863

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.Ф. МОРОЗОВА

Кафедра лесоводства, лесной таксации и лесоустройства

УЧЕНИЕ О БИОГЕОЦЕНОЗАХ

Методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 35.04.01 – Лесное дело,

направленность – Государственное управление лесами

Воронеж 2017

УДК Беспаленко О.Н. Учение о биогеоценозах [Электронный ресурс]:

методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 35.04.01 – Лесное дело, направленность – Государственное управление лесами / О.Н. Беспаленко; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» - Воронеж, 2017 – 19 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол №___ от «___» ___________ 2017 г.)

Ответственный редактор: заведующий кафедрой лесоводства, лесной

ТЕМА 1

(2 часа)

СТРУКТУРА ЛЕСНОГО БИОГЕОЦЕНОЗА

Цель работы – ознакомление с лесным биогеоценозом, как сложной биологической системой, изучение роли отдельных структурных элементов лесного биогеоценоза.

Теоретическая часть.

Лесной биогеоценоз (экосистема) – это открытая сложная саморегулирующаяся, организованная обменом веществ и потоком энергии, динамическая система взаимодействующих компонентов живых организмов (биоценоза: фитоценоза, зооценоза, микробоценоза) и окружающей среды (экотопа: атмосферы, почвы, горной породы, гидрологических условий) в границах однородного фитоценоза, где основным первичным продуцентом и эдификатором является древостой.

По Н.В. Сукачеву каждый из компонентов биогеоценоза в той или иной мере является материалом для биогеоценотического процесса; и трансформатором и обменным аппаратом, и суммарным выразителем этого процесса. Каждый компонент биогеоценоза существует и развивается по своим собственным законам. Однако ни один из компонентов не существует и не развивается изолированно. Непрерывный обмен веществ между отдельными компонентами определяет целостность биогеоценоза.

Органический мир биогеоценоза (биоценоз) характеризуется сложными противоречивыми взаимоотношениями, взаимосвязями, в том числе трофическими связями, под которым понимается передача заключенной в пище энергии от ее первоначального источника – растения – через ряд организмов (консументов) каждый из которых поедает предыдущий и поедается последующим. Трансформация существующего вещества представляет собой беспрерывный ряд фаз, каждая из которых ведет к потери части энергии с дыханием и использованию другой части для синтеза нового вещества.

По В.И. Вернадскому, основные функции живого вещества биосферы следующие:

1. Энергетическая – поглощение энергии при фотосинтезе, передача энергии по трофической цепи.

2.Концентрационная – избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов веществ, используемых для построения тела организма и выделяемых при метаболизме.

3.Деструктивная – минерализация органического вещества.

4.Средообразующая – преобразование физико-химических параметров

среды.

5.Транспортная – перенос вещества против градиента силы тяжести в горизонтальном направлении.

Лесу, как составной части биосферы, в высшей степени насыщенному живым веществом, также присущи отмеченные биологические функции, среди которых наиболее важными являются энергетическая и средообразующая.

Практическая часть.

1. В часы самостоятельной работы по рекомендуемым литературным источникам изучить структуру и значение отдельных элементов лесного биогеоценоза.

3.Подготовить конспект ответов на вопросы:

1.Роль компонентов биогеоценоза по В.Н. Сукачеву.

2.Что подразумевается под биоценозом и экотопом?

3.Влияние почвы на лес и леса на почву.

4.Почвоулучшающие и почвоухудшающие древесные породы.

5.Структура и признаки лесного фитоценоза.

6.Влияние гидрологических условий на лесоводственные

признаки лесного насаждения.

7. Светолюбивые и теневыносливые древесные породы.

8. Особенности атмосферного воздуха под пологом леса.

9. Роль грибов в жизни лесного фитоценоза.

ТЕМА 2

(2 часа)

ТРИ ОСНОВНЫХ УРОВНЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ

Цель работы – ознакомление с понятием биоразнообразия как особого свойства живой природы, с основными уровнями биоразнообразия.

Теоретическая часть.

В 1992 г. была принята Конвенция о биологическом разнообразии. Россия присоединилась к ней в 1995 г. Конвенция в международном

масштабе поставила вопрос о необходимости сохранения биоразнообразия и устойчивого использования его отдельных компонентов.

Согласно этой конвенции «Биологическое разнообразие» означает вариабельность живых организмов из всех источников, включая, среди прочего, наземные, морские и иные водные экосистемы и экологические комплексы, частью которых они являются; это понятие включает в себя внутривидовое разнообразие, разнообразие видов, разнообразие экосистем. Биологическое разнообразие обеспечивает устойчивое развитие экосистем.

Вцелом выделяются три основных уровня биоразнообразия: генетическое, видовое, экосистемное (разнообразие экосистем). Генетическое разнообразие есть сумма генетической информации, содержащаяся в генах всех особей растений, животных, микроорганизмов. Видовое разнообразие – число видов. Разнообразие экосистем – количество разных местообитаний, сообществ и экологических процессов на различных уровнях организации ландшафтов.

Зачем нужно сохранять разнообразие видов? Можно ли, например, не заботиться о выживании видов, являющихся вредителями леса (например, таких, как непарный шелкопряд, еловый усач и т.д.)?

Существует часто прагматический ответ на такие вопросы. Огромная масса биологических видов, особенно мелких (насекомых, мхов, червеобразных) крайне мало изучена, либо вообще до сих пор не описана учеными.

Генетически каждый вид живых организмов уникален, и каждый из видов может оказаться носителем свойств, например пищевых или лекарственных. Важным является то, что каждый вид, занимая свою, только ему присущую экологическую нишу, играет уникальную роль в экосистеме. Исчезновение любого вида приводит к разрыву его многочисленных связей с другими видами, вследствие чего нарушается функционирование экосистемы.

Влесоводстве, лесной таксации и лесоустройстве такие понятия, как тип леса, тип лесорастительных условий, состав древостоя, состояние деревьев, возраст, класс бонитета и т.п. являются прямыми категориями отображения разнообразия лесного биогеоценоза.

Практическая часть.

1.В часы самостоятельной работы по рекомендуемым литературным источникам изучить содержание основных уровней биоразнообразия.

2.Подготовить конспект ответов на вопросы:

1.Биоразнообразие как свойство живой природы.

2.Определение генетического разнообразия.

3.Фенотипическая и генотипическая изменчивости.

4.Видовое разнообразие – зависимость от экологических

условий.

5. Какие лесоводственные понятия являются отображением биоразнообразия?

6.Почему необходимо сохранять разнообразие видов?

7.Ключевые виды, их значение при сохранении биоразнообразия

в целом?

ТЕМА 3

(2 часа)

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ

Цель работы – изучить основные факторы, определяющие закономерности изменения биоразнообразия.

Теоретическая часть.

Выделяются общие закономерности изменения биологического разнообразия в планетарном масштабе:

1.Биологическое разнообразие на всех уровнях пропорционально логарифму от количества тепла и влаги и их соотношения, а также свойств почвообразующей породы.

2.Биологическое разнообразие изменяется пропорционально сложности рельефа и разнообразию почвообразующих пород (в сходных климатических условиях в горах биологическое разнообразие всегда выше).

3.Биологическое разнообразие тем выше, чем больше время непрерывного развития биологических систем, т.е. одной из причин возникновения биологического разнообразия считают эволюционное время. Так, например, леса к возрасту спелости (для сосны обыкновенной это возраст 100-120 лет) представлены максимальным числом видов и имеют более высокий уровень биологического разнообразия.

Положение России в Северном полушарии определяет относительно низкое биоразнообразие на единицу площади. Значительная часть территории 20-40 тыс. лет назад подверглась оледенению и в последующие годы была подвержена резким изменениям климата.

Тропические сообщества отличаются более высоким биоразнообразием, поскольку эти биосистемы не испытывали возмущающих воздействий долгое время, что привело в итоге к видовому богатству. Считается установленной связь видового богатства с устойчивостью климата или с незначительными его изменениями по сезонам года. Среда с устойчивым климатом благоприятна специализированным видам, занимающим узкие экологические ниши.

В лесных фитоценозах формирование биоразнообразия возможно объяснить с позиции гипотезы пространственной гетерогенности: местообитания с более сложной структурой содержат большее число «микроместообитаний» и пути его использования более многообразны. Так,

например, в сложных лесных экосистемах обитает большее количество животных и птиц, быстро сменяющих друг друга в пространстве. Высокое разнообразие растений, в свою очередь, благоприятствуют развитию разнообразия животных, особенно птиц и насекомых.

Практическая часть.

1.В часы самостоятельной работы по рекомендуемым литературным источникам изучить факторы, определяющие закономерности изменения биоразнообразия.

2.Подготовить конспект ответов на вопросы:

1.Какие типы леса в условиях Центральной лесостепи, благодаря

оптимальному сочетанию тепла и влаги, отличаются наибольшим биологическим разнообразием?

2. Приведите примеры влияния свойств почвообразующих пород на видовое разнообразие древесных и кустарниковых пород.

3. Какие крупные лесные массивы сосны обыкновенной в ЦЧР представлены максимальным видовым составом растений и животных?

4. Характеристика видового разнообразия Правобережного лесничества УОЛ ВГЛТУ.

5.Биоразнообразие лесных экосистем Левобережного

лесничества УОЛ ВГЛТУ.

6. Какие факторы обусловили особенности биоразнообразия в лесных экосистемах на территории России?

7.Биологическое разнообразие тропических лесов.

8.Значение климата при формировании видового разнообразия.

ТЕМА 4

(2 часа)

БИОРАЗНООБРАЗИЕ КАК ОДИН ИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ

Цель работы – усвоить роль биологического разнообразия, как одного из главных факторов, обуславливающих устойчивость лесной экосистемы.

Теоретическая часть.

Одним из показателей устойчивости лесных экосистем является видовое разнообразие.

Влесокультурном деле необходимо проводить внутрипопуляционный отбор устойчивых форм, что даст возможность использовать их клоны для быстрого получения большого количества посадочного материала.

Впрактическом плане при оценке состояния лесных биогеоценозов в первую очередь определяют устойчивость каждого из его компонентов. Для

природных биологических систем ключевой характеристикой является биологическое разнообразие. Они состоят, как правило, из неустойчивых элементов, однако неустойчивость одного из них стабилизируется через обратные связи изменением поведения других.

Фундаментальное свойство лесной экосистемы – способность к самоорганизации (саморегулированию). Структурным основанием самоорганизации является множественность элементов и разветвленность связей между ними, ведущих к возникновению целостности, а функциональным основанием – развитие гибкого взаимодействия по типу обратных связей, направленных на оптимизацию системы.

Под устойчивостью функционирования сложной системы понимают способность системы сохранять требуемые свойства в условиях возмущений.

При положительной обратной связи всякое отклонение от равновесного состояния усиливается, так как выход (следствие) действует на вход (причину) в том же направлении, в каком развивается процесс. При положительной обратной связи процессы в системе могут лавинообразно нарастать и привести к ее разрушению. При отрицательной обратной связи всякое отклонение от равновесного состояния системы затухает, так как выход (следствие) действует на вход (причину) в направлении, противоположном развитию процесса. Отрицательная обратная связь способствует стабилизации системы и является основным механизмом ее саморегулирования. Отрицательная обратная связь способствует восстановлению исходного состояния лесной экосистемы, положительная обратная связь уводит систему все дальше от исходного состояния. Устойчивость системы, как правило, нарастает по мере увеличения биологического разнообразия: чем выше число трофических связей, тем шире диапазон и вероятнее действие компенсаторных механизмов.

Практическая часть.

1.В часы самостоятельной работы по рекомендуемым литературным источникам изучить роль биоразнообразия, как фактора, обеспечивающего устойчивость экосистемы.

2.Подготовить конспект ответов на вопросы:

1.Что понимается под устойчивостью лесной экосистемы?

2.Как называется механизм, обеспечивающий сохранение

устойчивости лесной экосистемы?

3. Приведите пример положительной обратной связи в лесной экосистеме.

4. Как изменяется видовое разнообразие лесной экосистемы при действии положительной обратной связи?

5. При помощи элемента моделирования (шар, мяч) объясните механизм отрицательных и положительных обратных связей в лесной экосистеме, подвергающейся внешнему негативному воздействию.

6. Как изменяется биоразнообразие лесной экосистемы после

рубки леса?

7.Биоразнообразие и устойчивость лесных экосистем

тропической и бореальной зон.

ТЕМА 5

(2 часа)

ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОСИСТЕМНОГО РАЗНООБРАЗИЯ

Цель работы – ознакомление с информационном подходом при изучении биологического разнообразия лесных экосистем.

Теоретическая часть.

Прогрессирующее сокращение лесов, смена естественных лесов на вторичные, создание лесных плантаций и другие антропогенные воздействия приводят к неконтролируемому изменению видового состава растений и животных, что отражается на устойчивости экосистем.

Показатели экосистемного разнообразия: 1 – Экосистемное богатство (ЭБ), под которым понимается не только общее число экосистем различных типов в пределах лесохозяйственного объекта (на 10 тыс. га лесной площади), но и распределение их на занимаемой площади. 2 – Поквартальная экосистемная насыщенность (ЭН) – количество типов лесных экосистем в каждом квартале в переводе на 100 га. 3 – Средний размер лесотаксационных выделов и параметры его распределения в пределах всего лесохозяйственного объекта. 4 – Пространственное экосистемное бетаразнообразие (В=ЭБ/ЭН-1), характеризующее степень однородности территории. 5 – Поквартальная информационная насыщенность ландшафта, отображаемая стандартным индексом Шеннона-Уивера (Н) по доле площади, занимаемой каждым типом экосистемы в пределах квартала. 6 – Экосистемная мозаичность, отображенная стандартным индексом выравненности (Е). По параметрам ЭН, Н, Е – создаются картосхемы.

Одним из показателей устойчивости лесных экосистем является видовое разнообразие. Соотношение между числом видов и «показателями значительности» (численность, биомасса, продуктивность и т.д.) называется показателем видового разнообразия. Обычно видовое разнообразие невелико в экосистемах, сильно зависящих от лимитирующих физико-химических факторов, и велико в экосистемах, контролируемых биологическими факторами.

При оценке видового разнообразия используется показатель видового богатства (компонент разнообразия), который выражается отношением общего числа видов (S) к общему числу особей (N). Для выражения разнообразия можно использовать также отношение числа видов (S) к числу

особей, приходящихся на один вид (N/S) или отношением числа видов (S) к единице площади (при сравнимых размерах проб).

Второй компонент разнообразия – выровненность распространения особей между видами. Например, две системы, каждая из которых состоит из 10 видов и 10 особей, могут иметь одинаковые отношения S/N, но совершенно различные показатели выровненности (от минимальной до идеальной).

Формула Шеннона-Уивера, отражающая так называемое количество информации, объединяет оба компонента – разнообразие и выровненность – в общий показатель разнообразия видов (индекс К.Э. Шеннона):

или ,

где S – число видов;

- число особей каждого вида (), отнесенное к общему числу особей (вероятность значительности для каждого вида - N);

,

Н – индекс разнообразия (информации).

Показатель выровненности (е) вычисляется по формуле:

.

Практическая часть.

1.По таксационным описаниям, полученным от преподавателя в индивидуальном порядке, провести сравнительный анализ биоразнообразия в различных выделах на основании лесоводственных показателей.

2.Подготовить конспекты ответов на вопросы:

1.Что понимается под экосистемным разнообразием?

2.Примеры лесных экосистем с различным биоразнообразием в

условиях Центральной лесостепи.

3. Негативные факторы, влияющие на состояние лесных

экосистем.

4.Что означает термин – экосистемное богатство?

5.Показатель видового разнообразия.