Методы_экологических_исследований. Учебное пособие для студентов, обучающихся по программе бакалавриата направления Экология и природопользование
 Скачать 1 Mb.
|
|
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» Институт медицины, экологии и физической культуры Экологический факультет Кафедра биологии, экологии и природопользования Ж.А. Антонова, Е.В. Рассадина МЕТОДЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Учебное пособие для студентов, обучающихся по программе бакалавриата направления «Экология и природопользование» Ульяновск – 2015 2 УДК 50.502 ББК 20.1 А 72 А72 Методы экологических исследований: учебное пособие / Ж.А. Антонова, Е.В. Рассадина.- Ульяновск: УлГУ, 2015.-109 с. Рецензенты: Жуков К.П. - доцент кафедры общей и биологической химии Ульяновского государственного университета, кандидат биологических наук. Евсевичева Ю.С. - доцент кафедры химии, технологии композиционных материалов и промышленной экологии Ульяновского государственного технического университета, кандидат биологических наук. Авторы: Антонова Ж.А. – доцент кафедры общей экологии и природопользования, УлГУ, кандидат биологических наук. Рассадина Е.В. - доцент кафедры общей экологии и природопользования, УлГУ, кандидат биологических наук. В учебном пособии приводятся и всесторонне характеризуются группы методов широко применяемых в экологических исследованиях: мониторинга, микроскопические, изоферментного анализа, рентгеноструктурного анализа, биоморфологического анализа, группового анализа, морфофизиологических индикаторов, интродукционный, индикации загрязнения среды, дистанционного исследования экосистем, атомно-адсорбционной спектрофотометрии. Пособие дополнено кратким словарем основных терминов Данное издание может быть использовано в учебном процессе студентами экологических и географических специальностей. Издается по решению учебно-методического совета ИМЭиФК Ульяновского государственного университета УДК 50.502 ББК 20.1 © Антонова Ж.А., 2015 ©Ульяновский государственный университет, 2015 3 Введение Взаимосвязи и взаимозависимость многих живых систем достаточно сложны в большинстве случаев, поэтому они обуславливают массу методов экологических исследований. Методы экологии подразделяются на полевые (изучение жизни организмов и их сообществ в естественных условиях, т. е. длительное наблюдение в природе с помощью различной аппаратуры) и экспериментальные (эксперименты в стационарных лабораториях, где имеется возможность не только варьировать, но и строго контролировать влияние на живые организмы любых факторов по заданной программе). При этом экологи оперируют не только биологическими, но и современными физическими и химическими методами, используют моделирование биологических явлений, т. е. воспроизведение в искусственных экосистемах различных процессов, происходящих в живой природе. Посредством моделирования можно изучить поведение любой системы с целью оценки возможных последствий применения различных стратегий и методов управления ресурсами, т. е. для экологического прогнозирования. Для изучения и прогнозирования природных процессов широко используется также метод математического моделирования. Такие модели экосистем строятся на основе многочисленных сведений, накопленных в полевых и лабораторных условиях. При этом правильно построенные математические модели помогают увидеть то, что трудно или невозможно проверить в эксперименте. Однако сама по себе математическая модель не может служить абсолютным доказательством правильности той или иной гипотезы, но она служит одним из путей анализа реальности. Сочетание полевых и экспериментальных методов исследования позволяет экологу выяснить все аспекты взаимоотношений между живыми организмами и многочисленными факторами окружающей среды, что 4 позволит не только восстановить динамическое равновесие природы, но и управлять экосистемами. 5 1. Классификация методов применяемых в экологических исследованиях Среди методов, используемых в экологии, по особенностям их применения, можно выделить как общенаучные, так и частные, только экологические методы. В соответствии с другой классификацией, методы экологии можно подразделить на: лабораторные и полевые. Последние, в свою очередь, делятся на следующие методы: маршрутные, стационарные, описательные и экспериментальные. Полевые исследования в экологии наиболее значимы, поскольку именно они позволяют изучать экологические явления непосредственно в природной среде. Они позволяют установить взаимосвязи организмов со средой, выявить экологические факторы среды и определить адаптации живого к среде. 2. Общенаучные методы исследований Среди общенаучных методов выделяют: наблюдение и описание; сравнительный метод; исторический метод; экспериментальный метод; метод моделирования; статистический метод, и т.д. Экология имеет свою специфику: объектом ее исследования служат не только единичные особи — организмы, но и целые группы особей — популяции и их сообщества — биогеоценозы и даже биосфера. Многообразие связей, формирующихся на уровне разных по сложности биологических систем, обусловливает большое разнообразие методов экологических исследований, выявляющих количественное участие особей, видов и их качественную оценку состояния в условиях обитания. Реализуются они в большом разнообразии приемов полевых и лабораторных исследований экологических свойств природы. Полевые методы исследования для эколога имеют первостепенное значение. Они обеспечивают возможность изучения свойств живых 6 организмов, популяций, сообществ и биосферы в их естественной обстановке, непосредственно в природной среде. Именно полевые методы исследования для экологии имеют первостепенное значение, так как по- зволяют обнаружить взаимосвязи организмов, видов и сообществ со средой, установить общую картину развития природы в конкретных условиях того или иного региона, выяснить комплекс факторов и их воздействие в природной обстановке. Полевые исследования подразделяются на: маршрутные, стационарные, описательные и экспериментальные. Маршрутные методы используются главным образом для выяснения наличия экологических объектов (например, присутствие тех или иных жизненных форм организмов, экологических групп, фитоценозов, охраняемых видов, комплекса факторов среды и т. п.), их разнообразия и встречаемости на исследуемой территории. Основными приемами здесь выступают: прямое наблюдение, оценка состояния, измерение, описание (например, описание исследуемых площадок или отдельных представителей живого мира, наблюдение фенологического состояния организмов конкретного вида и т. п.), составление схем, карт и инвентаризационных списков исследуемых объектов. Стационарные методы — это методы длительного (сезонного, круглогодичного или многолетнего) наблюдения за одними и теми же природными объектами, требующие неоднократных описаний, замеров изменений, происходящих у наблюдаемых объектов. Стационарные методы обычно совмещают в себе полевые и лабораторные методики. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики, физики, химии, географии, статистики и др. 7 2.1. Описание и наблюдения широко применяются в стационарных исследованиях при регистрации основных особенностей изучаемых объектов, прямом наблюдении, выявлении факторов воздействия, картировании экологических явлений, инвентаризации ценных природных объектов и пр. 2.2. Сравнительный метод, как универсально применяемый, относится к общенаучным методам исследований. По своему функциональному назначению и способам использования, является эмпирическим. На практике различают ряд его форм. Например, сравнительно-сопоставительный метод, выявляющий природу разнородных объектов; сравнительно-историко- типологический, раскрывающий сходство не связанных по своему происхождению явлений одинаковыми условиями генезиса и развития; сравнительно-историко-генетический, показывающий сходство явлений как результат их родства по происхождению; сравнение, фиксирующее взаимовлияния различных объектов и явлений. В прикладных исследованиях сравнительный метод используется в качестве основного при классификации, типологии, оценке, генерализации. Он позволяет разделить общие и отличительные признаки и свойства изучаемых объектов и процессов их развития. Успешное применение сравнительного метода подразумевает унификацию приѐмов наблюдения, включая стандартизацию исходных данных и получаемых результатов. Недостатком сравнительного метода является неспособность, в ходе его использования, управлять истинно «независимыми» переменными исследуемого объекта при возможном влиянии, неизвестными способами, этих переменных на значимые показатели, в которых предполагается прямая причинная или сопутствующая связь. В экологических исследованиях используется так же исторический метод, который изучает ход развития исследуемого объекта. 8 2.3. Эксперимент - метод эмпирического исследования. В эмпирическом исследовании используются специфические методы: наблюдение, эксперимент, в том числе мысленный, описание с элементами объяснения, измерение, сравнение. В данном параграфе мы рассмотрим эксперимент. Обратимся к определению эксперимента. «Эксперимент – активное и целенаправленное вмешательство в протекание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях». В эксперименте объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заданные условия, которые отвечают целям исследования. В ходе эксперимента изучаемый объект изолируется от побочных влияний, затемняющих его сущность, и представляется в «чистом виде». Конкретные условия эксперимента не только задаются, но и контролируются, модернизируются, многократно воспроизводятся и изменяются. Эксперимент осуществляется, как взаимодействие объектов, протекающее по естественным законам; как искусственное, человеком организованное действие. Любой научный эксперимент всегда направляется какой-либо идей. Рассмотрим особенности эксперимента. 1) Сравнивая эксперимент с наблюдением, следует отметить, что эксперимент является более активным по отношению к объекту. В ходе опытного исследования объект может быть преобразован. 2) Эксперимент может быть многократно повторен в целях дальнейшего исследования. 3) Именно опытным путем ученый может обнаружить такие свойства объекта, которые никак не проявляются в естественных условиях. 4) Важной чертой эксперимента является возможность варьирования условий его проведения. В методологии науки принято выделять 4 стадии опытных исследований: 9 1) планирование эксперимента; 2) построение эксперимента, включающее цель, тип, средства, методы и т.д.); 3) контроль эксперимента; 4) теоретическое обобщение результатов эксперимента. Рассмотрим структуру эксперимента. 1) Субъект исследования, тот, кто проводит опыт. 2) Объект исследования, то на что направлен опыт. 3) Научное оборудование. Сюда же относятся приборы, которые являются своеобразными усилителями органов чувств. Они позволяют исследовать то, что недоступно наблюдению. Совокупность научных приборов объединяются в сложные экспериментальные установки. При всей значимости приборов они могут оказывать негативное воздействие на проведение эксперимента, поэтому исследователь должен свести к минимуму эти воздействия. История науки показала, что научное открытие приводит к совершенствованию экспериментальной техники. 4) Методика проведения эксперимента, зависящая от области и предмета исследования. 5) Теоретическая гипотеза, которую требуется подтвердить или опровергнуть в ходе опыта. Эксперимент имеет две возможные функции: опытная проверка гипотез и теорий, а также формирование новых концепций. В зависимости от функций выделяют виды научных опытов: поисковые, контрольные (проверочные), воспроизводящие, изолирующие и т. д. Различные виды экспериментов можно выделить и в зависимости от характера исследуемых объектов. Выделяют физические, химические, биологические, социальные и другие эксперименты. Также различают качественные и количественные эксперименты. Качественный эксперимент имеет целью установить наличие или отсутствие 10 предполагаемого теорией явления. Количественный эксперимент выявляет количественную определенность какого-либо свойства изучаемого явления. Этот опыт более сложен, чем качественный. 2.4. Понятие экологического эксперимента В экологии часто используются методы, применяемые в других науках, как в биологических (биогеохимия, анатомия, физиология, и др.), так и небиологических (физика, химия, геодезия, метеорология и др.). Но для выявления специфики экологических закономерностей существуют исключительно собственные – экологические методы. Они делятся на полевые, лабораторные, экспериментальные, количественные (математическое моделирование) методы. Экология имеет свою специфику: объектом еѐ исследования служат не единичные особи, а группы особей, популяции (в целом или частично) и их сообщества, т.е. биологические макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований. Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования, т.е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. При этом обычно используются методы физиологии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук. Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологическими. Однако между ними имеется принципиальная разница. Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нѐм, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, т.е. на совместное воздействие этих факторов при строгом учѐте сезонной цикличности жизнедеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности. 11 Полевые методы позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определѐнного комплекса факторов, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. Однако наблюдения не могут дать вполне точного ответа, например, на вопрос, какой же из факторов среды определяет характер жизнедеятельности особи, вида, популяции или сообщества. На этот вопрос можно ответить только с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе отношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Экспериментальные методы позволяют проанализировать влияние на развитие организма отдельных факторов в искусственно созданных условиях и таким образом изучить всѐ разнообразие экологических механизмов, обусловливающих его нормальную жизнедеятельность. На основе результатов аналитического эксперимента можно организовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выводы, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной проверки в природе. Это даѐт возможность глубже понять естественные экологические отношения популяций и сообществ. Эксперимент в природе отличается от наблюдения тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго дозировать тот или иной фактор и точнее, чем при наблюдении, оценить его влияние. Эксперимент может носить и самостоятельный характер. Например, результаты изучения экологических связей насекомых дают возможность установить факторы, влияющие на скорость развития, плодовитость, выживаемость ряда вредителей (температура, влажность, пища). В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, популяцию или сообщество вполне возможно. Примером экологических экспериментов широких масштабов могут служить исследования, проводимые при создании лесозащитных полос, при мелиоративных и 12 различных сельскохозяйственных работах. Знание при этом конкретных экологических особенностей многих растений, животных и микроорганизмов позволяет управлять деятельностью тех или иных вредных или полезных организмов. В современных условиях экологические исследования играют существенную роль в решении ряда теоретических и практических задач. Динамика численности организмов, сезонное развитие, расселение и акклиматизация полезных и вредных видов, прогнозы размножения и распространения – вот основные в настоящее время экологические проблемы. Разработка их требует рационального сочетания полевых, лабораторных и экспериментальных исследований, которые должны взаимно дополнять и контролировать друг друга. Экспериментальные методы отличаются от полевых тем, что организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно дозировать размер изучаемого фактора, следовательно, можно точнее, чем при обычном наблюдении, оценить его влияние. При этом выводы, полученные в лаборатории, требуют обязательной проверки в полевых условиях. В качестве примеров экологических экспериментов можно привести исследования осветления насаждений, влияния разных доз удобрений, вносимых под сельскохозяйственные культуры и т.д. Широко известен метод изучения конкурентных взаимоотношений деревьев в лесу путем ограничения определенной площади (площади питания). 2.5. Стадии экологического эксперимента Эксперимент включает 5 последовательных стадий: гипотеза, планирование, реализация, статистический анализ и интерпретация. Гипотеза обладает первоочередной важностью, поскольку если она не удовлетворяет некоторым критериям качества, то даже самый правильно проведенный эксперимент будет иметь не слишком большую ценность. 13 Под планированием эксперимента понимается лишь логическая структура исследования. Полное описание целей эксперимента должно включать спецификацию природы используемых экспериментальных единиц, число и характер применяемых воздействий (включая "контрольные" воздействия), а также свойства или отклики (параметры экспериментальных единиц), которые предполагается измерять. Когда решение по этим вопросам принято, план эксперимента определяет схему, согласно которой для каждой доступной экспериментальной единицы назначается уровень воздействия. При этом определяется число экспериментальных единиц (повторностей), получающих воздействие каждого уровня, устанавливается физическое расположение экспериментальных единиц, а также частота или временная периодичность, с которой реализуются воздействия и осуществляются измерения контролируемых факторов на различных экспериментальных единицах. Реализация эксперимента включает весь комплекс процедур и операций, в отношении которых осуществлялось планирование. Успешное осуществление в равной мере зависит от искусства экспериментатора, его проницательности и рассудительности, а также от его технических навыков. Непосредственной задачей исследователя обычно является выполнение технических операций эксперимента таким образом, чтобы избежать систематических ошибок (отклонений) и минимизировать случайные ошибки. Если изучается влияние хищника, охотящегося в приливной зоне, то расположение клеток, блокирующих хищника, не должно иметь прямого влияния на поведение экосистемы, за исключением самого хищника. Если изучается влияние питательных веществ на биомассу планктона в пруду, то отбор проб должен выполняться посредством устройства, производительность которого не зависит от обилия планктона. Систематические ошибки, допущенные как в распределении воздействий, так и в процедурах измерения или отбора проб, делают эксперимент некорректным, а его выводы неубедительными. 14 Субъективным образом также решается вопрос о том, какова допустимая или желательная изначальная гетерогенность между экспериментальными единицами и в какой степени следует регулировать условия среды в ходе эксперимента. Эти обстоятельства влияют на величину случайных ошибок и потому – на оценку чувствительности изучаемых объектов по отношению к воздействию. Они также влияют на конкретную интерпретацию результатов, хотя сами по себе цели исследования не определяют. Из изложенного ясно, что планирование эксперимента и особенности его реализации в равной степени определяют обоснованность исследования и его итоги. Хотя в практическом смысле реализация – это более критичный аспект эксперимента, нежели его планирование. Действительно, ошибки при осуществлении эксперимента обычно возникают в большем числе этапов исследования, более многообразны и часто более коварны, чем ошибки при планировании. Следовательно, погрешности реализации обнаружить обычно сложнее, чем просчеты в планировании, как самому экспериментатору, так и читателю его отчетов. Именно эти коварные эффекты ошибок, которые иногда просто невозможно обнаружить, делают этап реализации наиболее ответственным за корректность конечного результата исследования. Однако ошибки процесса реализации эксперимента далее рассматриваться не будут, несмотря на столь важное их значение как источника проблем. В экспериментальной работе основная функция статистики – увеличить четкость, выразительность и объективность, с которыми результаты представляются и интерпретируются. Статистический анализ и интерпретация – наименее критичные аспекты экспериментирования в том смысле, что если допускаются чисто статистические или интерпретационные ошибки, то данные могут быть проанализированы заново. В то время как единственным абсолютным средством исправления ошибок планирования или реализации является только повторение эксперимента. 15 |