методика экологических исследований

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Т.А. Девятова, Т.Н. Крамарева

МЕТОДИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Учебное пособие для вузов

Воронеж Издательский дом ВГУ

2014

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2

Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 12 декабря 2013 г., протокол № 4 Рецензент старший преподаватель кафедры почвоведения и управления зе-мельными ресурсами Н.С. Горбунова Учебное пособие по методике экологических исследований подготовлено на кафедре экологии и земельных ресурсов Воронежского государственного университета. Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов 2-го курса днев-ного отделения биолого-почвенного факультета. Для направления 022000 – Экология и природопользование


3

СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................................................................................. 4 Тема 1. Общие понятия ........................................................................................ 5 Тема 2. Методика проведения наблюдений в экологических исследованиях ............................................................ 7 Тема 3. Особенности проведения экспериментальных исследований в экологии .............................................................................................. 10 Тема 4. Методика проведения полевых исследований ................................... 13 Тема 5. Методика проведения лабораторных исследований ......................... 32 Список литературы ............................................................................................. 45


4

ВВЕДЕНИЕ Успешное проведение экологических исследований во многом зави-

сит от умения специалистов правильно выбрать методику. Выбор правиль-ной методики влияет на результат исследований и определяет в целом успех намеченной работы.

В данном учебном пособии рассматриваются методики проведения основных исследований в области экологического познания. Оно подготов-лено в соответствии с учебной программой курса «Методика экологических исследований», который преподается бакалаврам-экологам биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета. Це-лью данного курса является изучение методик экологических исследований, как сумм технических приемов, направленных на разрешение той или иной научной проблемы.

После изучения курса студенты научатся самостоятельно планировать и осуществлять свои научные и практические проекты в области экологии.


5

Тема 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Исследования в области экологии являются неотъемлемой частью, как и в других науках, изучающих окружающий мир. Но с самого начала необходимо четко дать определения основным понятиям в этой области знаний. Так что же такое само исследование?

Исследование (научное) – это процесс выработки новых знаний, один из видов познавательной деятельности. Оно характеризуется объек-тивностью, воспроизводимостью, доказательностью, точностью; имеет два уровня – эмпирический и теоретический. Эмпирический уровень включает в себя разные методы.

Выделяют следующие виды научных исследований: • Фундаментальное исследование, предпринятое главным образом,

чтобы производить новые знания независимо от перспектив применения. • Прикладное исследование направлено преимущественно на приме-

нение новых знаний для достижения практических целей, решения кон-кретных задач.

• Поисковое исследование направлено на определение перспектив-ности работы над темой, отыскивание путей решения научных задач.

• Разработка – научное исследование, внедряющее в практику ре-зультаты конкретных фундаментальных и прикладных исследований.

Как уже говорилось выше, эмпирический уровень исследования включает в себя различные методы. Так что же такое метод и чем он отли-чается от методики?

Метод науки – это общий способ достижения всестороннего отраже-ния предмета исследования, раскрытия его сущности, познания его законов. Средства реализации методов разнообразны: это могут быть логические рассуждения, средства измерений по картам, вычислительные средства, техника для получения фотоизображений и т.д.

Методы разделяются на общенаучные и частные. Общие методы – это область исследования философов, методологов науки. Частные методы раз-рабатываются специалистами в каждой конкретной области.

В экологических исследованиях могут быть применены как общена-учные методы – такие, как индукция, дедукция, системные, исторические и т.д., так и частные – транссектный метод, метод пробных площадок, метод изъятия и др.

В экологии часто используются методы, применяемые в других нау-ках, как в биологических (биогеохимия, анатомия, физиология, и др.), так и небиологических (физика, химия, геодезия, метеорология и др.). Но для вы-явления специфики экологических закономерностей существуют исключи-тельно собственные – экологические – методы. Они делятся на полевые, ла-


6

бораторные, экспериментальные, количественные (математическое модели-рование) методы.

Методы исследований все время расширяются и совершенствуются. Практически все методы могут сочетаться друг с другом. Пример такого сочетания – математико-картографическое моделирование.

Перейдем теперь к определению методики. Под методикой подразу-мевается сумма технических приемов, направленных на разрешение той или иной научной проблемы. Характер методики изменяется в зависимости от того, каким путем или методом намечено осуществить исследование, каковы принципиальные позиции ученого и поставленные перед ним задачи. Не только метод, но и методика оказывают громадное влияние на результаты исследования. Выбор правильной методики в значительной степени опреде-ляет успех намеченной работы. Мало выдвинуть интересную и актуальную тему, нужно обеспечить ее выполнение, а это, прежде всего, зависит от при-нятой методики. Отсюда ясно, что методическая сторона исследования имеет первостепенное значение и требует к себе специального внимания.

Методика отличается от метода конкретизацией приемов и задач. Например, математическая обработка данных эксперимента может объяс-няться как метод (математическая обработка), а конкретный выбор крите-риев, математических характеристик – как методика.


7

Тема 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАБЛЮДЕНИЙ В ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Экология, имеет свою специфику: объектом ее исследований служат

не единичные особи, почва, вода и пр., а их группы и сообщества, то есть макросистемы. Многообразие связей, формирующихся на уровне биологи-ческих макросистем, обусловливает разнообразие методов экологических исследований.

Наблюдение, т.е. изучение объекта в реальных, не изменяемых иссле-дователем условиях, является основным источником эмпирической инфор-мации в науковедении. Достоверное описание действительного состояния системы требует развитых методов наблюдения, не нарушающих функцио-нирование системы. Хорошо организованное наблюдение придает исследо-ванию квазиэкспериментальный характер, что значительно улучшает ин-формационную ценность эмпирического материала. Наблюдение является научным методом исследования, который не ограничивается простой кон-статацией фактов, а научно объясняет причины конкретного явления. Оно заключается в целенаправленном сборе фактов о поведении и деятельности людей для последующего их анализа. Необходимо помнить, что сами по се-бе факты не могут подвести к формулировкам законов, всегда необходима теоретическая обработка фактов. Но без фактов невозможно продвижение в исследовании.

Однако следует помнить, что исследователь не вслепую ищет факты, а всегда руководствуется при этом определенными целями.

Определить цель наблюдения – это значит установить: 1) какие знания необходимо получить, наблюдая за явлением, пред-

метом (например, установить, как меняется температура воздуха, воды и почвы в течение суток);

2) проверить, действительно ли те или иные законы выполняются на практике;

3) решить, где будут использоваться позже знания, полученные в ходе наблюдения (например, в отчете, в эксперименте).

От поставленной цели зависит вся выполняемая в дальнейшем работа. После определения цели наблюдения необходимо составить план на-

блюдения, куда бы входили следующие пункты: – объект наблюдения; – условия проведения наблюдения; – способы фиксирования результатов. Объектом наблюдения могут быть как отдельные организмы, так и

экосистемы в целом. Для определения условия наблюдения необходимо учитывать все ню-

ансы, чтобы цель была достигнута.


8

Способы фиксирования результатов наблюдения могут быть разными и включать в себя: записи в виде текста (описание наблюдаемого явления), построение графиков, зарисовки, фотографии, или запись на видеопленку и т.д. Полученные в ходе наблюдения результаты нуждаются в обработке, анализе.

Регулярные длительные наблюдения в экологии называются монито-рингом.

Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды) – это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оцен-ки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

В процессе проведения мониторинга ставятся следующие цели: ♦ количественная и качественная оценка состояния воздуха, поверх-

ностных вод, почвенного покрова, флоры и фауны, а также постоянный контроль стоков и выбросов на промышленных предприятиях;

♦ составление прогноза о состоянии окружающей среды и возможных его изменениях;

♦ наблюдение за происходящими в окружающей природной среде фи-зическими, химическими, биологическими процессами, за уровнем загряз-нения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, последствиями его влияния на растительный и животный мир;

♦ обеспечение заинтересованных организаций и населения текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде, а также предупреждение и прогнозирование ее состояния.

В зависимости от степени выраженности антропогенного воздействия различают мониторинг фоновый и импактный.

Фоновый (базовый) мониторинг – наблюдение за природными явле-ниями и процессами, протекающими в естественной обстановке, без антро-погенного влияния. Импактный мониторинг – наблюдение за антропоген-ными воздействиями в особо опасных зонах. В зависимости от масштабов наблюдения различают мониторинг глобальный, региональный и локаль-ный. Глобальный мониторинг – слежение за развитием общемировых био-сферных процессов и явлений; региональный мониторинг – наблюдение за природными и антропогенными процессами и явлениями в пределах како-го-то региона; локальный – мониторинг в пределах небольшой территории. В рамках программы ЮНЕП (программа ООН по проблемам окружающей среды) в 1973–1974 гг. были разработаны основные положения функциони-рования Глобальной системы мониторинга окружающей среды, основная задача которой – предоставление информации, необходимой для защиты здоровья, благополучия, безопасности и свободы людей и управления ок-ружающей средой и ее ресурсами.


9

В зависимости от точности результатов, которые необходимо полу-чить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явле-нию, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных фи-нансовых и других средств используют различные методы мониторинга. Различают следующие методы:

1) дистанционные; 2) физико-химические; 3) методы биологического мониторинга; 4) методы статистической и математической обработки данных; 5) географические информационные системы. Выбор методов зависит от цели и объекты проведения наблюдений.


10

Тема 3. ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЭКОЛОГИИ

Эксперимент – активное и целенаправленное вмешательство в про-

текание изучаемого процесса, соответствующее изменение объекта или его воспроизведение в специально созданных и контролируемых условиях [4]. В эксперименте объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заданные условия, которые отвечают целям исследования. В ходе экспери-мента изучаемый объект изолируется от побочных влияний, затемняющих его сущность. Конкретные условия эксперимента не только задаются, но и контролируются, модернизируются, многократно воспроизводятся и изме-няются. Считается, что основоположником экспериментального метода в науке был Галилео Галилей.

Экологический эксперимент, как правило, носит аналитический ха-рактер. В экологическом эксперименте трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на вид, попу-ляцию или сообщество вполне возможно.

Эксперимент имеет ряд особенностей: 1) эксперимент является более активным по отношению к объекту,

чем наблюдение. В ходе опытного исследования объект может быть преоб-разован;

2) эксперимент может быть многократно повторен в целях дальней-шего исследования;

3) опытным путем исследователь может обнаружить такие свойства объекта, которые никак не проявляются в естественных условиях;

4) возможность варьирования условий проведения эксперимента [4]. В методологии науки принято выделять 4 стадии опытных исследова-

ний: 1) планирование эксперимента; 2) построение эксперимента, включающее цель, тип, средства, мето-

ды и т.д.); 3) контроль эксперимента; 4) теоретическое обобщение результатов эксперимента. Эксперимент имеет две возможные функции: опытная проверка гипо-

тез и теорий, а также формирование новых концепций. В зависимости от функций выделяют виды научных опытов: поисковые, контрольные (прове-рочные), воспроизводящие, изолирующие и т. д.

Различные виды экспериментов можно выделить и в зависимости от характера исследуемых объектов. Выделяют физические, химические, био-логические, социальные и другие эксперименты.

Также различают качественные и количественные эксперименты. Ка-чественный эксперимент имеет целью установить наличие или отсутствие


11

предполагаемого теорией явления. Количественный эксперимент выявляет количественную определенность какого-либо свойства изучаемого явления.

Итак, эксперимент начинается с гипотезы. Гипотеза обладает перво-очередной важностью, поскольку если она не удовлетворяет некоторым критериям качества, то даже самый правильно проведенный эксперимент будет иметь не слишком большую ценность.

Далее идет стадия планирования. Под планированием эксперимента понимается лишь логическая структура исследования. Полное описание це-лей эксперимента должно включать спецификацию природы используемых экспериментальных единиц, число и характер применяемых воздействий (включая «контрольные» воздействия), а также свойства или отклики (па-раметры экспериментальных единиц), которые предполагается измерять. Когда решение по этим вопросам принято, план эксперимента определяет схему, согласно которой для каждой доступной экспериментальной едини-цы назначается уровень воздействия. При этом определяется число экспе-риментальных единиц (повторностей), получающих воздействие каждого уровня, устанавливается физическое расположение экспериментальных единиц, а также частота или временная периодичность, с которой реализу-ются воздействия и осуществляются измерения контролируемых факторов на различных экспериментальных единицах.

Впервые четкое понятие о контроле и опыте ввел французский физик и философ Блез Паскаль. Значение одного или нескольких факторов в опы-те отличаются от таковых в контроле. Другие факторы остаются достаточно постоянными или изменяются в одинаковой степени в контроле и опыте. Поэтому если в опыте выявлены достоверные (по сравнению с контролем) изменения определенных параметров организма или популяции, их можно с определенной долей уверенности приписать воздействию этого фактора. Если в эксперименте изменяется один фактор, он называется однофактор-ным, если два или более – многофакторным.

Повторности, рандомизация и независимость. Как повторности, так и рандомизация имеют две функции в эксперименте: они улучшают оценку базовых статистик и повышают обоснованность применения статистиче-ских критериев. Повторности снижают эффекты «шума» (т.е. случайной изменчивости или ошибки), увеличивая, таким образом, точность оценки, например, выборочного среднего или различий между двумя выборками. Рандомизация компенсирует возможные возмущения, вносимые экспери-ментатором, увеличивая правильность оценок.

Реализация эксперимента включает весь комплекс процедур и опера-ций, в отношении которых осуществлялось планирование. Успешное осу-ществление в равной мере зависит от искусства экспериментатора, его про-ницательности и рассудительности, а также от его технических навыков. Непосредственной задачей исследователя обычно является выполнение


12

технических операций эксперимента таким образом, чтобы избежать систе-матических ошибок (отклонений) и минимизировать случайные ошибки. Систематические ошибки, допущенные как в распределении воздействий, так и в процедурах измерения или отбора проб, делают эксперимент некор-ректным, а его выводы неубедительными.

То есть, планирование эксперимента и особенности его реализации в равной степени определяют обоснованность исследования и его итоги. Хотя в практическом смысле реализация – это более критичный аспект экспери-мента, нежели его планирование.

Эксперименты делятся на лабораторные, которые проводятся в дос-таточно контролируемых лабораторных условиях, и полевые, выполняемые в менее контролируемых естественных условиях. Оба эти типа эксперимен-тов имеют свои достоинства и недостатки. Выводы, полученные в лабора-торных экспериментах, часто лишь с осторожностью можно переносить на естественные условия. С другой стороны, в полевых экспериментах труднее четко выделить влияние изменений отдельных факторов на отдельных осо-бей и популяций. В связи с развитием техники дистанционного наблюдения за живыми организмами описательные методы все более сближаются с ме-тодами полевых экспериментов. Поэтому большинство современных поле-вых исследований по существу представляет собой неорганизованный экс-перимент.


13

Тема 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для эколога первостепенное значение имеют полевые исследования.

Полевые методы предполагают изучение экологических явлений в при-родной среде. Они позволяют установить результат влияния на организм или популяцию определенного комплекса факторов, выяснить общую кар-тину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях. При про-ведении полевых исследований в экологии используются методы физиоло-гии, биохимии, анатомии, систематики и других биологических, да и не только биологических наук.

Наиболее тесно экологические исследования связаны с физиологиче-скими. Однако между ними имеется принципиальная разница.

Физиология изучает функции организма и процессы, протекающие в нем, а также влияние на эти процессы различных факторов. Экология же, используя физиологические методы, рассматривает реакции организма как единого целого на констелляцию внешних факторов, то есть на совместное воздействие этих факторов при строгом учете сезонной цикличности жиз-недеятельности организма и внутрипопуляционной разнородности.

Полевые методы подразделяются: ♦ на маршрутные (прямое наблюдение, оценка состояния, измерение,

описание, составление схем, карт); ♦ на стационарные (длительное наблюдение за объектами, замеры,

описание, инструментальный отчет); ♦ на описательные (первоначальное знакомство с объектом, применя-

ется при регистрации основных особенностей изучаемых объектов, прямом наблюдении, картировании, инвентаризации);

♦ на экспериментальные (опыт, эксперимент, количественная оценка, химические методы анализа и др.);

♦ мониторинг (наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды).

Полевое экологическое исследование проходит через несколько эта-пов развития – подготовительный, сбор материала в поле, камеральная об-работка, обобщение, практическое применение выводов. Конечно, нет та-кой строгой последовательности этапов, они могут перемежаться друг с другом и повторяться, но тем не менее в той или иной форме они имеют ме-сто в любом полевом экологическом исследовании. Нельзя сказать, какой из этих этапов важнее. Они все важны для конечных результатов. Пренеб-режение любым из них пагубно сказывается на всей работе в целом.

Рассмотрим подробнее этапы проведения полевых исследований. Итак, первый этап полевых исследований это подготовительный, ко-

торый включает в себя выбор темы, обработку литературных данных, со-ставление программ.


14

Подготовка к исследованию начинается с выбора темы, ее формули-ровки и обоснования (теоретического и прикладного). Студенты, как пра-вило, выбирают темы, предложенные им научными руководителями, а так-же в соответствии со своими собственными желаниями, но с учетом воз-можности проведения таких исследований учебными заведениями. Для специалистов-экологов тема полевых исследований определяется заказчи-ком. Задача каждого исследования – дать нечто новое, в сравнении со ста-рым. Необходимо, чтобы каждая работа имела новизну и актуальность. Ра-бота над темой начинается с предварительного ознакомления со степенью ее изученности, т.е. с подбора и чтения литературы, как по самой теме, так и по району предполагаемых полевых исследований. Следует по возможно-сти использовать не только опубликованные книги и журнальные статьи, но и рукописные материалы, хранящиеся в фондах различных научных и хо-зяйственных учреждений и организаций. Много дают консультации с науч-ными работниками и другими лицами, либо занимавшимися интересующим вас вопросом, либо бывавшими в районе исследования. Не следует пренеб-регать возможностью предварительного ознакомления путем переписки с местными краеведами, охотниками и др. В результате подобной рекогнос-цировки выясняется как степень изученности вопроса, так и те условия, в которых будет протекать полевая работа. Необходимо хорошо ознакомить-ся с биоэкологической особенностью района (фауна, флора, почвенный по-кров и т.д.), с хозяйственной деятельностью на территории района исследо-вания и, в связи с этим, с экономическим значением намеченных исследо-ваний. Это особенно важно при изучении охотничье-промысловых зверей и птиц и вредителей сельского хозяйства. Но подготовка может быть доста-точно полной лишь при условии тщательного изучения географии района.

Растительность имеет большое значение во всей жизни и в распреде-лении животных, она является наилучшим индикатором общего характера жизненных условий и поэтому с самого начала экологического исследова-ния должна быть в центре внимания эколога. Ясное представление о геобо-таническом характере района (типы ассоциаций, их относительное значе-ние, закономерности распределения в связи с рельефом и почвами) исклю-чительно важно для полевых исследований по экологии млекопитающих и птиц. Эколог должен достаточно свободно ориентироваться в основных по-нятиях и методических приемах фитоценологии (геоботаники). Наконец, не могут быть оставлены без внимания другие стороны географии района – климат, рельеф, почвы, гидрографическая сеть. Все они помогут заранее со-ставить представление, как об условиях обитания животных, так и об усло-виях полевой работы на намеченной к исследованию территории. Важно за-ранее запастись и внимательно изучить весь наличный (и доступный) кар-тографический материал, отдавая предпочтение новейшим картам и планам наиболее крупного масштаба. В общем, чем тщательнее проведено предва-


15

рительное ознакомление, тем больше сил, средств и времени будет сэко-номлено в дальнейшем, тем успешнее пройдет полевой период.

Предварительная подготовка позволит составить продуманную про-грамму исследования. Еще до начала полевого периода должно быть ясное представление о характере исследования, основных его вопросах, их сопод-чиненности, ожидаемых практических результатах. Составляя программу предстоящей полевой работы, нужно помнить, что основная задача любого исследования – вскрыть те стороны экологии вида или биоценоза, знание которых поможет подчинить его интересам общества. Приведем пример трех основных групп программ, которые на данный момент являются наи-более разработанными и описанными в научных литературных источниках:

1) эколого-фаунистические обзоры, 2) изучение экологии отдельных видов млекопитающих, птиц, земно-

водных и пресмыкающихся (аутэкологические темы), 3) биоценотические исследования. Эколого-фаунистические обзоры отдельных районов являются, пожа-

луй, наименее сложными, осуществимыми в наиболее сжатые сроки, дос-тупными начинающим работникам. Безусловно, желательно вести исследо-вание в течение ряда лет, чтобы хоть в какой-то мере уловить изменения в видовом составе и экологии животных в различные годы в зависимости от динамики условий обитания (климата, развития растительности и т.д.). Эколого-фаунистический обзор животного населения представляет первый этап экологического изучения района. Он является основой для всех после-дующих тем в области экологии как отдельных видов, так и их комплексов. В отличие от старых, чисто фаунистических работ, преследовавших цель составления списка видов и сбора элементарных биологических данных об их образе жизни для последующего зоогеографического анализа, эколого-фаунистические исследования делают упор на установление основных осо-бенностей среды обитания и вытекающих отсюда закономерностей в рас-пределении животных. Определение видового состава входит в программу исследования в качестве важнейшего неизбежного элемента, но лучше бу-дет провести его предварительно, тогда эколог может сосредоточить все свое внимание на изучении экологии животных.

В программу эколого-фаунистических исследований в зависимости от характера местности и конкретных задач, в общих чертах входит следую-щий круг вопросов.

1. Установление видового состава животных. Здесь должны быть ос-вещены следующие моменты: степень обычности или встречаемости видов; численное соотношение видов; выделение доминирующих видов; измене-ние видового состава и численности отдельных видов по годам и вероятные причины этого; сезонные изменения видового состава.


16

2. Зоогеографический анализ видового состава. Необходимо опреде-лить принадлежность фауны к фаунистическому типу (зоогеографическому району) и относительное значение видов различного фаунистического про-исхождения.

3. Экологический анализ среды обитания. Безусловно, первоначально необходимо определить принадлежность района к той или иной географи-ческой зоне. В горных местностях обязательно отобразить явление верти-кальной зональности, смены зон жизни. Описать условия обитания живот-ных по отношению к рельефу, почвам, гидрографической сети и болотам, климату и микроклимату. Выделить основные растительные группировки и закономерности их распределения в зависимости от рельефа и почв, а также оценить растительные группировки как места обитания животных. Охарак-теризовать устойчивость или изменчивость условий обитания по годам и сезонам. Обязательно определить степень и характер хозяйственной осво-енности района, и ее влияние на условия обитания животных.

4. Подразделение района на биотопы и группы их. При этом рассмат-риваются: классификация биотопов; распределение биотопов в зависимости от рельефа и других факторов; значение отдельных биотопов в отношении занимаемой ими площади и значения в жизни животных. Должны быть да-ны детальная характеристика защитных и кормовых условий биотопов и их изменения по сезонам и годам, а также качественная и количественная ха-рактеристика распределения животных по биотопам. Изменение стацио-нарного распределения биотопов в течение суток, по сезонам и в различные годы. Основные и второстепенные обитатели биотопов. Связь животного населения различных биотопов. Равномерность заселенности биотопов. Яв-ление ярусности (в лесу). Смена сезонных аспектов.

5. Основные черты экологии отдельных видов животных. Анализ фауны по жизненным формам (типы передвижения, гнездования или норе-ния, питания и способов добывания пищи).

6. Выводы научно-теоретического и прикладного характера. Пути и дальнейшие перспективы исследования; определение наиболее важных проблем. Предложения об использовании дикой фауны, мелиорации ее, ме-рах регулирования численности и пр.

Это ориентировочная схема эколого-фаунистического обзора. По ре-зультатам исследований должен быть написан отчет, который может по-служить первоначальной основой как для дальнейшего изучения района, так и для обоснования путей наиболее рационального использования его фауны. Организация эколого-фаунистического исследования и разработка программы будет облегчена ознакомлением с аналогичными работами.

Рассмотрим вторую группу тем полевых исследований, посвященных изучению отдельных видов. Составление конкретной программы аутэколо-гической темы сравнительно несложно, ибо изучение вида строится обычно


17

по известному трафарету, и в литературе есть много прекрасных примеров, которые могут быть приняты за образец.

Создание обобщенной программы изучения экологии млекопитаю-щих представляет значительную трудность вследствие большого разнооб-разия их морфологии и образа жизни, а также значения в жизни человека. Поэтому приведенная ниже программа есть лишь некоторая схема, тре-бующая уточнения в каждом отдельном случае. В общем виде программа изучения экологии млекопитающих может охватывать следующие вопросы:

1. Местообитания и распределение по территории. 2. Норы, логовища, временные убежища. 3. Питание. 4. Размножение. 5. Паразиты, болезни, враги и конкуренты. 6. Динамика численности. 7. Миграции и кочевки. 8. Повадки, движения, следы. 9. Сезонная жизнь. 10. Изменение волосяного покрова. 11. Значение для человека. Разработка программы по экологии млекопитающих может быть об-

легчена ознакомлением с уже имеющимися на данный момент в литературе. Наблюдения за птицами могут строиться в плане всестороннего (мо-

нографического) изучения экологии одного вида, или сравнительного ис-следования нескольких видов, или, наконец, разработки отдельных сторон биологии птиц (миграции, гнездовая жизнь, питание и пр.), в связи с их ро-лью в сельском, лесном или охотничьем хозяйстве и эпидемиологическим значением. Сравнение данных за ряд лет весьма желательно, а для некото-рых тем (динамика численности, сезонная жизнь и др.) совершенно необхо-димо. Изучение экологии птиц ни в коем случае не должно ограничиваться периодами миграций и гнездования, а охватывать все сезоны.

В силу специфических особенностей экологии птиц, резко выражен-ной сезонности их пребывания, наличия в каждой местности наряду с осед-лыми и гнездящимися целого ряда пролетных форм, схематическую про-грамму изучения птиц целесообразно построить по иному принципу, чем для млекопитающих, а именно по отдельным сезонам или биологическим периодам. Ниже приведем пример программы, который, однако, не является единственной.

1. Отлет зимующих птиц. В данном разделе программы необходимо зафиксировать наблюдае-

мые признаки приближающегося отлета. Метеорологические условия пе-риода отлета. Сроки отлета первых особей, основной массы, последних. Ус-корение и запаздывание отлета. Время отлета (ночью, днем, на зорях). По-


18

рядок отлета: в одиночку, парами, стайками, большими стаями. Половой и возрастной состав стай. Наличие смешанных стай.

2. Прилет. Последовательность прилета разных видов; устойчивость последова-

тельности по годам. Время (даты) прилета первых особей и основной массы птиц. Колебания сроков прилета и связь с погодой. Возврат холодов и об-ратная откочевка; продолжительность временной откочевки; случаи гибели. Порядок прилета: парами, в одиночку, малыми или большими стаями, сам-цы и самки вместе или порознь, время суток, характер погоды. Связь сроков прилета с другими весенними фенологическими явлениями. Наличие волн прилета. Места появления прилетных птиц. Сразу ли занимают гнездовые местообитания или сперва держатся во в ременных. Поведение прилетев-ших птиц в первые дни. Смена местообитаний оседлых птиц (переход к то-ковищам или гнездовым участкам). Упитанность птиц (вес) и состояние по-ловых желез.

3. Пролет. Сроки начала, разгара и окончания пролета. Колебания сроков пролета

по годам. Наличие последовательности пролета разных видов. Характер про-летных стай и их размеры. Высота и скорость движения. Время дня. Направ-ление пролета по отношению к странам света, ветру, элементам рельефа, ре-кам и пр. Совместный пролет нескольких видов. Ширина фронта пролета. Метеорологические условия в период пролета. Остановки во время пролета, места их, продолжительность, часы суток, поведение отдыхающих птиц. По-явление случайных или залетных птиц и вероятные причины залета.

4. Период размножения. Данный раздел можно подразделить на десять подразделов: а). Распределение птиц по гнездовым местообитаниям. Кто раньше

занимает гнездовую территорию – самец или самка. Возвращаются ли пары на прошлогодние места гнездования. Распределение по территории в пери-од гнездования. Вертикальные пределы распространения. Значение экспо-зиции склона. Характер местообитания (растительность, рельеф, водоемы, болота, хозяйственная освоенность). Защитные условия местообитаний. Плотность населения в различных биотопах.

б). Численное соотношение полов. Происходит ли разбивка на пары. Токование и другие брачные игры; в чем они выражаются; место, время су-ток, сроки начала и конца. Зависимость сроков и интенсивности от погоды. Место, время и частота спаривания. Длительность периода от прилета до начала размножения в зависимости от погоды. Продолжительность пения (даты последних песен).

в). Описание гнездового участка. Размеры гнездового участка в раз-личных биотопах. Расстояние между ближайшими гнездами того же и иных видов. Влияние плотности популяции на размеры гнездового участка. Кон-


19

куренция из-за мест устройства гнезда. Колониальные гнездовья. Гнездова-ние около хищников.

г). Постройка гнезда. Сроки и темпы постройки гнезда. Местополо-жение гнезд; степень разнообразия; зависимость от условий обитания, в ча-стности, от строения крон древесных и кустарниковых пород. Способы прикрепления гнезда. Экспозиция по странам света. Поведение самца и самки в начале постройки гнезда, роль в постройке. Техника постройки гнезда. Строительный материал, как и откуда добывается, изменчивость в разных условиях. Использование старых гнезд. Внешний вид, форма и раз-мер гнезда, а также вместилищ для гнезда (дупел, нор, трещин, щелей, ямок и пр.). Защищенность от неблагоприятных метеорологических условий (дождь, ветер, заморозки, перегрев). Характер маскировки и другие спосо-бы защиты от врагов.

д). Кладка и насиживание яиц. Сроки начала и конца кладки. Измене-ние поведения птиц. Количество яиц и изменения его в различные по усло-виям годы. Размеры, вес, форма и цвет яиц. Темпы откладки. Начало наси-живания. Участие в насиживании самца и самки. Продолжительность наси-живания в течение дня на разных этапах насиживания. При насиживании обоими полами, как и когда, происходит смена, степень участия самца и сам-ки. Поведение птиц в период насиживания. Отношение друг к другу (кормит ли самец самку). Общая продолжительность насиживания. Температурный режим гнезда в период насиживания в связи с температурой воздуха. Наблю-дается ли гибель яиц во время заморозков, затяжных дождей и от хищников. Количество болтунов и задохнувшихся зародышей. Поведение самок во вре-мя неблагоприятной погоды. Случаи гибели насиживающих птиц.

е). Вылупление птенцов. Сроки. Порядок вылупления в зависимости от дат откладки каждого яйца. Длительность вылупления. Поведение родите-лей. Судьба скорлупы. Внешность, вес и размеры новорожденных птенцов.

ж). Выкармливание птенцов. Изменение поведения родителей. Роль самца и самки. Интенсивность кормления в продолжение гнездового перио-да. Состав пищи. Как происходит кормление. Равномерность кормления птенцов; отношения между ними. Размеры территории, где собирается корм. Суточная активность в период выкармливания. Защита птенцов от врагов и неблагоприятных метеорологических условий. Продолжитель-ность периода гнездового выкармливания. Рост и развитие птенцов, измен-чивость. Температурный режим гнезда и самих птенцов. Изменение их по-ведения. Отношение к опасности. Взаимоотношение птенцов в процессе роста. Смертность птенцов и ее причины.

з). Вылет птенцов. Дата и время вылета. Как происходит вылет. Непо-средственная причина. Поведение птенцов и родителей во время вылета. Местопребывание выводка первые дни. Кочевки. Отношение родителей к своему и чужим выводкам. «Усыновление» осиротевших птенцов. Кормле-


20

ние и охрана птенцов. Переход к самостоятельному добыванию пищи. Раз-витие характерных для вида повадок. Продолжительность пребывания ро-дителей при выводке. Продолжительность выводковой жизни. Убыль птен-цов в выводке. Развитие и рост птенцов. Попытки молодых самцов петь.

и). Наличие повторных кладок. Нормальное ли это явление, следствие гибели первых кладок или особо благоприятных условий года. Строится ли новое гнездо. Отличия в ходе второго гнездового периода.

к). Наличие и количество холостых самцов и самок. Вероятные причи-ны негнездования. Взаимоотношения между собой и гнездящимися особями.

5. Послегнездовый период и подготовка к отлету Судьба выводков. Поведение одиночных и стайных особей. Отноше-

ние к своему гнездовому участку. Смена местообитаний. Увеличение мас-штабов кочевок. Характер суточной активности. Образование стай. Нали-чие в стаях молодых птиц старых особей. Образование смешанных стай. Состав их, число птиц, количественное соотношение видов, устойчивость состава, причины возникновения. Поведение членов смешанных стай. Осеннее пение и токование. Подготовка к отлету.

6. Отлет и осенний пролет. Сроки отлета в годы с различными метеорологическими и кормовыми

условиями. Последовательность отлета видов. Связь со временем их приле-та. Порядок отлета: в одиночку, стаями, время суток. Осенний пролет. Изу-чение его хода по программе для весны. Отличия осеннего пролета от ве-сеннего. Запаздывание отлета; судьба отставших птиц. Наличие видов, про-летающих только осенью и не ежегодно. Массовые налеты некоторых ви-дов и их вероятные причины.

7. Зимний период. а). Зимние условия обитания: температуры, морозы и оттепели; сне-

гопады и характер снежного покрова; ветры; замерзание водоемов; измене-ние защитных условий; наличие и доступность пищи.

б). Видовой и количественный состав оседлых и зимующих птиц. За-мена гнездившихся особей другими того же вида, прилетевшими с севера. Прилет зимних птиц. Даты прилета и сопутствующие условия. Эпизодиче-ские зимовки и вызывающие их причины. Зимние местообитания. Исполь-зование населенных пунктов, дорог и пр. Кочевки. Образование однород-ных и смешанных стай. Устойчивость состава и размеров стай. Разные формы конкуренции. Суточная активность на протяжении зимы в связи с изменениями долготы дня, освещенности и погоды. Места кормежек и со-став пищи. Места и условия ночевок. Убежища во время непогоды. Влия-ние на поведение метеорологических условий (сильных морозов, оттепелей, ветров, снегопадов, образование наста, ожеледи и пр.). Положительная и отрицательная роль снежного покрова. Случаи и причины одиночной и массовой гибели птиц.


21

в). Изменение поведения в конце зимы; связь с погодой и освещенно-стью. Подготовка зимующих птиц к отлету и их отлет (см. выше).

8. Питание. Состав и количество пищи в течение года в различных биотопах.

Влияние на состав пищи урожайности кормов. Основные и второстепенные корма. Взаимная заменяемость. Наличие резервных кормов. Соотношение растительных и животных элементов. Минеральная часть пищи. Обеспе-ченность водой. Способы, время и место добывания пищи. Поедание пищи (способы, время и место). Конкуренция, взаимопомощь и захребетничество при добывании пищи. Совместное добывание пищи особями одного и раз-ных видов. Перемещение и концентрация в местах массового скопления корма. Создание запасов. Время запасания. Состав, количество и качество запасаемого корма. Местоположение кладовых. Сохранность запасов. Спо-собы отыскания сделанных запасов. Использование чужих запасов. Сезон-ные изменения упитанности и веса. Характер и масштабы влияния на рас-тительность и животный мир. Польза и вред для хозяйства.

9. Динамика численности. Зараженность экто- и эндопаразитами. Одиночные и массовые забо-

левания. Влияние на заболеваемость и смертность физиологического со-стояния, пола и возраста птицы, плотности популяции, а также экологиче-ских условий.

Наличие врагов и конкурентов. Их роль в ограничении численности. Влияние на состояние популяции и динамику численности урожайно-

сти кормов и метеорологических условий (для охотничье-промысловых ви-дов – также напряженности и способов промысла). Влияние на численность и распространение хозяйственного освоения района. Ритмичность и размеры колебаний численности. Одновременность колебаний численности разных видов. Возможность и методы составления прогнозов состояния популяции. Способы увеличения численности полезных видов и борьбы с вредными.

10. Линька. Число линек в году. Сроки линьки у взрослых самцов, са-мок и молодых птиц. Темпы линьки. Порядок смены отдельных групп перь-ев. Изменение внешности и состояния птицы. Поведение линяющих птиц. Места, где происходит линяние.

Программа аутэкологического изучения земноводных и пресмыкаю-щихся строится на тех же принципах, что и приведенные выше. К сожале-нию, эти интересные группы животных не привлекают должного внимания экологов и зоологов, в силу чего наша отечественная литература бедна ра-ботами, которые могут быть рекомендованы в качестве примеров.

Исследование экологии земноводных и пресмыкающихся может ох-ватывать приблизительно следующие вопросы:

1. Сезонная жизнь. Время пробуждения от зимней спячки в различных биотопах, на скло-

нах разной экспозиции, в зависимости от погоды. Появление первых особей,


22

массовое пробуждение. Состояние животных в первые дни. Продолжитель-ность периода активности. Число, сроки, место и способы линьки. Поведение линяющего животного. Наличие, продолжительность и обстановка летней спячки. Сроки и условия залегания в зимнюю спячку. Убежища для залега-ния в спячку. Скопление животных. Состояние спящих животных.

2. Распределение и местообитания. Распределение по территории. Приуроченность к определенным био-

топам. Экологическая характеристика местообитаний. Гидрологический режим. Условия освещенности. Вертикальные пределы распространения. Изменение местообитаний в течение лета и в годы с разными условиями. Масштабы кочевок. Убежища от врагов и неблагоприятных метеорологиче-ских условий. Использование естественных укрытий и нор млекопитающих. Взаимоотношения с хозяевами нор. Режим температуры и влажности в убежищах.

3. Питание. Состав и количество пищи, изменение ее в зависимости от времени

года, дня, погоды и возраста животного, характера местообитания. Основ-ные и второстепенные корма. Наличие и роль растительных элементов. Время и место кормежки. Влияние метеорологических условий. Приемы добывания и умерщвления добычи. Место и способы поедания пищи. Ско-рость пищеварения. Способность голодания. Динамика упитанности и веса. Польза или вред для сельского хозяйства.

4. Размножение. а). Половой и возрастной состав популяции. Период размножения.

Место спаривания. Продолжительность периода размножения. Влияние на сроки и интенсивность размножения экологических условий (температура воздуха, воды и почвы, масштабы паводка, влажность почвы, облачность и освещенность). Внешние явления в период размножения (крики и пр.). Со-стояние и поведение самцов и самок.

б). Место, время и количество откладываемых яиц или рождаемых живых детенышей. Условия развития яиц или икры (температура, влаж-ность, количество воды). Продолжительность развития, в зависимости от внешних обстоятельств. Масштабы и причины гибели яиц и икры.

в). Время появления молоди. Рост и развитие личинок. Питание. Ко-лебания продолжительности периода превращения. Случаи и причины зи-мовок головастиков. Смертность молоди на разных этапах. Перекочевка в новые местообитания.

5. Динамика численности. Зараженность паразитами. Спорадические и массовые заболевания.

Смертность под влиянием физических и биотических причин. Колебания численности в годы с разными метеорологическими условиями. Миграции, их количественная характеристика и причины.


23

6. Поведение. Суточная активность в зависимости от температуры, влажности, ос-

вещенности и состояния самого животного. Наиболее характерные повадки в различных условиях и состояниях. Тип и скорость движения. Способность двигаться по земле, воде, деревьям. Активные и пассивные приемы защиты от врагов. Степень ядовитости и изменение ее в зависимости от времени го-да и метеорологических условий. Автотомия; процент автотомизированных особей; изменчивость способности к автотомии. Скорость регенерации. Способность регенерированного хвоста к автотомии. Наличие криптиче-ской окраски и ее эффективность. Суточный ареал особи в зависимости от условий обитания.

После осуществления предварительного эколого-фаунистического об-зора района и выяснения основных особенностей экологии наиболее важ-ных, доминирующих видов животных можно перейти к биоценотическим исследованиям. Без этого биоценотическое исследование чрезмерно ослож-няется попутными фаунистическими и аутэкологическими задачами или принимает недостаточно конкретный характер, уклоняется в сторону фор-мально-статистических рассуждений, лишается живого биологического со-держания. По своему материалу, объему и организационно-методическим особенностям исследования биоценозов значительно сложнее большинства вышеописанных. Поэтому работа в этой области доступна лишь хорошо и разносторонне подготовленному лицу, или, еще лучше, тесно сплоченному общей идеей коллективу сотрудников. По сути дела биоценотическое ис-следование должно носить характер комплексного исследования, с участи-ем, как ряда экологов, зоологов, так и фитоценологов. Однако программа подобной работы далеко выходит за рамки настоящего руководства, огра-ниченного экологией только наземных позвоночных. В пределах этой груп-пы животных мыслимо четыре подхода:

а) исследование наземных позвоночных в целом, как части опреде-ленного биоценоза;

б) изучение отдельных биоценотических связей; в) изучение в биоценотическом аспекте отдельных видов или тесных

групп их; г) экологический анализ среды обитания в целях разработки типоло-

гии местообитаний. Само собой разумеется, что все эти направления тесно взаимно связаны и не исключают друг друга, тем более, что каждое имеет как свои положительные свойства, так и недостатки.

В нашей отечественной литературе имеется целый ряд весьма содер-жательных исследований отдельных биоценотических связей. Они помогут ориентироваться начинающему экологу.

Несмотря на наличие упомянутых образцов, составление программы биоценотического исследования сопряжено с исключительными трудно-


24

стями. Программа, приводимая ниже, носит схематический и предвари-тельный характер.

1. Экологический анализ условий обитания животных в изучаемом биоценозе.

а) Ландшафтно-географическое положение района и основные эколо-го-географические черты (климат, рельеф, водоемы, растительность, хозяй-ственная освоенность) с точки зрения условий обитания.

б) Положение и значение изучаемого биогеоценоза. Защитные усло-вия. Растительные группировки как место обитания, гнездования и норения. Строение крон древесных и кустарниковых пород и возможности гнездова-ния. Фаутность леса (дупла, ветровал и пр.) и создание естественных убе-жищ. Развитие различных ярусов (от древесного до травяного и мохово-лишайникового). Распределение гнезд и убежищ по ярусам.

в) Выраженность рельефа. Значение рельефа для расширения жизнен-ных возможностей. Роль экспозиции склонов. Микрорельеф и условия гнездования и норения. Почвенно-грунтовые условия норения. Относитель-ное значение естественных и искусственных убежищ.

г) Специфические черты микроклимата. Степень отличия микрокли-мата от климата района. Общая экологическая оценка микроклиматических условий. Микроклимат периода размножения. Микроклимат различных ярусов растительности и горизонтов почвы. Устойчивость, амплитуда коле-баний. Наличие заморозков и чрезмерного перегрева. Температурные усло-вия с разных сторон стволов, в дуплах, под кронами, в траве, под мхом и в других укрытиях. Температурная характеристика остальных периодов, осо-бенно зимы. Защитная роль снежного покрова. Распределение осадков и защита от них. Влияние ветра. Условия освещенности в течение суток и го-да. Общая оценка защитных возможностей биогеоценоза,

д) Кормовые ресурсы для различных групп животных. Потенциаль-ные запасы растительных и животных кормов. Сезонная динамика запасов. Изменение доступности кормов. Классификация кормов по степени устой-чивости. Динамика урожайности основных массовых кормов. Разнообразие кормовой базы и возможности компенсации недостающих видов пищи. Обеспеченность минеральным питанием и водопоями.

2. Видовой состав животных Список видов. Количественное соот-ношение видов. Степень специфичности животного населения. Анализ ви-дового состава по зоогеографическому происхождению. Плотность населе-ния. Изменение видового состава, количественного соотношения видов и плотности населения по сезонам. Сезонные аспекты. Ядро и сезонные груп-пировки животных. Устойчивость видового состава по годам. Внедрение новых видов. Колебания численности по годам и их причины. Анализ видо-вого состава по жизненным формам.

3. Разделение на биотопы. Закономерность пространственного распределения защитных и кор-

мовых ресурсов. Расчлененность на биотопы. Экологическая характеристи-


25

ка биотопов. Относительное значение в жизни животных по сезонам. Гене-тические связи между биотопами. Экологическая классификация биотопов. Качественная и количественная характеристика видового состава живот-ных, населяющих биотопы. Суточные и сезонные перемещения животных из биотопа в биотоп.

4. Взаимоотношения на почве сообитания. Разделение территории на гнездовые участки. Размеры и степень изо-

лированности индивидуальных ареалов. Способы разграничения индивиду-альных ареалов. Конкуренция из-за мест гнездования и норения. Использо-вание чужих жилищ. Совместное обитание. Образование колоний и стад. Закономерности колониальной и стадной жизни. Совместное пользование тропами. Взаимопомощь в защите от врагов. Влияние совместного обита-ния на передачу паразитов и распространение болезней; значение плотно-сти популяции. Влияние гнездования и норения на растительность, микро-рельеф, почву.

5. Трофоценотические отношения. Основные группы кормов и круг их потребителей (пищевые циклы).

Относительное значение растительных и животных кормов. Обеспечен-ность кормами по сезонам. Наличие избыточных кормов. Глубина и устой-чивость трофоценотических связей. Возможности замены кормов. Типы связей на почве питания: хищничество, захребетничество, паразитизм, кон-куренция, взаимопомощь и т. п. Совместное добывание пищи. Влияние урожайности кормов на численность потребителей, их поведение и харак-тер взаимных отношений. Последствия резкого недостатка кормов. Поло-жительное и отрицательное воздействие в процессе питания на раститель-ность и животный мир. Возникновение вследствие этого воздействия спе-циальных приспособлений у потребителей и продуцентов.

6. Суточный и сезонный циклы. а) Суточная динамика экологических условий в течение года: клима-

тических факторов, освещенности, возможностей добывания пищи. Разли-чие суточной динамики факторов в разных биотопах. Разделение животного населения на дневных и ночных. Суточная активность животных и причины ее определяющие. Сезонные изменения суточной активности. Влияние по-годы. Суточные миграции. Места пребывания в недеятельное время.

б) Сезонные явления в жизни животных. Календарь природы и фено-логические времена года. Основные периоды сезонной жизни животных. Устойчивость фенологических явлений по годам; феноаномалии.

7. Структура животной части биоценоза как выражение определен-ных биоценотических отношений. Основное ядро и подчиненные группи-ровки. Оценка доминирования по численности и экологической влиятель-ности. Экологические ниши. Сравнительная оценка значения в сложении ценоза трофических и других связей. Устойчивость ценотических связей и


26

структурных отношений. Зависимость сложения животной части ценоза от растительности и физических условий. Относительное значение в жизни биогеоценоза животных и растений. Границы биоценоза. Степень отчле-ненности. Характер и степень связей с другими биоценозами.

8. История и динамика биоценоза. Геологическое и историческое прошлое района и условия возникно-

вения и формирования биоценоза. Относительное значение в процессе формирования биоценоза физических и биотических факторов и самих жи-вотных. Направление сукцессионного процесса растительных группировок, а также эволюции почв, рельефа и гидрографической сети. Изменения жи-вотного населения в историческое время и в период исследования. Зависи-мость динамики животного населения от развития растительности и изме-нения почв, рельефа и других физических факторов. Взаимоотношения жи-вотных как фактор сукцессионного процесса. Влияние хозяйственной дея-тельности человека на состояние и развитие биоценоза. Возможности воз-действия на ход развития и осуществление реконструкции биоценоза. Из-ложенная программа может дать исходный материал и для тем более узкого биоценотического характера. Что касается работ по типологии биотопов и местообитаний, то за недостатком места, мы опускаем изложение их про-граммы, отсылая слушателей к литературным источникам.

Одновременно с разработкой программы исследования должны быть продуманы основные методические принципы предстоящей работы, – каким путем лучше всего можно осуществить намеченную тему, т.е должен идти второй этап – разработка методов экологических полевых исследований.

В полевой экологии существует два основных направления работы: экспедиционный и стационарный. Между ними нет резкой грани. Часто да-же дальняя экспедиция сводится к длительной работе в одном или несколь-ких пунктах, т. е. почти к стационарным исследованиям. Наоборот, стацио-нарная работа в каком-нибудь обширном районе часто требует дальних экс-курсий. Но в собственном смысле слова экспедиционное исследование есть исследование маршрутное, имеющее целью более или менее детальное, а часто лишь рекогносцировочное обследование обширных территорий в те-чение сравнительно короткого периода времени. Очень редко имеют место повторные экспедиции в тот же район в последующие годы. Таким образом, экспедиционный метод носит в значительной мере экстенсивный характер. Он пригоден для эколого-фаунистических исследований, для предваритель-ной ориентировки в местности, ее фауне и условиях обитания животных. Во время экспедиции можно составить представление об общих закономерно-стях распределения животных в данный сезон и год. В этом кроются свои и положительные, и отрицательные моменты. Положительные мы уже отме-тили, отрицательные – вытекают преимущественно из кратковременности поездки, не позволяющей детально изучить экологию животных и динамику


27

их популяций в течение разных сезонов и за ряд лет. В экспедиции обычно большую часть времени занимают не практические работы по теме, а переез-ды. При сочетании экспедиционных маршрутов с работой на опорных пунк-тах «коэффициент полезного действия» возрастает, но основные недостатки этим не устраняются. Отрицательным свойством экспедиций является также и то, что они сводятся исключительно к сбору материала, а вся обработка от-кладывается на камеральный период, тогда как при стационарной работе сбор материала, наблюдения в природе и их обработка все время перемежа-ются. Поэтому экспедиции являлись основным методом на первых этапах исследования. Когда же встает задача детального изучения жизни животных в различных условиях, когда подошли к исследованию динамики популяций, миграций животных, а тем более – к изучению биоценозов, тогда потребова-лись иные приемы. Экспедиции стали все более отходить на задний план, ус-тупая ведущее место длительным, многолетним и круглогодичным стацио-нарным исследованиям. В настоящее время стационарные исследования яв-ляются основным методом полевой экологии.

Стационарные исследования лишены многих недостатков экспеди-ций. Они позволяют с исчерпывающей полнотой и тщательностью изучить экологию вида или комплекса видов на фоне не только сезонного измене-ния условий существования, но и на протяжении ряда лет.

Велико значение сравнительных наблюдений в полевой экологии. Без них не мыслится почти никакое экологическое исследование. Только путем сопоставления и анализа полученных данных можно определить условия существования вида и действительно глубоко познать жизнь животных на фоне среды, в их борьбе за свое существование. В экологии метод сравне-ния получил наименование эколого-географического. Это нужно понимать в широком смысле слова. Речь идет не только о сравнении экологических данных из разных географических районов или зон, но и о сопоставлении наблюдений в одной и той же местности, но в разное время дня, года, ряда лет, в различных биотопах, на разной высоте и экспозиции склонов в горах, при обильном и плохом урожае кормов, при благоприятных и неблагопри-ятных климатических условиях и т.д., и т.п. Путем подобных и многих иных сопоставлений ярко выступают специфические особенности изучае-мого животного или жизненного процесса в данных условиях: защитные и кормовые ресурсы биотопов, их микроклимат, видовой состав фауны, чис-ленное соотношение видов, плотность популяции, динамика численности, сроки размножения, линьки и других сезонных явлений.

Так как экология изучает не изолированно взятых животных, не орга-низм сам по себе, а в определенной конкретной обстановке (среде обита-ния), образованной растительными группировками, микроклиматом, поч-венно-грунтовыми условиями, рельефом и другими экологическими факто-рами, то, естественно, что экология животных теснейшим образом связана с


28

рядом биологических и географических дисциплин: фитоценологией, лесо-ведением, тундроведением, луговедением, климатологией, почвоведением, геоморфологией и др. Нам постоянно приходится пользоваться фактиче-ским материалом и методическими приемами этих наук. Без этого немыс-лимо полевое экологическое исследование. Таким образом, экология есть наука комплексная и это непосредственно отражается на методе ее исследо-вания: он является не только, как мы видели выше, стационарным, сравни-тельным эколого-географическим и количественным, но и комплексным.

Практически комплексность выражается различно. При многих более простых, например, аутэкологических исследованиях часто бывает доста-точно самому экологу ориентироваться в основных теоретических положе-ниях и методике, скажем, геоботаники, микроклиматологии и других смеж-ных дисциплин, чтобы дать грамотный и детальный анализ среды обитания. В этом случае комплексность подхода сохраняется, но она реализуется од-ним лицом, самим зоологом. При постановке сложных синэкологических тем, при многолетних биоценотических исследованиях успешное разреше-ние намеченной проблемы возможно лишь при объединении усилий ряда специалистов. Объединение это должно быть не формальным, а по сущест-ву. Для этого прежде всего должно быть достигнуто полное единство взгля-дов на саму сущность проблемы, выработана единая комплексная рабочая теоретическая гипотеза, достигнута договоренность о координации про-грамм и планов с тем, чтобы различные специалисты дополняли друг друга, взаимно обслуживали и сообща разрешали общую для всех задачу. Подоб-ное комплексирование очень сложно и сопряжено со многими трудностя-ми – научными, методическими, организационными. Но, вместе с тем, оно вполне реально, особенно в рамках таких учреждений, как заповедники и университеты, где есть налицо представители различных специальностей и имеется сфера приложения их коллективного труда. Ясно, что успех такого сложного предприятия в немалой степени будет обусловлен наличием еди-ного высоко авторитетного научного руководства.

На основании программы и в соответствии с общими методическими установками, составляется рабочий или календарный план, которым опре-деляется очередность тех или иных работ. Нужно тщательно его продумать, чтобы с наибольшей полнотой использовать время и успеть охватить все намеченные вопросы. При этом следует, прежде всего, исходить из сезон-ности явлений жизни животных, особенное внимание, обращая на наиболее быстротекущие, чтобы не пропустить их, памятуя, что пропущенное сможет быть изучено лишь в следующем году, да и то не всегда, так как год от года отличаются подчас очень резко. Календарный план поможет и самому ис-следователю контролировать ход своей работы и в случае необходимости форсировать отстающие разделы. Одновременно должно быть рассчитано количество времени, необходимое для осуществления задуманной темы, а


29

также установлены сезоны полевой работы. Многие темы могут быть вы-полнены в течение одного года. Но мы все в большей мере переходим к многолетним исследованиям, чтобы иметь возможность изучить динамику жизни животных, изменение их экологии в годы с различными условиями. Поэтому нужно заранее определить продолжительность всего исследова-ния. Желательно непрерывное ведение полевых работ и, в частности, зи-мою. Это, конечно, сопряжено с рядом организационных трудностей, но они, при желании, хотя бы частично вполне преодолимы.

Третьим этапом полевых исследования является проведение этих ис-следований.

При проведении непосредственно самих полевых наблюдений так же можно выделить несколько этапов: подготовка оборудования и снаряжение, выбор передвижения, фиксирование наблюдений. К последнему относится ведение дневника наблюдения, фотографирование, картографирование, за-рисовка и пр.

Исключительно большое значение в любой научной работе, и, в част-ности, при полевых исследованиях экологии имеет запись произведенных наблюдений. Только запротоколированный факт имеет подлинную научную ценность, является настоящим документом, не теряющим своей актуально-сти и действительности со временем. Даже при исключительной памяти обилие разнообразных впечатлений неизбежно отразится на точности и достоверности отмеченных фактов, а многие интереснейшие сведения бу-дут попросту забыты или невольно искажены. В записях нужно строго раз-граничивать твердо установленные факты от догадок, предположений и сведений, собранных путем опроса других лиц.

Существует несколько способов записи полевых наблюдений. Их вы-бор остается за исследователем, но есть обязательные правила:

1) запись должна производиться по возможности немедленно или в самые кратчайшие сроки после наблюдения;

2) факт излагаться с предельной ясностью, четкостью и выразитель-ностью;

3) указывать дату, время дня, место и условия наблюдения; 4) запись вести разборчиво и понятно. Пренебрежение любым из этих моментов создаст в дальнейшем массу

затруднений. Во время полевого исследования лучше всего очень кратко, конспективно делать заметки по ходу дела в записной книжке. Клетчатая бумага облегчает составление схем, планов. Записи делаются мягким про-стым (ни в коем случае не химическим!) карандашом и ручкой, желательно на одной стороне листа во избежание стирания. Часто, если не всегда, запи-си в поле приходится делать наспех, в неудобной позе, а поэтому не только чрезмерно лаконично («для памяти»), но и неразборчиво. Особенно этим страдают заметки на ночных наблюдениях, под дождем или на сильном мо-


30

розе. Для дневников лучше всего общие тетради в клеточку, с плотными переплетами. Дневниками приходится пользоваться постоянно и даже спус-тя много лет по окончании экспедиции, а поэтому они должны быть рассчи-таны на это в смысле прочности. В случае необходимости следует сброшю-ровать их вместе и переплести. Дневники нумеруются, и на первой страни-це делается надпись, указывающая номер дневника, за какой период време-ни, фамилию автора и его адрес с просьбой о возвращении в случае утери. Номер дневника и время помогают при отыскивании нужных данных впо-следствии. Адрес – далеко не лишняя предосторожность, так как никто не застрахован от потери дневника.

Наиболее распространенными являются дневники хронологические или по видовые. В первом случае наблюдения протоколируются в специ-альном журнале ежедневно подряд. В начале записи указывается число и день недели, затем дается краткая характеристика погоды, далее – экскур-сионный маршрут за день и, наконец, следует подробное изложение произ-веденных наблюдений. Желательно выработать известный стандарт, манеру или стиль записей для облегчения обработки материалов. Преимущества хронологических дневников:

1) детально фиксируют ход и условия работы, 2) наиболее точно отражают последовательность развития природы, 3) дают ясное представление об общих закономерностях, 4) техника записей случае максимально проста. Поэтому не случайно, что именно этот тип журналов полевых наблю-

дений получил наибольшее распространение не только среди экологов, но и всех остальных полевых работников – геоботаников, геологов, почвоведов и пр. Серьезным недостатком хронологических дневников является сложность выборки данных по отдельным видам, биотопам и вопросам, и чем больше накапливается материала, тем труднее становится в нем ориентироваться.

Другой – повидовой или, точнее, предметно-тематический – сводится к тому, что данные по каждому виду или вопросу последовательно, по мере накопления, записываются на отдельные страницы дневника, отведенные и озаглавленные заранее или по ходу работы. Нужно примерно рассчитать возможный объем наблюдений и отвести для одних большее число страниц, для других – меньшее. По исчерпании места внизу делается пометка о пере-носе и заводится новая запись, открывающаяся, в свою очередь, ссылкой на номер страницы предыдущей записи. Такая система не только облегчает об-работку, избавляет от необходимости составления индекса (достаточно про-стого или алфавитного оглавления), но и позволяет непрерывно в процессе самой полевой работы наглядно представлять объем и полноту собранных данных по каждому виду и разделу темы и, в случае необходимости, вовремя принять меры для восполнения обнаружившихся пробелов. Но ход работы в целом и общие картины при этом смазываются, что подчас вынуждает вести параллельные краткие заметки хронологического характера.


31

Наконец, некоторые исследователи советуют записывать каждое на-блюдение на специальной отдельной карточке небольшого формата. Обра-ботка записей на карточках еще легче, чем повидовых дневников, так как, смотря по необходимости, карточки можно подбирать по любому принци-пу: по видам, по биотопам, по сезонам, по времени суток и т. д.

Возможен иной вариант, хорошо зарекомендовавший себя в заповед-никах. Там сперва велись обычные дневники, а затем все наблюдения из дневников переносились на каталожные карточки. Этим решалось несколь-ко задач: во-первых, облегчалась обработка наблюдений по данному виду, сделанных целым коллективом, а во-вторых, обеспечивалось сохранение материалов на случай ухода кого-либо из сотрудников из заповедника.

Трудно рекомендовать какой-либо определенный из вышеописанных способов, тем более, что каждый из них имеет свои и преимущества, и не-достатки. Выбор во многом зависит от характера и условий работы, а рав-но – от личных склонностей исследователя.


32

Тема 5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Лабораторные методы используются при проведении работ в лабора-

торных условиях, но пересекаются с методами полевых исследований. По своему характеру исследования, проводимые в экоаналитической

лаборатории могут быть подразделены на: – количественные, при которых определяется степень обремененно-

сти исследуемого объекта; – качественные, при которых обнаружение компонентов производит-

ся лишь приблизительно. Для целей количественного химического анализа объектов окружаю-

щей среды используются различные методики, основу которых составляют методы аналитической химии.

В их число входят: 1) гравиметрия; 2) титрометрия; 3) хроматография; 4) фотометрия; 5) вольтамперометрия; 6) потенциометрия. Лабораторные исследования также как и вышерассмотренные эколо-

гические исследования состоят из нескольких этапов: 1) ознакомление с правилами работы в химической лаборатории; 2) организация рабочего места; 3) подготовка и ведение лабораторного журнала; 4) аналитические методы; 5) обработка полученных лабораторных данных. Работа в химической лаборатории всегда сопряжена с определенным

риском. Но при грамотной и осторожной работе этот риск сводится к ми-нимуму, ведь большинство пожаров, отравлений, ожогов и травм происхо-дит исключительно по причине пренебрежения правилами техники безо-пасности или просто незнанию их.

Ниже приведены некоторые положения, которые помогут вам нау-читься работать правильно и безопасно.

ОБЩИЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

1. Работать одному в лаборатории категорически запрещается, так как

в ситуации несчастного случая некому будет оказать помощь пострадавше-му и ликвидировать последствия аварии.


33

2. Во время работы в лаборатории необходимо соблюдать чистоту, ти-шину, порядок и правила техники безопасности, так как поспешность и не-брежность часто приводят к несчастным случаям с тяжелыми последствиями.

3. Каждый работающий должен знать, где находятся в лаборатории средства противопожарной защиты и аптечка, содержащая все необходимое для оказания первой помощи.

4. Категорически запрещается в лаборатории курить, принимать пи-щу, пить воду.

5. Нельзя приступать к работе, пока учащиеся не усвоят всей техники ее выполнения.

6. Опыты нужно проводить только в чистой химической посуде. По-сле окончания эксперимента посуду сразу же следует мыть.

7. В процессе работы необходимо соблюдать чистоту и аккуратность, следить, чтобы вещества не попадали на кожу лица и рук, так как многие вещества вызывают раздражение кожи и слизистых оболочек.

8. Никакие вещества в лаборатории нельзя пробовать на вкус. Нюхать вещества можно, лишь осторожно направляя на себя пары или газы легким движением руки, а не наклоняясь к сосуду и не вдыхая полной грудью.

9. На любой посуде, где хранятся реактивы, должны быть этикетки с указанием названия веществ.

10. Сосуды с веществами или растворами необходимо брать одной рукой за горлышко, а другой снизу поддерживать за дно.

11. Категорически запрещается затягивать ртом в пипетки органиче-ские вещества и их растворы.

12. Во время нагревания жидких и твердых веществ в пробирках и колбах нельзя направлять их отверстия на себя и соседей. Нельзя также за-глядывать сверху в открыто нагреваемые сосуды во избежание возможного поражения при выбросе горячей массы.

13. После окончания работы необходимо выключить газ, воду, элек-троэнергию.

14. Категорически запрещается выливать в раковины концентриро-ванные растворы кислот и щелочей, а также различные органические рас-творители, сильно пахнущие и огнеопасные вещества. Все эти отходы нуж-но сливать в специальные бутыли.

15. В каждой лаборатории обязательно должны быть защитные маски, очки.

16. В каждом помещении лаборатории необходимо иметь средства противопожарной защиты: ящик с просеянным песком и совком для него, противопожарное одеяло (асбестовое или толстое войлочное), заряженные огнетушители.

17. В доступном месте в классе-лаборатории должен быть «Уголок тех-ники безопасности», где необходимо разместить конкретные инструкции по методам безопасности работы и правила поведения в химическом кабинете.


34

18. При работе в лаборатории необходимо применять индивидуаль-ные средства защиты, а также соблюдать правила личной гигиены.

Более подробно с правилами работы в конкретной лаборатории вы ознакомитесь, пройдя инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.

Правильная организация работы в химических лабораториях – ос-новное условие обеспечения своевременной выдачи результатов анализов и их точности. Решающую роль в этом играет квалификация аналитиков. Большое значение имеет умелое распределение рабочего времени в соот-ветствии с выполняемыми операциями и целесообразное расположение нужного количества приборов и посуды. Качество и данные приборов и ин-вентаря должны удовлетворять условиям, предъявляемым к операциям ана-лиза, для выполнения которых они предназначены.

Рабочие места аналитиков должны быть расположены так, чтобы не-производительные потери времени (например, на хождение от весов к вы-тяжному шкафу, от шкафа к рабочему столу, затем к титровальному столу и т. д.) были минимальными.

При выполнении массовых однотипных анализов рабочие места и приборы целесообразно размещать в последовательности связанных с ними операций данного анализа.

При выполнении единичных, но разнообразных анализов все рабочие места, необходимую аппаратуру и инвентарь целесообразно располагать так, чтобы вообще исключить хождение.

При массовой работе, если в смене работает более одного человека, в целях выигрыша времени можно рекомендовать бригадный (поточный) ме-тод работы, как безусловно более производительный.

Приготовление проб целесообразно организовать так, чтобы в лабора-торию они поступали подготовленными для анализа, в плотно закрываю-щихся металлических бюксах.

Весовая комната должна находиться как можно ближе к рабочим мес-там аналитиков; при выполнении экспресс-анализов аналитические весы же-лательно устанавливать у рабочих мест. Для ускорения взвешиваний следует применять аналитические весы с демпферами, имеющие приспособление для накладывания миллиграммового разновеса, не открывая дверцы.

Стеклянную и фарфоровую посуду рекомендуется заранее нумеровать, переносить посуду следует на деревянных или пластмассовых подносах.

Чтобы избежать непрерывного наблюдения за процессами растворе-ния и упаривания, плиты рекомендуется включать через автотрансформато-ры или реостаты. Менее удобно пользоваться одной плитой, обеспечиваю-щей максимальный нагрев. При необходимости поддерживать более низ-кую температуру периодически выключают плиту или подкладывают под нагреваемые сосуды асбестовый картон.


35

Кроме сушильного шкафа, для высушивания проб и осадков необхо-димо иметь сушильный шкаф у вытяжного шкафа или внутри его. Исполь-зуют такой шкаф специально для высушиваний, сопровождающихся выде-лением паров кислот и других вредных газов.

В лабораториях необходимо вести журнал как дневник в полевых ус-ловиях. Для рабочего лабораторного журнала необходимо взять общую тет-радь, в которой сразу же пронумеровать страницы.

На титульном листе должны содержаться: – надпись «Лабораторный журнал по»; – курс; – Ф. И. О. студента; – номер группы; – название факультета. В дальнейшем указанные данные, при необходимости, могут быть

дополнены. Первые два листа следует оставить для оглавления, которое состав-

ляют по ходу работы. Все записи при выполнении лабораторной работы должны вестись

исключительно в лабораторном журнале ручкой; при этом необходимо стремиться к сочетанию краткости записей с их исчерпывающей полнотой. Категорически запрещается делать записи на отдельных листках бума-ги! Лабораторный журнал является одновременно и черновиком, и чисто-виком. Его следует вести самым аккуратным образом. Здесь и только здесь производятся все записи при выполнении лабораторной работы, в том числе прикидочные расчеты и предварительные результаты. Наличие таких запи-сей позволяет в любой момент проверить правильность выполнения расче-тов или выявить источник ошибки при выполнении лабораторной работы.

Нельзя ничего стирать и исправлять в журнале: в случае ошибки циф-ру или слово следует зачеркнуть, проставив исправленное над зачеркнутым или рядом с ним. Все исправления в журнале должны делаться так, чтобы предыдущий результат оставался читаемым. Рядом с исправлением следует указывать, в чем состоит причина исправления ("неправильный расчет", "повторный результат" и т.д.). Если неправильным оказался большой мате-риал, не надо вырывать страницы из журнала: достаточно перечеркнуть их по диагонали, указав причину вычеркивания.

В случае отсутствия лабораторного журнала, преподаватель ставится в известность в начале занятия, подписывается у него отдельный листок, который в последующем со всеми полученными данными вклеивается в ла-бораторный журнал.

Если для записи результатов анализа или оформления отчета недоста-точно предварительно отведенного места в журнале, то в конце записи ста-вится ссылка с указанием страницы с продолжением записи.


36

Для ведения черновых записей рекомендуется использовать левые страницы журнала, для оформления отчета и чистовых записей – правые.

Отчет по лабораторной работе оформляется в лабораторном журнале и должен состоять из следующих разделов:

1. Дата выполнения и название лабораторной работы. 2. Цель работы. 3. Краткое теоретическое введение: – уравнения химических реакций; – кривая титрования (схематично, в общем виде); – закон эквивалентов; – расчетные формулы результата анализа; – предварительные расчеты, необходимые для выполнения работы

(например, расчет массы навески, объема титранта и т.п.); – краткое описание свойств веществ, используемых в работе, и обос-

нование их выбора для выполняемого анализа. 4. Оборудование и реактивы. – Приводятся названия и характеристики использованных в работе

приборов, стеклянной посуды и реактивов. – Для всех средств измерений (мерные колбы, пипетки, бюретки, ве-

сы, растворы точной концентрации) приводятся метрологические характе-ристики согласно их маркировке или справочным данным.

– Для веществ, используемых в качестве стандарта, приводится сте-пень чистоты или характеристика, ее заменяющая.

– Если в качестве титранта или вторичного стандарта используется собственный раствор, полученный и стандартизованный в рамках другой лабораторной работы, то приводится ссылка на соответствующую страницу журнала.

– Для оборудования, посуды и реактивов, используемых в качестве вспомогательных, достаточно общего описания (для растворов – номиналь-ных концентраций).

5. Экспериментальные результаты. * Результаты работы оформляются, как правило, в виде таблиц, со-

держащих исходные данные и результаты вычислений, каждая таблица должна иметь название. Экспериментальные данные последовательно зано-сятся в соответствующие столбцы таблицы; в верхней части столбца обяза-тельно указывается наименование и единица измерения приведенной вели-чины. Каждое число в таблице должно содержать не больше и не меньше значащих цифр, чем позволяет точность экспериментальных данных.

* Приводятся все расчетные формулы (без вывода) как в символьном виде, так и с подставленными числами и рассчитываются результаты опре-деления.

* Если в работе используется несколько вариантов выражения исход-ной величины (например, концентрация, титр, условный титр), то результат анализа (например, массу) следует рассчитать по каждой из них.


37

6. Статистическая обработка результатов анализа. В этом разделе приводится обоснование выбраковки отдельных ре-

зультатов анализа, являющихся грубыми ошибками (достаточно расчетов по Q-критерию). А также приводятся формулы (без вывода) и результаты расчета погрешности анализа.

Рассчитать: – значение Q-критерия для максимального и минимального значений

результатов измерения; – среднее значение результата анализа; – стандартное отклонение выборки; – коэффициент вариации выборки (относительное стандартное откло-

нение); – стандартное отклонение среднего значения; – доверительный интервал среднего значения (для доверительной ве-

роятности P = 95 %); – относительную погрешность результата анализа; – если в работе необходим расчет нескольких величин (титры, кон-

центрации), то для каждой из них приводится доверительный интервал, рассчитанный из доверительного интервала или относительной погрешно-сти непосредственно измеряемой величины.

7. Вывод. Вывод формулируется, исходя из цели работы, и содержит в себе ре-

зультат анализа вместе с его абсолютной погрешностью, выраженной дове-рительным интервалом. В доверительном интервале достоверной является лишь одна значащая цифра (если эта цифра 1, то приводится две значащие цифры). Среднее значение измеряемой величины округляется до разряда, оставшегося в абсолютной погрешности после округления. Например, при определении концентрации серной кислоты вы получили среднее значение молярной концентрации 0.101235 моль/л и доверительный интервал (n = 5, p = 95 %) 0.000855 моль/л. Конечный результат следует записать 0.1012 ± ± 0.0009 моль/л.

Разделы 1–3 отчета оформляются перед лабораторной работой, разде-лы 4–7 оформляются непосредственно на лабораторной работе. Отчет по лабораторной работе сдается преподавателю на проверку не позже, чем че-рез неделю после выполнения работы.

Далее рассмотрим основные аналитические методы. Гравиметрический анализ относится к наиболее простым и распро-

страненным методам контроля окружающей среды и основан на точном из-мерении массы определяемого вещества в виде соединения или простого вещества определенного состава. Основным инструментом являются весы различного класса точности, внесенные в государственный реестр средств


38

измерений, предназначенные для взвешивания различных веществ при про-ведении лабораторных анализов.

Выбор и применение методов количественного определения загряз-няющих веществ ориентирован на достижение их максимальной чувстви-тельности, точности, специфичности и воспроизводимости, а также на уп-рощение техники измерения. Согласно сложившейся в аналитической хи-мии системе размерностей, в учебной экоаналитической лаборатории суще-ствует возможность проведения макроанализа, микроанализа и ультрамик-роанализа.

Макроанализ (макроопределение, дециграммовый метод) – аналити-ческие операции с относительно большим количеством анализируемых ве-ществ (0,1 г и более). Пробы взвешивают на обычных технических или ана-литических весах.

Микроанализ (микроопределение, миллиграммовый метод) – выпол-нение аналитических операций со средними навесками проб (10–3–10–2 г) и со средним объемом анализируемых растворов (около 1 мл). Для взвешива-ния проб пользуются аналитическими весами, более точной микропосудой.

Ультрамикроанализ (микрограммовый метод) – совокупность прие-мов и методов анализа очень малых образцов вещества (10–6–10–3 г).

К распространенным методам исследования окружающей среды сле-дует отнести титриметрический анализ. Титриметрический метод анализа является разделом количественного анализа, в котором содержание вещест-ва определяется путем точного измерения объема раствора реагента (тит-ранта), вступившего в химическую реакцию с определяемым веществом. Концентрация раствора титранта должна быть точно известна.

Процесс постепенного приливания раствора-титранта к раствору ана-лизируемого вещества называют титрованием. Момент, когда титрант доба-вили в исследуемый раствор в количестве, химически эквивалентном опре-деляемому веществу, называют точкой эквивалентности. Для определения этого момента в исследуемый раствор добавляют индикатор. Окраска инди-катора изменяется, когда реакция между определяемым веществом и тит-рантом доходит до конца. Практически изменение цвета не точно совпадает с точкой эквивалентности. В этом случае говорят о точке конца титрования (к.т.т.). То есть это такой момент титрования, когда по изменению окраски раствора индикатора или по другим признакам замечают конец реакции. Обычно к моменту конца титрования количество прибавляемого титранта больше или меньше, чем эквивалентное.

Титрование будет тем точнее, чем ближе к точке эквивалентности лежит точка конца титрования. Разница между точкой эквивалентности и точкой конца титрования обуславливает индикаторную ошибку титрования. Достиг-нув точки конца титрования, добавление титранта прекращают. По затрачен-ному объему титранта и его концентрации вычисляют результаты анализа.


39

В зависимости от типа используемых реакций титриметрические ме-тоды разделяют на четыре группы:

1) методы кислотно-основного титрования, основанные на использо-вании реакций нейтрализации;

2) методы окислительно-восстановительного титрования; 3) методы осаждения; 4) методы комплексообразования. По способу проведения титриметрические методы разделяют на: 1) прямое титрование; 2) обратное титрование; 3) титрование заместителя. Независимо от типа используемой реакции для любого титриметриче-

ского определения необходимо иметь: 1) титрант – рабочий титрованный раствор; 2) индикатор (иногда раствор титранта одновременно является инди-

катором); 3) измерительную посуду для точного установления объемов реаги-

рующих веществ. Для точного отмеривания объема растворов служат бюретки, пипетки

и мерные колбы. Бюретка представляет собой градуированную стеклянную трубку. На наружной стенке бюретки имеется шкала с нулевой точкой в верхней части бюретки. Бюретки емкостью менее пяти миллилитров назы-вают микробюретками. Нижний конец бюретки оттянут и снабжен затвором (стеклянный шарик).

Уровень раствора в бюретке имеет выгнутую форму. Отсчет уровня светлых растворов следует производить по нижнему мениску, а темных растворов – по верхнему. Отсчет объема раствора, вылитого из бюретки, следует производить с точностью до сотых долей миллилитра. Обычно объ-ем одной капли раствора составляет 0,02–0,04 мл. Для разбавления раствора до нужного объема служат мерные колбы. При заполнении мерной колбы следят, чтобы нижний мениск жидкости находился как раз на уровне метки. При выполнении этого правила объем жидкости в колбе будет соответство-вать указанному на колбе объему. Мерные колбы изготавливают различных объемов: на 25, 50, 100, 200, 250, 500 и 1000 мл.

Для отбора определенного объема раствора, измеренного с достаточ-ной для аналитических целей точностью, служат пипетки.

Пипетки бывают двух видов: – пипетки на какой-либо один объем, – пипетки с градуировкой. Для того чтобы отмерить точно определенный объем раствора, оття-

нутый конец пипетки следует опустить в жидкость, подлежащую отбору; далее через верхнее отверстие ртом или резиновой грушей засосать жид-


40

кость в пипетку несколько выше метки. Затем нужно быстро заткнуть ука-зательным пальцем правой руки верхнее отверстие пипетки и, постепенно ослабляя палец, довести объем раствора до метки. Пипетки градуируются таким образом, что объем свободно вытекающей жидкости точно отвечает указанному на пипетке объему. Поэтому не следует выдувать или вытряхи-вать не слившуюся со стенок жидкость.

Так как стекло расширяется при нагревании, объем бюреток, пипеток и мерных колб будет меняться с температурой. Градуировку мерной посуды обычно проводят для температуры 20 °C, поэтому и пользоваться ею нужно только при комнатной температуре. Помимо бюреток, пипеток и мерных колб в количественном анализе применяются мерные цилиндры и мензурки.

Мерные цилиндры и мензурки имеют грубую калибровку и предна-значены для приблизительного определения объема различных реактивов, величина объема которых не фигурирует в расчетах результатов анализа.

Этот метод так же как и гравиметрический метод точен и надежен, но длительный и низкочувствительный. Его существенным преимуществом является доступность и низкая стоимость исследований.

Хроматография – динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств ве-ществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами – непод-вижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).

Подвижная фаза представляет собой поток жидкости или газа, про-ходящий через неподвижную фазу и переносящий вещество.

Неподвижная фаза – как правило, твердое вещество с развитой по-верхностью или, реже, жидкость, способные обратимо взаимодействовать с веществом. При этом чем лучше вещество сорбируется (поглощается) не-подвижной фазой, тем меньше скорость его движения.

Процесс разделения основывается на различном сродстве исследуе-мых соединений к подвижной и неподвижной фазам: вещества движутся к «финишу» с различными скоростями и, т.о., разделяются.

Основные виды хроматографии: • Жидкостная хроматография: o Колоночная хроматография o Тонкослойная хроматография o Высокоэффективная жидкостная хроматография • Газовая хроматография • Ионообменная хроматография • Бумажная хроматография • Гель-фильтрационная хроматография • Аффинная хроматография


41

Проведение хроматографического анализа включает следующие ста-дии:

1. Введение разделяемой смеси в систему; 2. Разделение смеси одним из вида хроматографии; 3. Сбор фракций; 4. Анализ фракций. • Разделяемые вещества имеют хроматографическую характеристику –

время удержания TR (время нахождения соединения в колонке от его загрузки до выхода (когда достигается максимальная концентрация в анализируемых фракциях)) или Rf (отношение пути, пройденного веществом, к пути, прой-денного растворителем) для бумажной или тонкослойной хроматографии.

Из доступных хроматографических методов анализа в учебном процессе используется метод осадочной тонкослойной хроматографии. Он основан на способности разделяемых веществ, образовывать малораство-римые соединения с различными произведениями растворимости.

В качестве неподвижной фазы выступает инертный носитель, покры-тый слоем осадителя; разделяемые вещества, находящиеся в подвижной фа-зе, вступают во взаимодействие с осадителем и образуют малорастворимые вещества – осадки. При дальнейшем пропускании растворителя происходят поочередно: растворение этих осадков, перенос вещества по слою непод-вижной фазы, снова осаждение и т.д. Хроматограммой в данном случае бу-дет являться распределение осадков по слою носителя.

К достоинствам метода относиться: простота, экономичность, доступ-ность оборудования, экспрессность (продолжительность разделения 10–100 мин), высокие производительность и эффективность разделения, на-глядность результатов разделения, простота обнаружения хроматографиче-ских зон.

Наиболее широко в экоаналитических лабораториях применяются фо-тометрические методы исследования. Фотометрический метод анализа – совокупность методов молекулярно-абсорбционного спектрального анализа, основанных на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой, ИК- и УФ-областях молекулами определяемого компонента или его соединения с подходящим реагентом. Концентрацию определяемого компонента устанавливают по закону Бугера–Ламберта–Бера. Фотометриче-ский метод включает визуальную фотометрию, спектрофотометрию и фото-колориметрию. Последняя отличается от спектрофотометрии тем, что по-глощение света измеряют гл. образом в видимой области спектра, реже – в ближних УФ- и ИК-областях (т. е. в интервале длин волн от ~315 до ~980 нм), а также тем, что для выделения нужного участка спектра (шириной 10–100 нм) используют не монохроматоры, а узкополосные светофильтры.

Приборами для фотоколориметрии служат фотоэлектроколоримет-ры (ФЭК), характеризующиеся простотой оптической и электрической


42

схем. Большинство фотометров имеет набор из 10–15 светофильтров и представляет собой двухлучевые приборы, в которых пучок света от источ-ника излучения (лампа накаливания, редко ртутная лампа) проходит через светофильтр и делитель светового потока (обычно призму), который делит пучок на два, направляемые через кюветы с исследуемым раствором и с раствором сравнения. После кювет параллельные световые пучки проходят через калиброванные ослабители (диафрагмы), предназначенные для урав-нивания интенсивностей световых потоков, и попадают на два приемника излучения (фотоэлементы), подключенные по дифференциальной схеме к нуль-индикатору (гальванометр, индикаторная лампа). Недостаток прибо-ров – отсутствие монохроматора, что приводит к потере селективности из-мерений; достоинства фотометров – простота конструкции и высокая чув-ствительность благодаря большой светосиле. Измеряемый диапазон опти-ческой плотности составляет приблизительно 0,05–3,0, что позволяет опре-делять мн. элементы и их соединения в широком интервале содержаний – от ~10–6 до 50 % по массе. Для дополнительного повышения чувствительно-сти и селективности определений существенное значение имеют подбор реагентов, образующих интенсивно окрашенные комплексные соединения с определяемыми веществами, выбор состава растворов и условий измере-ний. Погрешности определения составляют около 5 %.

При так называемом дифференциальном фотометрическом анализе оптическую плотность анализируемого раствора измеряют относительно оптической плотности (которая не должна быть меньше 0,43) раствора сравнения. Последний содержит определяемый компонент в концентрации, близкой к концентрации этого компонента в анализируемом растворе. Это позволяет определять сравнительно большие концентрации веществ с по-грешностью 0,2–1 % (в случае спектрофотометрии). При фотометрическом титровании получают зависимость оптической плотности титруемого рас-твора от объема прибавляемого титранта (кривую титрования). По излому на этой кривой определяют конечную точку титрования и, следовательно, концентрацию исследуемого компонента в растворе.

Иногда фотометрический анализ понимают более широко, как сово-купность методов качественного и количественного анализа по интенсивно-сти ИК-, видимого и УФ-излучения, включающую атомно-абсорбционный анализ, фотометрию пламени, турбидиметрию, нефелометрию, люминес-центный анализ, спектроскопию отражения и мол. -абсорбционный спек-тральный анализ.

Фотометрические методы отличаются универсальностью, высокой чувствительностью и точностью (погрешности определения составляют около 5 %). В условиях учебной экоаналитической лаборатории достаточно использование колориметра КФК-2.


43

К современным высокоточным методам исследования относится ме-тод вольтамперометрического анализа. Его сущность заключается в ре-гистрации и расшифровке зависимости тока, протекающего в цепи электро-химической ячейки, от приложенного к ее электродам поляризующего на-пряжения. Зависимость тока от приложенного напряжения – вольтамперо-грамма – позволяет одновременно получить качественную и количествен-ную информацию об элементах, восстанавливающихся или окисляющихся на рабочем электроде.

Объектами анализа могут быть: вода, почва, воздух, биологически ак-тивные добавки, лекарственные препараты, пищевые продукты, продоволь-ственное сырье, парфюмерия, косметика, аэрозоли, торф, ил, твердые отхо-ды и др.

Потенциометрический метод анализа относится к электрохимиче-ским методам и основан на измерении электродвижущей силы гальваниче-ского элемента с индикаторным электродом, потенциал которого зависит от концентраций (активностей) ионов в исследуемом растворе.

Прямая потенциометрия обладает важными достоинствами. К пре-имуществам метода можно отнести его портативность. В процессе измере-ний состав анализируемого раствора не меняется. При этом, как правило, не требуется предварительного отделения определяемого вещества.

Аналитические методы контроля объектов окружающей среды до-полняют методы биотестирования, позволяя проводить экологический мо-ниторинг наиболее полно и достоверно, показывая реальное состояние ок-ружающей среды, как в данный момент времени, так и в динамике. Методы биотестирования не требуют идентификации конкретных химических со-единений, достаточно просты в исполнении и дешевы, что позволяет ис-пользовать физико-химические методы анализа более рационально.

Простые в исполнении и неспецифические биотесты должны исполь-зоваться для непрерывного мониторинга качества среды и сигнализации о появлении в среде токсичных загрязнений, а аналитические методы могут привлекаться для определения химической природы загрязнения только по-сле получения положительного результата при биотестировании среды на интегральную токсичность.

В биологических методах анализа устанавливаются связи характера и интенсивности ответного сигнала с количеством определяемого компонен-та. В качестве индикаторов применяются микроорганизмы (бактерии, дрожжи, плесневые грибы), водоросли и высшие растения, водные беспо-звоночные и позвоночные животные.

В лаборатории воссоздать естественные условия или смоделировать экологическую ситуацию возможно лишь с использованием сред строго оп-ределенного состава. Большое значение при работе с тест-объектами имеет качество подготовки питательных сред и чистота лабораторного оборудо-


44

вания. Качество среды контролируется с помощью рН-метра и портативно-го оксиметра. Как правило, биологические методы анализа отличаются вы-сокой чувствительностью и избирательностью определения биологически активных веществ.

Исследования живых организмов весьма многогранно, а количество наблюдаемых показателей весьма велико. Для наблюдения, а также для ка-чественной и количественной оценки результатов биологического анализа используются различные микроскопы.

Применения цифровой камеры-окуляра для микроскопа позволяет получать яркое и четкое изображение даже на периферийных участках, а также выводить изображение на экран компьютера или сохранять архивные материалы в виде фотографий.

На основе результатов аналитического эксперимента можно органи-зовать новые полевые наблюдения или лабораторные эксперименты. Выво-ды, полученные в лабораторном эксперименте, требуют обязательной про-верки в природе. Это дает возможность глубже понять естественные эколо-гические отношения популяций и сообществ.


45

Список литературы 1. Биогеография и почвоведение [Электронный ресурс] : учебное по-

собие для вузов / [Т.А. Девятова и др.] ; Воронеж. гос. ун-т. – Электрон. текстовые дан. – Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронеж-ского государственного университета, 2010. – Загл. с титула экрана. – Сво-бодный доступ из интрасети ВГУ. – Текстовый файл. – Windows 2000 ; Adobe Acrobat Reader. – <URL:http://www.lib.vsu.ru/elib/texts/method/ vsu/m10-31.pdf>.

2. Девятова Т.А. Биодиагностика почв : учеб. пособие / Т.А. Девятова, Т.Н. Крамарева. – Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воро-нежского государственного университета, 2008. – 140 с.

3. Методы экологических исследований. Модуль 1: Изучение живот-ных : учебно-методическое пособие / сост. Е.С. Иванов, Е.В. Бирюкова, В.В. Черная ; Ряз. гос. ун-т им. С.А. Есенина. – Рязань, 2009. – 68 с.

4. Основы философии науки : учебное пособие для аспирантов / В.П. Кохановский [и др.]. – Изд. 4-е. – Ростов н/Д : Феникс, 2007. – 603 с.

5. Эколого-аналитические методы исследования окружающей среды : учебное пособие для студ. вузов, обуч. по специальностям 020802 – «Приро-допользование», 020804 – «Геоэкология» и направлению 020800 – «Экология и природопользование» / [Т.И. Прожорина и др.] ; Воронеж. гос. ун-т; Закры-тое акционерное о-во «Крисмас+» (г. Санкт-Петербург). – Воронеж : Истоки, 2010. – 302 с.


46

Учебное издание

Девятова Татьяна Анатольевна, Крамарева Татьяна Николаевна

МЕТОДИКА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Учебное пособие для вузов

Редактор И.Г. Валынкина Компьютерная верстка Е.Н. Комарчук

Подписано в печать 05.05.2014. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 2,7. Тираж 50 экз. Заказ 1366

Издательский дом ВГУ

394000, г. Воронеж, пл. Ленина, 10

Отпечатано в типографии Издательского дома ВГУ 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3


Internet

методика экологических исследований