Новейшие методы экологических исследований
Понятие об экологическом мониторинге. Экологический мониторинг – это длительное слежение динамики состояния экологических явлений во времени, их оценка и прогноз происходящих процессов в природной среде.
Мониторинг представляет собой многоцелевую информационную систему с главными задачами:
1. Наблюдение;
2. Оценка;
3. Прогноз состояния природной среды под влиянием антропогенного воздействия с целью предупреждения создающихся критических ситуаций, вредных и опасных для здоровья людей, благополучия других живых существ, их сообществ, природных и созданных человеком объектов.
Мониторинг обычно ведется как контроль за загрязнением почвы, воды, воздуха различными отходами, за накоплением тяжелых металлов, химических веществ, радионуклидов, попаданием их в пищевые цепи.
Мониторинг также используется для выявления видового разнообразия в естественных биогеоценозах, для выявления и спасения редких, исчезающих биологических видов, для уточнения системы приоритетов при охране крупных природных комплексов и для принятия решений в рекомендациях по использованию естественных территорий под строительство дорог, поселений, предприятий.
В зависимости от того, за кем (чем) и как ведется контрольное слежение различают разные виды мониторинга.
Среди них:
- мониторинг биологический (биомониторинг) – длительное наблюдение за наличием видов, их состоянием и численностью, появлением случайных интродуцентов, исчезновением каких – либо видов, изменением ареала; слежение за состоянием среды обитания с помощью биоиндикаторов;
- мониторинг окружающей среды – это наблюдение за общим состоянием природной среды и за динамикой изменений отдельных экологических факторов среды, окружающей человека;
- мониторинг глобальный – слежение за процессами (в том числе антропогенного влияния), происходящими на всей планете;
- мониторинг региональный – это слежение за процессами и явлениями в пределах одного какого – то региона;
- мониторинг базовый – слежение за общебиосферными природными явлениями без наложения на них антропогенных влияний.
При проведении мониторинга наряду с биологическими методами используются физические, химические, географические, вплоть до космических (зондирование с искусственных спутников, космических кораблей и пр.). В процессе мониторинга часто создается определенный перечень (список) сведений, направленных на разработку мер по охране исследуемых объектов. Такой перечень сведений называют кадастром.
Кадастр (фр. Сadastre, от греч. katastichon – лист, реестр) – систематизированный свод сведений, составляемый периодически или путем непрерывных наблюдений над соответствующим объектом об его качественных и количественных характеристиках.
Кадастр обычно включает рекомендации по использованию предметов и явлений, предложение мер по их охране. Он может содержать разнообразные сведения о природных объектах – физико – географическую характеристику, классификацию, сведения о динамике, степени исследованности и оценке с приложениями картографических, статистических и оценочных материалов.
Различают виды кадастра:
- водный – свод сведений о водах региона или бассейна, включающий данные о всех реках, озерах, ручьях, болотах, ледниках и подземных водах;
- детериорационный – свод сведений об ухудшении окружающей среды (воздуха, почв, вод, уничтожении растительности, истощении биологического разнообразия и пр.)
- земельный – свод сведений о землях (грунтах и почвах, сельскохозяйственных угодьях), пригодных и непригодных к использованию;
-лесной – свод данных о лесах, их изученности и прямом и побочном использовании;
- особо охраняемых объектов и территорий;
-промысловый – свод сведений об объектах, составляющий промысловые ресурсы;
рекреационный – свод данных о территориях, предназначенных для отдыха и восстановления здоровья человека;
фаунистический и флористический.
Все кадастры характеризуют данные об объектах какой – то конкретной территории – района, региона или страны.
Экспериментальные методы широко используются в экологических исследованиях. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценивать его влияние. Экспериментальные методы позволяют сравнительно и аналитически подойти к определению влияния отдельных факторов (абиотических и биотических) на организм или популяцию, сообщество в искусственно созданных условиях и таким путем выявить механизм, обусловливающий нормальную жизнедеятельность изучаемого объекта. Производимые в эксперименте наблюдения, описания и измерения выявленных свойств объекта обязательно сопоставляются с контрольными – такими же объектами, но не задействованными в эксперименте.
Эксперимент, поставленный в полевых условиях, может продолжаться в лаборатории. Выводы, полученные в лабораторном экологическом эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести и применить весь полный комплекс факторов среды, но определить влияние какого-то одного экологического фактора или двух можно. В последнее время особенно распространенными стали химические методы, применение которых позволяет определить качественное состояние окружающей среды (воды, почвы, воздуха и т.п.) и состояние отдельных организмов на той или иной конкретной территории.
Объектом исследования в экологии являются и единичные особи (организмы), и группы особей: популяции, виды и их сообщества и экосистемы (биогеоценозы, биосфера) а также отдельные факторы среды и в целом окружающая среда. В число объектов экологического изучения входят и дикие, и разводимые человеком растения, и животные, и сам человек как живой организм, его природная и социальная среда жизни.
Многообразие и сложность взаимосвязей и взаимозависимостей живых систем разных уровней организации со средой обитания обуславливают применение огромного разнообразия методов экологических исследований. При этом обычно используются специфические методы физиологии, медицины, анатомии, морфологии, фенологии, биохимии, этологии, систематики, ритмологии и других биологических и небиологических наук (химия, физика, математика, статистика, социология, климатология и др.). Например, химическими методами устанавливают накопление тех или иных минеральных и органических веществ в растениях и животных определенного биогеоценоза, сообществе в целом, одними и теми же видами в разных биогеоценозах. Физическими методами определяют качество солнечной радиации; климатологическими – диапазон колебания температуры и влажности воздуха или почвы, характер выпадающих осадков и пр.
Все разнообразие этих методов исследования позволяет выявить качественное состояние изучаемых объектов и отличие одних исследуемых организмов, видов (популяций) или процессов от других, развивающихся в иных условиях. Однако качественная характеристика явления раскрывает лишь самые поверхностные связи и отношения. Только количественные показатели, являющиеся результатом подсчета, многократного измерения, взвешивания, позволяют проникнуть в глубь явлений. Но даже количественное разовое наблюдение не является доказательным. Для убедительной доказательности наблюдаемого явления, раскрытия его свойств и закономерностей необходимы повторные наблюдения и статистическая обработка результатов. Из статистических показателей важными для экологического исследования являются средняя арифметическая и среднее квадратическое отклонение. Средняя арифметическая свидетельствует о средней величине изучаемого признака в данной совокупности, но она не дает достаточно четкой картины в характеристике признака, поскольку значение признака в выборке варьирует. О его вариабельности можно судить по величине среднего квадратического отклонения, которое позволяет определить, какая доля отклонений от средней арифметической приходится на одну варианту данной выборки. Средняя арифметическая и среднее квадратическое отклонение позволяют вычислить и ряд других статистических показателей изучаемого экологического явления.
Количественная оценка объектов и процессов является основой всех экологических исследований. Эколог ведет учет не только присутствия живых организмов, но и исследует и силу действия факторов среды. Количественный учет организмов в единицах пространства и времени выясняет зависимость их численности и оценку их общего состояния распространения от изменения внешних условий, прогноз на будущее. Учет численности организмов, встречаемости, плотности населения, возрастной и половой структуры популяций, плодовитости, продуктивности, сопряженности между видами, заболеваемости, загрязненности среды и т.п. – необходимое требование к работе эколога. По тому, как меняются эти показатели исследуемого объекта можно судить о его состоянии на данный момент и выявить стабильность или тенденции к изменению, скорость, размеры и направление изменений.
Особенно большое место занимают методы количественного анализа в исследованиях по биогеоценологии (экологии экосистем) и популяционной экологии. Учет численности организмов и ее динамики являются основными показателями популяционных и биоценотических экологических исследований. Показателями численности организмов являются: встречаемость вида, его обилие, доминирование, количество биомассы, продуктивность, прирост продукции и пр. на основе показателей количественного учета делаются кратковременные и длительные прогнозы численности полезных и вредных видов (рождаемости, смертности, выживаемости), разрабатываются меры по охране и рациональному использованию природных ресурсов, выявляется тенденция гомеостатических и сукцессионных изменений в природных и искусственных экосистемах.
Все эти методы прямого и косвенного изучения экологических явлений относятся к группе эмпирических. К ним же относится и метод моделирования экологических явлений в природе и обществе, который в последнее время получил широкое распространение.
Признание системного принципа организации природы как предмета экологии обусловило необходимость применения системного подхода, как особого направления экологического исследования, сущность которого заключается в изучении всех компонентов системы в их взаимодействии друг с другом и в развитии (в пространстве и во времени). Конечной целью исследования является построение модели системы, адекватно отражающей саму природную систему.
Моделирование – это метод опосредованного практического и теоретического оперирования объектом, при котором исследуется непосредственно не сам интересующий объект, а используется вспомогательная искусственная или естественная система (модель), соответствующая свойствам реального объекта. Модель это «мысленно представимая или материально реализованная система, которая отражая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает новую информацию об этом объекте». Именно ради этой дополнительной новой информации (т.е. эмерджентного свойства модели) и применяется моделирование. Потребность моделирования в экологии возникает тогда, когда конкретное исследование самого объекта невозможно, затруднительно из-за обилия (или скудности) фактических материалов о нем, или дорого, или требует слишком длительного времени. В то же время модель может выполнять свою роль лишь тогда, когда степень ее соответствия объекту определена достаточно строго.
Модель – это абстрактное описание какого-то явления реального мира, позволяющая делать предсказания об этом явлении. Хотя любая модель всегда упрощена и отражает лишь общую суть или (вероятный сценарий) процесса, т.е. не копирует, а имитирует реальность, тем не менее моделирование позволяет экспериментировать, использовать процессы и явления, недоступные для непосредственного наблюдения. Так в «модельных условиях», т.е. методами имитационного моделирования, особенно с применением компьютеров, были получены достаточно надежные количественные прогнозы (например, изменений численности популяции в меняющихся условиях, математических закономерностей в системах хищник-жертва и паразит-хозяин, устойчивости структуры экосистем и др.).
Имитационное моделирование широко используется при исследовании экосистем и, особенно, биосферы. То есть там, где учитывается множество разнохарактерных структурных компонентов экосистемы и многофункциональное их поведение. При этом для построения удовлетворительной модели в виде блок-схемы не нужно необъятного количества информации об огромном множестве переменных.
В зависимости от особенностей системы-оригинала и задач исследования применяются разнообразные модели, особенно среди знаковых моделей. Знаковые модели – это условное описание объекта, осуществляемое с помощью разных символов и операций над ним, интерпретируемое как образ реального объекта. В отличие от знаковой, реальная модель отражает существенные, реальные черты объекта-оригинала (приложение).
Модели очень полезны также как средство интеграции всего того, что известно о моделируемой ситуации, при этом они выявляют и неточности в исходных данных об объекте, и определяют новые аспекты его изучения. Моделирование экологических явлений используется для практических прогнозов динамики явлений, для исследования взаимосвязей видов и сообществ со средой, для определения воздействия факторов и для выбора путей рационального вмешательства человека в жизнь природы. Например, группа ученых в 1971 году создала имитационную компьютерную модель Ворлд-3 (World-3) и ее помощью описала перспективы роста численности населения планеты и мировой экономики на ХХ век. Полученные выводы ученые опубликовали в 1972 году в докладе, назвав его «Пределы роста».
В модели Ворлд-3 были задействованы многочисленные мировые данные о причинах роста населения на планете, роста промышленного капитала, производства продуктов питания, потребления ресурсов и загрязнения окружающей среды, существующего в мире. Изучение этих вопросов ученым поручил Римский клуб – это международная группа крупных бизнесменов, государственных деятелей и ученых, создания по инициативе ведущего итальянского промышленника Аурелио Печчеи, - с целью прогноза на будущее в поиске приоритетов и мер по развитию экономики, защите окружающей среды и сохранению человечества. Стратегия данного моделирования заключалась в попытке путем упрощения получить модель, свойства и поведение, которые могли бы использоваться для принятия эффективных позитивных решений для сохранения биосферы и устойчивого развития общества.
Подобное построение модели глобальной экосистемы и жизнеобеспечения человечества интегрирует в едином процессе экологического исследования междисциплинарный подход, в котором применяются наряду с математическими, эмпирические и социологические методы.
Обычно все экологические материалы, полученные эмпирическим путем, включаются затем в систему теоретических методов исследования, т.е. они анализируются, обобщаются и используются для формирования выводов, гипотез и предложений, прогноза о перспективах экологических взаимодействий и явлений, для принятия каких-либо решений.
В исследованиях экологических явлений системы «Человек-Природа-Общество» широкое распространение получили методы из группы социологических. Среди них – опрос населения (массовый, групповой, индивидуальный), анкетирование, беседа с отдельными людьми для сбора экологических данных и др.
Вопросы для обсуждения задания
1.Перечислите основные методы научных исследований, применяемых в экологии.
2. Когда применяются стационарные методы исследования?
3. Какова роль маршрутных и стационарных исследований в экологии? Опишите шестибалльную шкалу глазомерной оценки по О. Друде.
4. Укажите роль полевых и лабораторных методов экологических исследований.
5. Что такое мониторинг?
6. Чем мониторинг отличается от экспедиции?
7. Какие виды мониторинга различают в экологии?
8. В каких случаях используется метод моделирования?
9. Что обозначают термином «кадастр»?
10. В чем отличие методов «описание» и «наблюдение»?
11. Как осуществляется оценка плотности населения?
12. Назовите методы научных исследований, применяемых в экологии.
13. Каковы особенности экологического эксперимента?
14. Какие экологические проблемы решают с помощью биомониторинга и биоиндикации?
15.Опишите метод моделирования.
16. Опишите схему классификации моделей.
17.В чем заключается междисциплинарный подход в процессе экологических исследований?
Задание
1. На примере одного комнатного растения (любого, имеющегося в вашем распоряжении) опишите его условия обитания и выразите ваше исследование в виде графической схемы.
2. Смоделируйте условия экологического эксперимента по проращиванию семян гороха (или тыквы, пшеницы и др.).
Приложение 1