Тема 3. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ БИОЦЕНОЗОВ.

Группы живых организмов, населяющих определенный биотоп, называют биоценозом. По своему функциональному назначению организмы в биоценозе делятся на три группы: продуценты, консументы и редуценты. Находясь в различном сочетании и занимая определенную экологическую нишу, организмы формируют биоценозы самой разнообразной структуры. Структура биоценоза тем сложнее, чем благоприятнее условия существования.

Задание 3.1. Пространственная структура лесного биоценоза

Структура биоценоза включает фитоценоз – растительное сообщество (автотрофные организмы, продуценты); зооценоз – животное население (гетерогрофы, консументы) и микробоценоз – различные микроорганизмы, представленные бактериями, грибами, простейшими (редуценты). Эта живая часть биогеоценоза относится к биоценозу.

Главным созидателем живого вещества в пределах биоценоза является фитоценоз – зеленые растения. Используя солнечную энергию, зеленые растения создают огромную массу органического вещества. Состав и масса такого вещества зависят, главным образом, от особенностей атмосферы и почвенных условий, которые определяются, с одной стороны, географическим положением (зональность, отражающаяся существованием определенных типов биомов), а с другой – рельефом местности и расположением фитоценоза. От состава и характеристики растительности зависит существование комплекса гетеротрофов. В свою очередь биоценоз в целом определяет состав и количество органического вещества, попадающего в почву (степные богатые черноземы, слабогумусированная почва бореальных лесов и крайне бедные почвы влажного тропического леса). Животные в процессе своей жизнедеятельности также оказывают разнообразное влияние на растительность. Исключительно важны взаимодействия между микроорганизмами и растительностью, микроорганизмами и позвоночными и беспозвоночными животными.

Цель работы: указать критерии для выделения границ биоценоза, вычленить его структурные составляющие и определить их размер. Дать характеристику видового разнообразия, эдафофитоценотической структуры, выделить и описать ярусы, парцеллы, синузии.

Материалы и оборудование: лопата, мерная вилка, линейка, гербарная сетка, рулетка, однометровые рейки (4 шт.), шпагат (50 м)

Ход работы:

1) визуально выделить четко ограниченный участок леса (пробная площадь). Границы лесного участка являются границами фитоценоза;

2) при помощи мерной вилки произвести выборочное определение толщины деревьев для построения в дальнейшем таблицы ступеней толщины;

3) глазомерно выделить основные ярусы лесного биоценоза. Обратить внимание на различия между ярусами подлеска и подроста. Определить эпифитные виды, относящиеся к внеярусной растительности;

4) в центре выделенного лесного участка произвести закладку почвенного разреза, используя методику почвенно-типологических исследований. На специальном бланке зарисовать почвенный разрез. Тут же описать каждый выделенный почвенный горизонт;

5) для количественной оценки состояния живого напочвенного покрова произвести описание травяно-кустарничковой растительности с помощью однометровых реек (в полевых условиях можно вырезать ровные однометровые палочки, используя кустарниковую растительность). Выложив из реек площадки 1 х 1 м (раункиеры), определить проективное покрытие растительности в целом на квадрате и каждого встреченного вида на площадке в отдельности. Покрытие определить глазомерно в процентах;

6) определить в пределах лесного биоценоза парцеллярную структуру (выделение парцелл) и синузиальную структуру (синузии). Дать их описание;

7) сравнить участки биоценоза, подвергнутые жесткому антропогенному воздействию (вытаптывание, рекреация, замусоривание, заготовка дров и.т.п.) и относительно нетронутые. Особое внимание уделить описанию лишайников как индикаторов степени чистоты воздуха, разделив их на три группы: накипные, листоватые и кустистые;

8) незнакомые виды растений, встреченные на пробной площади, для дальнейшего определения собрать в гербарные сетки;

9) в камеральных условиях произвести обработку полученных данных, описать ярусную структуру, дать общую характеристику изучаемого биоценоза и указать особые характерные черты, присущие ему. Данные занести в сводную таблицу 7.

Таблица 7 –Характеристика лесного биогеоценоза

Задание 3.2. Видовая структура биоценоза

Цель работы: провести изучение структуры биоценоза (сосновый лес, смешанный лес; лиственный лес, агроценоз; луговое сообщество, болото и т.д.). В заданных биоценозах закладывают по 10 пробных площадок, размером 1 м² (для травянистых растений) и 10 пробных площадок, размером 100 м² (для древесных растений). На площадках:

1). Произвести учет видового состава растений, и данные занести в таблицу 8.

Таблица 8 – Характеристика закладываемых площадок

Ярусы обозначают цифрами, подъярусы буквами (1а, 2б). Выявленный видовой состав растений составляет видовую структуру фитоценозов этих биоценозов.

По данным учета вычисляют:

Примечание: вышеуказанные показатели вычислять отдельно для древесных, отдельно для травянистых растений.

А – число видов в первом фитоценозе, В – число видов во втором фитоценозе,

С – число видов, общих для двух фитоценозов.

По таблице 9 определить коэффициент флористической общности сравниваемых биоценозов.

Таблица 9 – Показатели степени общности биоценозов

В выводах оценить и объяснить степень общности сравниваемых биоценозов.

Задание 3.3. Определение численности и биомассы растений

Цель работы: провести описание травянистого покрова, подлеска и древостоя изучаемых биоценозов, определить запасы биомассы.

Определение биомассы травянистого покрова, мхов и лишайников.Вдоль маршрута, с помощью квадрата или трансекты, изучается численность и биомасса травянистых растений, мхов и лишайников леса, луга в разных местообитаниях, т.е. в тех точках, где проводились микроклиматические и эдафические наблюдения.

Учитывается численность особей всех видов, которые находятся внутри квадрата. Если местообитание однородно, то квадрат можно использовать 2-3 раза, если неоднородно – то до тех пор, пока не прекратится появление новых видов в пределах квадрата. После определения численности особей обнаруженных видов внутри квадрата, необходимо взвесить на по 2–3 особи каждого вида и рассчитать среднюю массу особи. Затем следует рассчитать численность особей каждого вида на 1 м², или плотность популяции вида, а также биомассу популяций каждого вида путем умножения средней массы одного растения на число особей данного растения на 1 м² земной поверхности. Далее следует суммировать число особей всех видов травянистых растений на 1 м² и биомассу их особей. Полученные данные оформляются в виде таблицы 10:

Таблица 10 – Характеристика закладываемых площадок

Высота мхов, лишайников и травянистых растений определяется с помощью линейки.

Определение биомассы подлеска и древостоя.

На 3 пробных площадках размером 10x10 м вдоль маршрута в точках наблюдения подсчитывается число особей деревьев каждого вида подлеска и древостоя. Высота деревьев и кустарников определяется так: берут мерную рейку, отходят от дерева на такое расстояние, чтобы рейка, поставленная у ног (если смотреть на нее в положении лежа, ногами к дереву), своей вершиной проецировалась на верхушку дерева. Воспользовавшись формулой

X = А в/У,

где X –высота дерева; А –расстояние от глаз до основания ствола, в –длина рейки; У – рост человека, рассчитывают высоту дерева. Можно пользоваться оптическим высотомером и высотомером Макарова.

Диаметр ствола определяется при помощи линейки или мерной вилки которые прикладываются к стволу на уровне 130 см от земли.

Все эти данные необходимы для вычисления биомассы деревьев разных ярусов леса, которая определяется по формуле:

1/3·πr²hd,

где π = 3,14; r – диаметр ствола дерева; h –высота дерева, м; d –плотность древесины.

Значения плотности древесины различных древесных пород и подлеска при влажности древесины равной 15%, даны в таблице 11:

Таблица 11 – Показатели плотности древесины древесных пород

Для вычисления биомассы кроны и корней нужно использовать поправочные коэффициенты (таблица 12):

Таблица 12 – Поправочные кКоэффициенты для определения фитомассы

Для вычисления биомассы надземной части дерева следует полученные значения биомассы ствола необходимо умножить на коэффициент № 1 соответствующей породы дерева. Надземная часть дерева включает в себя биомассу ствола, ветвей, коры, хвои или листьев. Для вычисления общей фитомассы дерева необходимо значение надземной фитомассы умножить на коэффициент № 2 таблицы.

Таким образом, можно определить биомассу каждого дерева на пробных площадке, затем путем сложения полученных значений вычисляется биомасса древостоя и подлеска на каждой учетной площадке. Данные по количеству видов и плотности популяций каждого вида древостоя и подлеска, а также их биомассы пересчитываются на 1 м²_.

Полученные данные записываются в виде таблицы 13:

Таблица 13 – Характеристика деревьев на исследуемых площадках

Задание 3.4. Выявление консортивных отношений в биоценозах. Типы и формы взаимоотношений. Пищевые цепи

Биоценоз – это не просто сообщество популяций. В биоценозах формируются группировки особей разных видов, между которыми складываются прямые отношения: трофические, топические, фабрические, форические. Группировки, связанные трофическими связями, дополненные топическими и фабрическими, называются консорциями. В них выделяют центральный организм – детерминант, вокруг которого группируются консорты 1-го, 2-го и т.д. порядков. Различают индивидуальные и популяционные консорции.

Цель работы: выявить консорции в разных биоценозах (сосновый лес, березовый лес, агроценоз, луговой биоценоз и т.д.).

В каждом биоценозе определяют вид-доминант, как правило, являющийся детерминантом с наибольшим числом консортов (сосна обыкновенная, береза бородавчатая или пушистая, растения ржи, пшеницы, картофеля и т.д.). Тщательно обследуя растения этого вида, определяют насекомых, птиц, млекопитающих, грибы, обитающих в разных частях растения и на разных органах. У древесных растений, спиленных в результате рубок или поваленных ветром, от вершины до комля делают пролыску (снимают полоску коры, шириной 10 см) и по личинкам, ходам определяют видовой состав стволовых вредителей. Тщательно обследуют хвою, листья, шишки, семена. Все виды распределяют на группы консортов 1-го, 2-го и т.д. порядков. Сравнивая консорции разных биоценозов по насыщенности видовым составом, количеству гетеротрофов. Сделать вывод о влиянии консортов на продуктивность фитоценозов.

Выявление типов и форм взаимоотношений организмов в биоценозах производят на маршрутных ходах, проложенных в заданных биоценозах. Путем визуального осмотра выявляют организмы, взаимосвязанные друг с другом пищевыми, пространственными или иными связями. Оценивают экологическую роль этих связей в жизни данного биоценоза и биосферы. Необходимо найти образцы всех шести типов взаимоотношений.

Одновременно в биоценозе выявляются пищевые сети. На конкретных организмах каждого биоценоза показать состав пищевых сетей выедания и детритных цепей. Предположив примерную плотность консументов первого порядка, рассчитать количество продукции, потребляемой или перерабатываемой в детритных цепях питания. Сделать вывод о значении цепей питания разного типа для обеспечения круговорота веществ и энергии. В отчете изобразить схемы консорций, пищевых цепей.

Задание 3.5. Изучение жизненных форм растений и животных и составление спектра жизненных форм

В результате длительной приспособительной эволюции живые организмы приобрели определенную выраженность внешнего облика, характерного для каждых конкретных условий обитания. Внешний облик организма, характеризующийся определенными морфологическими признаками и габитусом, называют жизненной формой. Классификации жизненных форм растений и животных несколько, но ни одна из них не является полностью удовлетворительной. В практике широко используют классификации К. Раункиера К, И.Г. Серебрякова (для растений); А.Н. Формозова, Д.Н. Кашкарова (для животных).

Цель работы: выявить жизненные формы растений и животных По ходу следования в исследуемом биоценозе заложить по 3 пробные площадки, размером 10 м х 10 м (для древесных растений) и по 5 пробных площадок, размером 1 м на 1 м (для травянистых растений). На них произвести детальный учет растений и животных, данные свести в таблицу 14:

Таблица 14 – Характеристика жизненных форм исследуемых биоценозов

Эта таблица заполняется при учете жизненных форм растений (шкала Друде представлена в приложении). Для животных указывают только вид и жизненную форму.

По данным учета составить:

а) диаграмму биологического спектра жизненных форм растений и животных (для исследуемых биоценозов вычисляют процентное распределение видов по жизненным формам и изображают его в виде диаграммы);

б) гистограммы жизненных форм растений по соотношению видов, проективному покрытию, обилию. При этом по вертикальной оси складывают соответствующий показатель, а на горизонтальной – жизненные формы.

В выводах указать причины преобладания той или иной жизненной формы в исследуемых биоценозах.

Задание 3.6. Трофическая структура болотного биоценоза

Цель работы: выделить и охарактеризовать в природной среде элементы трофической структуры биогеоценоза.

Взаимодействия организмов, занимающих определенное место в биологическом круговороте в биоценозах, определяет трофическую структуру биоценоза. В биоценозе различают три группы организмов, связанных между собой разнообразными пищевыми взаимоотношениями.

К первой группе относятся продуценты – автотрофы, зеленые растения, первичные потребители солнечной энергии, способные самостоятельно образовывать органическое вещество.

Вторая группа – организмы, питающиеся готовым органическим веществом – консументы. К консументам (потребителям) относятся животные и человек.

Третью группу составляют редуценты - – организмы, разрушающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы (продуценты). Основными редуцентами являются бактерии, грибы, простейшие, т.е. находящиеся в почве гетеротрофные микроорганизмы.

Поедание одних организмов другими, а значит, перенос энергии от продуцентов через последовательную цепь консументов, носит название цепи питания или пищевой цепи.

Организмы биоценоза, объединенные одним типом питания и занимающие определенное место в цепи питания, называются трофическим уровнем.

Материалы и оборудование: сачок для ловли насекомых, гербарная сетка, лопата, однометровые рейки (4 шт.).

Ход работы:

1) выделить однородный участок болотной растительности (верховое или низинное болото) и определить границы болотного биоценоза;

2) оценить биологическое разнообразия болотного биоценоза, описать наиболее массовые виды растений и животных(насекомые, пресмыкающиеся, птицы и др.);

3) показать характерные особенности данного биоценоза;

4) распределить найденные и описанные группы живых организмов по трофическим уровням;

5) смоделировать и составить пищевые цепи болотного биоценоза;

6) определить толщину торфяного слоя и ботанического состава торфа;

7) произвести гербаризацию неизвестных видов растений и собрать насекомых для дальнейшего их определения в лабораторных условиях;

8) произвести камеральную обработку данных, установить уровень сложности и стабильности изученного болотного биоценоза.

Задание 3.7. Определение экотонов в системе «лес - луг».

Правило краевого эффекта

Постепенное изменение градиентов условий среды, абиотических факторов (увлажнение, трофность и механический состав почвы, доступность солнечного освещения и пр.) обусловливает существование непрерывной ткани взаимовлияний между растениями на большой территории. В связи с этим два любых произвольно выбранных примыкающих друг к другу участка растительности (биоценоза), независимо от их размеров и способа определения их границы, всегда имеют общие признаки. Это свойство проявляется как на уровне растительного покрова в целом, так и на уровне его элементов. Таким образом, растительность образует непрерывную ткань взаимовлияний растений. Такое свойство растительности называется континуум. Таким образом, континуум – это естественное свойство растительного покрова.

С проблемой континуальности связана проблема определения границ биоценозов. Хотя различные биоценозы и представляют собой естественные образования с определенной степенью целостности и очерченными границами, провести четкие границы между ними не всегда представляется возможным. Сухой лес постепенно переходит в увлажненный луг, который сменяется совсем влажным болотом. Визуально можно отграничить лес от луга и болота, но сказать четко, где проходит линия границы, не представляется возможным. В подавляющем большинстве случаев имеют дело со своеобразной переходной полосой различной ширины и длины, потому что жесткие, резкие границы в природе редкое исключение. Они характерны, главным образом, для сообществ, подверженных интенсивному антропогенному воздействию. Такая переходная полоса (или зона) между смежными физиономически различимыми сообществами называется экотон.

Более или менее резкие границы между биоценозами можно наблюдать лишь в случаях резкого изменения факторов абиотической среды. Например, такие границы существуют между водными и наземными биоценозами, в местах, где происходит резкая смена минерального состава почвы и т.п. В целом же, говоря об экотоне, мы имеем в виду переходную полосу между соседними (двумя или несколькими) контактирующими биоценозами, некую зону контакта высокой биологической активности, где присутствуют организмы как из одного, так и из другого биоценоза. Поэтому часто количество видов в экотоне превышает количество их в каждом из граничащих биоценозов. Такое явление – тенденция к увеличению разнообразия и плотности организмов на границах биоценозов – носит название краевой эффект. Наиболее отчетливо краевой эффект проявляется в зонах, отделяющих лес от луга (зона кустарников), лес от болота и т.д.

Цель работы: определить и выделить переходные зоны на границах сообществ на основе изменения видового состава растительности.

Материалы и оборудование: гербарная сетка, рулетка (3-5 м).

Ход работы:

1) выделить ненарушенные участки различных типов растительности, сменяемые друг другом (лес-луг, луг-болото, лес-болото, ельник-сосняк и т.п.);

2) установить визуально переходную зону между растительными сообществами – экотон;

3) измерить ширину экотона с помощью рулетки;

4) описать растительность в смежных растительных сообществах (фитоценозах);

5) описать растительность и дать оценку видовому разнообразию растительности в экотоне;

6) собрать в гербарий неизвестные виды растений для их дальнейшего определения;

7) подсчитать число общих для обоих фитоценозов видов.
Определить общее количество видов в экотоне;

8) объяснить правило краевого эффекта.