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 3. Контроль и управление качеством окружающей среды)

Брянск 2011

Методические указания к лабораторным занятиям для студентов лесохо-зяйственного факультета (специальность 250201, 250203). Часть 3. Контроль и управление состоянием окружающей среды./ Брянск, Гос. инж.-технол. акад. Сост.: В.П. Шелухо, А.М. Бердов. – Брянск: БГИТА, 2011. - с.

Составители: Шелухо В.П. – доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Бердов А.М. – кандидат биологических наук, вед. специалист ФГУ «Лесинфорг»

Рецензент: Нартов Д.И. - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры лесоводства

На основе опыта преподавания учебной дисциплины приводятся тематика, теоретическое обоснование и методические рекомендации по проведению лабораторных занятий по экологии со студентами лесохозяйственного факультета, направленные на повышение эффективности образовательного процесса, способствующие формированию определенных компетенций.

Для профессорско-преподавательского состава кафедры лесозащиты и охотоведения БГИТА, для студентов лесохозяйственного факультета.

Рекомендованы кафедрой лесозащиты и охотоведения, редакционно-издательской и учебно-методической комиссиями лесохозяйственного факультета БГИТА

Протокол № ___от ноября 2011 г

Введение

В связи с развитием научно-технической революции вопросы состояния окружающей среды и возможностей управления ее качеством становятся все более актуальными. Деятельность человеческого общества по объемам перемещения веществ превзошла естественные природные процессы. Изменено в различной степени более 2/3 поверхности суши, меняется химическая среда, особенно в районах урбанизации и размещения промышленных агломераций.

Во многих случаях измененная среда проживания человека становится основной причиной снижения продолжительности жизни, работоспособности, увеличения заболеваемости. Увеличивается значимость проведения мониторинга состояния природной среды для целей моделирования и прогнозирования происходящих процессов с учетом возможностей управления ими.

В курс лабораторных занятий по разделу выносятся темы, связанные как с методами, приборами, способами контроля состояния природной среды, так и с методами и приемами улучшения состояния среды, возвращения или поддержания продуктивности экосистем, повышения эффективности выполнения ими возложенных обществом функций.

В методических указаниях даны материалы по 6 темам лабораторных занятий по единой схеме.

Тема 1. Биоиндикационная оценка состояния лесных фитоценозов (2 часа)

Цель занятия: Освоить теоретические методы биоиндикационной оценки состояния окружающей среды.

Вопросы, подлежащие изучению:

1. Биоиндикация, принципы биоиндикационного подхода оценки состояния окружающей среды.

2. Требования, предъявляемые к биоиндикаторам.

3. Метод лихеноиндикации лесной среды.

1. В настоящее время, в связи с постоянно растущим воздействием на лесные экосистемы, биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды приобретают всё возрастающую значимость.

Для оценки экологической обстановки территории используют:

- санитарно - гигиенические нормативы для воды, почвы и воздуха. Превышение пределов допустимых нагрузок служит основанием для отрицательной оценки состояния окружающей среды.

- биологическую оценку среды обитания, основанную на анализе состояния сообществ и отдельных особей находящихся, либо помещённых в исследуемую среду. Данный подход предполагает использование биологических методов, которые являются прямыми интегральными методами оценки экологической обстановки, так как дают суммарную оценку состояния экосистемы. Такие методы иногда называют методами биодиагностики окружающей среды.

Биодиагностические методы оценки экологической обстановки в свою очередь делят на две группы – биоиндикации и биотестирования. Объектами исследования первых являются организмы или сообщества организмов – биоиндикаторов, наблюдаемые в естественных условиях обитания. Вторыми – изучается реакция организмов (тест - объектов), специально внесённых в исследуемую среду. Так, наряду с традиционными приёмами лихеноиндикации чистоты воздушной среды, существует возможность применения её трансплантационного варианта. Он состоит в том, что слоевище одного или нескольких лишайников вместе с субстратом трансплантируются в районы обследования.

Согласно определению Н.Ф. Реймерса: “Биоиндикатор: группа особей одного вида или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей… Сообщество индикаторное – сообщество, по скорости развития, структуре и благополучию отдельных популяций (микроорганизмов, грибов, растений и животных) которого можно судить об общем состоянии среды, включая, ее естественные и искусственные изменения”.

Факты свидетельствуют о существовании тесного влияния факторов среды на биотические процессы экосистемы (плотность популяций, динамику видовой структуры, поведенческие особенности).

Биоиндикация – это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко всем видам антропогенных загрязнений.

Изменение гомеостаза отражает базовые изменения функционирования живых существ, и находит выражение в процессах, протекающих на разных уровнях, от молекулярного до организменного, что соответственно может быть оценено по различным параметрам с использованием различных методов. Принципиальная общность процессов гомеостаза у живых существ позволяет использовать для биоиндикации самые разные виды животных и растений.

По мнению Б.К. Нурмеева (2005) различают следующие методы биоиндикации: визуальный; морфогенетический; популяционный и экосистемный; патологоанотомический, гистологический и эмбриональный; иммунологический и генетический. Международная программа (МСБН) «Биоиндикаторы» делит их на шесть групп в соответствии с шестью биологическими дисциплинами: микробиологические, ботанические, зоологические, генетические, физиологические и гидробиологические.

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза.

Различают индикаторные организмы и аккумулирующие организмы.

Индикаторные организмы – организмы, у которых могут появиться явные симптомы воздействия, свидетельствующие о присутствии в среде одного или нескольких загрязняющих веществ. Выделяют специфическую (конкретная реакция на определённый загрязнитель) и неспецифическую биоиндикацию.

Аккумулирующие организмы – это организмы, которые легко накапливают специфические компоненты загрязнения. Через некоторое время накопившиеся загрязняющие соединения можно проанализировать в пробах физико-химическими методами.

Проведенная сравнительная оценка эпифитных лишайников и мхов, позволила установить, что эпифитные лишайники, по сравнению со мхами, накапливают больше свинца, но меньше кадмия, цинка и меди. Хотя мхи являются хорошими аккумуляторами серы и тяжелых металлов, эпифитные лишайники более предпочтительны как биоиндикаторы аэротехногенного загрязнения. Накопление в них токсикантов в большинстве случаев имеет пространственную зависимость.

Аккумулятивные биоиндикаторы накапливают техногенное воздействие большей частью без быстро проявляющихся нарушений. Такое воздействие, постепенно превышающее нормальный фон, чаще происходит на уровне физиологических или биоценотических процессов.

Использование флоры как индикатора условий внешней среды выделяют в особое направление экологических исследований – фитоиндикацию. Хорошим биоиндикатором рекреационной нагрузки является состояние, видовой состав и проективное покрытие живого напочвенного покрова.

На нижний ярус фитоценоза рекреационные нагрузки влияют прежде всего (через вытаптывание), поэтому индикатором степени рекреационной дигрессии часто служит определённый видовой состав и проективное покрытие ЖНП. С усилением рекреационной нагрузки происходит смена видового состава. Постепенно уменьшается доля лесных видов, увеличивается встречаемость луговых и сорных трав, изменяется ярусная структура травостоя.

Для биоиндикации и экологического прогнозирования состояния лесных экосистем, а также для зонирования лесной территории по степени негативного воздействия часто используются и являются наиболее подходящими популяции лесных древесных пород – эдификаторов. Для оценки состояния эдификаторов применяют средневзвешенную категорию состояния и жизненное состояние древостоя. Численное выражение этих индексов и является откликом биоиндикатора на негативное воздействие.

Средневзвешенная категория состояния насаждения (Руководство по планированию…, 2007) рассчитывается:

где СКС – средневзвешенная категория состояния насаждения;

n₁ – число деревьев без признаков ослабления; n₂ – ослабленных; n₃ – сильно ослабленных; n₄ – отмирающих деревьев; n₅ – свежего сухостоя; n₄ – старого сухостоя; N – общее число деревьев на пробной площади, шт.

Придержки показателя СКС: 1…1,5 – здоровое насаждение; 1,51…2,5 – ослабленное; 2,51…3,5 – сильно ослабленное; 3,51…4,5 – усыхающее; 4,51 и более - погибшее насаждение.

Жизненное состояние древостоя (Алексеев, 1989) рассчитывается по следующей формуле:

где L_n – относительное жизненное состояние древостоя, %;

n₁ – число деревьев без признаков ослабления; n₂ – ослабленных; n₃ – сильно ослабленных; n₄ – отмирающих деревьев лесообразователя; N – общее число деревьев на пробной площади (включая сухостой), шт.

При показателе L_n 100…80% жизненное состояние древостоя оценивается как «здоровое», при 79…50% – древостой считается повреждённым (ослабленным); при 49…20% – сильно повреждённым (сильно ослабленным), при 19% и ниже – полностью разрушенным.

2. Биоиндикаторы необходимо подбирать исходя из целей и задач проводимых исследований и с учётом видов изучаемых воздействий.

Таким образом, биоиндикацию можно определить как совокупность методов и критериев, предназначенных для поиска информативных компонентов экосистем, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

- высокий уровень чувствительности к фактору или группе факторов;

- малая скорость восстановления индикатора после воздействия фактора;

- зависимость отклика биоиндикатора от уровня действия фактора;

- наличие визуально наблюдаемых морфологических (уровень организма) или структурных изменений (уровень сообществ);

- оперативность обнаружения изменений индикаторов;

- достаточная точность (информативность);

- не требовательность к применению сложных технических средств;

- пригодность для использования на больших территориях;

- раннее диагностирование нарушений.

К настоящему времени в экологических исследованиях определены требования к биоиндикаторам, рекомендован к использованию широкий их видовой спектр, однако объективные критерии и способы оценки сравнительной информативности присутствуют только в фитоиндикации (эвристический показатель, показатель значимости индикатора (Викторов, 1962); коэффициенты сопряжённости индикаторов и объектов индикации (Миркин, 1989); метод Хилла (Розенберг, 1978; Василевич, 1969); метод графов эколого-информационного сходства (Галанин, 1982, 1989, 1992).

Общей чертой приведённых методик является то, что они применимы для обработки данных только в своей области знаний, и в существующем виде не пригодны для оценки информативности всего комплекса биоиндикационных показателей. Нами предложен способ определения действительной информативности биоиндикаторов.

Информативность биоиндикатора — это степень точности, с которой он откликается на изучаемое воздействие (или комплекс воздействий).

Если биоиндикатор используется для определения состояния элемента экосистемы в момент обследования, то речь идёт о диагностической информативности. Если на основе результатов индикации необходимо сделать вывод о возможных будущих изменениях — о прогностической информативности. Индикатор может быть диагностически информативен, а прогностически нет, и наоборот.

Эмпирическая информативность — совокупность характеристик информативности биоиндикатора, полученная с помощью сравнительного статистического анализа. Показатель эмпирической информативности выражается количественной мерой статистической связи между величиной индицируемого воздействия и откликом биоиндикатора на него. Эмпирическая информативность выражается коэффициентом корреляции отклика биоиндикатора _b с показателем диагностируемого воздействия _v (r_bv).

Коэффициент информативности зависит от надежности биоиндикатора. Недостаточная надежность биоиндикатора приводит к снижению его действительной информативности. Действительную информативность биоиндикатора, с поправкой на его надежность, рассчитывается по формуле:

где R – действительная информативность биоиндикатора;

r_bv– эмпирическая информативность биоиндикатора;

r_nb – надёжность биоиндикатора.

Надёжностью называется один из критериев качества биоиндикатора, его устойчивость по отношению к погрешностям измерения. Биоиндикатор является надежным, если его основную часть по отношению к погрешности, составляет индицируемое (истинное) значение.

Надёжность критерия рассчитываем как отношение частной дисперсии по фактору индицируемого воздействия к суммарной дисперсии по всему комплексу факторов:

Для оценки действительной информативности биоиндикаторов применяется следующая шкала:

≤0,3 – слабая информативность;