Содержание:

1. Введение
2. Общий обзор подходов и методов исследовательской и практической работы по лесной экологии
3. Методы изучения антропогенного воздействия на отдельные компоненты лесных биоценозов
   • Изучение воздействия рекреации на растения первоцветы
   • Воздействие рекреации на деревья и кустарники
   • Изучение воздействия низовых пожаров на растения древесного и кустарникового ярусов леса
   • Изучение воздействия выбросов автотранспорта на растительность древесного яруса леса
   • Воздействие рекреации на гнездящихся птиц леса
4. Рекомендации к проведению исследовательской и практической работы с учащимися
5. Литература

Леса, прилегающие к городам, в значительной степени и на достаточно больших площадях изменены деятельностью человека. Здесь имеет место и рекреационная деятельность, и локальные низовые пожары, а в ряде случаев и выпас скота. Лесные массивы, соседствующие с предприятиями, и располагающиеся рядом с крупными автомагистралями испытывают воздействие химических выбросов.

Изменения, которые происходят с лесными сообществами вследствие интенсивного антропогенного воздействия, на определенном этапе приобретают необратимый характер и могут вызвать деградацию или даже гибель последних. Поэтому представляется особенно важным вовремя замечать данные изменения, диагностировать состояние сообщества, определяя, от какого вида воздействия оно в большей степени страдает, какой нежелательный фактор необходимо устранить или ограничить по силе.

Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено для ведения с учащимися практической работы по изучению наиболее распространенных и масштабных видов воздействия человеческой деятельности на лесные экосистемы, прилегающие к городам и другим населенным пунктам.

Воздействие человека на природные сообщества, в том числе и лесные, можно изучать различными способами, как в полевых, так и в лабораторных условиях. В полевых наиболее употребительны две группы методов. Методы первой группы можно условно назвать мониторинговыми, второй - сравнительными. Кроме того, в натурных экологических исследованиях вполне возможно применение методов экологического моделирования, чаще употребляемых лабораторно.

Методы экологического моделирования в полевых условиях предполагают искусственное создание воздействия исследуемого фактора на изучаемый объект, в параметрах, заданных условиями эксперимента. Так, например, при выяснении воздействия вытаптывания на травянистые растения можно смоделировать и изучить таковое воздействие следующим образом. На заложенных пробных площадках, задается определенная нагрузка (можно, допустим, пропустить через них определенное количество человек). Затем вызванные данным смоделированным воздействием изменения в состоянии и видовом составе растительности заложенных площадок, фиксируются и анализируются.

Основой мониторинговых методов является последовательное слежение за воздействием, какого либо фактора на природный объект (организм, группу организмов, популяцию, сообщество и др.) в течение определенного временного интервала с определенной периодичностью. Проще всего проводить исследования такими методами можно в том случае, когда интенсивность воздействия изучаемого фактора остается постоянной на всем временном промежутке.

Например, мониторинговым методом можно проводить исследование воздействия выпаса скота на растительную часть сообщества. При этом на первом этапе исследовательской работы проводится тщательное описание состояния растительности на изучаемом участке, определяется антропогенная нагрузка на сообщество (в данном случае это количество особей выпасаемых животных). Хорошо если будет известно количество дней выпаса за один год и количество лет выпаса их на данном участке, а также продолжительность их воздействия на данный участок в течение суток. Если вышеуказанные количественные показатели за предыдущие годы выяснить не удается, следует определить их на настоящий момент и следить в дальнейшем за их изменениями. Разумеется, для начинающих исследователей особенно хорошо, если интенсивность антропогенного воздействия (в рассматриваемом варианте это - количество выпасаемых животных и продолжительность их воздействия как суточная, так и годовая) будет относительно постоянной (зачастую так и бывает). Через определенный промежуток времени исследователи проводят описание состояния растительности на изучаемом участке. Для травянистых растений, в связи с особенностями биологии многих представителей этой группы (короткий вегетационный период) описание проводят, как правило, через один год, для деревьев и кустарников - можно и чаще. Уже через год можно сравнивать состояние растений исследуемого сообщества и делать определенные выводы.

У мониторинговых методов есть определенные и существенные недостатки. Так, например, при анализе изменений, которые происходят в изучаемом сообществе трудно определить, какая часть этих изменений обязана своим появлением исследуемому фактору, а какая - всем остальным, имевшим место на данном участке. Ведь на биоценоз воздействует не только какой-либо антропогенный фактор (а зачастую и таковых несколько, например, на участок леса может оказываться одновременное воздействие выпаса скота, отдыха человека, токсических выбросов от предприятий), но и так называемые естественные факторы - биотические и абиотические, причем все они непостоянны как во времени, так и в пространстве. Например, на исследуемом участке леса сильное воздействие на древесную растительность может быть оказано и выпасом скота и выбросами какого-либо предприятия и вспышкой численности насекомых фитофагов. Как в данном случае определить долю участия каждого из имевших место факторов в изменениях, произошедших в биоценозе? Ответить на предложенный вопрос, опираясь только на мониторинговые методы, затруднительно.

Сравнительные методы достаточно широко распространены в различных экологических исследованиях. Суть данных методов заключается в сравнении биологических объектов, подверженных воздействию какого-либо фактора и отличающихся друг от друга только силой такового воздействия. Основное условие допустимости их применения, их достоверности - как можно более полное сходство сравниваемых биологических объектов по набору и силе воздействия всех имеющих место факторов, кроме изучаемых (обычно одного или нескольких). Другими словами можно сравнивать только те сообщества, экосистемы и прочие природные объекты, в которых все действующие факторы (как естественные, так и антропогенные) примерно одинаковы по силе и только один, воздействие которого собственно и изучается (реже два или несколько) имеет разные значения.

В пределах каждой вышеописанной группы методов применим широкий спектр различных методик, позволяющих решать конкретные задачи. Это и маршрутный учет, традиционно применяемый в исследованиях по экологии животных, и работа на площадках, отлов животных и их мечение, и ряд других методик. И методы и методики выбираются в зависимости от целей исследования и поставленных исследователем задач.

Следует помнить, что практически любой вид воздействия не является однозначно негативным для всех видов живых организмов. Чувствительность, к какому либо воздействию у разных видов неодинакова. Какие-то животные или растения могут быть достаточно терпимы к изменению силы какого-либо фактора (как в сторону увеличения, так и уменьшения), а какие-то - не выдержат даже незначительного. Именно такие живые организмы подходят на роль индикаторных, то есть таких, которые помогают установить вид воздействия на сообщество и силу данного воздействия. Реакция на изменения в условиях существования выражается для вида, прежде всего в изменении численности особей - увеличении или уменьшении (вплоть до полного исчезновения). Наблюдая и анализируя состояние индикаторных видов можно диагностировать вид воздействия на сообщество, в котором они обитают и даже судить о силе данного воздействия. Какие растения могут служить индикаторами изменения состояния лесных биоценозов? Все зависит от вида антропогенного воздействия ими испытываемого. Какие-то виды, прежде всего это травянистые растения наиболее чувствительны к вытаптыванию, какие-то не выносят увеличения освещенности, какие-то быстро реагируют на загрязнение.

Какой антропогенный фактор могут помочь обнаружить первоцветы? Это, конечно же, прямое уничтожение при сборе их цветов и вытаптывание, как при таковом сборе, так и просто при любом весеннем отдыхе. Вытаптывание опасно не только в период цветения и вегетации эфемероидов, но и в остальные периоды года, так как вызывает уплотнение почвы, к которому данные виды очень чувствительны. Таким образом, первоцветы-эфемероиды могут служить индикатором рекреационного воздействия в целом, причем даже на ранних его стадиях. Кроме эфемероидов индикаторами могут выступать и травянистые виды, не выносящие увеличения освещенности, которое наступает на более поздних стадиях рекреационного воздействия, в результате изреживания древостоя. Это, например такой вид, как ландыш.

В данной работе предлагается сравнительно-экологический метод исследования воздействия человека на сообщества. Сущность его заключается в сравнении двух или более природных сообществ, которые сходны между собой по набору и интенсивности всех биотических, абиотических и антропогенных факторов за исключением того, воздействие которого предполагается изучать.

Рассмотрим конкретный случай. Допустим, стоит задача исследовать воздействие отдыха на сосновый лес. Какого алгоритма выбора следует придерживаться? Прежде всего, для сравнения отбираются участки, в которых древостой примерно одного возраста.Располагаться данные участки должны на идентичных в геоморфологическом отношении образованиях (нельзя, например, сравнивать пойменные биоценозы с террасными или водораздельными и наоборот). На сравниваемых участках должен быть примерно одинаковый уровень загрязненности и примерно одинаковая интенсивность воздействия всех остальных антропогенных факторов. В простейшем варианте выбираются два участка, один из которых сильно изменен воздействием отдыха (рекреацией), а другой - практически не изменен. Если исследователь достаточно хорошо подготовлен, либо уже имеет определенный опыт работы можно взять для сравнения ряд участков, каждый из которых в разной степени пострадал от воздействия рекреации.

Как добиться того, чтобы на изучаемых участках набор и интенсивность проявления всех факторов были одинаковы? Для соблюдения этого необходимого условия сравниваемые участки должны быть незначительно пространственно разобщены, или, другими словами - должны соседствовать друг с другом. Тогда с достаточно высокой достоверностью можно будет предположить, что и набор естественных абиотических и биотических факторов и их сила и имеющий место антропогенный фон будут на сравниваемых территориях примерно одинаковы.

Когда выбор участков, являющийся первым и, пожалуй, самым трудным этапом полевой работы завершен, приступают ко второму этапу - непосредственно исследовательскому, который также можно выполнять различными методами.

Маршрутный учет первоцветов

Применим, прежде всего, исследования воздействия человека на редкие виды растений, растущие небольшими группами. На каждом из выбранных участков закладывается маршрут, во время прохождения которого на полосе шириной 2м (по 1м влево и вправо от учетчика) фиксируются все встреченные экземпляры выбранного вида растения. После проведения учета подсчитывается плотность произрастания в экземплярах (куртинах, клонах) на единицу площади. При учете растений растущих группами, необходимо знать среднее количество экземпляров в куртине или клоне. При необходимости, последние могут разбиваться на классы, различающиеся по количеству экземпляров в группе. Достоверность учетов повышается с увеличением количества маршрутов, а так же их протяженности. Предположительно общая протяженность маршрутов должна быть не менее одного километра на каждом из участков.

Учет на площадках

В случае если изучаемые виды первоцветов являются массовыми, более подходящим может оказаться учет на площадках. В данном случае на каждом из сравниваемых участков закладывается определенное количество площадок (не менее 3-5) одинаковой площади. Размер последних зависит от особенностей биологии исследуемых видов и может быть не одинаков для разных видов (предположительно для видов с высокой плотностью произрастания - 1 кв.м, для видов с низкой - до 25 кв.м). Достоверность данных возрастает с увеличением количества площадок.

Учет маршрутно-площадной

Если требуется обследовать большие площади, можно применять комбинированный маршрутно-площадной учет. При его проведении учетчик идет по маршруту и через определенный одинаковый интервал закладывает небольшие (площадью 1 кв.м) площадки, на которых сразу же проводит учет.

Обработка данных учета

По окончании полевых исследований проводится первичная обработка материала. Желательно что бы проведение полевых работ и данную обработку разделял небольшой временной интервал. При обработке определяется плотность произрастания каждого вида на каждом из сравниваемых участков (минимальная, максимальная и средняя). Может также определяться и общая плотность произрастания всех изучаемых растений. После проведения первичной обработки сравниваются общая и повидовая плотности, видовое разнообразие первоцветов на участках в разной степени измененных рекреацией. Кроме того, может определяться видовая общность в пределах изучаемой группы.

Анализ полученных данных можно проводить как в ходе обработки, так и по окончании ее.

Воздействие рекреации испытывают не только представители травянистого яруса, но и все компоненты лесных экосистем. Последствия воздействия отдыха на природе (рекреации) на сообщества могут быть различны, в зависимости от силы и продолжительности такового воздействия, вида отдыха, а также чувствительности конкретной экосистемы к данному воздействию. В случае если интенсивность рекреационного воздействия достигнет критических для сообщества величин, может наступить деградация и даже гибель этого сообщества.

Естественно деградация биоценозов под воздействием отдыха (такой вид деградации имеет более конкретное название - рекреационная дигрессия) - процесс постепенный. Изменения в состоянии и структуре сообществ становятся необратимыми не сразу. На ранних стадиях рекреационной дигрессии гибель исходного (первичного) биоценоза еще можно остановить. Поэтому, особенно важным представляется не только и не столько обнаружить сам факт наличия рекреационного воздействия на сообщество (это, как правило, не вызывает затруднений), сколько определить как далеко зашло такое воздействие, можно ли остановить деградацию и что для этого необходимо предпринять. Изучая воздействие рекреации на отдельные виды живых организмов и на все сообщество в целом можно узнать, когда для каждого конкретного сообщества наступает тот критический рубеж, за которым нежелательные изменения приобретают необратимый характер. Удобным объектом для изучения школьниками рекреационного воздействия на лесные сообщества являются деревья и кустарники. Эти виды, как правило не вызывают затруднений при определении, а их физиологическое состояние (угнетенность, заболевание, гибель) заметить нетрудно.

0собенности воздействия рекреации на деревья и кустарники

Лесные виды деревьев и кустарников обладают неодинаковой чувствительностью к какому-либо антропогенному воздействию, в том числе и рекреационному. Какие-то виды плохо переносят даже незначительное уплотнение почвы, какие-то более устойчивы к последствиям рекреации. Однако если рекреационная нагрузка достигает определенных величин, любой вид начинает испытывать угнетение. При уплотнении верхнего слоя почвы ухудшается снабжение корней кислородом и водой. Следствием этого является ухудшение вегетации, снижение продуктивности и, в конечном результате - усыхание дерева или кустарника.

Для исследования воздействия отдыха на растения лесных сообществ, в том числе и древесно-кустарниковые, можно применять как мониторинговые, так и сравнительно-экологические методы.

Мониторинговый метод

Заключается в последовательном слежении за состоянием растительности, сопряженном с наблюдением за динамикой интенсивности рекреационного воздействия. На выбранном для работы участке проводят замер рекреационной нагрузки - дневной (в человеко-часах в сутки) и сезонной (в днях отдыха за бесснежный период). Параллельно делают описание состояния изучаемой растительности. Через годовые интервалы вышеописанные замер и описание повторяют.

Сравнительно экологический метод

Заключается в сравнении двух или более участков в разной степени измененных рекреацией. Сравниваемые участки должны быть схожи по видовому и возрастному составу древесного яруса и испытывать примерно одинаковое воздействие всех факторов, кроме изучаемого (в данном случае воздействия рекреации). Чтобы соблюсти данные условия, выбирать участки следует так, чтобы, они были незначительно пространственно разобщены (то есть соседствовали друг с другом). Предполагается, что сравниваемые участки изначально (до воздействия отдыха) были максимально сходны между собой по состоянию всей растительности. На сравниваемых участках закладывают пробные площадки, на которых проводят описание состояния растительности. Затем проведенные описания сравниваются. Различия в состоянии растительности относят на счет рекреационного воздействия.

Первым и наиболее ответственным этапом изучения воздействия рекреации на растения является выбор участков работы. Алгоритм выбора был объяснен выше. После этого желательно не только определить условную рекреационную нагрузку на данных участках (очень сильная, сильная, средней силы, слабая, практически отсутствует), но и ее абсолютные значения в человеко-часах в сутки и в днях отдыха в бесснежный период. При проведении исследования сравнительно-экологическим методом можно ограничиться определением стадии рекреационной дигрессии изучаемого лесного биоценоза по предложенной ниже шкале.

Первая стадия рекреационной дигрессии - характеризуется ненарушенной, пружинящей под ногами подстилкой, полным набором характерных для данного типа леса травянистых видов, многочисленным разновозрастным подростом. Присутствуют эфемероиды.

Вторая стадия - намечаются тропинки, которые занимают еще не более 5°/о площади. Начинается вытаптывание подстилки и проникновение опушечных видов под полог леса.

Третья стадия - выбитые участки занимают до 10-15% всей площади. Мощность подстилки значительно уменьшена. Последнее обстоятельство, вместе с увеличением освещенности, связанным с начавшимся изреживанием верхнего полога, подроста и подлеска, приводит к внедрению луговых и даже сорных видов под полог леса. Сохранившийся подрост мало дифференцирован, почти нет всходов ценозообразующих пород.

Четвертая стадия - биогеоценоз приобретает своеобразную структуру, заключающуюся в чередовании куртин подроста и подлеска, ограниченных полянами и тропинками. На полянах полностью разрушается подстилка, разрастаются луговые травы, происходит задернение почвы. Подрост остается только под защитой куртин; жизненность его очень низка. Выбитые участки занимают 15-20% площади.

Пятая стадия - выбитая площадь увеличивается до 60-100% территории. Значительная часть площади лишена растительности, сохраняются лишь пятна, фрагменты сорняков и однолетников. Подрост почти полностью отсутствует. Резко увеличена освещенность под пологом. Все сохранившиеся взрослые деревья больные или с механическими повреждениями, у значительной их части корни обнажены и выступают на поверхность почвы. Методика работы на площадках.

Для изучения воздействия рекреации на деревья и кустарники закладывают пробные площадки достаточно большой площади -100 и 625 кв.м (то есть размером 10х10 или 25х25 м). Для закладки площадок пользуются компасом и мерной веревкой, на которой делаются четыре метки через интервал в 10 или 25 м (в зависимости от размеров площадки). Отмерив одну сторону, поворачивают на 90 градусов и отмеряют другую и т.д. Допускается небольшое несхождение концов закладываемого полигона (в пределах 1 м). Площадь сбоя и олуговения на участках работы должна соответствовать таковой у тех исследуемых сообществ, на которых данные участки располагаются. После разбивки приступают к непосредственному сбору данных.

На заложенной площадке для каждого изучаемого вида деревьев и кустарников определяют число здоровых, больных, гибнущих и погибших экземпляров. В случае если у какого-либо вида имеются представители разных возрастных классов, подобный учет проводят отдельно для спело-старых, приспевающих и молодых возрастных категорий. Полученные данные, для наглядности и удобства проведения дальнейшего анализа, лучше сразу же оформлять в виде таблиц. Сравнивать можно не только одинаковые виды на разных участках, но и разные виды в пределах одного и того же участка. Для обеспечения достоверности необходимо в пределах каждого участка заложить не менее 3-5 площадок.

Низовые пожары имеют широкое распространение в пригородных лесах. Они случаются практически на протяжении всего бесснежного периода, особенно часто весной. Локальные низовые возгорания оказывают воздействие на все компоненты лесных экосистем. Особенно заметны последствия воздействие пирогенного фактора на растения. Часть их при этом погибает (прежде всего, травянистые растения и кустарники), часть может быть ослаблена (деревья).

Работы по изучению воздействия пожаров на древесные растения и кустарники можно проводить как сравнительно-экологическим, так и мониторинговым методами.

При использовании первого необходимо подобрать участки с древостоем одинакового породного и возрастного состава, где общий антропогенный фон примерно одинаков.

Участки можно подбирать, руководствуясь примерно такой схемой:

1. На одном участке пожар был, на другом не было.
2. На одном участке пожар был сильный на другом слабее, на третьем не было.
3. На одном участке пожар был недавно (1-2 года), на другом относительно давно (6-10 и более лет назад), на третьем пожара не было.

Анализируя полученные таким образом данные можно выяснить как влияние воздействия пожаров разной силы, так и последствия данного воздействия на разном временном интервале.

При выборе мониторингового метода желательно выбрать участок леса, где пожар произошел совсем недавно. Изменения, происходящие с древесно-кустарниковой растительностью желательно фиксировать не реже одного раза в год. Чтобы учесть естественные возрастные изменения, происходящие с древостоем целесообразно параллельно вести такие же наблюдения на участке леса не тронутом пожаром.

По каким показателям удобно изучать последствия пирогенного воздействия на деревья и кустарники? Это, прежде всего не проективное покрытие, а плотность произрастания деревьев и кустарников, количественное и процентное соотношение здоровых, больных и погибших экземпляров каждого вида, исчезновение некоторых видов и появление новых видов. Изучение последствия воздействия пожаров на леса разного возраста имеет некоторые особенности.

Изучение воздействия низовых пожаров на немолодые леса

Немолодые деревья вследствие определенных морфологических особенностей (толстокорость, небольшое количество отмерших сучьев на стволе) несколько более устойчивы к воздействию пирогенного фактора. В таких лесах, как правило, хорошо заметны последствия воздействия возгораний на подрост, кустарники и тонкокорые деревья второго яруса. Однако это не значит, что последствия пожаров не проявят себя и на взрослых деревьев в ближайшей временной перспективе.

Для определения последствий воздействия пирогенного фактора на деревья, ввиду невысокой плотности произрастания последних в немолодых лесах целесообразно воспользоваться методикой маршрутного учета. На протяжении всего маршрута, заложенного в пределах обследуемого участка, на учетной полосе незначительной ширины (не более10-25 метров) фиксируются с одновременной разбивкой по классам: здоровые, больные, погибшие все встреченные деревья. Данное разбиение производиться отдельно для каждого вида деревьев. В случае если на изучаемых участках у какого либо вида деревьев присутствуют экземпляры разного возраста, вышеуказанное разбиение на классы проводиться отдельно для каждой возрастной группы (старо-спелые, приспевающие, молодые и т.д.). Затем определяется количество деревьев на маршруте (общее и по каждому классу), соотношение классов, долю участия деревьев каждого класса в общем составе древостоя. Достоверность получаемых данных увеличивается с увеличением протяженности маршрута или количества маршрутов. Предположительно совокупная протяженность всех маршрутов в пределах одного участка должна быть не менее 1 км. Учет видового состава и плотности произрастания кустарников проводят на площадках небольших размеров (10х10 метров). Учет деревьев тоже можно проводить на площадках. Однако для получения достоверного результата размер площадки должен быть достаточно большим (50х50 метров), а самих площадок должно быть заложено не менее 3-5. Закладывать такие площадки в густом лесу иногда бывает довольно затруднительно. Учет на площадках также проводится с разбиением на классы и такой же последующей обработкой полученных результатов, как и маршрутный.

Изучение воздействия низовых пожаров на молодые леса

В молодых посадках низовые пожары происходят особенно часто и имеют наиболее заметные последствия. Это объясняется в частности тем, что деревья здесь располагаются в тесном соседстве друг с другом, а процессы роста и отмирания, поставляющие "пожароопасные отходы" (хвою, листву, ветки) происходят очень интенсивно.

Вследствие высокой плотности произрастания деревьев в молодых лесах здесь целесообразнее применять учет на площадках. Размер площадки в зависимости от возраста насаждения может колебаться в пределах 10х10 - 25х25 метров. Количество площадок: по 3-5 на каждый участок. Учет деревьев и кустарников проводится по такой же схеме, что и при исследовании в немолодых лесах.

Примерный анализ полученных результатов

При анализе полученного материала целесообразно обратить внимание, прежде всего на соотношение плотностей произрастания и долей участия деревьев различных классов. Сравнивается также вышеуказанные показатели и у деревьев разного вида, разных возрастных категорий. При анализе воздействия пирогенного фактора на кустарники выявляется, какие виды исчезли в результате пожара, какие частично смогли сохраниться и как изменилась их плотность произрастания, какие виды появились на горелых местах вновь.