Основи екологічних досліджень

Будь-яке екологічне дослідження починається зі спостере-жень, відмітною рисою яких є невтручання спостерігача в про-цеси, що відбуваються. Такі спостереження можуть здійснюва-тися, так би мовити, неозброєним оком, що було характерно для екології першої половини ХХ століття.

стереження в звичайному значенні цього слова, а отримання інформації про стан об'єктів. У сучасній екології спостереження за допомогою приладів - один з основних методів дослідження. Шлях до нього був досить довгим.

Він ішов від мальовничих описів картин природи, чудові взірці яких зустрічаються в працях А. Гумбольдта, А. Уоллеса, Ч. Дарвіна в першій половині ХІХ століття, до сучасних комп'ю-терних баз даних видового складу, параметрів середовища тих чи інших екосистем. Для вивчення властивостей природного середовища - повітря, води та ґрунту застосовуються досить різноманітні прилади та устаткування, до обслуговування яких доводиться залучати спеціально підготовлені інженерні кадри. Специфічні також і методи вивчення живих організмів. Для їх реалізації необхідні спеціалісти - біологи.

Особливістю сучасних екологічних спостережень за допо-могою приладів є їхня комплексність та довгостроковість, коли на одній і тій же ділянці екосистеми ведуться протягом досить великого відрізку часу спостереження за живими організмами та абіотичними факторами середовища. Для реалізації комплек-сних спостережень засновуються спеціальні стаціонари, що роз-міщуються в типових та особливо характерних біотопах так, щоб вона давала найбільш характерну інформацію про екосистему. Окрім комплексних спостережень на стаціонарах може прово-дитися глобальний моніторинг екосистем і біосфери в цілому.

Як міждисциплінарна наука екологія широко застосовує екс­периментальні методи досліджень.

Чимало корисної інформації додає вивчення масових виру-бок лісу, створення великих водосховищ і т. ін. У результаті спостережень та експериментів у розпорядженні еколога накопичується сукупність наукових фактів. Але за науковий факт не можна брати результати будь- якого спостереження. Важливим критерієм достовірності результатів спостережень та експериментів є їхня відтворюваність. Вона досягається, як правило, багаторазовими повтореннями спостережень та експериментів. Результати таких повторюваних спостере-жень або обліків у сукупності складають так звану вибірку. Відповідна статистична обробка даних дослідження дозволяє оцінити рівень статистичної достовірності результатів та вва-жати їх науковим фактом.

Певним джерелом фактів для еколога є літературні дані та службова інформація. Використання літературних даних ціл-ком допустиме з урахуванням репутації автора та з посиланням на нього. Складніше буває з використанням службової інфор-мації. Вона нерідко „захищена”, тому на ознайомлення з нею слід отримати дозвіл. З іншого боку, всім відомі випадки, коли службова інформація (особливо щодо якості природного сере-довища) упереджено викривлялася.

У зв'язку зі складністю екологічних систем щодо їх вивчення часто використовують моделювання. Як модель може виступати матеріальна копія об'єкта екології, звичайно, до певної міри спро­щена. Наприклад, акваріум можна розглядати як модель ставка. На таких моделях отримують немало корисної інформації, але в цілому їх значення в екології порівняно обмежене. Реальні еко-системи - це багатовидові, комплексні об'єкти, в той час, як їхні моделі мають багато спрощень і часто виявляються досить доро-гими. Отримання за допомогою матеріальних моделей інформа-ції про стійкість, особливості розвитку екосистем і т. ін. вимагає багато часу, оскільки тривалість будь-якого процесу в матеріаль-ній моделі та реальному об'єкті має співвідношення 1:1.

Інший клас матеріальних моделей складають реальні об'єкти природи, спеціально виділені для вивчення в природному середовищі. У цьому випадку говориться про „модель особини”, „модель популяції” і т. ін. Більш широко в екології використову-ють абстрактні моделі. У даному випадку моделлю називають деякі абстрактні описи того чи іншого об'єкта або явища реаль-ного світу, що дозволяє аналізувати його властивості. Переваги абстрактних моделей полягають у тому, що вони дозволяють порівняно простими та недорогими засобами аналізувати пове-дінку екологічних систем та передбачати характер їхніх змін при внесенні в систему тих чи інших коректив. Головна вимога до абстрактних екологічних моделей - це точність та достатня уза-гальненість. Точність абстрактних моделей у багатьох випадках залежить від кількості вибраних для її конструювання елемен-тів та параметрів системи. Включення до моделі досить великої кількості компонентів ускладнює її аналіз, створює „шум”.

Навпаки, редукція кількості елементів до занадто малого їх числа робить модель далекою від реальності. Моделювання еко-логічних процесів на основі абстрактних моделей базується на ряді спільних рис. Спершу визначається об'єкт моделювання - популяція, екосистема і т. ін. Потім визначається межа об'єкта, визначається мета моделювання, і на цій підставі складається перелік компонентів та зв'язків, що включаються до моделі. Наступний важливий етап моделювання - це з'ясування співвід-ношення між компонентами моделі.

Досить важливим етапом моделювання є кількісна оцінка усіх параметрів, що беруть участь у функціонуванні об'єкта. Наприклад, це може бути оцінка ємності ґрунту щодо кількості мінеральних речовин, швидкість мінералізації речовини, вели-чина біомаси рослин, тварин та мікроорганізмів і т. ін. На кін-цевому етапі співвідношення між компонентами та процесами можуть бути подані у вигляді математичного виразу. Всі розра-хунки, пов'язані зі змінами кількісних параметрів моделі, сьо-годні виконуються з використанням комп'ютерної техніки. Під час конструювання та дослідження моделі перевіряється її відпо-відність реальному об'єкту. Модель може ускладнюватися шля-хом додавання суттєвих, але спершу пропущених компонентів та зв'язків, або спрощуватися за рахунок виключення мало суттєвих для її функціонування компонентів та процесів. Залежно від апа-рату дослідження абстрактні моделі поділяються на ряд видів.

Основними видами абстрактних моделей є:

1. Вербальні моделі - це суто словесні описи елементів та проце­сів екосистем. Вони непридатні для дослідження та прогнозування екосистем, але в самому процесі моделювання вербальні моделі відіграють досить важливу роль. Чим ближче вербальна модель до реальності та чим точніше вона відображає суть екологічної сис-теми, тим більш правильними виявляються створені на її основі матеріальні та інші моделі. Успіх конструювання вербальних моде-лей безпосередньо залежить від екологічної освіти дослідника та точного використання ним термінів і понять екології.

2. Графічні моделі являють собою схематичні зображення компонентів системи та зв'язків між ними.

3. Математичні моделі описують екологічну систему у вигляді одного чи декількох математичних виразів.

Метод моделювання екосистеми вимагає великих затрат і багато часу, а такі великі системи, як біосфера, практично не моделюються за великої кількості зв'язків, що є в них та високої значущості випадкових факторів.

На сучасному етапі розроблено багато методів збору інформації про стан біосфери, що є одним з найголовнішим завдань екології. Контроль сучасного стану біосфери в цілому чи в межах її окремих складових, збір екологічних даних у межах окремих континентів, їх частин або акваторій, порів-няльний аналіз екологічної інформації з різних регіонів зем-ної кулі з метою визначення динаміки екологічних ситуацій і можливих біосферних змін здійснюється за допомогою еколо-гічного моніторингу навколишнього середовища - системи режимних довгострокових безперервних спостережень за станом довкілля. Найважливішими засобами його є дистан-ційні екологічні дослідження. Вони дають змогу здійснювати зондування земної поверхні у видимому, інфрачервоному, мікрохвильовому діапазонах, або з використанням лазерної техніки.

Комплексний моніторинг довкілля повинен забезпечити своєчасну оцінку стану навколишнього середовища і забезпе-чити передбачення можливих катастрофічних змін, зменшити їх силу або відвернути. Від якості організації і проведення еко-логічного моніторингу залежить ефективність рішень, що при-ймаються керівниками підприємств і урядами країн. Система моніторингу за станом навколишнього середовища включає три основних види діяльності:

1) систематичні спостереження за станом навколишнього середовища;

2) аналіз і прогноз - визначення можливих змін у природі під впливом природних і антропогенних чинників;

3) наукове обґрунтування заходів щодо регулювання стану навколишнього середовища.

Одним із найефективніших методів екологічних дослід-жень є дистанційний аерокосмічний моніторинг.

Картини Землі з космосу - це насамперед інтегральні зобра-ження природних і господарських систем. Саме вони легше за все виділяються і характеризуються в процесі аерокосмічного моніторингу.

Відзначаються наступні особливості і переваги космічного моніторингу: спостерігаються і реєструються дані про великі простори, аж до всієї видимої в момент зйомки частини земної кулі; завдяки великій оглядовості можна простежити глобальні

і регіональні особливості природи Землі; космознімки дають однотипну інформацію про важкодоступні райони з такою ж точністю, як і для добре вивчених ділянок; можливість регуляр-ного проведення повторних зйомок дозволяє вибирати кращі зображення; за матеріалами повторних зйомок вивчається динаміка природних процесів; комплексний характер інфор-мації, що міститься на знімках з космосу, обумовлює викорис-тання їх для вивчення складних процесів взаємодії компонентів природи: атмосфери, гідросфери, літосфери; завдяки природній генералізації зображення на космічних знімках відображаються найбільш великі і істотні елементи ландшафтної структури гео-графічної оболонки і сліди антропогенного впливу.

Існуючі технічні засоби одержання багатоспектрального зображення і методи опрацювання інформації дозволяють визначити, класифікувати і картографувати окремі компоненти природно - господарських систем. Радіолокаційна зйомка також має надзвичайно велике значення. її перевага полягає в тому, що вона дає цінну інформацію про властивості літогенної основи природних комплексів, речовинний склад порід, рельєф і т. ін. Важлива особливість РЛ- зйомки - її незалежність від метеоро­логічних умов.

В оцінці стану навколишнього середовища поряд із дистан­ційними важливу роль відіграють наземні методи дослідження: геофізичні, геохімічні та індикаційні.

Геофізичний метод передбачає вивчення процесів надхо­дження і перетворення речовини й енергії в геосистемах і екоси­стемах. Спостереження проводяться в стаціонарних і в напівста- ціонарних умовах, на площадках або профілях із застосуванням різної вимірювальної апаратури згідно зі спеціальною програ-мою. Визначаються елементи радіаційного, теплового і водного балансів, досліджується тепло- і вологообмін між компонентами природного середовища і їх вплив на продуктивність екосистем. Порівняння структури балансів зміненої і непорушеної терито-рій дозволяє визначити напрямок і ступінь змін.

Геохімічний метод полягає у вивченні функціонування природних систем за допомогою аналізу міграції хімічних еле-ментів. Вивчається надходження елементів природним шляхом

і в результаті господарської діяльності людини, виявляється інтенсивність їх водної і повітряної міграції, розглядається біо-логічний кругообіг елементів і його зміни під впливом техно-генезу. Аналіз охоплює усі середовища: повітря, атмосферні опади, поверхневі і ґрунтові води, геологічний субстрат, ґрунти

і рослини. Геохімічний метод дає можливість визначити зако­номірності змін хімічного складу навколишнього середовища, спроможності природних систем до самоочищення, виявити напрямки потоків забруднюючих речовин.

Індикаційний метод ґрунтується на можливості визна-чення стану одного об'єкта за іншим. Головну роль тут відіграє біоіндикація, а головним біоіндикатором є рослинний покрив. Останній дозволяє виявляти зміни за чотирма ознаками:

фізіологічно, морфологічно, фітоценотично і флористично. Зміни цих показників у бік зменшення кількості і погіршення якості вказують на деградацію рослинного покриву, а отже, наростання негативних тенденцій у зміні стану навколишнього середовища. Не менш важливими індикаторами є показники, що характери-зують тваринний світ: структура популяцій, особливості роз-множення, масові розмноження, або, навпаки, масова загибель тварин через хвороби або нестачу корму. Оцінка навколишнього середовища передбачає порівняння його стану з визначеними нормами. У якості критеріїв можуть виступати показники непо-рушеного стану природних комплексів, або фонові параметри середовища. Розробляються нормативні показники, які характе-ризують ступінь можливого впливу людини на природу.

16.2.