд з іншими компонентами, різноманіття биогеоценотического покриву й розміщення біогеоценозів по поверхні суши, що важливо для типології й систематики останніх;

вивчення сезонно-річних змін ґрунтів, що відбуваються під впливом інших компонентів, особливо рослинності й тварин, з метою розробки способів спрямованого керування життєдіяльністю біогеоценозів.

Вивчаються:

морфологічна будова ґрунтів;

фізичні й фізико-хімічні властивості ґрунтів;

динаміка ґрунтових процесів;

біологічний круговорот речовин у системі живі організми - ґрунту;

обмін енергії в цій же системі;

якісні й кількісні параметри змісту, надходження, відчуження й виносу за межі биогеоценотической товщі ґрунтів органічних і зольних речовин.

Програма биогеоценотического дослідження ґрунтів:

1. Морфологія й мікроморфологія. Вимір потужності биогеоценотической товщі ґрунтів.
   1.2. Визначення потужності й будови ґрунтових профілів у цілому й окремих биогеоценотических обріїв.
   1.3. Вивчення форм міграції глинистої речовини й інших мікроморфологічних особливостей (будова новотворів, мікроструктур і т.п.).
2. Фізичні властивості.
   2.1. Механічний склад і його зміни по профілі.
   2.2. Структурність, щільність (об'ємна вага), питома вага, шпаруватість, водопроникність, види вологоємності, максимальна гигроскопичность, вологість завядания, тиск ґрунтової вологи.
3. Фізико-хімічні властивості.
   3.1. Біохімічний склад органічної речовини.
   3.1. 1. Підстилка:
• загальний зміст органічних і зольних речовин, азоту, окисляемость, склад органічної речовини;
• склад золи: рн, рухливе залізо, відбудовна здатність.

3.1. 2. Ґрунт:

• а) зміст і розподіл гумусу загального й лабільного;
• б) склад гумусових речовин.

3.2. Валовий хімічний склад ґрунту і її мулистої фракції (з розміром часток < 0,001 мм). Рухливі з'єднання: солянокисла (25%) витяжка, залізо, кремнезем, алюміній (по Джексону, Тамму, витяжка однонормальною сірчаною кислотою й т.п.), вільні залізо, кремнезем, алюміній по Фостеру.
3.3. Электрофоретическая розгін.
3.4. Доступні живильні речовини: азот, фосфор, калій у ґрунтах і зелених рослинах.
3.5. Фізико-хімічні показники: рН, обмінні катіони – кальцій, магній, водень, алюміній.
3.6. Розчинні солі: водорозчинні солі, CaCO₃, CaSO₄ і склад солей у ґрунтових водах.

Програма диференціюється по зональних групах типів біогеоценозів. У лісових, трав'яних степових, сухостепных і пустельних біогеоценозах рухливі з'єднання визначаються тільки в HCl, з обмінних катіонів водень й алюміній не визначаються, а перевірка на зміст обмінного натрію обов'язкова. Водорозчинні солі вивчаються тільки при їхній видимій наявності.

Програма-мінімум може виключати визначення валового складу ґрунту й мулу: можна визначати тільки валовий зміст і розподіл по профілі Si₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, необов'язкове застосування электрофореза.