Круговорот веществ. Методы экологического исследования

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Методы экологических исследований.........................................................2 – 9
2. Круговороты веществ...................................................................................10 – 15
3. Список используемой литературы..............................................................16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Методы экологических исследований.

     Термин «экология» (от греческого oikos – жилище, обитель, дом и logos – слово, учение) ввел в научный обиход выдающийся немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919). В его «Всеобщей морфологии организмов» приводится следующее определение экологии:

     «Под  экологией мы понимаем сумму  знаний, относящихся к экономике  природы: изучение всех взаимоотношений  животного с органическими и  неорганическими компонентами среды, включая непременно его дружественные или враждебные отношения с животными и растениями, с которыми оно вступает в контакт. Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование.»¹

     Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Системный подход пронизывает большинство экологических исследований, так как любой объект экологии представляет собой систему или часть системы в силу всеобщей связи элементов живой природы. Экология в принципе не может быть несистемной. Разнообразие исследовательских и прикладных задач влечет за собой и разнообразие применяемых в экологии методов.

     Существует три основных метода экологических исследований: полевой, лабораторный и опытно-экспериментальный. Рассмотрим каждый из них более подробно.

     Полевой метод исследования проводится в полевых условиях. К нему относятся метеорологические наблюдения; изменения температуры, прозрачности, солености и химического состава воды; определение характеристик почвенной среды, определение химической и бактериальной загрязненности среды. Объектами полевых исследований также могут быть особи, популяции, вид и их природные сообщества.

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

• Маршрутные методы используются для выяснения присутствия тех или иных жизненных форм организмов, экологических групп, фитоценозов и тому подобное, их разнообразия и встречаемости на исследуемой территории. Основными приемами являются: прямое наблюдение, оценки состояния, измерение, описание, составление схем и карт.
• К стационарным методам относятся приемы длительного (сезонного, круглогодичного или многолетнего) наблюдения за одними и теми же объектами, требующие неоднократных описаний, замеров, измерений наблюдаемых объектов. Стационарные методы включают полевые и лабораторные методики. Характерным примером стационарного метода является мониторинг (наблюдение, оценка, прогноз) состояния окружающей среды.
• Описательные методы являются одними из основных в экологическом мониторинге. Прямое, непосредственное наблюдение за изучаемыми объектами, фиксирование динамики их состояния во времени и оценка регистрируемых изменений позволяют прогнозировать возможные процессы в природной среде.
• Экспериментальные методы объединяют различные приемы прямого вмешательства в обычное, естественное состояние исследуемых объектов. Производимые в эксперименте наблюдения, описания и измерения свойств объекта обязательно сопоставляются с его же свойствами в условиях, не задействованных в эксперименте (фоновый эксперимент).

     Сбор  материалов при полевых исследованиях проводится длительно, в любое время года и охватывает все географические природные зоны.

     Для  изучения природных сообществ  применяются подсчеты особей  на контрольных площадках, в  объемах воды или почвы, маршрутные  учеты, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей.

     Также  выделяют такое понятие, как  мониторинг – наблюдение, оценка и прогноз всех явлений и изменений в окружающей среде. Цель мониторинга — постоянный контроль за изменениями окружающей среды и предотвращение экологических бедствий. Известный русский ученый-эколог И.Т. Герасимов в 1975 году предложил трехступенчатую систему мониторинга: биоэкологический (санитарно-гигиенический), геосистемный (природно-хозяйственный) и биосферный (глобальный). По данным системам ведутся наблюдения за всеми изменениями в природе.

     Большое  практическое значение имеет регистрация состава и количества вредных примесей в воде, воздухе, почве, растениях в зонах антропогенного загрязнения, а также исследования переноса загрязнителей в разных средах. В настоящее время техника экологического мониторинга быстро развивается, используя новейшие методы физико-химического экспресс-анализа, дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных.

     Все  это необходимо для овладевания  управлением экосистемами, для предотвращения  гибели видов и снижения биологического разнообразия и биопродуктивности экосистем.

     Но  полевые опыты полностью не  раскрывают содержания научной  работы. Только на основе лабораторных опытов определяются способность организмов к размножению, половые и возрастные особенности. Кроме того, изучение поведения организмов, уровня загрязнения воздуха, воды, почвы требует экспериментального подтверждения. Поэтому наблюдения за объектами исследований ведутся в лабораторных условиях методом постановки лабораторного опыта.

     Данные  полевых опытов обрабатываются в лабораторных условиях. Лаборатории должны соответствовать международным стандартам и оснащены современным оборудованием: климат-камерами, видеоаппаратурой, оптическими приборами, аналитическими весами, топографическими приборами, термостатами, хроматографией, электронными машинами, микроскопами, компьютерами. На основе сравнения результатов полевых и лабораторных опытов обосновывается их научное и практическое значение. Конечно, в зависимости от объектов исследования, направления и методы полевых, лабораторных и опытных исследований изменяются. В исследовании экологии растений есть свои особенности. По мнению русского ученого-геоботаника В.Н. Сукачева, в основе изучения растений лежит структура растительности — ассоциация. Ассоциация тесно связана с климатом, почвой, животными, характеризуется продуктивностью и биоразнообразием. Обычно ассоциацию называют по двум господствующим в ней растениям. Например, полынно-прутняковая степь, полынно-терескенная степь, сосново- березовый лес и так далее. Сходные ассоциации объединяются в формации, группы формаций составляют единый тип растений. Методом исследований ассоциации являются закладка и описание пробных площадей и учебных площадок. Далее приводится качественное и количественное описание растений, описываются многообразие, плотность, биопродуктивность, фенология, ярусность и другие свойства.

     После описания структуры растений изучаются геоморфологическое, физико-географическое, геоботаническое строение этой земли (биотопа, биоценоза). Затем оценивается хозяйственное значение этой местности. Завершающим этапом изучения растительной ассоциации служит геоэкологическое картирование местности.

     Исследование  экологии животных намного сложнее,  так как многообразие животных, питание, размножение, поведение, связь абиотических и биотических условий меняются в течение года. Поэтому в изучении популяции животных широко используются общие биологические методы. Основные показатели исследования — количественный учет организмов.

     Количественный учет может быть визуальным и инструментальным. При визуальном учете исследуемых организмов подсчитываются в определенном объеме (воды, почвы) численность, плотность, многообразие. При инструментальном учете используются различные точные приборы.

     В экологии широко используются математические методы. Применение этих методов дает возможность получить объективное представление об определенной популяции, различные возможные варианты, определить количественное соотношение биомассы. В последнее время широко используют моделирование биоэкологических исследований и явлений. Модель - это имитация того или иного явления реального мира, позволяющая делать прогнозы. Иными словами, это образец технического исследования и демонстрации природных процессов, их свойств. К ним относятся модель искусственного кровообращения, фотосинтез, работа клетки, работа мышц, почек, легких, протезы.

     Модель  может быть вербальной (словесной  или графической), то есть неформализованной.  Если необходимы достаточно надежные  количественные прогнозы, то модель должна быть формализованной, строго математической. Модели, созданные на ЭВМ, позволяют получать на выходе искомые характеристики при изменении, добавлении или исключении каких-либо параметров модели (рис.1). Применение математики для отслеживания природных явлений используется для обработки экспериментов и описания работы биосистем. Цель экологического моделирования — экспериментальная проверка теоретических заключений, функции биологических систем.

Рис. 1. Компьютерное моделирование экологических ситуаций

     Экспериментальные работы проводятся параллельно с другими стадиями исследования, вследствие чего возможно возвращение к предыдущим этапам и их повторение в новом цикле исследований с учетом дополнительной информации, полученной в результате эксперимента.

     Эксперименты  широко применяют в экологии  и в других естественных науках. Отличие эксперимента от наблюдения  состоит в том, что исследователь  сознательно вносит определенные  изменения в экосистему и следит  за ее ответной реакцией. Например, слежение за перемещением стада оленей в естественных условиях с помощью вживленных в тело животных миниатюрных радиопередатчиков является не экспериментом, а всего лишь наблюдением. В то же время регистрация (даже без всякой аппаратуры) численности того же стада после введения искусственной подкормки будет экологическим экспериментом. Число возможных воздействий экспериментатора на экосистему необозримо, так же как число сознательно варьируемых факторов. Эксперименты делят на лабораторные и полевые.

     В  лабораторных экспериментах можно  обеспечить контроль большого  числа факторов, исключив воздействие  неконтролируемых.

     Классической  схемой проведения лабораторных  опытов является однофакторный  эксперимент, когда изучается  влияние избранного фактора при зафиксированных значениях всех остальных. Однако при изучении биологических объектов (в отличие от физических) однофакторный эксперимент малоэффективен, так как поведение биосистем зависит от комплекса факторов. Поэтому лишь многофакторные эксперименты с предварительным планированием могут дать удовлетворительные результаты в экологии.

     В  естественных условиях экспериментатор  контролирует экологические факторы  ограничено, так как динамика  процессов зависит от многих  факторов, в том числе от погодных, биологических и антропогенных. Несмотря на это эксперименты в природных условиях имеют огромное значение в экологических исследованиях, несмотря на то, что не может быть обеспечен высокий уровень контроля экспериментатора над всеми факторами внешней среды.

     Непреднамеренные  эксперименты, являясь следствием  естественных процессов или антропогенной  деятельности, вносят немалый вклад  познание природы. Непреднамеренные  антропогенные эксперименты - это  вся история развития цивилизации,  в процессе которой человек постоянно экспериментирует с природой. Значение натурного эксперимента в экологии чрезвычайно велико. Однако экологический эксперимент более эффективен в сочетании с моделированием, о котором мы говорили ранее.

     Заключительный этап основывается на исследовании модели и оптимизации решений. Процесс исследования включает описание общих черт изменения состояний и поведения модели в зависимости от изменения входных данных. При многоцелевом использовании природных ресурсов часто приходится сталкиваться с противоречиями. Например, трудно совместить забор питьевой воды с пляжем или сбросом в водоем сточных вод. Поэтому часто решение оптимизационных задач носит компромиссный характер, обусловленный многофакторностью и множеством критериев качества. Методической основой решения таких задач являются теория оптимального управления и оптимизационные модели. Заключение в системном анализе должно быть научной основой реализации междисциплинарных природоохранных проектов и указывать инструменты управления и оптимизации состояний природных и анропогенных экосистем для достижения главной цели – сохранения биосферы.

     Изучение  любой экосистемы может продолжаться  бесконечно долго, раскрывая все  новые грани. Однако каждый  исследовательский проект должен иметь конечную цель и рано или поздно завершаться. В итоге должны также намечаться перспективы будущих исследований.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Круговороты веществ.

     Зеленые   растения  используют  солнечную  энергию и синтезируют органическое  вещество из диоксида углерода,  воды  и  минеральных  элементов  почвы.  Это  вещество  накапливается  в биосфере, частично консервируется в виде, например, торфа, каменного угля, сланцев, донных отложений океана. Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют 2 основных кругооборота: большой (геологический) и малый (биотический).

     Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет.  Он  заключается  в  том,  что  горные  породы  подвергаются  разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют  морские  напластования  и  лишь  частично  возвращаются  на  сушу вместе с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Процессы  опускания  материков  и  поднятия  морского  дна,  перемещение  морей  и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются  на сушу и процесс повторяется вновь.

    Малый круговорот  является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений,  расходуются  на  построение  тела  и жизненных  процессов  как  их  самих,  так  и  организмов –  консументов. Продукты  распада  органического  вещества попадают в расположение почвенной микрофлоры, вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества.

     Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии. Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на земле. Движение воздушных масс помимо механических эффектов (ветры, волны, течения) обуславливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь газов, паров воды и пылевых частиц, аэрозолей разного состава. Под действием солнечной радиации и грозовых разрядов в атмосфере происходят различные фотохимические и электрохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, окислов и кислотных осадков, образование углеводородных смогов и другое.                                                                                                            Глобальный круговорот воды – это самый значительный по переносимым массам и по затратам энергии круговорот на Земле. За год в него вовлекаются всего 0,04% массы гидросферы, но это соответствует 18,3 млн м воды за секунду и более 40 млрд МВт солнечной энергии. Речной сток составляет 8% глобального гидрологического цикла. Круговорот воды, особенно поверхностный и подземный сток на суше, определяет гидрогенную миграцию веществ, которая помимо переноса состоит из множества процессов растворения, кристаллизации, осаждения, иного обмена и окислительно-восстановительных реакций. Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены еще и физико-химические круговороты многих химических элементов и их соединений.