Методы экологических исследований

Лекция 2

План.

1. Методы исследований.

2. Мониторинг и кадастр.

3. Качественная и количественная оценка.

4. Точность оценки экологического явления.

5. Моделирование и модель экологических явлений.

Методы исследований — это пути и способы изучения экологических явлений. Совокупность определенных при­емов исследования представляет собой методику исследова­ния. В зависимости от объектов экологии и целей исследова­ния используют те или другие методы. Главными из них, как в любом естественно-научном исследовании, являются методы: описание, наблюдение и эксперимент.

Экология имеет свою специфику: объектом ее исследова­ния служат не только единичные особи — организмы, но и целые группы особей — популяции и их сообщества — био­геоценозы и даже биосфера. Многообразие связей, формиру­ющихся на уровне разных по сложности биологических сис­тем, обусловливает большое разнообразие методов экологи­ческих исследований, выявляющих количественное участие особей, видов и их качественную оценку состояния в услови­ях обитания. Реализуются они в большом разнообразии при­емов полевых и лабораторных исследований экологических свойств природы.

Полевые методы исследования для эколога имеют пер­востепенное значение. Они обеспечивают возможность изу­чения свойств живых организмов, популяций, сообществ и биосферы в их естественной обстановке, непосредственно в природной среде. Именно полевые методы исследования для экологии имеют первостепенное значение, так как по­зволяют обнаружить взаимосвязи организмов, видов и сооб­ществ со средой, установить общую картину развития при­роды в конкретных условиях того или иного региона, выяс­нить комплекс факторов и их воздействие в природной обстановке.

Полевые исследования подразделяются на маршрутные и стационарные, описательные и экспериментальные.

Маршрутные методы используются главным образом для выяснения наличия экологических объектов (например, присутствие тех или иных жизненных форм организмов, экологических групп, фитоценозов, охраняемых видов, ком­плекса факторов среды и т. п.), их разнообразия и встречае­мости на исследуемой территории. Основными приемами здесь выступают: прямое наблюдение, оценка состояния, из­мерение, описание (например, описание исследуемых пло­щадок или отдельных представителей живого мира, наблю­дение фенологического состояния организмов конкретного вида и т. п.), составление схем, карт и инвентаризационных списков исследуемых объектов.

Стационарные методы — это методы длительного (се­зонного, круглогодичного или многолетнего) наблюдения за одними и теми же природными объектами, требующие не­однократных описаний, замеров изменений, происходящих у наблюдаемых объектов. Стационарные методы обычно со­вмещают в себе полевые и лабораторные методики. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, ана­томии, систематики, физики, химии, географии, статистики и др.

Например, в стационарном исследовании растительного покрова после осмотра всего участка намечают места «проб­ных площадок» для более детального исследования его свойств. На таких площадках проводится тщательное описание местообитания, учитывается видовой состав, возраст расте­ний и их фенологическое состояние (или осуществляется сбор другого фактического материала, например, о присут­ствии животных и их деятельности на данной территории). Обязательно фиксируется обилие произрастающих видов растений в данном сообществе.

Обилие — этим термином обозначается степень участия (плотность популяции) каждого вида в биогеоценозе. Швед­ский ботаник О. Друде предложил шестибалльную шкалу глазомерной оценки обилия видов, которая широко исполь­зуется ботаниками.

По шкале Друде обилие вида выражается с помощью «словесных символов», а по шкале Хульта обилие обознача­ют цифрами по пятибалльной системе: 5 — очень обильно, 4 — обильно, 3 — необильно, 2 — мало, 1 — очень мало.

Учет животных организмов на той или иной территории обычно начинается так же, как и описание растительности, проводится визуальным или инструментальным методом. Визуальный, или глазомерный метод, обычно применяется при изучении насекомых-вредителей, птиц и млекопитаю­щих: (подсчет гнезд, учет голосов птиц, нахождение и идентификация нор, троп и следов животных, мест кормежки, встречаемость помета и пр.) и на этой основе делать выводы о численности, плотности популяций каждо­го вида.

Инструментальный учет осуществляется с примене­нием различных приборов (сачок, ловчие цилиндры, скре­бок, ловушки, планктонная сеть, ловчий мешок и др.). А качество окружающей среды часто определяют методами биоиндикации.

Биоиндикация (фитоиндикация, зооиндикация) — оцен­ка качествва среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию ее живого населения в природных условиях.

Описание и наблюдения широко применяются в стацио­нарных исследованиях при регистрации основных особен­ностей изучаемых объектов, прямом наблюдении, выявле­нии факторов воздействия, картировании экологических явлений, инвентаризации ценных природных объектов и пр.

Экологический мониторинг (лат. монитор — тот, кто на­поминает, предупреждает) — это длительное слежение ди­намики состояния экологических явлений во времени, их оценка и прогноз происходящих процессов в природной среде.

Мониторинг — это многоцелевая информационная систе­ма, главные задачи которой — наблюдение, оценка и прог­ноз состояния природной среды под влиянием антропогенно­го воздействия с целью предупреждения о создающихся кри­тических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей, благополучия других живых существ, их сообществ, природных и созданных человеком объектов.

Мониторинг обычно проводится как контроль за загряз­нением почвы, водной и воздушной среды различными отхо­дами (бытовыми и от предприятий), за накоплением тяже­лых металлов, химических веществ, радионуклидов, попада­нием их в пищевые цепи.

В зависимости от того, за кем (чем) и как ведется контрольное слежение, различают разные виды мониторинга:

— мониторинг биологический (биомониторинг) — длительное наблюдение за наличием видов, их состоянием и численностью;

— мониторинг окружающей среды — это наблюдение за общим состоянием природной среды и за динамикой измене­ний отдельных экологических факторов среды, окружающей человека;

— мониторинг глобальный — слежение за процессами (к том числе антропогенного влияния), происходящими на всей планете;

— мониторинг региональный — это слежение за процессами и явлениями в пределах одного какого-то региона;

— мониторинг базовый — слежение за общебиосферны­ми природными явлениями без наложения на них антропогенных явлений.

При проведении мониторинга наряду с биологическими методами используются физические, химические, геогра­фические, вплоть до космических (например, зондирование с искусственных спутников, космических кораблей и пр.). И процессе мониторинга часто создается определенный пере­чень (список) сведений, направленных на разработку мер по охране исследуемых объектов. Такой перечень сведений называют кадастром.

Кадастр (фр. cadastre от греч. katastiochon — лист, ре­естр) — систематизированный свод сведений, составляемых пе­риодически или путем непрерывных наблюдений над соответ­ствующим объектом, о его качественных и количественных характеристиках. Кадастр обычно включает рекомендации но использованию предметов и явлений, предложения мер по их охране. Различают кадастры:

— водный — свод сведений о водах региона или бассей­на, включающий данные о всех реках, озерах, ручьях, боло­тах, ледниках и подземных водах;

— детериорационный — свод сведений об ухудшении окружающей среды (воздуха, почв, вод, уничтожении расти­тельности, истощении биологического разнообразия и пр.);

— земельный — свод сведений о землях (грунтах и поч­вах, сельскохозяйственных угодьях), пригодных и непригод­ных к использованию;

— лесной — свод данных о лесах, их изученности и пря­мом и побочном использовании;

— особо охраняемых объектов и территорий;

— промысловый — свод сведений об объектах, составля­ющих промысловые ресурсы;

— рекреационный — свод данных о территориях, пред­назначенных для отдыха и восстановления здоровья че­ловека;

— фаунистический и флористический.

Все кадастры характеризуют данные об объектах какой-то конкретной территории — района, региона или страны.

Экспериментальные методы широко используются в экологических исследованиях. Эксперимент в природе отли­чается от наблюдения тем, что организмы (или другие объек­ты) искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при на­блюдении, оценить его влияние. Эксперимент, поставленный в полевых условиях, может продолжаться в лаборатории. Выводы, полученные в лабора­торном экологическом эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести и применить весь полный комплекс факторов среды, но определить влияние какого-то одного экологичес­кого фактора или двух можно.

В последнее время особенно распространенными стали химические методы, применение которых позволяет определить качественное состояние окру­жающей среды (воды, почвы, воздуха и т. п.) и состояние отдельных организмов на той или иной конкретной терри­тории.

Объектом исследования в экологии являются и единич­ные особи (организмы), и группы особей: популяции, виды и их сообщества и экосистемы (биогеоценозы, биосфера), а также отдельные факторы среды и в целом окружающая среда. В число объектов экологического изучения входят ди­кие и разводимые человеком растения и животные, сам че­ловек как живой организм, его природная и социальная сре­да жизни.

Качественная оценка объектов исследования. Многообра­зие и сложность взаимосвязей и взаимозависимостей живых систем разных уровней организации со средой обитания об­условливают применение огромного разнообразия методов экологических исследований. При этом обычно используются специфические методы физиологии, медицины, анатомии, морфологии, фенологии, биохимии, этологии, систематики, ритмологии и других биологических и небиологических наук (химия, физика, математика, статистика, социология, клима­тология и др.). Например, химическими методами устанавли­вают накопление тех или иных минеральных и органических веществ в растениях и животных определенного биогеоцено­за, в сообществе в целом, одними и теми же видами в разных биогеоценозах. Физическими методами определяют качество солнечной радиации; климатологическими — диапазон коле­баний температуры и влажности воздуха или почвы, характер выпадающих осадков и пр.

Все разнообразие этих методов исследования позволяет выявить качественное состояние изучаемых объектов и от­личие одних исследуемых организмов, видов (популяций) или процессов от других, развивающихся в иных условиях. Однако качественная характеристика явления раскрывает лишь самые поверхностные связи и отношения.

Только циф­ровые показатели, являющиеся результатом подсчета, мно­гократного измерения, взвешивания, позволяют проникнуть в глубь явлений. Но даже количественное разовое наблюде­ние не является доказательным.

Количественная оценка. Для убедительной доказатель­ности наблюдаемого явления, раскрытия его свойств и зако­номерностей необходимы повторные наблюдения и статисти­ческая обработка результатов.

Из статистических показателей важными для экологичес­кого исследования являются среднее арифметическое и сред­нее квадратическое отклонение. Среднее арифметическое сви­детельствует о средней величине изучаемого признака в дан­ной совокупности, но оно не дает достаточно четкой картины

в характеристике признака, поскольку значение признака в выборке варьирует. О его вариабельности можно судить по ве­личине среднего квадратического отклонения, которое позво­ляет определить, какая доля отклонений от среднего арифме­тического приходится на один вариант данной выборки. Среднее арифметическое и среднее квадратическое отклоне­ние позволяют вычислить и ряд других статистических пока­зателей изучаемого экологического явления.

Количественная оценка объектов и процессов является основой всех экологических исследований. Эколог ведет учет не только присутствия живых организмов, но исследует и силу действия факторов среды. Количественный учет орга­низмов в единицах пространства и времени выясняет зави­симость их численности и оценку их общего состояния, распространение от изменения внешних условий, прогноз на будущее. Учет численности организмов, встречаемости, плотности населения, возрастной и половой структуры попу­ляций, плодовитости, продуктивности, сопряженности меж­ду видами, заболеваемости, загрязненности среды и т. п. — необходимое требование к работе эколога.

Все эти методы прямого и косвенного изучения экологи­ческих явлений относятся к группе эмпирических. К ним же относится и метод моделирования экологических явлений в природе и обществе, который в последнее время получил широкое распространение.

Моделирование — это метод опосредованного практичес­кого и теоретического оперирования объектом, при котором исследуется непосредственно не сам интересующий объект, а используется вспомогательная искусственная или естес­твенная система (модель), соответствующая свойствам реаль­ного объекта.

Модель, согласно В. А. Штоффу (1966) — это «мысленно представимая или материально реализованная система, которая отражая или воспроизводя объект исследо­вания, способна замещать его так, что ее изучение дает но­вую информацию об этом объекте». Именно ради этой допол­нительной новой информации (то есть эмерджентного свой­ства модели) и применяется моделирование. Потребность моделирования в экологии возникает тогда, когда конкрет­ное исследование самого объекта невозможно, затруднитель­но из-за обилия (или скудости) фактических материалов о нем, или дорого, или требует слишком длительного времени. В то же время модель может выполнять свою роль лишь то­гда, когда степень ее соответствия объекту определена доста­точно строго.

Модель — это абстрактное описание какого-то явления реального мира, позволяющее делать предсказания об этом явлении. Хотя любая модель всегда упрощена и отражает лишь общую суть или вероятный сценарий процесса, то есть не копирует, а имитирует реальность, тем не менее моделирование позволяет экспериментировать, использовать процессы и явления, недоступные для непосредственного наблюдения. Так, в «модельных условиях», то есть метода­ми имитационного моделирования, особенно с применением компьютеров, были получены достаточно надежные количес­твенные прогнозы (например, изменений численности попу­ляции в меняющихся условиях, математических закономер­ностей в системах хищник — жертва и паразит — хозяин, устойчивости структуры экосистем и др).

Имитационное моделирование широко используется при исследовании экосистем, и особенно биосферы. То есть там, где учитывается множество разнохарактерных структурных компонентов экосистемы и много-функциональное их поведе­ние.

Моделирование экологических явлений используется для практических про­гнозов динамики явлений, для исследования взаимосвязей видов и сообществ со средой, для определения воздействия факторов и для выбора путей рационального вмешатель­ства человека в жизнь природы. Например, группа ученых в 1971 году создала имитационную компьютерную модель «World-3» и с ее помощью описала перспективы роста численности населения планеты и мировой экономики на XXI век.

В исследованиях экологических явлений системы чело­век—природа — общество широкое распространение по­лучили методы из группы социологических. Среди них — опрос населения (массовый, групповой, индивидуальный), анкетирование, беседа с отдельными людьми для сбора эко­логических данных и др.

В настоящее время экологические исследования имеют очень большое значение в решении многих теоретических и практических задач существования природы, человека и об­щества, обозначенных как «актуальные экологические проблемы».

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные методы научных исследований, применяемых в экологии.

2. Когда применяются стационарные методы исследования?

3. Какова роль маршрутных и стационарных исследований в экологии?

4. В чем роль полевых и лабораторных методов экологи­ческих исследований.

5. Что такое мониторинг?

6. Какие виды мониторинга различают в экологии?

7. В каких случаях используется метод моделирования?

8. Что обозначают термином «кадастр»?

Дата добавления: 2014-01-07