Методы оценки биоразнообразия презентация

Биоразнообразие
В настоящее время разнообразие организмов исследуется через понятие «биологическое разнообразие» (биоразнообразие), характеризуемое числом видов, таксонов и т. д.
Биоразнообразие определяется как вариабельность живых организмов из всех источников, включая наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя разнообразие в рамках вида, между видами и разнообразие экосистем (Конвенция о биологическом разнообразии. UNEP/CBD/94/1.December, 1995. — 34 с.).

В Национальной стратегии сохранения биоразнообразия России (2001) учитываются:
организменный,
популяционный,
видовой,
биоценотический,
экосистемный,
территориальный (ландшафтный) и
биосферный уровни.

В настоящее время разработано множество методов и индексов для оценки разнообразия, но существует необходимость дальнейшего развития методологии, позволяющей исследовать разнообразие разных уровней организации природной среды и оценивать его в общепринятых единицах измерения.
Это необходимо для изучения, оценки и мониторинга разнообразия организмов и надорганизменных систем в их пространственно-временной взаимосвязи.

Традиционные методы оценки разнообразия природной среды
Метод эмпирического описания (наблюдения) применяется на первых этапах исследования территории.
В процессе его применения создаются характеристики объектов изучения.

Научное описание предполагает представление объекта исследования в форме, пригодной для научного анализа.
Для этих целей создаются списки флоры, фауны, элементарных ПТК и других объектов.
Метод характеристик, с помощью которого устанавливаются существенные характерные черты разнообразия конкретных территорий. Этот метод создает условия для проведения сравнения разнообразия территорий, в том числе для выбора участков подлежащих охране.

Методы классификации и систематизации.
Классификация лежит в основе любого обобщения научных знаний. Создание классификации позволяет перейти от описаний свойств объектов к теоретическим обобщениям.
Разработка классификаций и иерархий объектов исследования позволяет теоретически осмыслить все их многообразие на основе анализа и синтеза закономерностей их развития, строения, функционирования, пространственного размещения.

В процессе изучения, например, ландшафтного разнообразия могут применяться две классификационные модели:
1) иерархическая таксономия природных геосистем и
2) типологическая классификация ландшафтов.
Иерархическая таксономия природных геосистем отражает организацию биосферы и ландшафтной оболочки.

Биосфера
Биосфера – это По В. И. Вернадскому, биосфера — это общепланетарная оболочка, та область Земли, где существует или существовала жизнь и которая подверглась и подвергается ее воздействию.
Биосфера охватывает всю поверхность суши, всю гидросферу, часть атмосферы и верхнюю часть литосферы.

Верхний ее предел ограничен озоновым экраном , который защищает живые организмы от губительного для них излучения, которое задерживается этим экраном на высоте около 15 км – это верхняя граница биосферы.
Нижняя граница биосферы в среднем проходит на глубине 3-3,5 км, наблюдается повышение температуры вещества земной коры до 100ºС. Это абсолютный предел существования большей части живых организмов.

В. И. Вернадский (1989) допускал, что жизнь на Земле была потенциально разнообразной как по составу, так и по выполняемым живым веществом геохимическим функциям.
Эволюция организмов на Земле происходила в условиях конкретных экосистем (геосистем) биосферы.

Геологическую историю Земли по представлениям В. И. Вернадского образуют докембрий — время скрытой жизни (криптозой) и время явной жизни (фанерозой).
Любая форма эволюционного процесса, идет внутри биосферы, изменения свойств которой воспринимаются организмами как импульсы внешнего воздействия.

Ландшафтная оболочка
Критерием обособления ландшафтного пространства должна быть наблюдаемая в нем и свойственная только ему глубочайшая интеграция всех состояний вещества, характерных для земной поверхности: абиогенного - твердого, жидкого, газообразного - и качественно совершенно особого — живого.
Это биосфера в понимании Вернардского?

Согласно Ф. Н. Милькову, ландшафтная сфера в составе географической оболочки образует центральный, очень тонкий слой, который по насыщенности органической жизнью "... представляет собою биологический фокус географической оболочки Земли. ...
Ландшафтная сфера - место трансформации солнечной энергии в различные виды земной энергии, среда, наиболее благоприятная для развития жизни.

Ландшафтная сфера - это совокупность ландшафтных комплексов выстилающих сушу, океаны и ледниковые покровы.
При непосредственном участии или под контролем живых организмов здесь происходит множество процессов энерго-массообмена, результатом которых становятся специфичные ландшафтные тела, которые не могут возникнуть и существовать в каких-либо иных условиях.
Это растительный покров и
Животное население,
почвы,
коры выветривания, осадочные горные породы (в том числе, многие полезные ископаемые гипергенного происхождения), ландшафтные воды и приземный (ландшафтный) воздух.

Вертикальные границы ландшафтной оболочки
Нижний рубеж принято ограничивать зоной проникновения вглубь земной коры процессов гипергенного преобразования горных пород под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов (по А. И. Перельману).
В зоне гипергенеза образуются
почвы,
коры выветривания,
осадочные горные породы,
грунтовые воды.
Для наземных ландшафтов нижней границей обычно признается горизонт грунтовых вод.

Верхняя граница ландшафтной оболочки.
Для ее решения необходимо определить ту толщу приземного слоя воздуха, которая насыщена, пропитана вещественно-энергетическими потоками самого ландшафта.
Условно предлагается ограничивать эту толщу первыми сотнями метров нижней части тропосферы.

Иерархия природных геосистем

Ю. Г. Пузаченко и др. (2002) отмечают, что устойчивость любой системы зависит от того, насколько точно она реагирует на импульсы, поступающие из внешней среды.
Процесс эволюции, с одной стороны, идет в направлении роста специализации элементов систем к условиям внешней среды;
с другой стороны, узкая специализация не позволяет живым системам гибко реагировать на критические изменения параметров функционирования этой среды.

Структура экологического разнообразия

Ландшафтные геосистемы, или ПТК, представляют собой один из иерархических уровней организации биосферы.
Основы типологической классификации ландшафтов разрабатывались многими авторами. Известны типологические классификации ландшафтов Н. А. Гвоздецкого (1961, 1976), А. Г. Исаченко (1985, 1991), Ф. Н. Милькова (1973, 1981), В. А. Николаева (1978, 1979, 1986) и др.

Разработаны классификации геохимических ландшафтов Б. Б. Полынова (1956), А. И. Перельмана (1975), М. А. Глазовской (1988). И. И.
Мамай (2000) разработана генетико-динамическая классификация ландшафтов.
Возможно создание классификаций ландшафтов с позиций разнообразия их структуры.

Статистические методы оценки разнообразия природной среды
Статистические методы направлены на выяснение закономерностей пространственно-временного изменения биоразнообразия в зависимости от комплекса факторов.
Для геосистем разных рангов могут определяться абсолютные, относительные и взвешенные показатели разнообразия.

Абсолютные показатели характеризуют индивидуальное разнообразие.
Оно представляется общим числом контуров природных комплексов, расположенных на изучаемой территории.
Если же эти объекты сгруппированы по типам (видам), то количество последних — это типологическое (или видовое), т. е. абстрактное разнообразие.

Оценка разнообразия простым подсчетом видов, отнесенных к определенной территории или акватории, малоинформативна, так как среди этих видов есть доминанты, субдоминанты, редкие и уникальные виды.
Для более объективного учета отдельных элементов в совокупности объектов, при оценке разнообразия внутри сообщества или территории, определяются относительные (видовое богатство, выравненность обилий видов, индексы доминирования) и взвешенные (информационно-статистические) показатели.

Относительные показатели разнообразия предполагают установление отношений, например, количество видов ПТК к количеству их контуров (деление количества видов — n на количество контуров или особей — N).
При оценке биоразнообразия этот показатель получил название «выравненность обилий видов».
Выравненность обилий видов представляет собой равномерность распределения видов по их обилию в сообществе.

Гипотетические сообщества, характеризующиеся разной
выравненностью

Видовое богатство — число видов, для сравнения отнесенное к определенной площади. Этот показатель устанавливает соотношение количества видов n к площади S, занимаемой этими видами.
Практические исследования показали, что видовое богатство возрастает при увеличении размеров изучаемой площади, но это происходит до определенного предела.
По нашему мнению, величина разнообразия стабилизируется в том случае, когда обследована большая часть площади выявления геосистемы (экосистемы) определенного ранга.

В литературе встречаются понятия, которые характеризуются похожим содержанием — «площадь выявления ландшафта», «минимум-ареал ландшафта» или «характерное ландшафтное пространство», «ключевой выдел» или «ключевая трансекта ландшафта».
Практическое значение этих понятий заключается в том, что, установив характерное пространство (площадь выявления) ландшафта и изучив его, можно не обследовать всю занимаемую им территорию.
Как правило, бывает достаточно провести наблюдения в пределах трансекты (относительно широкой полосы), пересекающей территорию ландшафта от местного базиса эрозии к местному водоразделу.

С таким подходом в какой‑то мере согласуется метод конкретных флор, предложенный А. И. Толмачевым (1941).
Метод конкретных флор, предложенный А. И. Толмачевым (1941, 1970), получил теоретическое развитие и применение в трудах многих ботаников.
В процессе практического использования метода конкретных флор оформились два самостоятельных направления.
Первое основано на представлениях о непрерывном и постепенном изменении состава флоры на значительных территориях.

Его сторонники сужают объем понятия «конкретная флора». Они относят к нему флору географического пункта, пробу флористической ситуации в конкретном районе или просто пробу флоры.
В таких случаях территория исследования может быть малой (10 км2), средней (100 км2) и большой (1000 км2).
Конкретная флора в таком толковании представляет собой лишь статистическую выборку из флоры более крупного района.

Л. И. Малышев (1969) считает, что методом конкретных флор «фактически изучаются эталонные флористические участки, а не флоры в целом».
Такой подход, по его мнению, не отражает биологической сущности конкретных флор как элементарных подразделений флоры.
Пробная площадка должна обеспечить выявление серии фитоценологических показателей, а участок конкретной флоры — достаточную для данной местности полноту инвентаризации видового состава.

Представители другого направления опираются на допущение о дискретности распространения конкретных флор. Они признают за конкретной флорой статус наименьшей естественной флористической единицы.
Такое толкование понятия отражает ботаникогео-графический смысл конкретной флоры.
Конкретная флора — низшая, но специфическая ступень в иерархии флористических подразделений.

Наименьшей единицей флористического районирования считается флористический район (или подрайон), растительный покров которого слагается серией конкретных флор, переходящих друг в друга.
Конкретная флора рассматривается, с одной стороны, как элементарная естественная флористическая единица (т. е. как генеральная совокупность произрастающих на ее территории видов растений), а с другой стороны, как выборка из состава флоры более крупного района, позволяющая получить представление о ее составе.

Конкретная флора принципиально неделима на чисто флористических основаниях.
Внутри нее можно выделить «флоры» ландшафтных участков, урочищ, экотопов меньших размеров.
Их изучение имеет важное значение для инвентаризации разнообразия природной среды.
Основной структурной ячейкой конкретной флоры служит фитоценоз.
Конкретная флора состоит из набора некоторого количества фитоценозов, а само количество фитоценозов зависит от степени пестроты условий среды.

Конкретная флора
По мнению Л. И. Малышева (1975), конкретная флора — реально существующая флористическая единица, дающая представление о флористическом разнообразии территории.
Например, приледниковая флора (Ревякина Н. В., 2003); флора пойменных местообитаний и др.

Конкретным флорам присущи черты, характерные для флористических подразделений любого ранга:
территориальная обособленность; определенный уровень флористического богатства;
определенное систематическое строение; характерное соотношение генетических, географических и других элементов флоры.

Границы конкретной флоры обусловлены биотическими и историческими факторами, которые наблюдались на территории формирования флоры.
Конкретная флора устанавливается внутри ареалов видов, ее образующих.
Такой подход позволяет получить представление не о случайной пробе флоры на местности, а о закономерном сочетании видов, обусловленном внешними факторами.

Ареалы распространения видов черневых лесов
на территории Алтайского региона в разные климатические интервалы (Барышникова О. Н. и др., 2008).

В основу выбора участка исследования конкретной флоры должны быть положены все имеющиеся данные флористического, геоботанического, физико-географического и палеогеографического характера.
И только в этом случае можно получить информацию о конкретной флоре как об образовании определенной ступени в иерархии флористических подразделений.

Для анализа конкретных флор и флор конкретных территорий возможно вычисление индексов видового богатства.
Эти индексы позволяют оценить разнообразие сообщества с конечным числом видов и особей.
В тех случаях, когда список видов неполный и исследователь работает с выборкой видов, им определяется «нумерическое видовое богатство», то есть число видов на определенное число особей (число видов на 1000 особей), на определенную биомассу или устанавливается видовая плотность (например, число видов на единицу площади).
Большая величина «нумерического» индекса соответствует большему видовому разнообразию.

Взвешенные показатели разнообразия природной среды учитывают одновременно и число качественных различий, и долю (вес) каждого из них в общей совокупности.
В качестве такого взвешенного показателя предлагается использовать индекс разнообразия Шеннона (Н).

Ю. А. Песенко (1982) провел сравнительный анализ множества индексов и установил, что значения многих из них коррелируют между собой.
Этот вывод подтвердил объективность и возможность оценки разнообразия.
В результате сравнительного анализа данных о разнообразии, полученных разными авторами, Э. Мэгарран (1992) рекомендует вычислять индекс Шеннона (H).

Индекс Шеннона обычно варьирует в пределах от 1,5 до 3,5, очень редко превышая значения 4,5, что связано с процедурой логарифмирования.
Вместе с тем если значения индекса Шеннона рассчитать для нескольких выборок, то полученное распределение величин подчиняется нормальному закону распределения.
Кроме того, их суммирование позволяет получать производные интегральные характеристики, превышающие значение 4,5 в несколько раз.

Универсальность метода оценки разнообразия, основанную на теории информации К. Шеннона (1963), поскольку единицы измерения при любых преобразованиях либо сокращаются, либо сохраняются в оригинале и остаются «битами».
При описании разнообразия для совокупностей местообитаний с использованием данных по присутствию/отсутствию видов применяются такие показатели, как меры Коуди, Уиттекера или Ратледжа (Розенберг Г. С., 1989).

Для географического анализа большое значение имеет картографическая форма визуализации моделей разнообразия.
Картографы применяют энтропийную меру в качестве показателя информационной емкости карт.
Они опираются на родство понятий «разнообразие» и «информация».
Исследователи в области картосемиотики используют формулу Шеннона для количественной оценки разнообразия реальных явлений по данным, измеренным по картам.

При этом главным образом вычисляются показатели разнообразия площадных объектов — контуров природных комплексов, их сложность, мозаичность, дробность (Червяков В. А., 1988; Червяков В. А., Гусельниов С. А., 1993).
А. М. Берлянтом (1978, 1997) разработана методика вычисления разнообразия по соотношению площадей, измеренных по картам и др.

Картографический метод исследования
разнообразия
Картографические произведения относятся к одному из видов научных моделей. Они отображают пространственную организацию объектов посредством условных обозначений как в плане (2D), так и в трехмерном измерении (3D).
Карты, характеризующие видовое разнообразие, могут быть построены путем нанесения местонахождения особей каждого вида на картографическую основу (точечный способ, ареалов и др.).

В результате анализа ареала видов могут быть построены границы ареала — способ абсолютных ареалов (рис. 11).
Подобные карты отображают ареалы распространения видов, но не характеризуют видовое разнообразие.

Карта-схема видового разнообразия, построенная
способом абсолютных ареалов
Фрагмент карты «… Ареалов видов», построенной с использованием регулярной сетки

Картограмм и картодиаграмм
Картодиаграмма видового разнообразия рыб в основных речных бассейнах и окраинных морях России Сохранение биологического …, 1997)

Качественный и количественный фон
Число видов древесных растений
(Сохранение биологического …, 1997) (способ количественного фона)

Интегральный показатель ландшафтного разнообразия в баллах (Сохранение биологического …, 1997)

Изолинейная модель потенциального разнообразия ландшафтов

Разнообразие геосистем территории Алтая: А — исходная ландшафтная карта,
Б — производная модель

Этапы построения изолинейной карты разнообразия ландшафтов:
А — создание точечно-цифровой модели разнообразия
по операционным ячейкам;
Б — создание растровой модели видового разнообразия геосистем