Оценка видового биоразнообразия

 

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1

ОЦЕНКА ВИДОВОГО БИОРАЗНООБРАЗИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ

Задачи занятия:

ознакомиться с комплексом показателей биоразнообразия;

рассмотреть причины изменения биоразнообразия;

ознакомиться с правовыми аспектами охраны биоразнообразия;

количественно оценить компоненты биоразнообразия на изучаемой территории и сделать заключение о причинах этих изменений.

Введение

Количество различных типов биологических объектов (видов животных, растений, грибов и микроорганизмов) и биологических процессов, а также численные меры присутствия и размещения организмов в системах биосферы характеризуют биологическое разнообразие планеты. Это понятие используют для описания сложности живого вещества1, его способности к саморегуляции и самовоспроизводству. Как правило, различают разнообразие генетическое, видовое и экосистемное (ландшафтное). Однако самым всеобъемлющим считают эко-системное разнообразие.

Данная работа посвящена изучению видового разнообразия животных.

По мнению Ю. Одума, в состав экосистемного биоразнообразия входят следующие компоненты: видовое богатство, характер распределения особей среди представленных в сообществе видов и структурное разнообразие.

Видовое богатство D - это число видов, осваивающих данную территорию, т.е. плотность видов. Как правило, видовое разнообразие возрастает с увеличением времени освоения и площади территории, а также в направлении к экватору; в условиях стрессового воздействия на систему оно сокращается. Численным индексом компонента служит какая-либо комбинация общего числа видов, выявленных на данной территории, S и суммарного числа особей, принадлежащих ко всем отмеченным видам, N = Sni, где ni - число особей, относящихся к одному определенному виду i; суммирование ведется по всему числу видов, т.е. i = 1, 2, …, S. Например, D = S / N.

Сообщества одинаковой плотности различаются относительным обилием видов, структурой доминирования и степенью выровненности распределения особей среди всех представленных видов.

Вид, количественно преобладающий в данном сообществе, как правило, в сравнении с экологически близкими формами или видами, находящимися на одном уровне экологической пирамиды, называется доминантом или доминирующим видом (от лат. dominantis - господствующий)1. Вид, не находящийся под угрозой исчезновения, но представленный малым количеством особей, именуется редким.

Из общего числа видов, входящих с состав сообщества, лишь немногие бывают доминирующими, а большая часть относится к категории редких или видов с промежуточным обилием.

Структуру доминирования качественно характеризует форма кривой доминирования. Она строится следующим образом. По горизонтальной оси - оси Х - в арифметическом масштабе откладывают индексы видов. Индекс, равный 1, присваивают виду с максимальной численностью в данном сообществе; индекс, равный 2, - второму по численности виду; индекс, равный 3, - третьему по численности виду и т.д. По вертикальной оси - оси Y - откладывают логарифмы численности каждого вида в данном сообществе (рис. 1).

Форма кривой доминирования, близкая к А, т.е. к прямой, свидетельствует что каждый вид сообщества занимает участок, достаточно удаленный от участков обитания других видов. Если же территория поделена на соприкасающи-еся либо даже перекрывающиеся участки, то кривая доминирования имеет форму, близкую к Б. Подобная ситуация характерна для обычных сообществ с интенсивной межвидовой конкуренцией. Чем выше расположена кривая и чем более она «уплощена», тем больше общее разнообразие и меньше проявляется доминирование одного или нескольких видов. При наличии любого сресса угол a увеличивается.

Рисунок 1 - Типы кривых доминирования

Степень выровненности распределения особей среди всех представленных видов поясняет следующий пример.

Пусть сообщество состоит из 10 видов и в сумме поддерживает 100 особей. Тогда под выровненностью понимают порядок распределения 100 особей между 10 видами. Если каждый вид представлен 10 особями (10´10), то говорят о высокой выровненности распределения особей. Если в сообществе представлены явные доминантные и редкие виды (1´30 + 4´10 + 5´6), то говорят о низкой выровненности распределения особей.

Структурное разнообразие сообщества является следствием естественной неоднородности среды обитания (неравномерности распределения пищевых ресурсов) и/или цикличности воздействия на сообщество природных процессов. Характеристиками данного компонента биоразнообразия являются: способы пространственного размещения организмов, особенности их суточной и сезонной активности, структура пищевой сети, вероятные социальные структуры, особенности взаимодействия видов и другие. К изменению видового разнообразия приводит вымирание и истребление видов. Термином «вымирание» обозначают постепенное исчезновение с лица Земли каких-либо биологических таксонов под действием природных и антропогенных сил. По мнению Н.Ф. Реймерса, на протяжении последних 545 млн лет число видов на планете практически не менялось: возникающие новые виды заменяли собой эволюционно отжившие, но процесс этот не был равномерным. Резкие изменения фауны и флоры зафиксированы в слоях горных пород возрастом 480 млн лет (рубеж O-S), 250 млн лет (рубеж P-T), 200 млн лет (рубеж T-J), 65 млн лет (рубеж K-Pg). На протяжении веков причины вымирания остаются предметом научных споров. Реформатор сравнительной палеонтологии и систематики животных Жорж Кювье (1769-1832) связывал эти изменения с катастрофическим процессами на Земле; Чарлз Дарвин (1809-1882) считал их результатом естественного отбора. Наш современник Л.Ш. Давиташвили исключал влияние геологических катастроф и утверждал, что к вымиранию таксонов приводили межвидовые взаимодействия.

Исчезновение таксонов в результате чрезмерной эксплуатации биологических ресурсов (сверхлимитного промысла животных, вырубки и сбора растений), прямого преследования организмов, разрушения среды их обитания либо оказания беспокоящих воздействий называют истреблением видов.

В настоящее время установлено существование около 2 млн видов живых организмов. Однако, их действительное число может составлять от 3 до 100 и более млн. Большая часть видов представлена насекомыми и микроорганизмами. Ежедневно на Земле вымирает около 70 видов1. Около 39 % всех уже исчезнувших видов погибли от вселения на данную территорию других организмов, 36 % - в результате разрушения среды обитания, 23 % - в результате охоты и промысла, 2 % - от отравления и по другим причинам. Исчезновение любых видов ведет к разрушению экологических цепей, глобальная сеть которых обеспечивает устойчивость биосферы.

С правовой точки зрения фауна является не только компонентом биоразнообразия, но и природно-возобновимым ресурсом, охраняемым и используемым для удовлетворения духовных и материальных потребностей населения РФ, т.е. национальным достояние страны. Согласно ФЗ «О животном мире» (1995), животный мир - это совокупность всех видов диких животных, постоянно или временно населяющих территорию России, а также относящихся к природным ресурсам континентального шельфа и исключительной экономической зоны Российской Федерации. Объектом использования и охраны выступают именно дикие животные (млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, земноводные, рыбы, моллюски, насекомые и др.), обитающие в состоянии естественной свободы на суше, в воде, атмосфере и почве. Не являются таким объектом сельскохозяйственные и другие домашние животные, а также дикие животные, содержащиеся в неволе или полуневоле для хозяйственных, культурных, научных, эстетическихи иных целей. Они считаются имуществом, принадлежащим на правах собственности государству, юридическим или физическим лицам, и используются и охраняются в соответствии с гражданским законодательством. Объектами животного мира федерального значения признаются следующие категории животных: редкие и находящиеся под угрозой исчезновения, в т.ч. занесенные в Красную книгу РФ; населяющие внутренние моря, континентальный шельф и морскую экономическую зону РФ; обитающие в пределах особо охраняемых природных территорий федерального значения; отнесенные к особо ценным в хозяйственном отношении; естественно мигрирующие по территории двух и более субъектов РФ; подпадающие под действие международных договоров РФ. Иные объекты животного мира находятся в совместном ведении РФ и субъектов РФ. Государственное регулирование в области использования и охраны животного мира включает: осуществление мониторинга и ведение кадастра животного мира; планирование и контроль природоохранных мероприятий; разрешение споров, связанных с использованием животного мира.

Основными природоохранными мероприятиями являются:

установление норм и правил по охране, рациональному использованию и воспроизводству животного мира;

установление запретов и ограничений в пользовании животным миром;

охрана животного мира от самовольного пользования;

охрана среды обитания, условий размножения и путей миграции животных;

предотвращение гибели животных при осуществлении производственных процессов;

организация заповедников, заказников и иных особо охраняемых природных территорий;

разведение в неволе редких и находящихся под угрозой исчезновения видов;

ограничение изъятия животных для зоологических коллекций;

оказание помощи животным в случае заболевания, угрозы их гибели при стихийных бедствиях и вследствие других причин;

организация научных исследований, направленных на обоснование мер по охране животного мира;

воспитание населения в духе гуманного отношения к животным.

ФЗ «О животном мире» допускает использование традиционных для малочисленных коренных народов РФ способов добычи и промысла животных. Однако этот промысел не должен приводить к снижению биоразнообразия, сокращению численности и скорости воспроизводства видов, а также разрушать среду обитания организмов. Для остальных субъектов права ограничения на пользование биоресурсами гораздо жестче.

Важное значение для охраны и воспроизводства видов имеет международная Конвенция «О биологическом разнообразии»1, принятая в 1992 году в Рио-де-Жанейро и вступившая в силу для России 7 июля 1995 года. Данное соглашение отражает всеобщую озабоченность нарастающей дестабилизацией биосферы. Расчеты показали, что особых надежд на построение искусственных систем, обеспечивающих стабилизацию биосферы с той же степенью точности, что и естественные - основанные на трофических взаимодействиях - системы, нет. Именно поэтому главной задачей человека является сохранение всего комплекса живых организмов, представленных на Земле. Методики научных исследований, направленных на обоснование мер по охране биоразнообразия, находятся в стадии разработки и опробации. Их разработкой занимаются многие научные коллективы. В настоящее время существует четыре группы подобных методик - на основании количественных, качественно-количественных, индикаторных и косвенных оценок.

Основой количественных показателей служат сочетания двух параметров:

число видов, выявленных на данной территории, S;

суммарного числа особей, принадлежащих всем этим видам, N = Sni, где i = 1…S.

Общее разнообразие сообщества характеризует индекс Шеннона1:

Ш = - S(pi ´ ln pi) = (p1 ´ ln p1) + (p2 ´ ln p2) + …+ (pS ´ ln pS),

где pi = ni / N - доля особей i-го вида; i = 1, 2, 3, …, S (формула 1)

Видовое богатство характеризуют индексы:

= S / N (формула 2)

D = S / ÖN (формула 3)

D = (S - 1) / ln N (формула 4)

Структуру доминирования характеризует индекс Симпсона:

ССм = S( ni / N)2 = ( n1 / N)2 + ( n2 / N)2 + …+ ( nS / N)2 (формула 5)

Чем сильнее доминирование одного или нескольких видов в сообществе, тем больше величина индекса ССм. Величина Н, численно равная (1 - ССм), используется в качестве дополнительного индекса общего биоразнообразия. Выровненность распределения видов характеризует индекс Пиелу:

ЕП = HШ / ln S (формула 6)

В дополнение к количественным методам оценки видового биоразнообразие в силу своей простоты и невысокой стоимости широкое распространение получили индикаторные методы оценки биоразнообразия. Их специфика обсуждается в лекционном курсе «Общая экология».

Таким образом, разработка методов оценки биологического разнообразия является актуальной задачей биоэкологии. При этом количественные характеристики уточняются качественными оценками. Подобные исследования тесно связаны с развитием системы особо охраняемых природных территорий и разработкой общей стратегии природопользования.

Задание для выполнения

. Записать название и задачи занятия.

. Письменно дать определения и ответить на вопросы:

понятие биологического разнообразия и его главные компоненты;

главные компоненты экосистемного биоразнообразия;

понятие видового богатства и тенденции его изменения;

понятие доминанта и редкого вида;

характеристики структурного разнообразия сообщества;

главные причины изменения биоразнообразия;

понятие «животный мир территории»;

объекты животного мира федерального значения;

в чем заключается государственное регулирование в области использования и охраны животного мира.

. Внимательно изучить данные таблицы 1. Выделить два доминантных и два редких вида. Записать вывод в отчет.

. В соответствии с предложенным Вам вариантом и данными таблицы 2 установить годы, для которых необходимо провести сравнение численных индексов видового разнообразия.

. Обратить внимание, что общее число видов, представленных на изучаемой территории, для всех вариантов равно 11, т.е. S = 11.

. Определить суммарное число особей, осваивающих территорию, суммированием данных в необходимых столбцах. Результатом является величина N для каждого из двух рассматриваемых годов.

Внимание! При выполнении пунктов 7-11 рекомендуется заполнение таблицы:

№Рассчитываемый параметр для 199__ годаniln (ni)pi(pi)2pi ´ ln(pi)1211СуммаN = S (ni)ССм = S (pi)2НШ = - S (pi ´ ln(pi))

. Определить долю особей каждого из 11 видов по формуле:

= ni / N,

где ni - число особей i-го вида, N - результат расчета на предыдущем шаге.

Например, для первого вида «лось» n1 = 845 в 1996 году и n1 = 1 552 в 2000 году.

Внимание! Расчет pi ведется для двух сравниваемых годов.

8. Для двух сравниваемых годов рассчитать индексы по формулам, приведенным на стр. 8:

.1) Шеннона (формула 1);

.2) индекс видового богатства (формула 3 или формула 4 в зависимости от варианта);

.3) Симпсона (формула 5);

.4) Пиелу (формула 6).

. Письменно сделать вывод, как изменилась величина каждого индекса и соответственно характеризуемый компонент биоразнообразия за период с … по … годы.

Например: рост величины индекса Симпсона за период с 1996 по 1998 годы свидетельствует о том, что в рассматриваемом сообществе относительное доминирование такого-то и такого-то видов увеличилось.

. В полном соответствии с алгоритмом, изложенным на стр. 4, в одной системе координат построить 2 кривых доминирования (для двух лет). Рисунок должен сопровождаться подрисуночной подписью! Оценить форму кривых доминирования (тип «А» или тип «Б»). Письменно сделать заключение, о чем свидетельствует форма кривой. Оценить изменения угла наклона кривой по отношению к оси Х. Письменно сделать заключение, о чем может свидетельствовать подобное изменение.

Внимание! Рекомендуемый масштаб: по оси Х - 1 см, по оси Y - 2 см.

. В заключении отчета сделать вывод, как изменилось биоразнообразие в регионе, указать возможные причины этих изменений, и сформулировать несколько мероприятий, нацеленных на охрану биоразнообразия (см. стр. 7).

Таблица 1 - Изменение численности некоторых видов в изучаемом сообществе

№Наименование видаЧисленность особей данного вида в изучаемом сообществе*1996 год1997 год1998 год1999 год2000 год1Лось8451 0501 2941 4481 5522Кабан1 9282 4102 9513 3643 4653Косуля3 2174 0004 9065 3975 5594Олень благородный3093203333413405Заяц11 88010 8008 9868 5379 0496Лисица красная3 9603 7003 0182 5652 4887Куница1 2351 3001 0839218298Горностай1702129365499Волк182015121410Хорь52550048647145211Белка9 2397 8975 3324 0004 280*Численность особей в 1997 и 1998 гг. приведена по разделу 6 доклада о состоянии окружающей среды Тульской области в 1998 году.

Таблица 2 - Варианты для проведения расчетов

Годы, для которых проводится сравнение индексов биоразнообразияФормула (стр. 6)1996 / 19971996 / 19981996 / 19991996 / 20001997 / 19981997 / 19991997 / 20001998 / 19991998 / 20001999 / 200012345678910№ 32122232425262728293011121314151617181920№ 431323334353637383940Номер варианта для проведения расчетовСписок литературы

1. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. Под редакцией академика А.Л. Яншина. - М.: Academia, 2000. - 384 с.

. Одум Ю. Экология: В 2-х томах. Т. 2. Перевод с англ. - М.: Мир, 1986. - 376 с.

. Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. Словарь-справочник. - М.: Просвещение, 1992. - 320 с.

. Резанов И.А. Планета бушующих катастроф. - М.: Вече, 2005. - 336 с.

. Ерофеев Б.В. Экологическое право. Учебное пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. - 320 с.

. Белоновская Е.А. Возможности оценки биологического разнообразия и его сохранения // Известия РАН. Серия географическая. № 4. 1997. С. 95-103.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2

ИСЧИСЛЕНИЕ УЩЕРБА ОТ ИСТРЕБЛЕНИЯ ВИДОВ НА ОСНОВЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

Задачи занятия

ознакомиться с закономерностями биоэкологии, связывающими внешний облик организмов с физическими параметрами среды обитания;

ознакомиться с характеристиками биологической популяции и некоторыми методами их изучения;

ознакомиться с идеей исчисления ущерба, вызванного истреблением животных, и получить численные оценки экономического ущерба в рублях.

Введение

Экология базируется на обширном фактическом материале, накопленном фундаментальной биологией на протяжении многих веков. Сам термин «экология» был предложен немецким зоологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем лишь в 1866 году. В XIX столетии экология обогатилась и первыми эмпирическими обобщениями, или экологическими правилами. Предложенная Дарвином теория эволюции видов путем естественного отбора позволила рассматривать организм в неразрывной связи с окружающей его природной средой. Оказалось, что внешний облик, внутренние процессы и поведение любого организма в значительной степени обусловлены той средой, в которой он обитает. Из теоретических достижений биологии XIX века эволюционным идеям уступает лишь концепция о причинной зависимости между биологическими и климатическими показателями, разработанная Карлом Бергманом.

Согласно правилу Бергмана, для видов теплокровных животных, обитающих в условиях пониженных среднегодовых температур, характерно увеличение размеров тела особей, что способствует поддержанию постоянной температуры организма. В качестве следствия рассматривают положение Аллена об укороченности хвоста, конечностей и других органов у животных, обитающих в холодных условиях. Правило Глогера утверждает, что типичным видам животных холодных и влажных областей свойственна преимущественно темно-коричневая или черная пигментация волосяного покрова, что содействует аккумуляции тепла организмом. Согласно правилу Шелфорда-Парка, для организмов умеренных областей благоприятным (регулирующим) фактором развития являются периодические изменения температуры воздуха.

В первой трети ХХ столетия понятийный аппарат экологии приблизился к современному.

Ныне под биоэкологией понимают науку о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды (Шилов, 2001). Важнейшим видом подобных систем считается популяция - группа организмов одного вида, занимающая определенное пространство (территорию или акваторию) и функционирующая как часть биотического сообщества. Системообразующими являются процессы самовоспроизведения и выживания, единые для всей группы (Одум, 1986). Под биотическим сообществом понимают совокупность популяций, которая в результате биологической коэволюции функционирует как целостная единица в ограниченном пространстве физической среды.

Параметры популяции определяются механизмами взаимодействия особей данной популяции с особями других видов, а также с абиотическими факторами среды обитания. Каждая популяция характеризуется следующими групповыми свойствами: плотностью, рождаемостью, смертностью, половозрастной структурой, биологическим потенциалом, характером распределения в пространстве. Популяция обладает также специфическими генетическими характеристиками, непосредственно связанными с её экологией. К генетическим характеристикам относят адаптивность, эволюционную приспособленность и непрерывность, то есть вероятность оставления потомства на протяжении длительного времени. Носителем признаков популяции является группа, но не отдельные особи в этой группе. Так называемые биологические свойства популяции могут фиксироваться и для группы, и для отдельных входящих в нее организмов. Биологические свойства характеризуют жизненный цикл популяции. К ним относят рост, дифференциацию в пространстве и поддержание целостности структуры популяции.

В реальных условиях бывает сложно установить, какие параметры популяции являются ведущими: отражающие внутрипопуляционные или межпопуляционные взаимодействия. Для практических задач принимают, что возможность рождения и выживания особей определяется внутрипопуляционными взаимодействиями, а их текущие количественные характеристики - всем биотическим и абиотическим окружением.

Способность популяции к увеличению численности характеризуют величиной рождаемости. Гибель особей в популяции выражается числом особей, погибших за данный период, или смертностью. Возрастная гибель организма - случайное событие. При равных прочих условиях, гибель обусловлена процессами старения. Процесс старения рассматривают как сложную цепь последовательных событий, в которой гибель организма является конечным звеном. Относительно природы начальных этапов процесса существуют различные гипотезы. Согласно генетической теории, изменения происходят в генах и связаны с процессами необратимого повреждения нуклеиновых кислот. Как следствие первичных изменений развиваются нарушения тех или иных биохимических процессов (синтез белка, окислительно-восстановительные процессы), затем происходят изменения на клеточном уровне, переходящие в изменения органов и тканей в случае многоклеточных организмов (Лэмб, 1980). Количественное описание подобного многостадийного процесса в биологической системе осуществляется с привлечением теории рецепторов.

Видовая продолжительность жизни (ВПЖ) - эволюционно контролируемый признак, то есть её величина, оптимальная для каждого вида, закрепилась в ходе биологической эволюции. Пусковые механизмы старения закодированы в геноме организмов. Геном влияет на ВПЖ путем контроля над процессом синтеза ферментов, участвующих в функционировании защитных систем организма.

Одной из важных задач биологии продолжительности жизни является поиск связей между ВПЖ и параметрами, характеризующими вид в целом, а также установление межвидовых зависимостей такого рода.

Институтом высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН на большом массиве живых объектов - насекомых, ракообразных, моллюсков, земноводных, рыб, птиц и млекопитающих - установлена связь между видовой продолжительностью жизни и размером или массой одной особи. Независимой переменной служит масса живого объекта (рис. 1).

Рисунок 1 - Оценка общего числа особей данного вида в зависимости от массы организма и аномальное положение в этом ряду человека и его домашних животных

Видовая продолжительность жизни оценивается по формулам:

Т = 398 × L0,8 (КК = 0,93) (формула 1)

Т = 933 × М0,3 (КК = 0,94) (формула 2)

где L - максимальная или средняя длина живого объекта, сантиметры; М - максимальная или средняя масса живого объекта, граммы; Т - в сутках. Плотность живого вещества в расчетах принимается равной 1 г/см3.

Формулы 1 и 2 адекватно «работают» для всех объектов, кроме рептилий.

Отношение ВПЖ/L свидетельствует, что и животные, и растения принадлежат к единой природной системе - живому веществу планеты (по В.И. Вернадскому). Так сглаживаются различия между царствами животных и растений.

Как уже отмечалось, существует около 300 гипотез относительно причин, ограничивающих сверху ВПЖ, однако ни одна из них напрямую не связывает величину ВПЖ с морфологическим особенностями организмов.

Согласно Одуму, для животного мира характерна общая тенденция к увеличению удельной интенсивности обмена с уменьшением линейных размеров организмов. В качестве гипотезы принимается, что закономерность справедлива и для растений. (Интенсивность обменных процессов у животных оценивается по скорости потребления кислорода, а у растений - по скорости его продуцирования. Причину закономерности связывают со спецификой диффузионных процессов. Зависимость метаболизма от размеров организма осложняется принадлежностью к регуляторам или конформистам.) В свою очередь, скорость обменных процессов связана обратной зависимостью с ВПЖ.

При описании энергетического обмена живых организмов со средой прибегают к упрощению, моделируя объект изучения либо в виде цилиндра (горизонтального для четвероногих животных и вертикального для стоящего человека), либо в виде шара (для птиц).

Объем круглого цилиндра определяется по формуле:

= (p/4) × d2 × h = (p/4) ×a2 × h3 » 0,785×a2 × h3 (формула 3)

где d - диаметр цилиндра, h - высота цилиндра, а = d/h - отношение диаметра к высоте.

С учетом того, что плотность живого вещества близка к 1г/см3, связь массы организма в граммах и его линейного размера в сантиметрах имеет вид:

» 0,785×a2 × L3 (цилиндр) (формула 4)

М » 0,524 × L3 (шар) (формула 5)

где L - длина организма в сантиметрах.

Оценим величину а, используя литературные данные. Для сурков, обитающих на различных склонах Альп, имеем: (3 700 г) = 0,785×a2 × (49 см)3. Откуда а = d / h = 1:5 = 0,2.

Для человека: (80 000 г) = 0,785×a2 × (175 см)3. Откуда а = d / h = 1:7 = 0,14.

Величина а, отражающая пропорциональность сложения организма животного, устанавливается на основе правила Аллена: в условиях холодного климата форма тела организмов становится все более изометричной, то есть значение коэффициента а возрастает.

Таким образом, линейный размер организма L определяет его массу М, скорость удельного - на единицу массы - обмена и, как следствие, видовую продолжительность жизни ВПЖ, а также общую численность особей данного вида на Земле. В свою очередь, ущерб от истребления организмов связан с численностью вида обратной зависимостью: чем меньше особей данного вида представлено на Земле, тем большая сумма должна взыскиваться за их истребления (рис. 2): L ® а ® M ® ВПЖ ® Ущерб.

Рисунок 2 - Размер взыскания ущерба, вызванного истреблением одной особи, кратный минимальной месячной оплате труда в РФ

Понятно, что такая постановка вопроса имеет смысл в рамках экономики природопользования, но весьма некорректна с точки зрения экологии.

Некоторые характеристики организмов, приведенных на рис. 2, таковы1.

Дафнии, или водяные блохи - род беспозвоночных, подотряд ветвистоусых ракообразных; представлено 26 видов. Длина организмов составляет 1-3 мм. Дафнии широко распространены, обитают в стоячих и медленно текущих пресных водоемах, служат кормом мелким рыбам и малькам и потому разводятся на рыбоводных заводах.

Самая многочисленная группа животных на Земле - насекомые - класс беспозвоночных, тип членистоногих. К примеру, муравьев насчитывается около 7 тысяч видов. Длина рабочего муравья 0,8-30 мм.

Земноводные (амфибии) представляют класс позвоночных животных. Представителями класса являются аксолотль, огненная саламандра, гребенчатый тритон, жерлянка, квакша, серая жаба и зеленая лягушка. Из этого же класса и пресмыкающиеся (рептилии) - черепахи, крокодилы, ящерицы и змеи. Они обитают главным образом в странах с жарким и теплым климатом; большинство - на суше, некоторые - в морях.

Расчет ущерба, причиненного природной системе в результате истребления особей данного вида, вести по формулам (рис. 3):

r = Lg(Ущерб) = 2,274×Lg(ВПЖср) - 8,384 (КК = 0,947) (формула 6)

Ущерб = 10r × ММОТ, руб/особь (формула 7)

Рисунок 3 - Зависимость логарифма ущерба от логарифма ВПЖ

Задание для выполнения

. Записать название и цель занятия.

. Письменно дать определения и ответить на вопросы:

понятие биоэкологии;

формулировка экологических правил Бергмана и Аллена;

понятие популяции и основных групп свойств, характеризующих популяцию;

смертность и идея генетической теории старения и гибели организмов;

что изучает дисциплина - биология продолжительности жизни;

как связаны линейные размеры организма с его массой, удельной скоростью обменных процессов и величиной продолжительности жизни;

какая идея положена в основу методики определения ущерба, вызванного истреблением организмов;

в чем некорректность такой постановки задачи с точки зрения теоретических достижений биоэкологии?

. Перечертить в отчет и заполнить лишь необходимые строки таблицы 1 в соответствии с индивидуальным заданием, представленном в таблице 2.

Таблица 1 - сходные данные и результаты расчета экономического ущерба, связанного с истреблением видов организмов

ОрганизмДлина L, смМодельаМасса М, гВПЖМ, дниВПЖL, дниВПЖср, дниУ, руб123456789Ракообразные: дафнии Насекомые: муравей пчела Амфибии: Рептилии: змеи небольшие крупные змеи ящерицы Птицы: крупные хищные средние мелкие Млекопитающие: мелкие насекомоядные и рукокрылые крупные грызуны средние животные крупные животные Человек: 0,2 см 0,8 см 1,5 см 10 см 40 см 150 см 25 см 25 см 15 см 7 см 10 см 50 см 80 см 180 см 175 см цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр шар шар шар цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр 1:3 1:3,5 1:4 1:5,5 1:40 1:40 1:6 1:1 1:1 1:1 1:5 1:5 1:7 1:4 1:7

Исходные данные для расчета приведены в колонках 2, 3 и 4 таблицы 1.

Колонку 5 заполнять по результатам расчета по формуле 4 или 5.

Колонку 6 заполнять по результатам расчета по формуле 2.

Колонку 7 заполнять по результатам расчета по формуле 1.

Колонку 8 заполнять так: ВПЖср = (ВПЖМ + ВПЖL)/2.

Колонку 9 заполнять по результатам расчета по формулам 6 и 7;

ММОТ = 100 руб.

Таблица 2 - Задание для расчета

Организмы и группы организмов к расчетуВариант № 1 Вариант № 2 Вариант № 3Дафнии, муравей, пчела, млекопитающие крупные, человек Амфибии, мелкие птицы, змеи крупные и небольшие, крупные грызуны Ящерица, птицы крупные и средние, млекопитающие мелкие и средние

Список литературы

1. Шилов И.А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов. - 3-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2001. - 512 с.

. Пантелеев П.А. и др. Применение правила Бергмана к зимоспящим животным на примере рода Marmota // Экология РАН. 1998. № 3. С. 224-227.

. Геохимические аспекты состояния географической среды (на примере России) / Н.М. Давиденко. - Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. - 416 с.

. Метельский С.Т. Связь продолжительности жизни эукариот (животных и растений) с некоторыми их физическими характеристиками // Журнал общей биологии РАН. Том 56. 1995. № 6. С. 723-731.

. Оке Т.Р. Климаты пограничного слоя. Пер. с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 360 с.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3

ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

Задачи занятия:

ознакомиться с элементами климата, влияющими на продуктивность растительного покрова;

ознакомиться с компонентами влагооборота и характеристиками влажности воздуха;

рассчитать годовые суммы испаряемости, испарения и величину продуктивности растительного покрова.

Введение

В экологии принято считать, что два фактора - температура и количество осадков - определяют размещение по земной поверхности основных растительных биомов1 и сообществ животных, которые ориентируются именно на жизненные формы растений: травы, кустарники, древесные виды. В качестве ведущего фактора рассматривают особенности влагооборота. Температура, за исключением самых холодных регионов с вечной мерзлотой, играет вторичную роль. Например, при годовой сумме осадков порядка 750 мм обычно развиваются лесные сообщества, а температура будет обуславливать тип леса: тайга, смешанные или широколиственные леса. Распространение растительных видов по градиенту2 влажности часто коррелирует с их распространением по градиенту доступности элементов минерального питания. Таким образом, ареал3 биологического сообщества соответствует географическому распределению подходящих условий физической среды.

Под влагооборотом понимают круговорот воды, состоящий из ряда последовательных физических процессов, происходящих над сушей и водной поверхностью: испарения, конденсации (образования облаков), выпадения осадков, переноса влаги и стока.

Наряду с радиационным режимом1 и циркуляцией атмосферы, влагооборот является важнейшим климатообразующим фактором, с которым связан режим таких элементов климата, как осадки, испарение, облачность, туманы, влажность и континентальность климата. Влагооборот между сушей и морем возникает вследствие неравномерности их нагревания и наличия циркуляции воздушных масс. На влагооборот влияют свойства подстилающей поверхности, которые заметно изменяются в ходе природопользования. Речь идет о сведении лесов, распашке земель, перепланировках рельефа, организации водохранилищ, сокращении числа малых рек.

Под внешним влагооборотом понимают обмен влагой между сушей и океанами. Внутренний влагооборот состоит из испарения и конденсации влаги в пределах рассматриваемой ограниченной территории. Внешняя влага (С), поступая на ограниченную территорию, частично выносится за её пределы, образуя атмосферный сток (с). Выпавшие на территории осадки (Р) частично испаряются (с различных типов подстилающей поверхности; Еi), частично поступают в поверхностный сток (W). Величины Р и Еi измеряются при массовых гидрометеорологических наблюдениях. Величины С и с оцениваются расчетным путем. Например, для бассейна реки Оки оценка компонентов внутреннего влагооборота такова: транзит - 26 %, испарение - 26 %, сток - 11 %, осадки - 37 %. Весь водяной пар, переносимый воздушными массами в течение года, принимается за 100 %.

В годовом ходе дней с осадками на Европейской территории страны отмечаются два максимума - зимой и летом и два минимума - весной и осенью. Главный максимум осадков в зоне полупустынь (35-45о) наблюдается в апреле-мае; в степях (45-55о) - в июне; в лесной зоне (55-60о) - в июле; дальше на север - в августе.

Современные модели влагооборота позволяют оценивать влияние особенностей ландшафта (рельеф, лесистость) на количество выпадающих осадков для целей регулирования влагооборота. Например, по данным Центральной высотной гидрометеорологической обсерватории, количество осадков за теплый период года возрастает на 0,2-0,3 % на каждые 10 % увеличения лесистости территории, а количество ливней возрастает на 1,3-1,7 %.

Значительная часть выпадающих осадков идет на формирование снежного покрова (табл. 1). Для Европейской территории страны (ЕТС) снежный покров является важным климатообразующим фактором, причем снег составляет 25-30 % годовой суммы осадков (бассейн Оки - 28 %, севернее - 30-35 %, южнее -10-25 %).

Таблица 1 - Количество снега от суммы осадков данного месяца (в процентах)

климатическая зона по отношению к линии СПб-Москва-устье р. УралМесяцы годаIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIII+IIсевернее9050810044080100100южнее65200000010407080

Компоненты влагооборота связывает между собой уравнение водно-климатического баланса, которое можно представить в следующем виде:

(Wп - Wо) + S (Pi - Ei)×Si = 0,

где Wп, Wо - соответственно объемы притока и оттока воды через границу исследуемой территории; Si - площадь морфологически однородной части ландшафта; Pi, Ei - соответственно слой осадков и испарения для этой части ландшафта; i = 1...n - число морфологически однородных частей ландшафта.

При избыточном увлажнении, то есть если Р > Е, наблюдается местный сток, который добавляется к транзитному стоку. Если же Р < Е, то существуют потери транзитного стока.

Содержание водяного пара в воздухе характеризует влажность воздуха и может оцениваться абсолютной и относительной влажностью, упругостью водяного пара и дефицитом влажности.

Упругостью водяного пара (е) называют парциальное давление водяного пара в атмосфере Земли. Величина е зависит от количества водяного пара в единице объема воздуха. С высотой упругость водяного пара быстро убывает. Единицы измерения: 1 мбар = 102 н/м2 = 1 гПа.

Абсолютной упругостью водяного пара, или упругостью насыщения, (Е) именуют упругость водяного пара, максимально возможную при данной температуре воздуха и атмосферном давлении. Величина Е увеличивается с увеличением температуры. По достижении упругости насыщения начинается конденсация водяного пара.

Абсолютная влажность (а) - количество водяного пара в граммах в одном кубическом метре воздуха. Единицы измерения: г/м3. Абсолютная влажность связана с упругостью водяного пара в мбар следующим соотношением, г/м3:

а = 0,81×е / (1 + a×t),

где t - температура воздуха в оС; a = 1/273 - температурный коэффициент объемного расширения.

Относительная влажность воздуха (j) - отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к его абсолютной упругости при данных температуре и давлении, выраженное в процентах:

j = (е / Е)×100 %.

Дефицит упругости водяного пара, дефицит влажности или недостаток насыщения (d) - разность между максимально возможной упругостью водяного пара в воздухе при данных температуре и давлении и реально наблюдаемой упругостью:

= Е - е.

В практике метеорологических наблюдений в первую очередь имеют дело с упругостью водяного пара, относительной влажностью воздуха и дефицитом влажности.

Под испарением (суммарным или валовым) понимают полное количество воды в миллиметрах, испарившееся с почвы, покрытой растительностью, в том числе и посредством транспирации1 растительностью.

Испаряемость - максимально возможное испарение с определенной площади водной поверхности пресного водоема при существующих метеорологических условиях.

Величина испарения влаги с любой поверхности зависит главным образом от температуры воздуха, содержания водяных паров и степени влажности грунта (табл. 2, 3 и 4).

Таблица 2 - Годовые величины испарения, испаряемости и осадков (Р) для различных климатических зон (в миллиметрах)

Климатическая зонаИспарениеИспаряемостьР ЛЕТОР ЗИМАР СУММАТундра70-12050-20014055200-360Тайга200-300150-50020095200-600Смешанные леса250-430400-800270100600Степи240-550600-100014065380Полупустыни180-200900-14005055200-240Пустыни50-1001000-24005-1535100Субтропики300-750700-20005606702500

Таблица 3 - Распределение испарения по месяцам (в процентах)

Район ЕТСМесяцы годаIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIСеверный1137132024168421Центральный1138171921159411Западный11371617191711521Юго-восточный11371416201811621биологический разнообразие экологический ущерб

Таблица 4 - Распределение испаряемости по месяцам для водоемов с площадью зеркала менее 5 км2 (в процентах)

ЗонаМесяцы годаIIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXIIЦентр и Север00031622211912610Юг00061420211912620

Для расчета величины месячной суммы испаряемости применяют формулу:

Ео = 0,0018×(t + 25)2×(100 - j),

где Ео - средняя за месяц испаряемость в миллиметрах; t - средняя за месяц температура воздуха в оС; j - средняя за месяц относительная влажность воздуха в процентах.

Отношение количества выпадающих на данной территории осадков (Р) к испаряемости Ео называют коэффициентом увлажнения. Коэффициент увлажнения (К) показывает, в какой мере выпадающие осадки возмещают испарение, возможное с открытой водной поверхности при данных климатических условиях. Коэффициент увлажнения служит индексом распознавания ландшафтно-климатических зон (табл. 5).

Таблица 5 - Среднегодовые величины К для различных географических зон

Географическая зонаК = Р / ЕоРастительный покровИзбыточное увлажнение1,5Влажные леса тропиков и тайгаДостаточное1,0Широколиственные лесаУмеренное0,99-0,60ЛесостепьНедостаточное0,59-0,30СтепьСкудное0,29-0,13ПолупустыняНичтожное0,12-0,00Пустыня

Согласно Рекомендациям по расчету испарения с поверхности суши, месячные суммы испарения для различных типов поверхности и растительного покрова определяются по следующим формулам.

Для холодного времени года с поверхности льда и снега:

Еснег = 0,37×n×d.

Для лесных массивов:

Елес = 0,94×Ео.

Для лугов и площадей под зерновыми культурами:

Елуг = 0,135×Ео + (1 - h)×Р,

где Ео - испаряемость, мм/мес; n - продолжительность периода, сутки; d - средний за месяц недостаток насышения, гПа; h - коэффициент стока.

Коэффициентом стока h называется отношение высоты слоя стока h к количеству осадков, выпавших на территории, за один и тот же период. Коэффициент показывает, какая часть выпавших осадков стекает.

В настоящее время важнейшей научной задачей является прогноз последствий глобальных климатических изменений. Изменения климата достоверно регистрируются на всей земной поверхности и ведут к пространственной перестройке подсистем биосферы. Перестройка происходит в результате нарушения круговорота воды в системе почва - растение - атмосфера, а также биологического круговорота элементов в пределах экосистем.

Изменение температурных характеристик приземного слоя атмосферы неизбежно сказывается на интенсивности круговорота воды в экосистеме, характеризуемой суммарным испарением, и, следовательно, на первичной биологической продуктивности1 наземных биомов.

Одним из направлений научного поиска является установление связей между величинами суммарного испарения и годичной продукции растительных сообществ сушы (рис. 1). Сопряженность этих характеристик обусловлена тем обстоятельством, что поток водяного пара, уходящий в процессе транспирации с поверхности листовой пластины, служит одним из основных каналов отведения низкокачественной энергии, возникающей в результате жизнедеятельности растения. Поглощение энергии высокого качества и отведение энергии низкого качества - главное условие существования природных систем. Цель поиска подобных закономерностей - прогноз экономических, экологических и социальных последствий ведения сельского и лесного хозяйства в современных условиях.

Рисунок 1 - Связь годовой продуктивности с годовой суммой испарения. Среднемноголетние данные для различных районов земного шара

Согласно литературным источникам, отмечается высокая степень корреляции годичной продукции фитоценозов и их годовой суммы испарения. Более высокой степенью корреляции характеризуются двухфакторные зависимости продукции от величин метеорологических элементов, например, осадков и радиационного баланса. Однако их получение затруднено сокращением объема доступной информации.

В экологии различают урожай на корню и продуктивность рассматриваемой экосистемы. По данным об урожае получают верные оценки чистой первичной продуктивности в том случае, если размеры организмов велики (лес) и органическое вещество некоторое время накапливается не расходуясь, то есть отсутствует прямое выедание. Под чистой первичной продуктивностью понимают скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом того органического вещества, которое расходовалось растениями за данный временной интервал на дыхание.

Для большинства географических зон продуктивность варьирует примерно на два порядка (табл. 6).

Таблица 6 - Годовая суммарная первичная продуктивность экосистем (в т/[га×год])

ЭкосистемыПродуктивностьМорские Открытый океан 2,2Прибрежные воды4,4Коралловые рифы и лиманы44Наземные Пустыни и тундры 0,44Луга и пастбища5,5Тайга6,6Сельскохозяйственные земли без энергетических субсидий6,6Лиственные леса умеренной зоны17,6Сельскохозяйственные земли при значительных субсидиях26,4Влажные леса тропиков и субтропиков44Биосфера в целом4,4

В монографии Р. Риклефса Основы общей экологии (1979) приводятся следующие данные о первичной продуктивности фитоценозов:

зерновые, травы, картофельлеса умеренной зоныстепи умеренной зоны2,5…5,0 т/(га×год)6,0…25 т/(га×год)1,5…15 т/(га×год)

Приведенные данные из различных источников хорошо согласуются между собой. Например, в диапазон продуктивности для лесов умеренной зоны от 6 до 25 т/(га×год) по Риклефсу укладываются величины продуктивности для тайги - 6,6 и лиственных лесов - 17,6 т/(га×год) по Одуму. Для перехода от величин продуктивности, выраженных в ккал/год, к величинам, выраженным в г/год, принят коэффициент 0,22, то есть 1 ккал = 0,22 г (по Риклефсу).

Задание для выполнения

. Записать название и цель занятия.

. Письменно дать определения и ответить на вопросы:

главные факторы, определяющие размещение биомов по земной поверхности;

влагооборот: его виды, причины, компоненты;

параметры, характеризующие влажность воздуха;

испарение и испаряемость;

коэффициент увлажнения и его применение;

чистая первичная продукция экосистемы;

для какой цели исследуют зависимость между продуктивностью экосистемы и суммой испарения.

. Расчет коэффициента увлажнения.

Внимание: обозначим число дней с температурой воздуха меньше 0о через Х, число дней с температурой воздуха меньше +8о через Y (XÌY), а оставшийся период года через Z:

Тогда Y+Z = 365. Период года Y условно назовем холодным. Этот пе-риод характеризуется температурой и относительная влажность воздуха tХ и jХ. Период года Z назовем теплым. Его характеристики - tТ и jТ (табл. 7). Период (Y - X) назовем переходным. Для него характерна постоянная в течение месяца температура, чуть выше нуля градусов, и относительная влажность. В течение периода Х будем говорить о величине испарения с поверхности льда вместо испаряемости с открытой водной поверхности.

.1. Определить годовую сумму испаряемости по формуле, мм:

Ео = Е(о, Х) + ((Y - X) / 30,4)×Е(о, П) + 0,57×(Z / 30,4)×Е(о, Т),

где 30,4 = 365 / 12 - средняя продолжительность месяца, сут; 0,57 - коэффициент перехода от экстремальных значений к средним; Z / 30,4 - продолжительность периода в месяцах (дробное число). Расчет вести до сотых!

.2. Испаряемость при t £ 0о С считать по формуле, мм:

Е(о, Х) = 0,37×Х×dХ,

где dХ - недостаток насыщения, рассчитываемый по формуле Магнуса.

Согласно формуле Магнуса, величина абсолютной упругости водяного пара для интервала температур воздуха - 40о £ t £ 60о С рассчитывается так:

Е = 6,11×10Â, мбар,

где Â = (a×t) / (b + t) - показатель степени; t - температура воздуха, оС; a и b - константы. При t £ 0 a = 9,5; b = 265,5. При t > 0 a = 7,5; b = 237,3.

Величина d определяется так: dХ = Е - е = Е×(1 - jХ), где jХ - в долях еди-ницы.

.3. Месячную сумму испаряемости, характеризующую переходный пе-риод, рассчитывать по формуле, мм/мес:

Е(о, П) = 1,41×(100 - j Х),

где j Х - в процентах.

.4. Месячную сумму испаряемости, характеризующую теплый период, рассчитывать по формуле, мм/мес:

Е(о, Т) = 0,0018×(tТ + 25)2×(100 - jТ ).

.5. Определить среднегодовую величину коэффициента увлажнения К = РS / Ео. Согласно данным табл. 5, установить тип увлажнения, характер изменения транзитного стока, то есть наличие потерь либо возможности пополнения местного стока, а также тип растительного покрова. Вывод сформулировать в письменном виде!

. Расчет годовой суммы испарения с единицы площади территории.

.1. Годовая сумма испарения определяется по формуле, мм:

Е = ЕХ + ((Y - X) / 30,4)×ЕП + 0,57×(Z / 30,4)×ЕТ.

.2. Принять величину испарения за холодный период равной Е(о, Х) (см. пункт 3.2).

.3. Величину испарения для переходного периода считать по формуле:

ЕП = 0,135× Е(о, П) + (1 - h)×РП,

где Е(о, П) - месячная сумма испаряемости, мм/мес; h = hS / РS - коэффициент стока, доли единицы (см. табл. 7); РП = [РS - РЖ] / [Y / 30,4] - месячная сумма осадков за переходный период, мм/мес (см. табл. 7).

.3. Месячные суммы испарения для теплого периода года считать по формулам:

растительный покров лес: Е = 0,94×Е(о, Т),

растительный покров луг: Е = 0,135×Е(о, Т) + (1-h)×РТ,

где Е(о, Т) - месячная величина испаряемости, мм/мес; dТ - величина недостатка насыщения, гПа; h = hS / РS - коэффициент стока, доли единицы;

РТ = РЖ / [(365 - Y) / 30,4] - месячная сумма осадков, мм/мес.

Тогда усредненная по отношению к типу растительного покрова месячная сумма испарения рассчитывается так:

ЕТ = x×ЕЛЕС + (1 - x)×ЕЛУГ,

где x - весовой коэффициент, принятый согласно таблице 7; доли единицы.

. Рассчитать величину годичной наземной продукции растительного покрова по формуле, т/(га×год):

= 0,964×exp(0,0075×E + 3,544) - 34,62,

Е - годовая сумма испарения в сантиметрах (см. пункт 4.1).

Сравнить результаты расчета с данными табл. 6. Сформулировать вывод в письменном виде!

Все исходные данные для проведения расчета приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Численные данные для расчета биопродуктивности (СНиП 23-01-99)

VarПериод годаПродолжительность периодовОсадки РS, мм/годОсадки РЖ, мм/годСток hS, мм/годЛесистость территории x, %ХолодныйтеплыйtХjХtТ, оСjТ, %Y, сутX, сут1-1,67918,059205137759660165352-4,47918,157217154691532197443-4,87814,461228162706537264714-3,47719,94719914169661279165-4,77818,156218158675540224566-4,47817,456217160744603221437-3,57817,659214150738598163348-4,57817,661224160720598248629-3,08019,353198137764642752310-3,97820,2511991476304971081911-3,67718,0542131517045281921112-3,38018,8522071456745321132213-4,27818,8542121546144911652614-3,87618,4542071496785421271815-4,57617,25822215871254225045

Список литературы

1. Кедроливанский В.Н., Стернзат М.С. Метеорологические приборы. Измерение метеорологических элементов. - Л.: Гидрометеорологическое изд. 1953. - с. 544.

. Борисов А.А. Климатография СССР. - Л.: ЛГУ, 1970. - с. 310.

. Бусарова О.Е., Гусев Е.М., Денисенко Е.А. Реакция испарения и первичной биологической продуктивности на возможные изменения климата на Европейской территории бывшего СССР // Вестник РАН. Серия географическая. № 3. 1995. С. 52-57.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4

оценка пахотных земель с точки зрения потенциальной опасности водной эрозии

Задачи занятия:

ознакомиться с естественными и антропогенными факторами, влияющими на состояние земельных ресурсов;

рассмотреть закономерности формирования гумусного состояния почв;

ознакомиться с процессами, сопровождающими региональное землепользование и снижающими почвенное плодородие;

оценить потенциальную опасность водной эрозии пахотных земель и подобрать противоэрозионные мероприятия.

Введение

Под земельными ресурсами понимают совокупность земельных массивов, используемых или доступных для использования человеком в качестве средства производства и источника удовлетворения разнообразных хозяйственных потребностей общества. Они признаются одним из главных видов природных ресурсов. Выделяют три основных вида землепользования: леса, пашни и постоянные пастбища. В начале 90-х годов ХХ столетия пастбища и пашни вместе взятые занимали около 38 % земельного фонда планеты1, а прочие земли, представляющие собой резервные участки, - около 30 % .

В течение последних десятилетий площадь пашни менялась незначительно, оставаясь на уровне 1,5 млрд га. В связи с продолжающимся ростом численности населения планеты это вело к сокращению запасов земли в расчете на человека. При современном состоянии сельского хозяйства для обеспечения приемлимого уровня жизни на одного человека должно приходиться1 0,5 га, а приходится - 0,23 га. По мнению директора Института почвоведения МГУ - РАН академика Г.В. Добровольского, помимо уменьшения запасов, наблюдается и качественная деградация земельных ресурсов. Озабоченность также вызывает нарастание скорости потерь продуктивных земель. Антропогенная деградация почв обусловлена водной (55,6 %) и ветровой (27,9 %) эрозией, избыточным увлажнением и уплотнением (4,3 %), потерей органических веществ, засолением, повышением кислотности и щелочности, истощением запасов минеральных веществ, которыми питаются растения, угнетением почвообитающих организмов вследствие химического и радиоактивного загрязнения (12,2 %)2. И это при том, что за последние 10 тысяч лет человечество уже утратило 2 млрд га плодородных земель.

По мнению Г.В. Добровольского, с учетом всех экологических ограничений общая площадь пахотных земель не может превышать 2,7 млрд га. Тогда глобальный резерв земель составляет всего 1,2 млрд га, причем речь идет о лесных угодьях, находящихся главным образом в странах тропического пояса. В целом качество резервного фонда существенно хуже используемого, поскольку речь идет о кислых красноцветных и выщелоченных ферралитных почвах и со-лонцах саванн.

Таким образом, дальнейшее развитие сельскохозяйственного производства связывают не с распашкой новых земель, а с повышением плодородия уже используемых участков, с соблюдением принципов экологически обоснованного землепользования.

Значение почв не ограничивается их сельскохозяйственной ценностью. В науках о Земле почву рассматривают не только как особое естественно-историческое тело, обладающее плодородием, но и как многофункциональную природную систему, обеспечивающую циклический характер воспроизводства жизни на суше, важнейший фактор устойчивого развития биосферы. Экологические функции почвы подразделяют на экосистемные и биосферные.

К важнейшим биосферным функциям причисляют связующую роль почвы в процессах биологического и геологического круговоротов вещества, а также участие в создании глобальной биологической продукции. Действительно, несмотря на значительно меньшую, по сравнению с Океаном, площадь суши, почва обеспечивает почти вдвое большую первичную продуктивность наземных экосистем, а биомасса суши составляет 99,8 % всей биомассы Земли.

В РФ обеспеченность земельными ресурсами значительно превышает среднемировой уровень, однако состояние почвенного покрова признается совершенно неудовлетворительным, а в ряде районов - критическим. Около 60 млн га сельскохозяйственных земель подвержены эрозии, 40 млн га засолены, 26 млн га переувлажнены и заболочены, 73 млн га являются кислыми, 12 млн га засорены камнями, 7 млн га - кустарниками и мелколесьем, 5 млн га загрязнены радионуклидами. В южных областях прогрессирует опустынивание. В большинстве зернопроизводящих регионов распаханнойсь территории превышает экологически допустимые пределы, что снижает способность систем к саморегуляции и ведет к падению продуктивности. Потери гумуса на обрабатываемых участках составляют 0,64 т/(га×год)1. Резерва сельскохозяйственных земель практически нет.

С 1993 года деградация почв рассматривается руководством страны как одна из угроз национальной безопасности. За 90-е годы из производственного оборота вышло более 29 млн га, что составляет 25 % всех посевных площадей и соответствует площади поднятой в СССР целины. Неиспользуемые земли за-растают сорной растительности и служат очагами распространения вредителей и болезней сельскохозяйственных культур. За годы реформ существенно снизились и темпы химизации почв. В 1990 году на 1 га пашни вносились 88 кг минеральных удобрений (а обработке подвергались 66 % площадей), а в 1999 году - в пределах 15 кг (24 %). Применение органических удобрений упало с 3,5 до 0,9 т/га. При этом в почве нарушилось оптимальное соотношение биогенных эле-ментов: увеличилась доля азота и сократилась доля фосфора. На начало 1997 года поступление N, P, K в почву составляло 21,5 кг/га, а их вынос - 118,5 кг/га. При этом Россия занимает третье после Канады и США место в мире по экспорту минеральных удобрений (12 %). Снижение применения удобрений и средств защиты растений способствует развитию эрозионных процессов, дальнейшей деградации почв и снижению урожаев, а отсутствие мероприятий по борьбе с вредителями и болезнями растений, по существу, эквивалентно применению компонентов биологического оружия. Так, снижение химизации привело к резкому распространению в посевах простейших грибов, выделения которых не только фитотоксичны, но и канцерогенны и генотоксичны для человека.

По мнению экспертов Института географии РАН, особых надежд на эко-логическое возрождение страны в ближайшие 5-10 лет нет. Наиболее вероятен следующий ход событий. Будет продолжаться политика, характеризующаяся метаниями в поисках прагматичных решений разового пользования, не сопро-вождающаяся экологической перестройкой производства и даже не позволяю-щая резервировать накопления для такой перестройки. В ближайшем будущем это лишь усугубит российские проблемы. Поэтому исследования, нацеленные на прогноз результатов природопользования в пределах высокоосвоенной тер-ритории России, еще долго не потеряют своей актуальности.

Центральная часть европейской территории страны представлена несколь-кими типами ландшафтов. Восточноевропейские широколиственнолесные ландшафты характеризуются умеренно теплым климатом и соотношением тепла и влаги, близким к оптимальному. В настоящее время до 80 % площади широ-колиственнолесных ландшафтов распахано, что привело к их сближению со степными ландшафтами по характеру многих природных процессов, например, эрозионных. Восточноевропейские суббореальные лесостепные ландшафты по термическому режиму относятся к типично континентальным. Коэффициент увжнения здесь повсеместно ниже 1,0, что ведет к постепенному исчезновению лесов и преобладанию луговостепной растительности, а также смене серых лесных почв черноземами.

В настоящее время ландшафты лесостепи практически полностью лишены растительного покрова, что заметно сказывается на водном балансе территории и активности эрозионных процессов. По наблюдениям на Курском стационаре Института географии РАН, весной с уплотненной пашни стекает до 60 % и более талых вод и выпадающих осадков, с зяби - около 30 %, с некосимой целинной степи - всего 17 %, а с дубового леса - 0 %. Величина смыва почвы составляет: на пахотных угодьях - 80-90 кг/га, на целине - 1,6 кг/га, в лесу - 0. На крутых распаханных склонах потери мелкозема могут достигать десятков тонн с гектара. Эрозии почв при отсутствии растительного покрова способствуют интенсивное таяние снега, ливневые осадки, широкое распространение легкоразмываемых грунтов (лессовидных суглинков) и значительные уклоны.

Коэффициентом увлажнения (по Н.Н. Иванову) К называют отношение количества выпадающих на данной территории осадков Р к испаряемости Ео. Это отношение показывает, в какой мере выпадающие осадки возмещают испарение, возможное с открытой водной поверхности при данных климатических условиях. Коэффициент увлажнения служит одним из индексов распознавания ландшафтно-климатических зон. Количество осадков определяет запасы активной влаги в геосистеме, а испаряемость характеризует потребность во влаге для эффективного функционирования геосистемы при имеющихся запасах тепла. Величина К, близкая к единице, соответствует оптимальному соотношению тепла и влаги - выпадающие осадки полностью испаряются - и обеспечивает наибольшую биопродуктивность. Поэтому максимумы биологической продуктивности и запасов биомассы приходятся на границу широколиственных лесов и лесостепи, а также на границу экваториальной зоны.

К северу от лесостепи наблюдается рост избыточного увлажнения (К > 1) при недостатке тепла. В результате возрастает сток и заболачивание, а биологическая продуктивность падает. Между лесостепью и экваториальной зоной расположен обширный пояс недостаточного увлажнения (К < 1) при избытке тепла. Здесь уменьшаются биопродуктивность, интенсивность стока и почвообразования, развивается засоление.

Термический режим территории определяет и особенности формирования органической составляющей почв. Так, Д.С. Орлов отмечает, что направление процесса гумификации обусловлено отбором наиболее устойчивых в почвенной биотермодинамической обстановке органических веществ и их соединений с минеральными компонентами почвенной массы. Глубина гумификации, то есть степень переработки растительных остатков в гуминовые вещества, зависит от скорости и длительности процесса гумификации. В свою очередь, скорость разложения органики обусловлена почвенно-химическими и климатическими характеристиками, стимулирующими или тормозящими деятельность микроорганизмов. В гумусных горизонтах почв умеренного климатического пояса глубина гумификации с высокой надежностью коррелирует с продолжительностью периода биологической активности почв и может быть спрогнозирована по величине ПБА. При равной величине ПБА доминирующим фактором формирования гумуса становится химический или минералогический состав почвенной массы. Рассмотренные закономерности известны как общие правила гумусообразования.

Период биологической активности почв - это отрезок времени, в течение которого сохраняются благоприятные условия для нормальной вегетации растений и активной микробиологической деятельности, а также высокая скорость биогеохимических процессов. По сути - это период года, в течение которого температура воздуха устойчиво превышает 10 оС, а запасы продуктивной влаги в почве составляют не менее 2 %. ПБА считается более удобной мерой напряженности процесса гумификации по сравнению с парой - коэффициент увлажнения и температура почвы (табл. 1).

Таблица 1 - Зависимость содержания гумуса в почвенном горизонте А1 от ПБА

ПочвыПБА, дниГумус, %Тундровые Глее- и болотно-подзолистые Подзолистые, подзолы Дерново-подзолистые Серые лесные Черноземы: выщелоченные типичные обыкновенные южные Каштановые Бурые полупустынные Серо-бурые50 70 92 110 130 144 154 170 170 140 90 731,7 1,9 0,4 1,7 3,1 4,2 4,9 4,2 2,7 1,5 0,7 0,3

Ни один из отдельно взятых климатических показателей (температура, влажность, коэффициент увлажнения, гидрофакторы), как и их сочетания, не дают столь ясной и однозначной положительной корреляционной связи с гумусным состоянием почвы, как ПБА. Однако любой из перечисленных показателей обнаруживает положительную или отрицательную корреляцию с глубиной гумификации в пределах южной (черноземы - сероземы) или северной (черноземы - подзолы) ветвей зонально-генетического ряда почв. Но только ПБА охватывает всю совокупность почв.

В почвах северной ветви ряда ограничивающим гумификацию фактором является главным образом длительность вегетационного периода, а в почвах южной ветви - недостаток влаги.

Понятно, что общие закономерности гумусообразования существенно сложнее изложенных в этих методических указаниях.

Наличие в составе почвенной массы гумуса обеспечивает водопрочность почвенных агрегатов и реализацию других физических и химических свойств почвы. Поэтому содержание гумуса считается важным фактором, контролирующим скорость эрозии почв и грунтов.

В науках о Земле совокупность процессов сноса и удаления мелкозема с последующей его аккумуляцией на поверхностях, угол наклона которых меньше угла естественного откоса1, объединяют понятием денудация (от лат. denudare - обнажать). Главной движущей силой процессов считают силу тяжести. Она проявляет себя непосредственно, а также через движение различных сред. Различают денудацию плоскостную, при которой снос не сосредоточен на каких-либо локальных участках, и линейную. Денудация любого вида осуществляется агентами денудации. Главными агентами наземной денудации признают работу проточных вод (эрозия), ветра (дефляция2), живых организмов, а в последнее тысячелетие - и человека.

Термином эрозия (от лат. erosio - размывание) обозначают процессы разрушения горных пород и грунтов водными потоками, что ведет к образованию различных генетических типов3 отложений, формированию разветвленной сети стока, изменению параметров рек как динамических систем, общему снижению уровня поверхности водосборных бассейнов. В зарубежной литературе термины «эрозия» и «денудация» считаются синонимами, а в отечественной литературе многие авторы их различают.

Исходные данные, на основании которых была получена модель эрозионных потерь обрабатываемых почв европейской территории страны, приведены в табл. 2, а сама модель в графическом виде - на рис. 1.

По данным табл. 2 с помощью программного пакета Statistica 4,0 определены коэффициенты регрессионной модели вида:

= Lg (S осадков); B = Lg (T £ 0o); R = Lg (Эрозионные потери);

R = X1×A + X2×B + Y1×A×B + X3×A2 + X4×B2 + Y2×A2×B2 + X5×A3 + X6×B3 +

+ Y3×A3×B3 + X7×A4 + X8×B4 + Y4×A4×B1 + Z (KK = 0,995) (формула 1)

Таблица 2 - Исходные данные для построения модели эрозионных потерь почв ЕТР

№Регион ЕТР, столица«Почвы СССР» (1979)СНиП 23-01-99ИндексТип почвС Орг. В., %Тср, оСS осадков IV-XI, мм12345671 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Архангельск Астрахань Калмыкия Сыктывкар* Краснодар Москва Мурманск Псков Ростов-на-Дону Самара Волгоград Ставрополь Петрозаводск** ТулаВ1 В2 И1 И1 Ж3 В1 Ж2 В3 В4 А2 В1 В3 Ж2 Ж2 Ж1 Ж3 И1 Ж2 Ж3 В1 В4 Ж1Глееподзолистые Подзолистые Св.-каштановые и бурые Темно-каштановые и каштановые Глееподзолистые О обыкновен. и юж. черноземы Дерново-подзол. Серые лесные Тундровые Глееподзолистые Дерново-подзол. Оподзол., выщ. и типич. черноземы Глееподзолистые Серые лесные3,5 1,9 2,5 3,0 5,8 7,3 4,8 8,0 5,8 7,2 2,5 4,5 3,0 7,50,8 9,5 8,9 0,4 11,1 4,1 0,2 4,8 8,9 4,2 8,0 9,1 2,3 4,7402 126 229 404 393 443 322 424 336 307 212 457 589 411* Республика Коми. ** Карелия. Тср - среднегодовая температура воздуха.

Численные значения коэффициентов модели (1) приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Значения коэффициентов регрессионного уравнения

№КоэффициентЗначениеКоэффициентЗначение1 2 3 4 5 6 7X1 X2 X3 X4 X5 X6 X74626,972 - 1734,686 - 2981,763 1260,279 848,750 - 418,996 - 91,679X8 Y1 Y2 Y3 Y4 Z53,190 102,980 - 17,180 0,817 0,926 - 1941,789

Эрозионные потери обрабатываемых почв европейской территории страны определяются по формуле:

ЭП = 10R, т/(га×год)

В графическом виде двухпараметрическая зависимость представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Поле логарифма эрозионных потерь почв в пределах ЕТР

Палетка, позволяющая оценить эрозионные потери, представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Оценка эрозионных потерь с использованием палетки на примере Тульской области

Статистически достоверная связь между продолжительностью периода отрицательных температур (T£0) и среднегодовой температурой воздуха (Tср) выражается зависимостью вида, дни:

£0 = 165,874 × lg(-1,669×Tср + 22,628) - 47,714

В графическом виде эта зависимость представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Зависимость продолжительности периода отрицательных температур от величины среднегодовой температуры воздуха

Метод определения потенциальной опасности эрозии под воздействием дождей изложен в ГОСТ 17.4.4.03 - 86. Метод основан на определении факторов атмосферных осадков, рельефа, устойчивости почв к эрозии и применяемых агротехнических мероприятий, влияющих на общие эрозионные потери.

Согласно ГОСТ 17.4.4.03 - 86, годовые эрозионные потери почв А определяются по формуте, т/(га×год):

= R×K×L×S×C×P,

где R - фактор эродирующей способности дождей; K - фактор податливости почв эрозии, т/(га×год); L - фактор длины склона; S - фактор крутизны склона; C - фактор растительности и севооборота; P - фактор эффективности противоэрозионных мероприятий.

Перечисленные факторы являются среднегодовой характеристикой отражаемого ими явления. В том случае, если численное значение фактора не установлено и/или вклад фактора не учитывается, ему присваивается значение 1. Расчет численных значений факторов требует привлечения обширной информационной базы и результатов экспериментальных исследований.

К примеру, для определения фактора К в различных почвенных условиях используют результаты прямых измерений количества смытой почвы на стандартных стоковых площадках на черном паре. В этих условиях L = S = C = P = 1, а численное значение К прямо пропорционально количеству смытой со стоковой площадки почвы. Черный пар - поле севооборота1, не занимаемое посевами в течение всего года или большей его части и содержащееся в рыхлом и чистом от сорняков состоянии. Пар - средство повышения плодородия почвы и накопления в ней влаги.

Фактор растительности и севооборота С представляет собой отношение эрозионныхпотерь почвы при соответствующих культурах или севооборотах, обработанных поперек склона, к потерям почвы на черном паре, обрабатываемом вдоль склона (рис. 4): С|культура = А^ / Апар.

Рисунок 4 - Направления обработки земель на склоне

Фактор эффективности противоэрозионных мероприятий Р вычисляют по отношению среднегодовых эрозионных потерь почвы при проведении отдельных агротехнических мероприятий (формирование поверхности, пахота, сев) к почвенным потерям при обработке участка вдоль склона (табл. 4).

Таблица 4 - Значения фактора Р для различных мероприятий (ГОСТ 17.4.4.03 - 86)

Вид противоэрозионного мероприятияЗначения РОбработка и посев поперек склона при крутизне склона от 1,0 до 12 % Стокозадерживающие борозды в междурядьях при полосном возделовании пропашных культур (за исключением табака) и многолетних насаждений Стокоотводящие борозды в междурядьях пропашных культур и через определенное расстояние для площадей с культурами сплошного полосного сева Мульчирование полосных посевов стерневыми остатками ржи Травяные буферные полосы шириной 2,5 м в многолетних насаждениях: в каждом междурядье (поперек склона) через одно междурядье (поперек склона) через одно междурядьев сочетании со стокозадерживающими бороздами Обрабатываемые валы-терассы (поперек склона) вместе с эффектом обработки и посева по горизонталям склона при крутизне склона от 2,0 до 12 %0,57 0,06 0,35 0,07 0,04 0,03 0,02 0,11

После установления численных значений факторов рассчитывают потенциальную опасность водной эрозии для каждой конкретной хозяйственной площади. Вычисленные значения сравнивают с допустимыми нормами эрозионной опасности для соответствующего типа почв. В случае, если расчетная величина превышает нормативную, для данного земельного участка опасность водной эрозии существенная, и следует подобрать противоэрозионные мероприятия.

Допустимая норма эрозии почвы - это максимальное количество смытой с 1 га почвы, которое не превышает темпы почвообразовательного процесса. При установлении норм эрозии учитывают мощность почвенного профиля, среднегодовые эрозионные потери почв в естественных условиях, интенсивность современного почвообразовательного процесса и технологические особенности проведения противоэрозионных мероприятий.

В зависимости от интенсивности эрозионных процессов обрабатываемые почвы делят на 5 классов (табл. 5).

Таблица 5 - Классы опасности потенциальной водной эрозии почв (ГОСТ 17.4.4.03 - 86)

КлассИнтенсивность водно-эрозионного процесса, т/(га×год)I II III IV VДо 0,49 От 0,5 до 0,99 От 1 до 4,99 От 5,0 до 9,99 От 10,0 до 50 и более

Результаты оценки пахотных земель с точки зрения опасности водной эрозии наносят на картографическую основу и выделяют классы потенциальной опасности. Участки разных классов окрашивают в различные цвета.

Задание для выполнения

. Записать название и цель занятия.

. Письменно дать определения и ответить на вопросы:

что называют почвой и земельными ресурсами;

какими факторами определяется состояние земельных ресурсов;

в чем состоит опасность снижения темпов химизации сельскохозяйственных земель;

какие типы ландшафтов представлены на территории Тульской области;

что характеризует величина коэффициента увлажнения в плане биопродуктивности ландшафтов;

какова связь между климатическими особенностями территории и гумусным состоянием почв;

что называют периодом биологической активности почв;

какой компонент почвенной массы обеспечивает противодействие почв эрозии и почему;

что называют водной эрозией и каковы её результаты.

. Оценить потенциальную опасность водной эрозии пахотных земель ЕТР.

.1. В соответствии с исходными данными вашего варианта, приведенными в табл. 6, по формуле 3 рассчитать продолжительность периода отрицательных температур T£0, дни. Результат расчета округлить до целых и взять от него десятичный логарифм.

.2. Сумму осадков за апрель - ноябрь принять в соответствии с таблицей 6 и взять от величины суммы деятичный логарифм.

.3. Подставить значения логарифмов в формулу 1 и рассчитать показатель степени R.

.4. Определить эрозионные потери почв в т/(га×год) по формуле 2.

.5. Сравнивая результат пункта 3.4 с данными табл. 5, определить класс опасности водной эрозии почвы.

.6. Принять в качестве фоновой величины водной эрозии смыв почвы на Курском стационаре Института географии РАН (пахотные угодья1):

,25 т/(га×год).

Определить, во сколько раз интенсивность водной эрозии на исследуемом участке превышает фоновую величину.

.7. В соответствии с данными табл. 4, подобрать противоэрозионное мероприятие, снижающее интенсивность водной эрозии почвы до фоновой величины.

.8. Письменно сделать заключение о возможности снижения негативных последствий природопользования на изучаемой территории.

Таблица 6 - Исходные данные для проведения расчета

№ вариантаСтолица региона ЕТРСНиП 23-01-99Тср, оСS осадков IV-XI, мм1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Архангельск Астрахань Элиста (Калмыкия) Сыктывкар (Республика Коми) Краснодар Москва Мурманск Псков Ростов-на-Дону Самара Волгоград Ставрополь Петрозаводск (Карелия) Тула0,8 9,5 8,9 0,4 11,1 4,1 0,2 4,8 8,9 4,2 8,0 9,1 2,3 4,7402 126 229 404 393 443 322 424 336 307 212 457 589 411

Список литературы

1. Снакин В.В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. Под ред. академика А.Л. Яншина. - М.: Academia, 2000. - 384 с.

. Григорьев Ал.А., Кондратьев К.Я. Глобальные природные ресурсы // Известия РГО. 1998. Том 130. Вып. 1, с. 5-15.

. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы: функционально-экологический подход. - М.:, Наука, МАИК Наука / Интерпериодика, 2000. - 185 с.

. Россия и её регионы: внешние и внутренние экологические угрозы. - М.: Наука, 2001. - 216 с.

. Ландшафты СССР.

. Почвы СССР.

. Исаченко А.Г. Оптимизация природной среды. - М.: Мысль, 1980. - 264 с.

. Орлов Д.С. Химия почв: учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1992. - 400 с.

. Науки о Земле/ Э.М. Соколов, Е.И. Захаров, А.В. Волков, И.В. Панфёрова, А.И. Сычев: Учебник для вузов. - М.-Тула: ИПП Гриф и К, 2001. - 514 с.

. ГОСТ 17.4.403 - 86.

. СНиП 23-01-99.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1 ОЦЕНКА ВИДОВОГО БИОРАЗНООБРАЗИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ Задачи

Больше работ по теме: