Практикум к курсу Экология и рациональное природопользование (110

ЧАСТЬ I. ЭКОЛОГИЯ

Занятие 1. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ. ВЛАЖНОСТЬ

Все живые существа чувствительны к содержанию влаги в их среде обитания. Наземные животные и растения живут в воздушной среде, содержание воды в которой ниже, чем в их теле. Следовательно, они теряют воду путем испарения, а также путем выведения с водой конечных продуктов обмена веществ. Поэтому влажность является одним из главных абиотических факторов, определяющих существование видов.

Различают абсолютную влажность (масса воды на единицу массы воздуха) и относительную влажность (количество водяного пара в сравнении с насыщающим количеством пара при данных условиях температуры и давления). Наиболее часто в экологических исследованиях применяется понятие относительной влажности, которая может быть определена несколькими способами.

Задание 1. Определение относительной влажности по точке росы. Определитьотносительнуювлажностьвоздухапоточкеросы(t° = +11,3 °С)

притемпературевоздуха– 18,6 °С. Анализ данных.

Рассчитать относительную влажность по формуле: H = Ee 100 %,

где e – упругость водяного пара для точки росы; Е – упругость водяного пара для данной температуры воздуха (табл. 1.1).

Задание 2. Определение корреляционной зависимости численности животных от относительной влажности.

Количественные данные по абиотическим факторам в экологических исследованиях анализируются с применением методов математической статистики. Часто применяемым методом анализа является корреляционный анализ, позволяющий установить тесноту связи между параметрами объекта и влияющим на него фактором.

Определить корреляционную зависимость между численностью насекомых и относительной влажностью для двух биотопов (табл. 1.2).

Анализ данных.

Рассчитать коэффициент корреляции для малой выборки по формуле:

r = a1 + a2 – a3 ; а3 = а1 – а2, 2 a1 a2

где a1 , a2 – суммарное прямое отклонение по каждому вариационному ряду; a3

– суммарное прямое отклонение по двум рядам.

Суммарное прямое отклонение рассчитывается следующим образом:

a =∑[(V – A)2 ] – [∑(V – A)2 ], n

где А – среднее арифметическое; n – объем выборки.

4

Т а б л и ц а 1.1

Максимальная упругость водяного пара над водой (мб)

Корреляция бывает прямая (+r) и обратная (–r), По силе корреляционной зависимости различают полную корреляцию (r > 0,96); сильную (r = 0,76 – 0,95); среднюю(r = 0,5 – 0,75); умеренную(r = 0,26 – 0,49); ислабую(r < 0,25).

Значения полученного коэффициента корреляции указывают на направление и степень зависимости рассматриваемого показателя от фактора, в нашем примере численности животных от показателей относительной влажности в их местах обитания (табл. 1.2).

5

Т а б л и ц а 1.2

Выборки данных по показателям относительной влажности и численности насекомых для двух биотопов

Занятие 2. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ. ТЕМПЕРАТУРА

Температура окружающей среды относится к группе ведущих абиотических факторов, определяющих жизнеспособность видов, сроки развития отдельных стадий развития и количество генераций. Температура окружающей среды важна для всех организмов, но особенно для эктотермов. Эндотермы в меньшей степени зависят от колебаний температурного фактора.

Одним из наиболее часто используемых в экологии температурных показателей является сумма эффективных температур, т. е. та тепловая энергия, которая может быть усвоена организмом и использована им на обеспечение своей жизнедеятельности. Сумма эффективных температур или термальная константа (С) рассчитывается следующим образом:

C = (T – t) n,

где T – наблюдаемая температура окружающей среды; t – температурный порог развития;

n – количество времени, необходимое для прохождения всего процесса. Сумма эффективных температур дает возможность не только определить время развития одного поколения эктотермов, но прогнозировать количество генераций конкретных видов, достаточно точные сроки развития отдельных стадий. Это очень важно для правильного определения сроков борьбы с вредящими сельскому и лесному хозяйству видами насекомых, проведения других работ службой защиты растений. Этот показатель часто

используется и в других прикладных отраслях биологии.

6

Задание 1. Рассчитать возможность появления второго поколения шведских мух – вредителей зерновых культур, при определенном температурном режиме, если для развития 1 генерации требуется 740 °С и темпера-

турный порог развития – +8 °C (табл. 2.1).

Т а б л и ц а 2.1 Среднемесячная температура в Нечерноземной зоне в 1999 г.

Задание 2. Рассчитать температурную константу развития дрозофилы средиземноморской и отдельные ее составляющие, если:

А. Т = 25 °С; t = 15 °С; n = 20 дней. Какова С?

Б. Т = 20 °С; С = рассчитанной константе; t = 15 °С. Какова продолжительность развития?

В. Т = 25 °С; С = рассчитанной константе; n1 = 30 дней; n2 = 15 дней. Каков температурный порог развития?

Занятие 3. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ. МАКРО-, МЕЗО- И МИКРОКЛИМАТ

Макроклимат есть результат географического и орографического местоположения достаточно крупной территории. Например, климат средней полосы европейской части России. Мезоклимат – это климат локального местообитания, например лесного массива, речного склона. Микроклимат – это климат различных участков поверхности почвы или растений площадью от нескольких квадратных дециметров до 1 см и меньше.

В экологических исследованиях наиболее часто изучаются мезо- и микроклимат, т. к. именно эти показатели определяют существование живых организмов в конкретной экосистеме или стации обитания. В том случае, когда изучаются популяционные характеристики видов, обитающих в нескольких пространственно разобщенных экосистемах в зависимости от комплекса абиотических факторов, используются биоклимограммы. Кривые графиков биоклимограмм дают возможность определить состояние оптимума, пессимума и выходящее за пределы выживаемости сочетание факторов неживой природы для конкретного организма в зависимости от сочетания лимитирующих факторов окружающей среды, лежащих в основе биоклимограммы.

Если исследования данного вида организмов ограничиваются конкретным биотопом или стацией обитания, то при анализе факторов абиотической группы применяют метод построения термогигрограмм по методу Бола и Формозова.

7

Для этого необходимо проведение замеров лимитирующих факторов температуры и влажности в изучаемой стации обитания в течение всего времени изучения объекта исследований. Кривые графиков термогигрограмм дают приблизительно ту же информацию, что и биоклимограммы, только для конкретной точки пространства, где происходит развитие определенной группы особей.

Задание 1. Используя данные табл. 3.1 и 3.2, составить термогигрограммы для двух пунктов из Черноземной зоны и Нечерноземной зоны.

Анализ данных. Составляются две термогигрограммы, сравниваются между собой и анализируются в соответствии с характеристикой видов. Экологическая характеристика видов учитывает их отношение к температуре и влажно-

8

сти. В соответствии с характеристикой вида выбираются условия того географическогопункта, которыенаиболееотвечаютвидовымтребованиям:

а) эктотерм ксерофил; б) эктотерм мезофил; в) эктотерм гигрофил; г) эндотерм ксерофил; д) эндотерм мезофил; е) эндотерм гигрофил.

Занятие 4. ЧИСЛЕННОСТЬ ПОПУЛЯЦИЙ И ЕЕ КОЛЕБАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

Половая структура популяции является одной из важнейших характеристик, т.к. определяет численность особей в популяции. Различают первичное, вторичное и третичное соотношение полов. Первичное соотношение определяется соотношением половых хромосом в процессе мейоза и обычно бывает близким 1:1. Вторичное соотношение полов – это соотношение самцов и самок при рождении. Третичное соотношение – это соотношение полов среди половозрелых особей. При наблюдениях за природными объектами чаще всего приходится встречаться с вторичным и третичным соотношением полов. В полевых и лабораторных исследованиях количество учтенных самцов и самок никогда не совпадает, но и в этом случае нельзя делать однозначный вывод о преобладании того или иного пола. Необходимо провести расчеты по методу «хи-квадрата», который даст объективную картину соотношения полов. Показатель «хи-квадрат» или критерий Пирсона представляет собой сумму квадратов отклонений фактических частот (ф) от частот теоретических (т), отнесенную к теоретическим частотам:

χ2 = ∑(ф –тт)2 ,

где ф – фактические частоты; т – теоретические (ожидаемые) частоты При анализе полученного критерия необходимо принятие нулевой ги-

потезы. Чаще всего в биологических исследованиях она сводится к тому, что несовпадение фактических и теоретических частот совершенно случайно, т. е. в нашем примере соотношение между самцами и самками 1 : 1. Полученный критерий требует определения его значимости. Для этого он сравнивается с табличным значением критерия «хи-квадрат». Для того чтобы воспользоваться таблицей критических значений критерия «хи-квадрат», необходимо определить число степеней свободы (v). В нашем конкретном случае v = (2 – 1) × (2 – 1) = 1. Если при сравнении табличного и рассчитанного значения «хи-квадрат» устанавливается, что рассчитанный критерий меньше, чем табличный для 5 % и менее уровня значимости, то нулевая гипотеза должна быть принята.

9

Приведем пример применения критерия «хи-квадрат» в зоологических исследованиях. При исследовании жуков-жужелиц на территории Усманского бора в 1999 г. было отловлено 262 самки и 218 самцов. Соответствует ли представленное соотношение полов нормальной половой структуре в популяции жужелиц Усманского бора?

Ход работы

Теоретическое соотношение самцов и самок (1 : 1) в нашем примере должно соответствовать – 240 : 240. Таким образом, мы принимаем «нулевую гипотезу» или изначальное предположение, состоящее в том, что соотношение полов в этой популяции соответствует 1 : 1.

Нахождение критерия χ2 :

Оценка значимости критерия по таблице. Табличное значение критерия «хи-квадрат» определяется по таблице с его критическими значениями. Чтобы найти табличное значение критерия «хи-квадрат», требуется определить число степеней свободы. В данном случае число степеней свободы = (2 – 1) × (2 – 1) = 1. В соответствующей графе таблицы находим табличное значение для 5 %, 1 % и 0,1 % уровней значимости. Они показывают следующие значения: 3,84; 6,64; 10,83. Рассчитанное нами значение критерия «хиквадрат» (0,18) меньше, чем табличное для всех уровней значимости, что означает соответствие нулевой гипотезе.

Задание 1. При изучении почвенной мезофауны был собран материал по жукам-жужелицам в Усманском бору в окрестностях биологического учебно-научного центра «Веневитиново» и на территории Воронежского госзаповедника. Близ биостанции было отловлено 127 самцов и 96 самок Carabus cancellatus, а в ВГЗ – 96 самцов и 112 самок. Какова половая структура популяции в двух точках?

Задание 2. Проведено исследование состояния редких видов насекомых на территории Воронежской области. В Нижнедевицком районе обнаружено 27 самок и 32 самца этого вида, в Рамонском районе – 32 самки и 25 самцов, а в Павловском районе – 22 самки и 38 самцов. Нормальное или нарушенное соотношение самцов и самок в трех районах области? Представлена одна или несколькопопуляциймахаонанатерриторииВоронежскойобласти?

Вторая популяционная характеристика – возрастная структура популяций. Возрастной состав популяции представляет собой совокупность возрастных групп – кагорт. Кагорта представляет собой группу одновозрастных особей, обитающих в сходных условиях и являющихся элементарной единицей популяционно-демографического анализа. Возрастная структура популяции включает такие параметры, как уровень смертности, скорость

10