Методика сбора образцов для фитоценотических исследований

При выявлении видовой, вертикальной и горизонтальной структур биоценозов, их связей с окружающей средой и оценки их влияния на окружающую среду используют методики, применяемые в почвоведении, геоботанике, метеорологии, лесоводстве и других смежных науках.

В исследуемых биоценозах производят рекогносцировочную оценку объекта. Методами, используемыми в лесоустройстве, производят оценку древостоя (если это лесной биоценоз). Определяют следующие средние величины: возраст, полноту, высоту и диаметр деревьев, состав древостоя. Вычленяют ярусы и описывают их состояние и видовой состав. Напочвенный покров оценивают методами, рекомендуемыми в геоботанике. В фитоценозе ленточным методом или на учётных площадках (1 × 1 м) производят описание травянистого яруса, оценивая высоту, покрытие, обилие, видовой состав, фенофазу, задернение, запас массы.

При выявлении средообразующей роли биоценозов инструментальными методами, с применением приборов (анемометр, термометр, психрометр, люксметр и др.) исследуют динамику параметров различных факторов в динамике (суточная, сезонная), их зависимость от возраста фитоценозов, экспозиции склона, высоты над уровнем моря.

4.3.1 Метод построения климаграмм для оценки состояния наземно-воздушной среды

Для общей оценки состояния наземно-воздушной среды, в частности, оценки влияния сочетания температуры и влажности на живой организм в течение длительного времени и часто с учетом значительной части его ареала применяют метод климаграмм (климадиаграмм). Климаграммы дают возможность проанализировать условия жизни вида в разных частях ареала, либо дать характеристику среды для отдельных популяций (табл. 4.1).

Таблица 4.1 - Среднемесячные показатели температуры и влажности в различных частях обитания особей осенней популяции горбуши юго-восточного Сахалина

На рис.4.1 - 4.3 представлены климадиаграммы Ногликского, Макаровского и Корсаковского районов Сахалинской области, построенные по методу Вальтера-Госсена. Двенадцать делений горизонтальной шкалы соответствуют месяцам одного года.

Рис. 4.2 – Климатограмма Макаровского района.

Рис. 4.3 – Климатограмма Корсаковского района.

Кривые отражают годовой ход температур и осадков. Одному делению вертикальной шкалы температур соответствует 10°С, а одному делению шкалы осадков 20 мм.

4.3.2 Метод оценки состояния водной среды на основании классификации водоемов по сапробности

Система сапробности – это часть гидроэкологии, которая претендует на быструю и емкую оценку типа водоема (состояния водной среды) в зависимости от соотношения обилий отдельных видов индикаторных организмов.

Сапробность (от греч. sapros – гнилой) – это комплекс физиологических свойств данного организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ, с той или иной степенью загрязнения (табл.4.2).

Таблица 4.2 – Классификация водоёмов и водотоков по зонам сапробности

Классификация водоемов по сапробности прямого отношения к той или иной «физиологической способности отдельных видов организмов» не имеет – это типичное районирование водоемов по соотношению двух конкурирующих абиотических факторов: концентрации органических веществ естественного (в основном, детритного) характера и концентрации растворенного кислорода. Основные признаки такой классификации по 4 классическим зонам сапробности, предложенным Р. Кольквитцем и М. Марссоном (Kolkwitz, Marsson, 1902; Долгов, Никитинский, 1927), приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3 - Основные признаки зон сапробности водоёмов

Примечание: греч. oligos – немногий, mesas – средний, poly – многий.

Термин «зона» возник из того обстоятельства, что в одном и том же водоеме или водотоке могут быть участки (зоны) с разной сапробностью. Чаще всего это является естественным свойством водоема, не связанным с антропогенным воздействием. Например, в прибрежной зоне у топких берегов обычно располагается α-мезосапробная зона – здесь активно идут естественные процессы старения водоема, связанные с его зарастанием. Пробы воды, взятые с наиболее глубоких участков, дают нередко характерную полисапробную картину.

Другим термином, связанным с системой сапробности, является «ступень», выведенная из феномена процессов самоочищения, являющихся неотъемлемой частью материально-энергетического баланса. Органические вещества, попадающие в водоем, разлагаются (преимущественно бактериями) на воду, углекислоту и минеральные составные части, служащие, в конце концов, питательными веществами для организмов более высокого порядка.

Фазы процесса самоочищения следуют в проточной воде во времени и в пространстве друг за другом, характеризуясь различным составом биоценозов, через последовательные ступени от анаэробного гниения полисапробной зоны к первоначальной чистоте олигосапробной зоны. Между ними α-мезасапробность выражает нарастание аэробных механизмов деструкции, a β-мезосапробность – завершение этого процесса, свидетельствуя о минерализации.

Для каждой зоны сапробности можно выделить тесно связанное с ней подмножество видов гидробионтов, которые считаются ее индикаторами. Именно это обстоятельство породило иллюзию того, что в основании сапробиологической классификации водоемов лежат именно «биологические» факторы, а не механизмы деструкции органического вещества. Считается (Абакумов с соавт., 1981), что именно по соотношению индикаторных организмов достигается более быстрая, точная и дешевая классификация водоема, по сравнению, например, с методами химического анализа. На практике же, чаше всего, применяется обратный подход; зоны сапробности оцениваются на основании опыта исследователя или с использованием инструментальных методов контроля, а найденные индикаторные виды лишь иллюстративно подтверждают уже сделанный вывод.

Если под сапробностью понимается интенсивность органического распада, то трофность означает интенсивность органического синтеза. В природе оба процесса - органический синтез и распад – существуют параллельно и состоят друг с другом в многократном взаимодействии, что позволяет говорить об аналогии ступеней сапробности и трофики: «олигосапробность – олиготрофия», «α-мезосапробность – мезотрофия», «β-мезосапробность – эвтрофия» и «полисапробность – гипертрофия». Эта аналогия привлекательна тем, что создает предпосылку к устранению одной из классификаций, как ненужного дублирующего звена. В худших конкурентных условиях находится система сапробности, как основанная на весьма «размытых» разделяющих факторах, когда как классификация по трофике жестко связана с концентрациями биогенных элементов.

Используя представленный метод и собрав пробы для оценки сапробности и трофности возможно дать оценку современного состояния рассматриваемого водного объекта.

4.3.3 Метод оценки возрастной структуры популяции

Возрастная структура популяции характеризует общее количество представленных в ней возрастных групп и соотношение их численности или общей массы присутствующих в группе организмов (биомассы). Такое соотношение называют обычно возрастным распределением (то есть распределением численности по возрастным группам) или возрастным спектром популяции. Возрастной спектр связан с интенсивностью смертности организмов. Кроме того, он зависит также и от величины рождаемости.

Возрастная структура популяции может изменяться под действием внешних факторов, так как они контролируют процессы и рождаемости и смертности.

Анализ возрастной структуры популяций и выделение возрастных групп у растений и животных производится по-разному. У растения календарный возраст (число лет) и возрастное состояние (этап развития организма) не тождественны. Также не тождественны они и у некоторых животных, например, у насекомых.

В жизненном цикле растений выделяют около десяти возрастных состояний, объединенных в четыре периода: период покоя (семена), вегетативный (молодые неплодоносящие растения), генеративный, или период зрелости (плодоносящие растения) и сенильный, или старческий (отмирающие растения).

В состав возрастных групп может входить различное число генераций. Генеративная возрастная группа яблони, например, может включать в себя деревья возрастом от трех до двадцати лет, в то время как вегетативная возрастная группа – лишь от одного до трех.

У позвоночных возрастная группа, как правило, означает группу животных одного и того же календарного возраста. Популяция может быть представлена особями одного календарного возраста, двух, трех и более. Так, например, популяция снетка (мелкой озерной рыбки) целиком состоит из особей одной возрастной группы. К концу первого года жизни они начинают размножаться, а после нереста погибают. Новое поколение в конце первого года жизни даст начало следующему и так далее.

По возрастному спектру оцениваются способность популяции к самоподдержанию численности и ее устойчивость к внешним воздействиям. Чем сложнее возрастной спектр, тем устойчивее воспроизводство популяции.

Анализ возрастной структуры позволяет прогнозировать численность популяции на ряд ближайших лет, что применяется, к примеру, для оценки возможностей промысла рыбы в охотничьем хозяйстве, в некоторых зоологических исследованиях.

Особенностями возрастной структуры определяются многие свойства популяции как системы. Популяция, включающая в себя множество возрастных групп, в меньшей степени подвержена влиянию факторов, определяющих успешность размножения. Ведь даже крайне неблагоприятные условия размножения, способные приводить к полной гибели приплода того или иного года, не являются катастрофическими для популяции сложний структуры, поскольку одни и те же родительские пары участвуют в воспроизводстве много раз.

Например, одна и та же самка трески нерестится ежегодно в течение 9 лет (с шестилетнего до пятнадцатилетнего возраста). Самка горбуши нерестится в возрасте 2 лет и сразу же после нереста погибает. Очевидно, что возникновение неблагоприятных условий для нереста горбуши (и связанное с этим снижение численности приплода) сразу же вызовет значительное сокращение численности всей популяции. Это произойдет в силу того, что большая ее часть представлена молодыми рыбами, появившимися на свет в текущем году.

Многовозрастные популяции (как у трески) гораздо менее чувствительны по отношению к факторам, оказывающим воздействие на отдельные популяционные подгруппы (например, на молодь). Ведь численность молоди составляет сравнительно небольшую долю от общей численности популяции. Вместе с тем любое воздействие, приводящее к заметному изменению численности отдельной возрастной группы, остается заметным и влияет на состав много возрастной популяции в течение гораздо более длительного времени.

Для оценки возрастной структуры популяции и исследования соотношения предрепродуктивной, репродуктивной и пострепродуктивной частей из популяции берут достоверные выборки (как правило, не менее 100 экземпляров, однако для многовозрастных популяций в ряде случаев количество особей в выборке может быть значительно больше), достоверно характеризующие генеральную совокупность. В выборках определяют пол особей, их возраст, длину, массу. В таблице 4.4 представлены данные по возрастной структуре различных популяций серебряного карася в разные годы.

Возрастная и половая структуры отражают не только соотношение различных возрастных групп в популяции, но и то, как меняется это соотношение в разные сезоны года, при смене биогеоценозов; определяет, какова скорость обновления популяции и каково взаимодействие различных возрастных групп с окружающей средой. Также возможно проследить за смертностью различных групп по годам в зависимости от факторов среды.

Таблица 4.4 – Возрастной состав серебряного карася в озерах Большое Вавайское и Тунайча за ряд лет (по данным СахНИРО)

4.3.4 Метод оценки пространственной структуры популяции

Пространственная структура популяции отражает характер размещения особей в пространстве. Выделяют три основных типа распределения особей в пространстве:

Единообразное (особи размещены в пространстве равномерно, на одинаковых расстояниях друг от друга), тип также носит название равномерного распределения. Равномерное распределение встречается в природе редко и чаще всего вызвано острой внутривидовой конкуренцией (как, например, у хищных рыб).

Аггрегационное, или мозаичное (то есть «пятнистое», особи размещаются в обособленных скоплениях). Распределение группами встречается намного чаще. Оно связано с особенностями микросреды или с особенностями поведения животных.

Случайное, или диффузное (особи распределены в пространстве случайным образом). Случайное распределение можно наблюдать только в однородной среде и только у видов, которые не обнаруживают никакого стремление к объединению в группы. Как хрестоматийный пример равномерного распределения, обычно приводят распределение жука Tribolium в муке.

Пространственная структура имеет важное экологическое значение. Прежде всего, определенный тип использования территории позволяет популяции эффективно использовать ресурсы среды и снизить внутривидовую конкуренцию. Эффективность использования среды и снижение конкуренции между представителями популяции позволяют ей укрепить свои позиции по отношению к другим видам, населяющим данную экосистему.

Другое важное значение пространственной структуры популяции состоит в том, что она обеспечивает взаимодействие особей внутри популяции. Без определенного уровня внутрипопуляционных контактов популяция не сможет выполнять как свои видовые функции (размножение, расселение), так и функции, связанные с участием в экосистеме (участие в круговоротах веществ, создание биологической продукции и так далее).

Проведение исследований пространственной структуры популяций возможно на примере любых животных популяциях, доступных для рассмотрения исследователя-студента.

4.3.5 Методики оценки генетической структуры популяции

В генетике популяцией принято считать более или менее изолированную, устойчиво самовоспроизводящуюся группу особей, связанных между собой генетически. Под генетической связью может подразумеваться обмен генами между особями (скрещивание) или же общность некоторых генетически определяемых черт, унаследованных от общего предка. Совокупность аллелей, образующих генотипы всех организмов данной популяции, составляют ее генофонд.

В материалах по определению частот генов заинтересованы представители многих специальностей: экологи, биогеографы, селекционеры и др. В медицинской практике также нередко появляется необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо аллелю, включающему патологический ген, или же частоту встречаемости этого гена среди населения.

Математическая зависимость между частотами генов и генотипов в популяциях была установлена в 1908 г. немецким врачом В. Вайнбергом и английским математиком Дж. Харди независимо друг от друга.

Расчеты производят в соответствии с основными положениями закона Харди-Вайнберга.

Этот закон применим к популяциям, отвечающим следующим условиям: 1) панмиксия – свободное скрещивание особей, т.е. отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам; 2) отсутствие оттока генов за счет отбора или миграции особей за пределы данной популяции; 3) отсутствие притока генов за счет миграции особей в данную популяцию извне или мутаций; 4) равная плодовитость гомо- и гетерозиготных особей. Такая популяция называется равновесной.

Первое положение закона Харди-Вайнберга гласит: сумма частот генов одного аллеля в данной популяции есть величина постоянная.

q – число рецессивных генов того же аллеля (A).

Второе положение закона: сумма частот генотипов по одному аллелю в данной популяции есть величина постоянная.

Формула для вычисления частот генотипов: р² + 2pq + q² = 1.

Один и тот же генотип в разных условиях способен привести к появлению разных фенотипов. При этом изменения охватывают как частоту проявления – пенетрантность, так и степень выраженности признака (экспрессивность). Нет такого фенотипического признака, который бы не был отражен в генотипе. Признаки, находящиеся под влиянием ограниченного числа генов носят название олигогенных, а те, на развитие которых влияет большое число генов – полигенных.

Анализ популяций с позиций основных положений закона Харди-Вайнберга позволяет наглядно представить механизм различных форм естественного отбора, а по изменениям частот генов в ряде последовательных поколений выяснить направление изменчивости конкретной популяции.

Определить частоту гена альбинизма у ржи, если известно, что альбинизм наследуется как аутосомный рецессивный признак. На обследованном участке из 84000 растений 210 альбиносов.

В связи с тем, что альбинизм у ржи наследуется как аутосомный рецессивный признак, все растения альбиносы будут гомозиготны по рецессивному гену. Этот ген обозначим а. Следовательно, генотип альбиносов – аа. Частота этих растений в популяции (q²) будет вычисляться:

Частота рецессивного гена а будет равна

, т.е. = 0,05.

Исследования генетической структуры популяций позволяет проследить за наследуемостью того или иного признака. Весьма интересны эти исследования на сосудистых цветковых растениях, позволяющих опытным путём проследить за наследуемостью того или иного признака.

4.3.6 Методика проведения мониторинговых исследований на примере распространения табакокурения среди учащихся вузов

Проведение работы. Учащимся предлагается провести социологическое исследование среди студентов относительно уровня распространения табакокурения и степени его влияния на успеваемость и др. Предлагается использовать следующую анонимную анкету.

Какое количество сигарет выкуриваете за день?_

Сколько времени тратите па выполнение домашних заданий ____.

Сколько денег в месяц расходуете на сигареты _____.

Примечания: число опрошенных должно составлять не менее 200 человек.

В ходе исследований заполненные анкеты систематизируют, а результаты подвергают математической обработке.

Все анкеты делят на две группы по полу: юноши и девушки. Каждую из этих групп дополнительно делят на две подгруппы: курящие и некурящие. Далее для каждой из подгрупп вычисляют количество курящих родителей, средний балл интенсивно курящих (более 10 сигарет в день), умеренно курящих (менее 10 сигарет в день) и некурящих.

Полученные результаты выражают в соотношении (в долях или процентах) и строят соответствующие диаграммы.

Выводы по работе должны содержать следующие оценки:

доля курящих юношей и девушек от общего числа обследованных, %;

доля интенсивно курящих юношей и девушек от общего числа обследованных и от числа курящих, %;

доля курящих учащихся, не принимающих поливитаминные препараты, %;

зависимость частоты курения от курения родителями; вычисляется доля курящих родителей у курящих и некурящих детей, %.

На примере сбора данных по курящим и некурящим студентам исследователь познаёт принципы организации мониторинговых исследований в процессе которых устанавливают различные как внутрипопуляционные связи так и зависимости состояния популяции от факторов внешней среды.

4.3.7 Определение токсичности биологически активных веществ по методу Спирмена-Кербера

При испытании лекарственных, биологически активных веществ и инсектицидов обнаруживается, что особи однородной группы реагируют на одну и ту же дозу вещества по-разному, а разные дозы могут вызывать одинаковый эффект у целой группы индивидов. Отсюда следует, что о силе действия на организм биологически активных веществ можно судить лишь по среднему результату.

Дозы сильнодействующих веществ испытывают на однородных (по массе тела, полу, возрасту) группах животных (лабораторные крысы, мыши и др. объекты) по 6 - 10 особей в группе. На каждой отдельной группе изучают действие одной дозы вещества. Обычно применяют 5 - 10 доз в возрастающем по силе действия порядке. Учитывается число особей, у которых обнаружился эффект и число тех, у которых видимого эффекта от действия доз не обнаружено. О среднем результате судят по обнаружению эффекта действия доз у 50% подопытных особей.

Пример. Для расчета LD50 (летальной дозы 50% особей) достаточно, чтобы было испытанно всего 5 - 7 доз, включая, с одной стороны, дозу, не вызвавшую эффекта ни у одного животного в группе и, с другой стороны, дозу, вызвавшую эффект у всех животных группы

Среднелетальную дозу - LD50 - определяют аналитическим способом по методу Спирмена-Кербера. Расчет LD50 препарата «Ферро-квин» с использованием формулы:

LD100 – минимальная доза изучаемого вещества, которая вызывает учитываемый эффект у всей группы животных (100% гибель);

Z – среднее арифметическое из числа животных, у которых наблюдалась учитываемая реакция под влиянием двух смежных доз;

Результаты исследований заносят в таблицу (табл. 4.5).

Таблица 4.5 - Острая токсичность лекарственного препарата «Ферро-квин» для белых мышей

Исходя из данных, представленных в таблице 4.5, можно сделать заключение о том, что LD50 для мышей = 15,5 мг/кг.

4.3.8 Методика определения гостально-топического индекса

Гостально-топический индекс — зоолого-паразитологичеекий показатель, характеризующий степень связи паразита с биотопом через связь с хозяином.

Известно, что хозяин является для паразита средой обитания 1-го порядка, а среда обитания хозяина - средой 2-го порядка для паразита. Для эктопаразитов значение среды 2-го порядка тем значительнее, чем большее количество времени он проводит вне тела хозяина. При этом связь с хозяином будет тем теснее, чем менее благоприятны для эктопаразита условия окружающей среды (т.е. среды обитания хозяина). Формула для определения гостально-топического индекса:

n – количество эктопаразитов данного вида на данном виде хозяина в данном биотопе;

N – количество эктопаразитов всех видов на данном виде хозяина в данном биотопе;

nt – количество хозяев данного вида в данном биотопе;

Nt – количество хозяев всех видов в данном биотопе;

nh – количество эктопаразитов данного вида в данном биотопе;

Nh – количество эктопаразитов всех видов в данном биотопе.

Значение HTi ≈ 0. Связь с биотопом через хозяина не выражена, т.е. эктопаразит непосредственно связан с биотопом.

При значении НТi ≠ 0 (< или > 0) связь с биотопом через хозяина выражена в той или иной степени. Она тем выше, чем больше отличие величины HTi от 0.

- при значении НТi < 0,1 имеет место выраженная связь эктопаразита с биотопом помимо хозяина;

- при значении 0,1 < НТi < 0,5 прослеживается умеренная связь паразита с биотопом через хозяина;

- при значении НТi > 0,5 наблюдается выраженная связь с хозяином.

В таблице 4.6 приведены средние показатели НТ для разных видов блох по ландшафтным зонам и подзонам на примере Омской области.

Таблица 4.6 - Средние показатели НТi, для разных видов блох по ландшафтным зовам и подзонам Омской области

На основании анализа результатов определения гостально-топического индекса можно вывести следующие закономерности. Для большинства видов блох в южной тайге (9 из 14) отмечается выраженная связь с биотопом, помимо хозяина. К таким видам относятся A. penicilliger, Meg. calcarifer, Cat. dacencoi, Meg. rectangulatus и другие, наиболее приуроченные к пихтовым насаждениям. Per. silvatica, P. sorecis, D. birulai, Meg. turbidus имеют выраженную связь с биотопом через хозяина. Видов, имеющих выраженную связь с хозяином, помимо биотопа, в южной тайге не отмечено.

В северной лесостепи для большинства видов блох отмечена умеренная связь с биотопом через хозяина: A. penicilliger, M. waikeri, M. turbidus и др. (приуроченность к ивнякам). Выраженная связь с биотопом, помимо хозяина, отмечена у блох Meg. rectangulatus, A. kuznetzovi, F. elata, Per. silvatica (приуроченность к лесным биотопам). Выраженная связь с хозяином отмечена у Ct. assimilis (приурочена к полевой мыши).

В степи отмечена выраженная связь с биотопом, помимо хозяина, у видов, свойственных именно данной природной зоне: у блох Am. kuznetzovi, Ct. arvalis наблюдается биотопическая приуроченность к приозерной котловине, а у С. tesguorum – к тростниковому займищу озера F. elata в пределах данной подзоны встречается только в лугостепи. Видов, имеющих выраженную связь с хозяином, в степной зоне не отмечено.

Проявляется следующая важная закономерность: при выходе за пределы своей основной зоны обитания у полигостальных видов значение HTi увеличивается (у Ct. assimilis – 0,13 в южной лесостепи и 0,55 – в северной лесостепи; у A. penicilliger – 0,06 в южной тайге и 0,29 – в северной лесостепи). У олигогостальных видов значение HTi выше, чем у полигостальных, и при переходе в другую природную зону (подзону) не падает ниже 0,1 (в любом случае сохраняется умеренная связь с биотопом через хозяина).

На основании исследований паразитофауны на определённом биотопе и заражённости анализируемых видов животных возможно вычислить гостально-топический индекс, сделать вывод о степени связи паразита со средой 2-го порядка, а также предусмотреть возможность влияния паразита на человека.

4.3.9 Методика вычисления коэффициента сходства территориальных группировок

Наиболее широко распространен и прост в вычислении коэффициент сходства, впервые использованный в 1901 году геоботаником П. Жаккаром. Данный индекс имеет несколько версий и может быть использован как для сравнения территориальных группировок организмов по видовым спискам, так и с учётом их чис

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: