_{экология}



Архангельск

2011

Министерство образования и науки Российской Федерации

Северный (Арктический) федеральный университет
ЭКОЛОГИЯ
Методические указания

к практическим и лабораторным занятиям

Архангельск

2011

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией института энергетики и транспорта Северного (Арктического) федерального университета

Составители:

Тюкавина О. Н., доцент, канд. с.-х. наук,

Нечаева И. С., доцент, канд. с.-х. наук,

Клевцов Д.Н., доцент, канд. с.-х. наук.

Рецензент:

Бабич Н. А., проф., доктор с.-х. наук.

УДК 574+502.1
Экология [Текст]: методические указания к практическим и лабораторным занятиям/ сост.: О. Н. Тюкавина, И. С. Нечаева, Д.Н. Клевцов. – Архангельск: С(А)ФУ, 2011. – 42 с.

Подготовлены кафедрой экологии и защиты леса.

Настоящие методические указания могут быть использованы при проведении практических и лабораторных занятий по экологии. В работе даны общие сведения об экологии и охране природы, влиянии факторов среды на жизнедеятельность организмов, приведены основные понятия биогеоценоза и биосферы.

Предназначены для студентов института энергетики и транспорта специальностей 190601, 190603, 190500, 150400.

Ил. 8. Табл. 37. Библиогр. 10 назв.

©Северный (Арктический)

федеральный университет, 2011

© Тюкавина О.Н., Нечаева И.С.,

Клевцов Д.Н., 2011

ВВЕДЕНИЕ
Экология – наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой.

В современных условиях кризисного состояния биосферы понятие экологии расширилось, поэтому в современном понимании экология – это также наука о состоянии окружающей среды, воздействии на нее хозяйственной деятельности и последствиях этого воздействия, способах предотвращения разрушения биосферы и принципах рационального природопользования. Задачи экологии заключаются в выявлении естественных законов, которые обеспечивают нормальное существование живых организмов. Главная цель экологии – вывести человечество из глобального экологического кризиса на путь устойчивого развития, при котором достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущих поколений.

Негативность развития промышленности, транспорта и других форм деятельности человека имеют более широкий диапазон, чем просто влияние на здоровье человека и условия его жизни. Речь идет о нарушении функционирования природных сообществ живых организмов, совокупная деятельность которых обеспечивает саму возможность существования жизни. Человечеству необходимо осознать, что ухудшение состояния окружающей среды является большей угрозой для нашего будущего, чем военная агрессия. За ближайшие несколько десятилетий человечество способно ликвидировать нищету и голод, избавиться от социальных пороков, возродить культуру и восстановить памятники архитектуры, имея финансовые возможности, а возродить разрушенную природу. Потребуются столетия, чтобы приостановить её дальнейшее разрушение и отодвинуть приближение экологической катастрофы в мире. Следовательно, устойчивое развитие регионов, высокое качество жизни и здоровье населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при условии сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды

Целью изучения учебной дисциплины «Экология» является формирование общих основ системного взгляда на природные и техногенные процессы как базы для оптимизации деятельности и поведения человека в окружающем мире с целью поиска путей относительно стабильного и устойчивого развития общества.

1. ОРГАНИЗМ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Миллиарды лет эволюции привели к появлению на нашей планете организмов, различия между которыми достигают колоссальных размеров. В то же время у животных и растений, у мельчайших бактерий и гигантского дерева секвойи есть общее свойство – все они состоят из клеток. Главная особенность живых организмов заключается в том, что они представляют собой открытые системы, которые обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. В связи с этим факторы окружающей среды оказывают влияние на внутреннее строение, внешний облик, скорость протекания обменных процессов в организме и на их жизнеспособность. Так у растений в водной среде нет механической ткани, но есть воздухоносная ткань аэренхима. У наземных растений обязательна механическая ткань, покровная ткань кутикула, но отсутствует аэренхима. Каждый организм находится в окружении природных тел и явлений (почва, свет, температура, влажность, другие организмы, а также различные формы рельефа), совокупность которых называется средой обитания или окружающей средой организма. Приспособление организма к среде обитания называется адаптацией. Адаптация – это любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание. Результатом адаптации выступает формирование определенной жизненной формы. Жизненная форма – целесообразное сочетание всего вегетативного тела (габитуса) с внешней средой. Следовательно, внешний облик, внутреннее строение зависит от отдельных свойств и элементов среды, которые называются экологическими факторами. Экологические факторы подразделяются на 3 группы: абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живой организм (температура, свет, давление, влажность воздуха ветер и т.д.). Биотические факторы – это совокупное влияние жизнедеятельности организмов на другие организмы и неживую природу. Антропогенные факторы – это совокупное воздействие человека на живые организмы и неживую природу.

Задание 1. Рассмотреть влияние абиотического фактора (воды) на строение живого организма на примере стебля рдеста, стебля клевера (рис. 1.1, 1.2), определить их условия обитания. Заполнить таблицу 1.1.
Таблица 1.1.- Определение жизненной формы клевера, рдеста.

Признак	Клевер	Рдест
Наличие кутикулы
Наличие устьиц
Наличие механической ткани
Наличие аэренхимы
Условия обитания

Рисунок 1.1. -

Строение стебля рдеста:

1 – эпидермис; 2 - аэренхима; 3 -диафрагма; 4 – проводящие элементы



Рисунок 1.2. -

Строение стебля клевера:

1 – эпидермис с кутикулой; 2 -механическая ткань;

3 – сосудисто-волокнистые пучки;

4 – сердцевина;

5 – устьице.

Задание 2. Рассмотреть влияние биотического фактора на примере внутривидовой и межвидовой конкуренции. Проанализировать результаты опыта с 2 родами мучных жучков (табл. 1.2).

Опыт проводился с исходным одинаковым количеством самок и самцов. Составить графики изменения численности жуков. Отметить начало внутривидовой и межвидовой конкуренции в чистой и смешанной культуре.

Таблица 1.2. - Взаимоотношения жуков в смешанной культуре

Исходное число жуков	Число жуков в потомстве в чистой культуре, шт.	Число жуков в потомстве в сме­шанной культуре, шт.
		Cryptolestes	Carhartus
4	101	86	208
8	108	210	185
16	276	230	164
32	427	414	121
64	340	460	78

Задание 3. Рассмотреть влияние антропогенного фактора на примере влияния выбросов ЦБК на рост березы (приложение 1). Найти средние значения площади листа березы в лесу и рядом с ЦБК, средние значения прироста в высоту у березы. Эти данные занести в таблицу 1.3. В выводе сравнить, как влияют выбросы ЦБК на рост березы.

Таблица. 1.3. - Площадь листа и прирост в высоту у березы

Площадь листа		Прирост в высоту у березы
Лес	ЦБК	Лес	ЦБК

Задание 4. Рассмотреть влияние антропогенного фактора на примере влияния диоксида серы на здоровье человека. Наиболее крупная катастрофа, вызванная смогом, произошла в Лондоне в 1952 г. Большая загрязненность воздуха дымом и копотью продолжалась в течение нескольких дней и вызвала у людей отравление со смертельным исходом (табл. 1.4).
Таблица 1.4. - Среднесуточные концентрации загрязняющих веществ и количество умерших во время Лондонского смога в 1952 году (Beaver, 1954)

Дата	Количество умерших, чел	Концентрация SO2, мг/м3
1.12	250	230
2.12	300	220
3.12	320	210
4.12	280	200
5.12	410	250
6.12	595	350
7.12	900	420
8.12	915	500
9.12	800	410
10.12	580	385
11.12	570	380
12.12	510	350
13.12	520	345
14.12	490	330
15.12	480	320
16.12	470	310

Построить график (ось абсцисс – концентрация диоксида серы в атмосфере, мг/м³; ось ординат – количество умерших, чел.). Найти тесноту связи между данными показателями (найти коэффициент корреляции и определить его достоверность) (табл. 1.5).

Таблица 1.5. - Вычисление коэффициента корреляции (r) для малой выборки

N	xi	yi	xi- Mx=a	yi-My=b	ab	a2	b2
1 2 .
∑

;

где M_{x ,} M_y – средние значения статистических величин х и у;

х – независимый признак; у – зависимый признак; n – сумма вариантов

,

где r – коэффициент корреляции; а – центральное отклонение по независимому признаку; b – центральное отклонение по зависимому признаку.

; >4.

где m_r – основная ошибка коэффициента корреляции

Теснота связи при коэффициенте корреляции: до 0,3 – слабая; 0,31–0,50 – умеренная; 0,51-0,70 - значительная; 0,71-0,90 – высокая; 0,91 и более – очень высокая (Гусев, 2002).

2. ПОНЯТИЕ ПОПУЛЯЦИИ
Популяция – группировка особей одного вида в разных положениях одного ареала. Каждая популяция имеет свою территорию – биологическое сигнальное поле, совокупность природных факторов которого составляет его экологическую нишу.

Рост численности популяции в идеальных условиях (неограниченны территория, ресурсы, отсутствие неблагоприятных факторов), представляет графически восходящую прямую – экспоненту. Скорость роста численности популяции в этом случае определяется:

V_экс= R·N_ср,

где R – естественный прирост популяции; N_ср – средняя численность.

В реальных лимитирующих условиях среды экспоненциальный рост численности популяции может быть только кратковременным, а развитие популяции идет по логистическому типу. Кривая в данном случае имеет S-образную форму и называется логистической. То есть число особей асимптотически стремится к пределу, представляющему собой максимальную численность популяции, которую может поддержать окружающая среда. Это так называемая биотическая нагруженность среды. Ресурсы среды, поддерживающие предельную численность популяции называются емкостью среды.

Естественный рост популяций происходит по логистической кривой, на которую оказывает влияние биотический потенциал и факторы окружающей среды. Среда оказывает тем больше сопротивление росту популяции, чем больше численности.

Коэффициент сопротивляемости среды R_m выглядит следующим образом:

,

где К – предельная численность, достигшая устойчивого равновесия процессов рождаемости и смертности в соответствии с ресурсами среды.

Скорость роста численности популяции в этом случае определяется:

V_лог = ()·R·N_ср.

Задание 1. Построить кривую роста численности населения земного шара по таблице 2.1. Указать тип получившейся кривой (экспонента или логистическая кривая) и отметить наличие или отсутствие демографической проблемы. Рассчитать скорость роста населения земного шара абсолютную (V_абс= ΔN/Δt) и смоделированные (экспоненциальную и логистическую скорости) в периоды: 1950-1960г.г. и 1995-2000г.г. По полученным результатам, сравнивая абсолютную скорость с экспоненциальной и логистической, определить тип развития популяции человека (развитие по экспоненте или по логистической кривой) в указанные периоды. Учитывая, что согласно последним данным, с учетом пределов развития сельского хозяйства максимальное допустимое число жителей равно 12 млрд. человек, а естественный прирост для человеческого рода составляет 0,023.
Таблица 2.1 - Демографическая история человечества (Deevey, 1969; с изменениями)

Время, год	Эпоха или характер цивилизации	Численность населения, чел.
30 до н.э.	Урбанистическое общество (Римская империя и Китай)	133· 106
1600	Начало нашего времени	500 · 106
1650	То же	545 · 106
1750	То же	700 · 106
1800	Начало индустриальной эры	906 · 106
1850	То же	1 · 109
1925	То же	2 · 109
1950	Атомная эра	2,4 · 109
1960	Исследование космоса	3 · 109
1970	Широкое распространение информации	3,7 · 109
1975	То же	4 · 109
1995	То же	5,7 · 109
2000	Кибернетическая эра	6 · 109
2015	Постиндустриальное общество	10,5 · 109

Для решения проблемы неограниченного роста населения земного шара, прежде всего, необходимо проведение регулярного контроля над численностью населения, установление его структуры, демографических процессов.

Информация об интенсивности деторождения имеет большое практическое значение для определения перспектив развития сети родильных домов, дошкольных и школьных учреждений, осуществления жилищного строительства, при прогнозировании численности населения и трудовых ресурсов страны.

Наиболее удобным для сравнения уровня рождаемости является коэффициент рождаемости (n), который представляет отношение числа живорожденных (N) к среднегодовой численности населения (S):

Задание 2. Оценить уровень рождаемости населения в Архангельской области (табл. 2.2; 2.3).
Таблица 2.2. – Показатели рождаемости населения Архангельской области

	1999	2000	2007	2008
Численность населения, тыс. чел.	1478,0	1459,2	1271,9	1262,0
Число родившихся, чел.	11855	12150	15153	15174

Таблица 2.3. - Характеристика уровня рождаемости

Общие коэффициенты рождаемости, ‰	Характеристика уровня рождаемости
До 16	низкий
16,0-24,9	средний
25,0-29,9	выше среднего
30,0-39,9	высокий
40,0 и выше	очень высокий

Демографическое старение представляет собой процесс изменения возрастной структуры населения, который проявляется в увеличении удельного веса пожилых людей. Он протекает под воздействием совокупности факторов: динамики рождаемости, смертности, миграционного движения, войн. Наиболее часто за начало периода старости принимают 60-й (65-й) год жизни людей. Поэтому для характеристики уровня старения рассчитывают удельный вес лиц в возрасте 60 лет и старше в общей численности населения:

где Кс – коэффициент старости; S₆₀₊ - численность населения в возрасте 60 лет и старше; S - общая численность населения.

Задание 3. Оценить степень развития старения населения Архангельской области по шкале Э.Россета (1968) (табл. 2.4, 2.5).

Таблица 2.4. – Показатели старения населения Архангельской области

	1999	2000	2007	2008
Численность населения, тыс. чел.	1478,0	1459,2	1271,9	1262,0
Число населения в возрасте 60 лет и выше, тыс. чел	305,9	261,3	198,9	199,9

Таблица 2.5. - Шкала оценки степени развития старения населения

Доля стариков (60 лет и старше) в общей численности населения, %	Характеристика
Менее 8	демографическая молодость
8 – 10	преддверие старости
10 – 12	собственно старение
12 и более	демографическая старость

Наглядное представление о составе населения по полу и возрасту дает половозрастная пирамида – графическое изображение структуры населения по полу и возрасту. Методика ее построения заключается в следующем. По горизонтальной оси откладывается численность населения – вправо женщины, влево мужчины. По вертикальной оси отсчитывается возраст по пятилетним или десятилетним возрастным группам (Кильдишев, 1990). Если полученную пирамиду разбить на три возрастные группы по Зунбергу: 0-14 лет – предрепродукционный, 15-49 лет – репродукционный, 50 и старше лет – пострепродукционный, то по виду пирамиды можно легко определить состояние развития общества (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Структура возраста для развивающейся (1), стабилизирующейся (2) и деградирующей (3) популяций (Bodenheimer, 1969 по: Kormondy, 1969). - 0-14 лет - молодое поколение, - 15 - 49 лет репродуктивное поколение, - 50 лет и старше пострепродуктивное поколение.
Быстро развивающееся общество изображается пирамидой с широким основанием и очень узкой вершиной. В стабилизировавшемся обществе количество населения в каждой возрастной группе одинаково, отсюда и колокообразный вид пирамиды. В деградирующем обществе преобладает старое население с небольшим количеством молодого, поэтому пирамида имеет форму гриба.

Одной из главных характеристик возрастной структуры населения служит соотношение числа экономически активных членов общества по отношению к общему числу жителей. Если считать людей, возраст которых колеблется между 15 и 64 годами, работоспособными, то окажется, что из-за значительного преобладания детей и подростков численность активного населения в развивающихся странах намного ниже, чем в промышленно развитых странах. Так, в Индии и Великобритании на долю работоспособного населения приходится 57 и 65 % соответственно (Рамад, 1981).

Задание 4. Построить половозрастную пирамиду, используя данные статистического ежегодника Архангельской области (табл. 2.6), выделить три возрастные группы и определить тип развития. Оценить соотношение мужчин и женщин. Если показатель долевого перевеса составляет до 1 % - незначительный; от 1 до 3 % - средний; 3 и более % - существенная диспропорция половой структуры. Определить долю работоспособного населения.
Таблица 2.6. - Распределение численности мужчин и женщин Архангельской области по возрастным группам, тыс. чел

Возраст. группа	М	Ж
Всего	588,3	706
0-4	36,6	29,7
5-9	31,8	30,5
10-14	30,5	60,4
15-19	43,0	58,9
20-24	58,3	53,3
25-29	54,7	49,7
30-34	50,2	42,5
35-39	42,1	46,2
40-44	40,6	58,5
45-49	48,9	61,2
50-54	48,0	52,2
55-59	38,9	26,6
60-64	20,1	40,3
65-69	16,1	53,1
70 и более	28,5	74,1

следующая страница>