- •Тема 1 Методы экологии
- •Тема 2 Строение растений в связи с условиями жизни. Адаптации к среде
- •Тема 3 Жизненные формы организмов
- •Тема 4 внутри- и межвидовые отношения в лесном бгц. Моделирование отношений
- •Тема 5 решение экологических задач
- •2. Конкурентные отношения
- •3. Трофические связи и динамика численности организмов
- •3.1 Сопряженная динамика численности хозяина и паразита
- •3.2. Динамика зараженности паразитами при увеличении плотности популяции хозяина
- •3.3. Динамика численности белки в годы урожая и неурожая семян кедровой сосны
- •Тема 6 Деловая игра "Изменения в популяциях путем естественного отбора"
- •Методические указания
- •Постройте графики изменения численности (суммарной и по видам) отдельно для жертв и для хищников за 4-5 поколений. Письменно ответьте на вопросы:
- •Заключение
- •Рекомендуемая литература
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Утверждены научно-методическим
советом БГИТА
___ ноября 2011г
Протокол № __
ЭКОЛОГИЯ
Методические указания к лабораторным занятиям для
студентов II курса ЛХФ направления подготовки бакалавров
250100 – Лесное дело
(Часть 1. Факторальная и популяционная экология)
Брянск 2011
Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией лесохозяйственного факультета __ ноября 2011 года
протокол № __
Составитель: доктор с.-х. наук, профессор В.П. Шелухо
Рецензент: канд. с/х. наук, доцент Нартов Д.И.
Сформулированы цели и задачи по каждой теме занятий, даны методические рекомендации и перечень вопросов для самоконтроля. Указания (часть 1) предназначены для облегчения усвоения студентами 2 курса ЛХФ законов факториальной экологии на основе изучения изменчивости природных живых объектов с использованием игровых элементов. Методические указания предназначены для студентов, и преподавателей по курсу " Экология ".
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные занятия по экологии введены в учебный план по направлению обучения 250100 с целью более глубокого изучения основ этой науки будущими инженерами-природопользователями. Учитывая то большое значение, которое имеет экологическое воспитание и образование современных студентов для подготовки основ хозяйствования в природе, в план изучения дисциплины "Экология " введен лабораторный курс в объеме 36 часов.
Разработка лабораторного практикума позволяет значительно активизировать процесс обучения, усилить в нем поисковые, исследовательские элементы, приобщить студентов к логике научного решения различных экологических и природоохранных вопросов.
Основными требованиями при отборе материала для лабораторного практикума должны быть наглядность, доступность и малая трудоемкость постановки экспериментов и демонстраций для иллюстрации действия общих экологических законов на доступных наблюдению, распространенных явлениях и примерах.
Организация лабораторного практикума по экологии требует серьезной подготовки. Некоторые лабораторные занятия и эксперименты требуют их постановки в заранее заданные сроки, иногда задолго до занятия, поэтому должны быть тщательно разработаны графики последовательности и сроков операций. Предварительная проверка экспериментов может быть сначала выполнена в качестве индивидуальной учебно-исследовательской работы студентов.
Постановка ряда тем требует запасов демонстрационных материалов, которые необходимо тщательно подготовить, организовав целенаправленные сборы в природе с учетом требований коллекционирования и создания постоянных и законсервированных препаратов,
Лабораторные работы с живыми объектами и деловые игры рекомендуется проводить во многих повторностях бригадами студентов по 2-3 человека. Этим не только достигается более активное участие студентов в работе, но и дается возможность понимания статистической, вероятностной природы многих экологических явлений. Методические указания состоят из четырех разделов. В первом изложены методы экологии, во втором - описание работ, иллюстрирующих действие экологических законов, в третьем – способы моделирования экологических закономерностей и решение экологических задач, в четвертом - деловая игра, демонстрирующая изменения путем естественного отбора. Описание работ приводится с использованием "Лабораторного практикума по экологии" (Чернова, 1986), "Методических указаний к лабораторному практикуму по экологии и охране природы" (Кузнецов, Липаткин, 1989), "Наука об окружающей среде" (Небел, 1994), «Лабораторный практикум по экологии» (Соловьев, Зайцева, Алексеев, 1982).
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 лабораторных 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 зависимости от 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 (Xi , Xj), 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 в их 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 +10оС), 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 -
Таблица 1. - Данные о среднемесячных температурах и месячных суммах осадков (T/P)
|
||||||||||||
Месяцы/ Вариант |
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
1 |
-16,4/9 |
-4,9/22 |
-0,6/29 |
12,4/37 |
15,5/9 |
17,1/25 |
18,3/94 |
16,8/16 |
14,0/46 |
6,3/55 |
1,6/55 |
-3,2/28 |
2 |
-8,7/56 |
-12,1/5 |
-0,9/48 |
12,4/8 |
13,8/67 |
20,1/20 |
21,6/16 |
21,1/87 |
13,5/11 |
3,2/7 |
-0,3/29 |
-1,9/12 |
3 |
-2,5/55 |
-3,8/21 |
-7,9/37 |
6,5/4 |
17,3/44 |
18,0/42 |
23,3/79 |
19,9/45 |
15,6/33 |
9,6/165 |
1,3/44 |
-4,7/49 |
4 |
-5,9/33 |
-10,9/54 |
-3,3/32 |
7,0/35 |
14,6/44 |
21,5/31 |
21,3/65 |
20,7/15 |
13,1/32 |
6,9/2 |
-4,3/12 |
-5,9/10 |
5 |
-18,8/24 |
-17,8/5 |
-3,4/10 |
5,3/32 |
16,7/40 |
22,8/85 |
23,1/68 |
21,9/89 |
14,9/13 |
7,3/50 |
2,3/93 |
-2,6/62 |
6 |
-3,4/64 |
-2,4/56 |
-0,8/13 |
3,1/36 |
14,7/87 |
17,3/108 |
21,4/39 |
19,0/28 |
15,2/15 |
10,5/28 |
-2,1/12 |
-6,4/64 |
7 |
-7,4/38 |
-16,7/16 |
-5,0/12 |
7,1/22 |
13,2/29 |
21,7/28 |
17,9/65 |
19,1/56 |
10,5/39 |
7,5/34 |
-4,0/53 |
-4,0/29 |
8 |
-7,6/16 |
-0,6/47 |
-3,4/51 |
10,6/5 |
17,8/40 |
20,1/9 |
20,8/30 |
20,6/10 |
16,1/43 |
5,4/16 |
0,8/29 |
-2,5/23 |
9 |
-5,4/33 |
-3,7/64 |
-1,7/31 |
6,3/107 |
16,3/55 |
16,7/140 |
19,3/46 |
18,3/59 |
10,2/15 |
6,0/39 |
-0,1/4 |
-2,8/50 |
0 |
-7,9/39 |
-7,9/31 |
-3,0/29 |
7,8/35 |
15,5/42 |
19,4/45 |
21,0/57 |
19,6/49 |
13,3/41 |
6,6/42 |
-1,1/33 |
-4,2/38 |
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 = Σta/Σrn
где Σta - абсолютная сумма отрицательных температур за период устойчивых морозов (период с температурой ниже 0,°С); Σrn - сумма осадков за 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.