Понятие популяции
Популяция – группировка особей одного вида в разных положениях одного ареала. Каждая популяция имеет свою территорию – биологическое сигнальное поле, совокупность природных факторов которого составляет его экологическую нишу.
Рост численности популяции в идеальных условиях (неограниченны территория, ресурсы, отсутствие неблагоприятных факторов), представляет графически восходящую прямую – экспоненту. Скорость роста численности популяции в этом случае определяется:
Vэкс= R·Nср,
где R – естественный прирост популяции; Nср – средняя численность.
В реальных лимитирующих условиях среды экспоненциальный рост численности популяции может быть только кратковременным, а развитие популяции идет по логистическому типу. Кривая в данном случае имеет S-образную форму и называется логистической. То есть число особей асимптотически стремится к пределу, представляющему собой максимальную численность популяции, которую может поддержать окружающая среда. Это так называемая биотическая нагруженность среды. Ресурсы среды, поддерживающие предельную численность популяции называются емкостью среды.
Естественный рост популяций происходит по логистической кривой, на которую оказывает влияние биотический потенциал и факторы окружающей среды. Среда оказывает тем больше сопротивление росту популяции, чем больше численности.
Коэффициент сопротивляемости среды Rm выглядит следующим образом:
,
где К – предельная численность, достигшая устойчивого равновесия процессов рождаемости и смертности в соответствии с ресурсами среды.
Скорость роста численности популяции в этом случае определяется:
Vлог = ( 
)·R·Nср.
Задание 1.Построить кривую роста численности населения земного шара по таблице 2.1. Указать тип получившейся кривой (экспонента или логистическая кривая) и отметить наличие или отсутствие демографической проблемы. Рассчитать скорость роста населения земного шара абсолютную (Vабс= ΔN/Δt) и смоделированные (экспоненциальную и логистическую скорости) в периоды: 1950-1960г.г. и 1995-2000г.г. По полученным результатам, сравнивая абсолютную скорость с экспоненциальной и логистической, определить тип развития популяции человека (развитие по экспоненте или по логистической кривой) в указанные периоды. Учитывая, что согласно последним данным, с учетом пределов развития сельского хозяйства максимальное допустимое число жителей равно 12 млрд. человек,а естественный прирост для человеческого рода составляет 0,023.
Таблица 2.1 - Демографическая история человечества (Deevey, 1969; с изменениями)
| Время, год | Эпоха или характер цивилизации | Численность населения, чел. |
| 30 до н.э. | Урбанистическое общество (Римская империя и Китай) | 133· 106 |
| Начало нашего времени | 500 · 106 | |
| То же | 545 · 106 | |
| То же | 700 · 106 | |
| Начало индустриальной эры | 906 · 106 | |
| То же | 1 · 109 | |
| То же | 2 · 109 | |
| Атомная эра | 2,4 · 109 | |
| Исследование космоса | 3 · 109 | |
| Широкое распространение информации | 3,7 · 109 | |
| То же | 4 · 109 | |
| То же | 5,7 · 109 | |
| Кибернетическая эра | 6 · 109 | |
| Постиндустриальное общество | 10,5 · 109 |
Для решения проблемы неограниченного роста населения земного шара, прежде всего, необходимо проведение регулярного контроля над численностью населения, установление его структуры, демографических процессов.
Информация об интенсивности деторождения имеет большое практическое значение для определения перспектив развития сети родильных домов, дошкольных и школьных учреждений, осуществления жилищного строительства, при прогнозировании численности населения и трудовых ресурсов страны.
Наиболее удобным для сравнения уровня рождаемости является коэффициент рождаемости (n), который представляет отношение числа живорожденных (N) к среднегодовой численности населения (S):
Задание 2. Оценить уровень рождаемости населения в Архангельской области (табл. 2.2; 2.3).
Таблица 2.2. – Показатели рождаемости населения Архангельской области
| Численность населения, тыс. чел. | 1478,0 | 1459,2 | 1271,9 | 1262,0 |
| Число родившихся, чел. |
Таблица 2.3. - Характеристика уровня рождаемости
| Общие коэффициенты рождаемости, ‰ | Характеристика уровня рождаемости |
| До 16 | низкий |
| 16,0-24,9 | средний |
| 25,0-29,9 | выше среднего |
| 30,0-39,9 | высокий |
| 40,0 и выше | очень высокий |
Демографическое старение представляет собой процесс изменения возрастной структуры населения, который проявляется в увеличении удельного веса пожилых людей. Он протекает под воздействием совокупности факторов: динамики рождаемости, смертности, миграционного движения, войн. Наиболее часто за начало периода старости принимают 60-й (65-й) год жизни людей. Поэтому для характеристики уровня старения рассчитывают удельный вес лиц в возрасте 60 лет и старше в общей численности населения:
где Кс – коэффициент старости; S60+ - численность населения в возрасте 60 лет и старше; S - общая численность населения.
Задание 3. Оценить степень развития старения населения Архангельской области по шкале Э.Россета (1968) (табл. 2.4, 2.5).
Таблица 2.4. – Показатели старения населения Архангельской области
| Численность населения, тыс. чел. | 1478,0 | 1459,2 | 1271,9 | 1262,0 |
| Число населения в возрасте 60 лет и выше, тыс. чел | 305,9 | 261,3 | 198,9 | 199,9 |
Таблица 2.5. - Шкала оценки степени развития старения населения
| Доля стариков (60 лет и старше) в общей численности населения, % | Характеристика |
| Менее 8 | демографическая молодость |
| 8 – 10 | преддверие старости |
| 10 – 12 | собственно старение |
| 12 и более | демографическая старость |
Наглядное представление о составе населения по полу и возрасту дает половозрастная пирамида – графическое изображение структуры населения по полу и возрасту. Методика ее построения заключается в следующем. По горизонтальной оси откладывается численность населения – вправо женщины, влево мужчины. По вертикальной оси отсчитывается возраст по пятилетним или десятилетним возрастным группам (Кильдишев, 1990). Если полученную пирамиду разбить на три возрастные группы по Зунбергу: 0-14 лет – предрепродукционный, 15-49 лет – репродукционный, 50 и старше лет – пострепродукционный, то по виду пирамиды можно легко определить состояние развития общества (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Структура возраста для развивающейся (1), стабилизирующейся (2) и деградирующей (3) популяций (Bodenheimer, 1969 по: Kormondy, 1969). - 0-14 лет - молодое поколение, - 15 - 49 лет репродуктивное поколение, - 50 лет и старше пострепродуктивное поколение.
Быстро развивающееся общество изображается пирамидой с широким основанием и очень узкой вершиной. В стабилизировавшемся обществе количество населения в каждой возрастной группе одинаково, отсюда и колокообразный вид пирамиды. В деградирующем обществе преобладает старое население с небольшим количеством молодого, поэтому пирамида имеет форму гриба.
Одной из главных характеристик возрастной структуры населения служит соотношение числа экономически активных членов общества по отношению к общему числу жителей. Если считать людей, возраст которых колеблется между 15 и 64 годами, работоспособными, то окажется, что из-за значительного преобладания детей и подростков численность активного населения в развивающихся странах намного ниже, чем в промышленно развитых странах. Так, в Индии и Великобритании на долю работоспособного населения приходится 57 и 65 % соответственно (Рамад, 1981).
Задание 4. Построить половозрастную пирамиду, используя данные статистического ежегодника Архангельской области (табл. 2.6), выделить три возрастные группы и определить тип развития. Оценить соотношение мужчин и женщин. Если показатель долевого перевеса составляет до 1 % - незначительный; от 1 до 3 % - средний; 3 и более % - существенная диспропорция половой структуры. Определить долю работоспособного населения.
Таблица 2.6. - Распределение численности мужчин и женщин Архангельской области по возрастным группам, тыс. чел
| Возраст. группа | М | Ж |
| Всего | 588,3 | |
| 0-4 | 36,6 | 29,7 |
| 5-9 | 31,8 | 30,5 |
| 10-14 | 30,5 | 60,4 |
| 15-19 | 43,0 | 58,9 |
| 20-24 | 58,3 | 53,3 |
| 25-29 | 54,7 | 49,7 |
| 30-34 | 50,2 | 42,5 |
| 35-39 | 42,1 | 46,2 |
| 40-44 | 40,6 | 58,5 |
| 45-49 | 48,9 | 61,2 |
| 50-54 | 48,0 | 52,2 |
| 55-59 | 38,9 | 26,6 |
| 60-64 | 20,1 | 40,3 |
| 65-69 | 16,1 | 53,1 |
| 70 и более | 28,5 | 74,1 |
3. ПОНЯТИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
Вся природа состоит из взаимосвязанных живых и неживых компонентов. Любая совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называется экосистемой.
Основное свойство экологической системы – наличие круговорота веществ. В связи с этим экосистема может иметь различные размеры: от капли прудовой воды и до биосферы.
В состав экосистемы входят следующие компоненты:
– неорганические вещества (C, O2, N2, P, S, CO2, H2O и др.), которые через круговороты веществ поддерживают свое присутствие;
– воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и другие физические факторы;
– продуценты, автотрофные (самопитающиеся) организмы. К ним относятся зеленые растения, которые, используя энергию солнечного света, синтезируют органические вещества из неорганических (углекислого газа и воды);
– консументы первого порядка (растительноядные животные) и второго порядка (хищники): гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся органическим веществом;
– редуценты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет разложения тканей умерших организмов, питающиеся мертвыми органическими веществами.
Живые компоненты в совокупности образуют биоценоз, неживые - биотоп.
Все организмы связаны друг с другом через пищевые отношения, образуя трофические цепи, которые в совокупности обеспечивают круговорот веществ в природе. Трофические цепи состоят из трофических уровней. Трофический уровень – совокупность организмов, получающих преобразованную в пищу энергию солнца. Различают трофические уровни 1 порядка – продуценты; 2 порядка - консументы травоядные; 3,4 и т.д. – консументы хищники.
Графическое изображение расхода энергии в пищевых цепях называется экологической пирамидой.
На каждом трофическом уровне энергия поступающая с пищей расходуется 2 путями: большая часть энергии расходуется на жизнедеятельность организма и называется «траты на дыхание» (Д) и небольшая доля используется на увеличение массы тела – траты на «рост» (П) и, наконец, доли процентов энергии остается невостребованной в виде выделений и экскрементов (Н).
Для исследований природных комплексов, определения их характеристик необходимы конкретные границы природных систем. В связи с этим В.Н. Сукачев вводит понятие биогеоценоза как экосистемы с четко выраженными границами.
Задание 1.Начертить схему биогеоценоза, нанести компоненты природной среды и отметить связи между ними (рис.3.1).
Рисунок 3.1 - Схема биогеоценоза
Любое техническое сооружение, находящееся на конкретной территории, взаимодействует с природой настолько тесно, что для изучения этого взаимодействия их необходимо рассматривать совместно, как единую систему, которую определяют как природно-техническую геосистему (ГТС).
ГТС – это открытые динамические системы, обладающие определенной совокупностью структурных и функциональных свойств, имеющие соподчиненную структуру, определяющуюся, главным образом, размерами и мощностью системообразующего техногенного центра; изменяющиеся во времени и пространстве. Основой динамического равновесия ГТС является оптимальное взаимодействие как элементов внутри системы, так и самой системы в целом с внешней окружающей средой. Изучение формирования ГТС позволяет вскрыть сложный механизм внутренних связей между техногенными нагрузками и экологическими последствиями, проявляющимися в природе.
Задание 2. Внедрить в схему биогеоценоза объект обучения по данной специальности. Рассмотреть взаимодействие его с природными компонентами. Дать название новой системе.
Энергетический баланс любого технического объекта (аппарата, установки, технологической линии, производства) или экологической системы может быть выражен уравнениями, связывающими приход и расход энергии. Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна: ∑Епр - ∑Ерасх = 0
Задание 3.Рассчитать тепловой баланс котла ПК-10. Котел ПК-10 использует в качестве топлива газ, с которым подводится химическая энергия в количестве 659,86 ГДж/ч. С паром отводится 82 % тепловой энергии. Остальная часть отводится с отходящими газами и тепловыми потерями в окружающую среду в отношении 21:1. Результаты расчета теплового баланса представить в табличной форме (табл.3.1).
Таблица 3.1. - Энергетический баланс котла ПК-10
| Приход | Расход | ||||
| Статья баланса | ГДж/ч | % | Статья баланса | ГДж/ч | % |
| Всего |
Задание 4.Рассчитать тепловой баланс ДВС. В качестве топлива используется бензин (теплота сгорания 44100 ккал/кДж). Данные для расчета представлены в табл. 3.2. Результаты расчета теплового баланса представить в табличной форме (табл.3.3).
Таблица 3.2. - Использование энергии при движении автомобиля
| Из 100% энергии топлива для движения по городу используется 12% | Движение 12%: | 3,2 % 2,4 % 6,4 % | Сопротивление воздуха Сопротивление качению Силы инерции |
| Потери 88 % | 42 % 22 % 13 % 9 % 2 % | Система охлаждения Отработавшие газы Трение в двигателе Трансмиссия Привод вспомогательных механизмов |
Таблица 3.3. - Энергетический баланс ДВС
| Приход | Расход | ||||
| Статья баланса | кДж | % | Статья баланса | кДж | % |
| Всего |
Автомобильные двигатели называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС), потому что процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращение её в механическую работу происходит в цилиндрах двигателя.
В среднем при пробеге 15000 км за год автомобиль сжигает 1,5 – 2 т топлива и 25-30 т воздуха. Использование энергии топлива при сгорании в ДВС недостаточно эффективно. Всего лишь 12% энергии топлива используется на движение автомобиля. Остальные 88% имеют вспомогательное значение, относимое к потерям. Это указывает на возможность серьезного совершенствования двигателей.
Задание 5. Составить энергетический баланс для экосистемы, используя данные идеальной пирамиды Дивенью П. и Танга Н. (рис.3.2).
Рисунок 3.2 - Пирамиды энергии применительно к идеальной экосистеме