Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Поволжский Государственный Технологический Университет

Кафедра экологии,

почвоведения и природопользования

Отчет по полевой практике по дисциплине биоразнообразие

Выполнил: группа ЭКиП-21

Принял: доцент Гончаров Е.А.

Йошкар-Ола

2012

Оглавление

Введение 3

Глава I Теоретическая часть 4

Методы геоботанического анализа биоразнообразия растительных сообществ 4

Методы оценки разнообразия 11

Глава II Практическая часть 18

Описание работ по дням 18

Бланк описания лесного фитоценоза 18

Основная точка № 1 18

Основная точка № 2 22

Основная точка № 3 26

Основная точка № 4 32

Оценка разнообразия 37

Заключение 38

Введение

Актуальностью практики является закрепление теоретических знаний по биоразнообразию.

Цель: применить на практике знания, полученные в ходе изучения дисциплины биоразнообразие.

Задачи:

1. изучить методы геоботанического анализа биоразнообразия растительных сообществ;

2. изучить методы оценки разнообразия: альфа, бетта, гамма;

3. выполнить оценку биоразнообразия объекта исследования.

Глава I Теоретическая часть Методы геоботанического анализа биоразнообразия растительных сообществ

Первый этап – анализ территории:

• определение по лесотаксационным документам основных типов растительных сообществ, выделяемых по доминантам древостоя на уровне групп формаций.

Примечание. Разделение растительного покрова на пространственные единицы разного ранга проводится в границах экотопа или биотопа (фитохоры). Экотоп - совокупность экологических режимов, определяемых абиотическими (прямыми) факторами среды: положением в рельефе, почвообразующими и коренными породами. Биотоп представляет собой средовое пространство, преобразованное существующими в настоящее время видами-эдификаторами: в ненарушенном растительном покрове в пределах одного экотопа находится сообщество одного типа (один биотоп), в нарушенном растительном покрове в пределах одного экотопа может быть несколько биотопов

• разработка компьютерной картографической системы по лесотаксационным данным.

Примечание. При исследовании больших территорий за основу берутся малые речные бассейны 3–4-го порядка (длина реки около 20 км). Эта территориальная единица естественна, обладает основными характеристиками соответствующего ландшафта, доступна для реального изучения и позволяет сравнивать биоразнообразие в разных типах ландшафта, в разных географических зонах и геоботанических провинциях. На этой территории могут быть обнаружены все элементы зональной растительности, что делает ее достаточной для выявления основных показателей видового разнообразия. Такой подход базируется на геохимических связях между соподчиненными частями ландшафта (ландшафтная катена).

Второй этап анализа – сбор и первичная обработка полевого материала:

• геоботаническое и демографическое обследование выделенных типов сообществ

В ходе маршрутных исследований составляются списки физиономически отличающихся типов сообществ (данную процедуру можно сделать по имеющимся литературным данным).

В ненарушенных лесах фитохоры могут занимать площади в несколько квадратных километров или в несколько десятков квадратных километров (огромные таксационные выделы). В регулируемых хозяйственной деятельностью лесах в качестве элементарной единицы может выступать любой таксационный выдел.

Сбор геоботанических данных для характеристики растительности на уровне фитоценозов. При оценке биоразнообразия растительного покрова желательно, чтобы геоботанические исследования охватывали все физиономически отличающиеся варианты сообществ (или типичные). В качестве основных вариантов размещения площадок обычно выделяют случайный и регулярный отбор. Показано, что при достаточном числе площадок способ отбора не влияет на результаты анализа [Миркин, Розенберг, 1978].

При изучении растительности больших территорий используется метод профилей на основе линейного трансекта (нескольких трансект).

Оптимальный размер пробных площадей зависит от богатства сообщества, его неоднородности и других факторов. При оценке разнообразия растительности лесных территорий наиболее часто используют площадки 10 х 10 м.

Число описаний (площадок) для характеристики растительности сообщества считается достаточным, если кумулятивная кривая появления новых видов при увеличении числа обследованных площадок выходит на плато [Мэгарран, 1992]. Дополнительно могут быть сделаны маршрутные обследования для выявления относительно редко встречающихся видов. Минимальное число описаний, необходимое для характеристики биоразнообразия, – 100, при этом желательно, чтобы каждый из намеченных экотопов и биотопов был представлен не менее чем 10 описаниями.

Типовое геоботаническое описание состоит из двух частей: «шапка» описания – общие сведения о пробной площади и список встреченных на площади видов с указанием обилия каждого вида по выбранной шкале в каждом из ярусов.

Сбор популяционно-демографических данных. По имеющимся геоботаническим данным или в ходе сопряженного с геоботаническим исследования закладываются площадки для популяционно-демографических описаний.

Для анализа состояния ценопопуляций деревьев в каждом анализируемом сообществе желательно обследовать площадь не менее 0,25–2,0 га или несколько более мелких площадок (100–500 м²), составляющих в сумме такую же площадь. В тех случаях, когда численность отдельных возрастных групп отличается на один или несколько порядков величин от остальных, можно использовать разные размеры и разное число площадок для оценки разных возрастных групп.

Данные о численности особей заносятся в бланк популяционно-демографического описания: указываются вид, онтогенетическое состояние (проростки (всходы), pl; ювенильные, j; имматурные (прематурные), im; виргинильные (молодые и взрослые вегетативные), v; молодые генеративные, g1; средневозрастные генеративные, g2; старые генеративные, g3; субсенильные (старые вегетативные), ss; сенильные, s), численность; при необходимости жизненность особи, ее происхождение (семенное или вегетативное), диапазон высот особей по возрастным состояниям и др.

Наиболее просто определяемый признак устойчивого состояния популяции – это полночленный онтогенетический спектр, в котором численное соотношение особей разных онтогенетических групп определяется биологическими свойствами видов. Разнообразие конкретных спектров можно объединить в несколько типов, соответствующих тому или иному состоянию (или этапу жизни) популяции:

1) инвазионное состояние – в спектре представлены лишь прегенеративные (иногда и молодые генеративные) растения;

2) нормальное состояние: полночленный спектр; б) вегетативно-полночленный спектр; в) прерывистый спектр (представлена большая часть);

3) регрессивное состояние – популяция состоит лишь из постгенеративных растений;

4) состояние, при котором представлены лишь некоторые (часто – одна) онтогенетические группы – фрагментарный спектр.

В случае, когда возможность проведения полноценных демографических исследований ценопопуляций деревьев отсутствует, можно проводить экспресс-оценку их состояния в фитоценозе по типовым геоботаническим описаниям, в которых указано обилие видов в каждом из ярусов лесного сообщества.

• ввод и первичная обработка материала (для ввода наименований видов необходимо использовать список флоры России, составленный в БИН РАН [Черепанов, 1995] - http://www.jcbi.ru – значения экологических индикаторов);

Третий этап анализа – обработка полевых данных, типология растительных сообществ:

• расчет экологических характеристик геоботанических описаний по экологическим шкалам;

Экологическое пространство сообщества задается диапазонами значений экологических факторов, которые в совокупности определяют экологический режим местообитания рассматриваемого сообщества. Значения факторов среды могут быть либо измерены напрямую, либо определены методами фитоиндикации. В нашей стране разработаны специальные таблицы значений экологических факторов, характерных для конкретных видов растений для их использования в лесоводстве [Воробьев, 1953; Ellenberg, 1974], луговодстве [Раменский и др., 1956], в геоботанических исследованиях [Раменский и др., 1956; Д.Н. Цыганов, 1983; Ellenberg, 1974; Landolt, 1977]. Для фитоиндикации лесных сообществ целесообразно использовать таблицы Д.Н. Цыганова.

Для оценки экологического пространства сообщества по выбранным факторам рассчитываются балльные экологические оценки для каждого геоботанического описания, входящего в анализируемую группу описаний. При использовании точечных шкал балльная оценка описания по фактору вычисляется как среднее значение балльных оценок всех видов, входящих в описание, взвешенное на обилие видов. При использовании диапазонных шкал оценка описания вычисляется одним из трех способов – экстремальных границ, пересечения большинства интервалов, средневзвешенной середины интервала. Итоговая экологическая оценка сообщества по каждому фактору определяется через диапазон балльных экологических оценок всех описаний, входящих в группу. Совокупность диапазонов экологических факторов дает оценку экологического пространства анализируемого сообщества.

При оценке биоразнообразия растительного покрова следует проводить сравнительный анализ экологических оценок растительных сообществ. Для этого рекомендуется строить графики диапазонов экологических оценок и проводить сравнение диапазонов, сравнение средних, проверку достоверности различий.

• расчет эколого-ценотической структуры растительности на площадках;

Структура видового разнообразия оценивается по соотношению видов, входящих в разные эколого-ценотические группы. Выделены следующие эколого-ценотические группы видов Европейской части России:

- теневых широколиственных и темнохвойных лесов – неморальная (Nm), бореальная (Br) и нитрофильная (Nt) (черноольховая) группы;

- сосновых лесов – боровая (Pn) группа;

- байрачных лесов лесостепи и степи – ксерофильно-дубравная (Qx) группа;

- открытых переувлажненных местообитаний – группа видов свежего аллювия и обнаженных субстратов с периодическим увлажнением – обрывов подмываемых берегов в долинах рек (Al), группа прибрежно-водных видов (Wt), внутриводных видов (InW), видов верховых сфагновых болот (Olg), низинных мега- и мезотрофных болот (Sw) и солончаков (Sal);

– открытых местообитаний с нормальным или недостаточным увлажнением – группа видов свежих лугов (MFr), сухих лугов (MDr), степей (St), полупустынь (S-Ds) и группа видов скальных местообитаний (R).

Расчет эколого-ценотической структуры (2 способа):

1) соотношение ЭЦГ определяется по общему списку видов, встреченных на всех площадках, отнесенных к анализируемому типу сообщества (эколого-ценотическая структура видового богатства);

2) определение числа видов каждой ЭЦГ на каждой площадке и вычислении среднего арифметического для каждой ЭЦГ по всем площадкам, относящимся к сообществу данного типа (эколого-ценотическая структура видовой насыщенности).

Оба способа дают возможность построить спектры как по абсолютному числу видов разных групп, так и по относительному (в процентах) участию видов. При первом способе расчета можно также рассчитать спектр по числу видов, нормированному на объем данной группы в региональной флоре. В этом случае эколого-ценотический спектр строится по отношению числа видов группы в анализируемом типе сообщества к числу видов группы в региональной флоре. Расчет такой характеристики позволяет в единой шкале оценить представленность в сообществе и растительном покрове локальной территории видов разных по объему эколого-ценотических групп.

• выявление основных градиентов варьирования растительности методами непрямой ординации (ординация – многомерные методы обработки данных о связи растительности и условий среды. Она позволяет расположить описания растительности вдоль некоторых осей, опираясь на данные их видового состава, что дает возможность проследить существующие взаимосвязи между экологическими факторами и составом растительности. Прямая ординация отображает изменение видового состава вдоль некоторого, выбранного исследователем, экологического фактора (влажности, высоты над уровнем моря и т.д.). Непрямая же ординация показывает изменение видового состава вдоль некоторой абстрактной оси, которая отражает максимальную изменчивость в структуре данных. К наиболее распространенным методам непрямой ординации относятся: полярная ординация, анализ главных компонент, анализ соответствий, смещенный анализ соответствий, неметрическое многомерное шкалирование и т. д.);

• интерпретация градиентов с помощью экологических характеристик площадок;

• выделение типов растительных сообществ уровня ассоциаций или групп ассоциаций.

Типология растительных сообществ осуществляется путем разделения массива геоботанических описаний на группы по признаку сходства состава и структуры растительности на геоботанических площадках. Сходство описаний может устанавливаться эмпирически («вручную»), либо посредством использования формальных математических процедур (кластерный анализ, ординация, метод минимальных дендритов, нейронные сети, метод Чекановского, метод сопряженной встречаемости Гудола), либо путем комбинирования этих подходов.

Применять формальные методы надо всегда осторожно, так как любой исключительно формальный анализ в той или иной степени оказывается «фальсифицированным», далеким от реальности. Предпочтительнее использовать процедуры, комбинирующие формальные методы и экспертный анализ. Хорошая биологическая интерпретация результатов является одним из основных критериев выбора формального метода.

Эколого-ценотическая классификация развивается в настоящее время в рамках доминантно-физиономической системы: типы сообществ выделяются по доминантам древесного полога и по соотношению доминирующих ЭЦГ видов в травяно-кустарничковом ярусе. Для наименования типов сообществ используется индекс, состоящий из условного обозначения доминанта (доминантов) древесного полога и доминирующих эколого-ценотических групп.

Четвертый этап анализа – оценка биоразнообразия выделенных типов сообществ:

• расчет видового богатства; расчет видовой насыщенности – среднее число видов на единицу площади (α-разнообразие);

Для расчета видовой насыщенности сообщества определяется число видов на каждой геоботанической площадке, относящейся к выделенному фитоценозу; затем рассчитывается насыщенность как среднее арифметическое (или медиана) числа видов на выделенных площадках и считается стандартная ошибка среднего. Видовое богатство сообщества определяется как общее число видов в сообществе по данным маршрутных учетов и описаний пробных площадок.

Оценка структурного разнообразия растительных сообществ включает разнообразие элементов вертикальной и горизонтальной структуры фитоценоза, таких как возрастные парцеллы (структурная часть горизонтального расчленения биогеоценоза, отличающаяся от др. частей составом и свойствами компонентов, спецификой их связей и материально-энергетич. обмена; отграничивают обычно по ведущему элементу растительности, например в хвойно-широколиственном лесу - участки елей с кисличным травяным покровом, участки дуба со снытевым покровом), ярусы, микрогруппировки и др.; элементы ветровально-почвенных комплексов, включая валеж (проективное покрытие в %, баллы по разложению валежа); обилие стоящих мертвых деревьев (сухостоя в % (баллах) от общего запаса древесины или общего числа взрослых и старых деревьев). Кроме того, в качестве признаков структурного разнообразия рассматривают разнообразие синузий (пространственно и экологически обособленная часть растительного сообщества, состоящая из видов растений одной или нескольких экологически близких жизненных форм: ярусные (деревьев, кустарничков и пр.), эпифитные (лишайников, мхов и водорослей на стволах), эпифальные (паразитических грибов на листьях), эпиксильные (грибов на вымершей древесине), внутрипочвенные (микроорганизмов) и др.), жизненных форм растений (деревья, травы, кустарники, лианы, эпифиты и др.), слагающих их популяций, параметров особей внутри популяций.

Для описания параметров структурного разнообразия на временных пробных площадях и при маршрутных исследованиях обычно используют сравнительно простые процентные или балльные оценки (по сравнению с ненарушенными (климаксовыми) лесными сообществами), картирование.

• экологическая характеристика выделенных типов сообществ;

• расчет представленности потенциальной флоры (под потенциальной флорой понимается список видов, которые по своим экологическим свойствам могут произрастать на рассматриваемой территории). Эта оценка способствует проведению анализа причин текущего уровня видового разнообразия. Кроме того, список «потерь» потенциальной флоры имеет практическую ценность при решении задач восстановления видового разнообразия;

• анализ эколого-ценотической структуры видовой насыщенности и видового богатства;

• оценка сукцессионного статуса сообществ;

Оценка сукцессионного состояния сообщества проводится путем сравнения онтогенетических спектров и численности популяций видов деревьев, входящих в его состав. Для определения стадии сукцессии и ее направления наиболее существенным является соотношение состояний ценопопуляций ранне- и позднесукцессионных видов.

Среди раннесукцессионных видов восточноевропейских лесов выделены раннесукцессионные виды с большой дальностью разноса семян – виды реактивной (пионерной, рудеральной) стратегии: сосна обыкновенная, осина, березы, ивы; а также виды с небольшой дальностью разноса семян так называемые «опушечники» – виды конкурентной и толерантной стратегии: дуб черешчатый, яблоня лесная и др. Группа позднесукцессионных видов включает теневыносливые широколиственные виды (ясень, клены, липа, вязы), ель, пихту.

Современное состояние большинства лесных сообществ европейской части России соответствует стадиям господства раннесукцессионных видов или формирования сомкнутого леса из позднесукцессионных видов.

• расчет бета- и гамма-разнообразия исследуемой территории.

Бета-разнообразие оценивается через индексы сходства и индексы гетерогенности. Наиболее распространенными индексами сходства являются коэффициенты Жаккара и Съеренсена. Среди индексов гетерогенности наиболее простым является индекс Уиттекера W.

Пятый этап анализа – оценка пространственных параметров оценок биоразнообразия:

• расположения сообществ выделенных типов на исследуемой территории (площадь, характер расположения, соседство, расстояние до ближайшего сообщества того же типа, индексы формы, разнообразия и выровненности);

• оценка возможностей расселения видов и прогноз сукцессионной динамики.