Методы экологии

Методы экологии

Методы экологии

Специфика предмета изучения экологии – анализ биологических систем различного уровня организации (организм, популяция, биоценоз, экосистема, биосфера).

Методическую основу современной экологиисоставляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента имоделирования.

Система – это совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единство. Системный подход – это главный методический принцип в экологии. Он предполагает изучение элементов системы и взаимосвязей между ними.

Для изучения биосистем могут применяться методы различных наук – биохимии, генетики, ботаники, микробиологии, анатомии, физиологии, зоологии, физики, математики и др.

Экология давно уже перестала быть чисто описательной дисциплиной, в современной экологии преобладают количественные методы – измерения, расчеты и математический анализ.

Методы экологии можно разделить на 5 групп (Акимова, Кузьмин, Хаскин, 2001).

1. Методы регистрации параметров и оценки состояния окружающей среды.Они являются необходимой частью любого экологического исследования.

К этим методам относятся метеорологические наблюдения, измерения влажности, температуры, освещенности, химического состава воздуха, воды и почвы, оценка техногенного загрязнения окружающей среды, растительных и животных организмов, регистрация показателей прозрачности и солености воды, физико-химических показателей почв, измерения радиационного фона, напряженности физических полей, бактериальной загрязненности, времени наступления фенологических фаз развития растений и других факторов.

К первой группе методов относятся также мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и качеством окружающей среды, и биоиндикация– использование для контроля качества среды некоторых особо чувствительных организмов к факторам экологической среды.

2. Методы количественного учета организмов, оценки биомассы и продуктивности растений и животных. Эти методы лежат в основе изучения природных сообществ – биоценозов.

Для этого применяются подсчеты количества особей на контрольных площадках, в объемах воды, воздуха и почвы; маршрутные учеты; отлов и мечение животных; наблюдения за их перемещениями; аэрокосмическая регистрация численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоев, состояния посевов, урожайности полей. Данная информация необходима для управления экосистемами, для предотвращения гибели видов и уменьшения снижения биологического разнообразия. Определение биомассы и продуктивности экосистем позволяет оценить биопродукционный потенциал отдельных территорий и акваторий, а также глобальный природный фон органического вещества и пределы его использования.

3. Методыисследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов – самая разнообразная группа экологических методов. Они осуществляются посредством наблюдения в природе и проведения экспериментов в лабораторных условиях.

Наблюдение это изучение биологической системы в естественных условиях путем фиксации определенных ее признаков

Эксперимент– это исследование, когда изучаемые объекты ставятся в условия, при которых можно изучать действие определенного фактора или группы факторов на систему.

Эксперимент носит активный аналитический характер, поскольку может выявить причинно-следственные связи в анализе развития биосистем (например, влияние техногенного загрязнения на растения, действие мелиорации на растительность и животный мир, пестицидов на организмы, радиации на леса).

Эксперимент предполагает опыт, воспроизведение объекта познания, проверку гипотез о закономерностях связи явлений.

Методом эксперимента устанавливаются оптимальные и граничные условия существования, критические и летальные дозы химических загрязнителей, предельно допустимые концентрации вредных веществ, лежащих в основе экологического нормирования.

Этот метод очень важен при оценке сравнительной устойчивости видов растений и экосистем к действию экстремальных экологических факторов – морозоустойчивости, засухоустойчивости, газоустойчивости, солеустойчивости и др., а также при изучении адаптаций – приспособлений организмов к различным условиям среды. Эколог использует при осуществлении эксперимента специальную экспериментальную технику.

4. Методы изучения взаимоотношений между организмами в многовидовых сообществах составляют важную часть исследования экосистем.

Они предполагают натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, проведение опытов с переносом «меток» радиоактивных изотопов, позволяющих определить количество органического вещества, переходящего от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным животным, а от травоядных – к хищникам.

Особое значение имеет экспериментальная методика создания и исследования искусственных сообществ и экосистем – лабораторное моделирование природных взаимодействий организмов между собой и окружающей средой.

5. Кибернетические исследования и методы математического моделирования. Необходимость системного анализа и сложный характер взаимодействий в биосистемах вызывают потребность в использовании моделей для их адекватного описания (Кильчевский, Чернуха, Воробьева и др., 2001).

Модель – это физическое или знаковое подобие реального объекта, явления или процесса, а моделирование – метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования.

Различают реальные модели, которые включают наиболее существенные элементы оригинала (например, аквариум как модель водной системы), и знаковые модели, которые описывают модель с помощью математических формул, схем, алгоритмов, таблиц. Математическое моделирование получило широкое распространение в экологии.

Модели должны быть достаточно просты и в то же время должны отражать главные особенности биосистемы, то есть они должны быть адекватными. Реальные объекты экологии так сложны, что с трудом поддаются сложному математическому описанию.

Так как в большинстве случаев эколог имеет дело с многоуровневыми нелинейными задачами с большим количеством переменных, то аналитические решения практически невозможны, и на первое место выдвигаются численные методы имитационного моделирования, основанные на применении современной вычислительной техники.

цель построения и использования моделей в экологии – возможность прогнозирования динамики развития биосистем. Это особенно важно, если экосистема подвергается внешним, антропогенным воздействиям.

Прогноз отдаленных экологических последствий техногенеза позволяет предвидеть и уменьшить негативные эффекты, вносить коррективы в принимаемые решения.

Приемы глобального моделирования, доведенные до моделей, основанных на проблемно-прогнозном подходе, позволяют рассматривать варианты сценариев и строить обоснованные прогнозы глобального развития.

Наблюдения, эксперименты и моделирование используются в Национальной системе мониторинга окружающей среды.

Источник: https://studopedia.org/8-40510.html

Системный подход

Системный подход настолько распространен в экологии что, благодаря ему сформировалось целое экологическое направление – системная экология. Системный подход основан на изучении объектов как целых систем. Базой для системного подхода является системный анализ.

Системный анализ – это группа методологических средств, которые направлены на решение сложных задач. Системный анализ включает в себя несколько основных этапов:

  • формулировка проблемы
  • формулирование задач
  • расположение целей и задач в порядке важности
  • поиск путей решения поставленных задач
  • моделирование
  • формулирование возможных действий
  • внедрение результатов

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

При производстве системного анализа, в зависимости от проблем и целей некоторые его этапы могут быть переставлены местами или вовсе исключены. При системном анализе важно принимать во внимание следующие критерии:

  • выбранный способ решения можно изменить и улучшить
  • критерии оценки положительного решения должны быть четко определены
  • должны быть учтены причинно-следственные связи.

Принципы системного подхода должны быть:

  • целостными
  • структурными
  • взаимосвязанными с системой и средой
  • иерархичными
  • множественными

Целостность предполагает состояние системы при котором свойства сохраняются внутри системы.

Структурность предполагает взаимосвязь элементов системы, поведение элементов зависит от их расположения в структуре.

Иерархичность предполагает, что каждый компонент системы является самостоятельной единицей, он является частью более крупной организации. Под множественностью понимается множественность описания каждой системы.

Системный подход имеет следующие этапы:

  • поиск решений
  • прогноз каждого варианта решения
  • выбор критерий по которым можно выявить наиболее подходящее решение.

Это первый из приемов, который используется в экологическом исследовании. Этот метод предполагает невмешательство или очень малое вмешательство в наблюдаемую среду. С течением времени описания наблюдений менялись.

Изначально экологи давали красочные яркие описания окружающей их природы, сегодня это комплексные характеристики, составленные с использование современного оборудования: электроники, акустических аппаратов, фотоаппаратов).

Метод полевого наблюдения решает следующие задачи:

  • выявление основных экосистем и их взаимосвязей
  • определение видов, которые населяют экосистему
  • определение какой климат, почва, вода характерны для окружающей сред этого вида
  • определение количественного состава экосистемы
  • описание экосистемы в динамике

Таким образом полевые наблюдения позволяют установить каким образом комплекс факторов влияет на организм или популяцию. Конечно же на все поставленные вопросы метод наблюдения ответить не в состоянии, поэтому экологи прибегают к использованию других популярных в экологии методов.

Метод экологического эксперимента

Определение 2

Под термином эксперимент понимают активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях

В экологическом эксперименте объект исследования может быть воспроизведен искусственным путем или может быть поставлен в искусственно созданные условия.

Целью эксперимента в экологии является выявить причину наблюдаемых в природе взаимосвязей. Экологический эксперимент носит аналитический характер.

С помощью эксперимента ученые могут проанализировать какое воздействие на организм оказывают отпрядённые факторы в искусственно созданных условиях. Полученные результаты лабораторного эксперимента нуждаются в своем подтверждении в условиях живой природы.

Полевые эксперименты отличаются от полевых наблюдений тем что ученые могут регулировать силу воздействующего фактора.

Минусом эксперимента можно назвать то что в нем невозможно смоделировать все природные факторы, влияющие на организм. Но в экологическом эксперименте можно вполне можно хорошо изучить какой-то один определенный фактор.

Метод эксперимента имеет свои специфические черты:

  • более активный метод по сравнению с наблюдением
  • в ходе эксперимента объект может быть изменен
  • эксперимент может повторятся несколько раз для точности результатов
  • некоторые свойства появляются у объекта только в экспериментальных условиях, но отсутствуют в живо природе
  • возможность изменения условий эксперимента

Существует пять стадий экологического эксперимента:

  • гипотеза
  • планирование
  • реализация
  • анализ
  • интерпретация результатов

Гипотеза должна быть качественной и осознанной, в ходе эксперимента правильная гипотеза очень важны иначе весь ход эксперимента будет терять смысл.

В эксперименте важную роль играет и план, по которому будет реализовываться эксперимент. План эксперимента – это логическая структура исследования.

Реализация представляет собой все процедуры и действия, которые будут совершаться над объектом эксперимента. Далее ученые проводят анализ полученных данных и интерпретируют их согласно выдвинутой первоначально гипотезе.

Математическое моделирование

Математическая экология была основана на теории динамики популяций.

Согласно этой теории динамика численности видов животных, растений и микроорганизмов, и их отношения представлены в виде дифференциальных, интегро-дифференциальных и разностных уравнений.

Сложные экологические системы невозможно описать с помощью простых усечённых моделей. В таких случаях используют или сложные имитационные компьютерные модели или простые интегрированные модели.

Имитационные компьютерные модели представляют информацию в различных видах: формулы, уравнения, графики и так далее.

Простые интеграционные модели также требуют развитой вычислительной техники.

Математическое моделирование помогает систематизировать биологические химические и физические сведения для дальнейшего изучения природы.

Источник: https://spravochnick.ru/ekologiya/metody_ekologii/

4 Основные методы экологии

Методы экологии

Слово“метод” обозначает путь исследования,учение. В широком смысле слова метод –это пути, способы и средства познаниядействительности, совокупностивзаимосвязанных принципов и способовисследования процессов, явлений ипредметов в природе и обществе.

Методнауки – это присущий ей способпроникновения в содержание предметаизучения. Если предмет науки отвечаетна вопрос “что изучается?”, то метод –“как изучается?”.

Подборконкретных способов исследованияопределятся методологией научногопознания, представляющей собой учениео принципах построения, формах и способахнаучно-познавательной деятельности.Методология определяет принципиальныйподход к изучению явлений хозяйственнойжизни и является вопросом развитиякаждой науки.

Методическуюоснову современной экологии составляетсочетание системного подхода, полевыхнаблюдений, эксперимента и моделирования.

*Системныйподход пронизываетбольшинство экологических исследований,поскольку любой объект экологиипредставляет собой систему или частьсистемы в силу всеобщей связи элементовживой природы.

* Полевыенаблюдения позволяютполучить конкретные сведения о состоянииотдельных видов и популяций, их роли всуществовании определённой экологическойсистемы, о зависимости от деятельностиопределённых групп организмов,антропогенного влияния, об изменениичисленности популяций и т.д.

* Экспериментыв природных условиях даютвозможность моделировать ту или инуюситуацию, последствия её развития дляконкретного сообщества организмов,биоценоза или биогеоценоза.

* Математическоемоделированияпроцессови ситуаций, встречающихся в популяцияхи биоценозах с помощью вычислительнойтехники позволяет произвести :

* количественнуюоценку изучаемых процессов и явлений;

* с большой долейдостоверности, используя накопленныеданные, прогнозировать возможноеразвитие тех или иных процессов иситуаций в экологических системах.

Методматематического моделирования каксредство изучения и прогнозированияприродных процессов в экологии получилширокое распространение. Это объясняетсятем, что надорганизменные системы,изучаемые экологией – популяции,биоценозы, экосистемы – чрезвычайносложны.

В них наблюдается огромноеколичество взаимосвязей, прочность ипостоянство которых постоянно меняются.

Одни и те же внешние воздействия могутпривести к различным, иногда противоположнымрезультатам, в зависимости от того, вкаком состоянии находилась система вмомент воздействия.

Предвидетьответные реакции системы на действияконкретных факторов можно лишь черезсложный анализ существующих количественныхотношений и закономерностей.

Однакоиспользуя математические приёмы, экологдолжен помнит, что в связи с наличием усложных экологических систем большогочисла степеней свободы,а также параметров, зависящих от времени,к этим системам не могут применятьсяклассические, жестко детерминированныеалгоритмы управления и прогнозирования.Иными словами, математический расчётв экологии может и должен ориентироватьпри решении практических вопросов, ноне может и не должен предсказыватьконкретные частности. Однако развитиеколичественных методов исследования,превращающих экологию в точную науку,является потребностью времени.

Однойиз первых экологических моделей быламодель Вольтерра-Лотки. В любом биоценозепроисходит взаимодействие между всемиэлементами : особи одного видавзаимодействуют с особями и своеговида, и других видов. Эти взаимодействиямогут быть мирными, а могут иметь связьвида “хишник-жертва”.

Было замечено,что численность хищных рыб колеблетсяв обратной пропорции относительноколебаний численности мелких рыбёшек,которые служат им пищей. Анализ этихколебаний позволил математику ВитоВольтерра (1860 – 1940) вывести необходимыеуравнения.

Если бы в биоценозе былотолько два вида (очень большое упрощение),то даже и в этом случае динамикачисленности каждого из видов сильноотличалась бы от картины их независимогосуществования.

Кромеситуаций “хишник-жертва” и“конкуренция-сосуществование” можетмоделироваться ситуация “симбиоз”.Модель симбиоза отражает кооперациюотдельных видов в борьбе за существование,когда один вид помогает или покровительствуетдругому (кооперация пчёл, кооперациядеревьев).

Математические модели,настроенные на устойчивость такойсистемы, показывают, что при достаточнобольших начальных значениях численностивсегда будет происходить экспоненциальныйрост популяций, что в определённыхслучаях соответствует действительности.Биосфера сформировалась по собственномуплану без участия человека.

Качественноновый этап в развитии биосферы началсяс появлением человека в конце третичногопериода. Сначала деятельность человекамало отличалась от деятельности другихсуществ. Добывание огня выделило человекаиз ряда других животных.

При этом человекне только сумел расселиться в районыхолодного климата, пережить оледененияи защититься от хищников, но и научилсяуничтожать органические остатки,вмешиваясь в круговорот веществ вбиосфере. Сейчас происходит интенсивнаяперестройка природы в результатечеловеческой деятельности.

Передчеловечеством вырисовывается угрозаголода, самоотравления, разрушениябиологической основы наследовательности.Для предотвращения угрозы надо знатьеё причины. В этих целях строилисьглобальные экологические модели.

Первоймоделью прогнозирования расхода ресурсовбыла модель Т.Мальтуса(1798), которыйисходил из геометрического ростачисленности населения и арифметическогороста средств существования. Последующийопыт проиллюстрировал упрощённость иошибочность этого подхода.

Дж.Форрестер (1970)предложил динамическую мировую модель,учитывающую изменение численностинаселения, капитальных вложений;природных ресурсов, загрязнение среды,производство продуктов питания. Принятыев модели взаимосвязи достаточно сложны.

Например, рост численности населенияпоставлен в зависимость от его плотности,обеспеченности питанием, уровнязагрязнения окружающей среды, наличияресурсов, материального благосостояния;темп смертности увязан с уровнем жизни,питанием; загрязнение среды связанообъёмом фондов и т.

д. Многофакторнаямодель Форрестера позволяет рассматриватьдинамику показателей состояния мировойсистемы в зависимости от варьированияразличных факторов.

Одним из результатовисследования Форрестера были графикирасхода природных ресурсов пристабилизации числености населения,фондов и «качества» жизни.

ГруппаД. Медоуза(1972) построиладинамическую модель на базе пяти основныхпоказателей: ускоряющаяся индустриализация,рост численности населения, увеличениечисла недоедающих, истощение ресурсов,ухудшение окружающей среды. В модельзаложен большой набор частных связей,в три раза больше, чем в модели Форрестера.

Прогноз по модели Медоуза по различнымвариантам показал, что вследствиеисчерпания апрмродных ресурсов ирастущего загрязнения в середине XXIвека произойдёт мировая катастрофа.

Единственным вариантом для её исключенияможет быть стабилизация численностинаселения и увеличение объёмапромышленности, стимулирование капиталомразвития сельского хозяйства.

МодельМ. Месаровичаи Э. Пестеля (1974)отличаетсяразмерностью и детальностью связей. Вней содержится более ста тысяч уравнений,описывающих мировую систему каксовокупность региональных систем.Авторы выделили наиболее крупные страны(Россия, Китай, Вьетнам и др.

) и регионы(Северная Америка, Западная Европа,Северная Африка и др.), 10 групп населения,5 категорий машин, 2 разновидностисельскохозяйственного производства,19 разновидностей промышленного капитала,5 видов капитала в энергетике.

На базеэтой модели авторы рассмотрели различныесценарии развития мировой системы.

ВПенсильванском университете созданасистема совместного функционированиянациональных моделей. Её математическаячасть состоит из более чем 20 тысячуравнений.

Группойэкспертов ООН под руководством В.Леонтьевав конце 70-х годов разработана межрегиональнаямодель межотраслевого баланса мировойэкономики.

Вконце тех же 70-х годов под руководствомН.Н. Моисеевабыла разработана математическая модельбиосферы «ГЕЯ». Она состояла из двухвзаимосвязанных систем. Первая описывалапроцессы, происходящие в атмосфере иокеане. Вторая – круговорот веществ вприроде.

В её основу положены такиелокальные модели, как испарение споверхности океана и конденсация водыв атмосфере, поглощение углекислотыморской водой, перенос энергии атмосферой,реакции фотосинтеза, отмирание растений,распределение биомассы на поверхностиЗемли и др.

На базе модели «ГЕЯ» былвыполнен расчёт различных сценариевизменения климата на планете подвоздействием ядерного взрыва, крупногопожара, извержения вулкана, созданиякрупного локального топливно-энергитическогокомплекса, изменения горного ландшафта.

Впервой половине 80-х годов учёные различныхстран создавали глобальные математическиемодели с целью прогнозирования последствийядерной войны. Наиболее обширными былимодель американского астронома К. Сагапаи модель «ГЕЯ». В значительной степениэти исследования стимулировалиполитические решения государств посокращению ядерного вооружения.

Практическив построении математических моделейсложных процессов выделяются следующиеэтапы:

·тщательное изучение тех реальныхявлений, которые нужно смоделировать;выявление главных компонентов иустановление законов, определяющиххарактер взаимодействия между ними;формулировка тех основных вопросов,ответы на которые должна дать модель;

·разработка математической теории,описывающей изучаемые процессы снеобходимой детальностью; на её основестроится модель в виде системы абстрактныхвзаимодействий; установленные законыдолжны быть облечены в точную математическуюформу; конкретные модели могут бытьпредставлены в виде логической схемымашинной программы;

·проверка модели – расчёт на основемодели и сличение результатов сдействительностью. При этом проверяетсяправильность сформулированной гипотезы.При значительном расхождении модельотвергают или совершенствуют. Присогласованности результатов моделииспользуют для прогноза, вводя в нихразличные исходные параметры.

Расчётные методы,в случае правильно построенной модели,помогают увидеть то, что трудно илиневозможно проверить в эксперименте;позволяют производить такие процессы,наблюдение которых в природе потребовалобы огромных сил и больших промежутковвремени;

В настоящее времямоделируют различные по масштабам ихарактеру процессы, происходящие вреальной среде. Математическими моделямиописываются и проверяются разныеварианты динамики численности популяций,продукционные процессы в экосистемах,условия стабилизации сообществ, ходвосстановления систем при разных типахнарушений.

Строятся математическиемодели по регулированию промысловогоусилия, модели промышленных популяций;модели трофических связей по решениюпроблемы с вредителями, модели эксплуатациилесного хозяйства, стратегическиемодели модели использования сырья,математические модели выбора способовпроизводства, модель оптимизации платыза воду и другие;

В настоящее времянеобходимы глобальные математическиемодели, в которые входили бы подсистемывзаимодействия между атмосферой иводой, атмосферой и поверхностью почвы,процессы в каждом из элементов окружающейсреды, взаимодействие верхнего слояатмосферы с космосом, механизмысаморегулирования в природе, влияниедеятельности человека на окружающуюсреду. При значительном объёме возможностейподобная модель должна быть достаточнодетальна для регионов Земли. На такоймодели можно будет оценить крупныеинженерные решения, деятельностьгородов, варианты гидросистем, размещениезаводов и т.д.

Источник: https://studfile.net/preview/3008802/page:4/

Book for ucheba
Добавить комментарий