Способ определения индекса экотопической приуроченности
Владельцы патента RU 2632946:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Брянский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к экологии, а именно биомониторингу и биоиндикации качества состояния окружающей среды (воздуха) с использованием индекса экотопической приуроченности. Способ включает констатацию наличия видов растений в экотопах растительных сообществ на различных по степени антропогенной преобразованности территориях, установление баллов их встречаемости и проективного покрытия и расчет индекса экотопической приуроченности (S), выражающегося отношением произведения баллов встречаемости и квадратного корня суммы проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний к общему числу описаний, по формуле:
где S - индекс экотопической приуроченности; В - встречаемость в промежутке значений проективного покрытия (Р) согласно 5-балльной квадратично-трансформированной шкале процентов покрытия в диапазоне 0-100%: 0-4% - 1 балл, 4-16% - 2 балла, 16-36% - 3 балла, 36-64% - 4 балла, 64-100% - 5 баллов; Р - сумма проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний; N - число геоботанических описаний сообществ, при этом наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствует о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности). Использование индекса экотопической приуроченности приводит к упрощению способа, повышению точности, надежности, значимости количественных характеристик видов, которые показывают антропогенную преобразованность среды, сокращению трудозатрат, применению доступных для математической обработки признаков видов. 2 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области лесного дела, ботаники, экологии - биоиндикации антропогенной преобразованности среды обитания по разнообразию экотопологических групп растений.
За прототип принят способ установления активности видов растений Б.А. Юрцева [1]. «Активность вида» - это способ выражения его «веса» (в смысле значимости и количества) в формировании сообществ на территориях различного антропогенного преобразования.
Известный способ выявления «активности вида» содержит:
- проведение геоботанических описаний растительных сообществ на территориях с различной степенью антропогенной преобразованности;
- использование показателей численности, встречаемости и обилия, определяемых экспертными оценками для различных регионов;
- моделирование процесса взаимодействия видов растений с факторами на территориях с различной степенью антропогенной преобразованности сред обитания и сообществ;
- определение приспособленности вида к антропогенным изменениям среды по его «активности».
Применение прототипа требует проведения ретестовых (повторных испытаний) и глазомерного определения важнейших составляющих.
Недостатки известного способа «Определение активности видов растений»:
- индекс активности видов содержит переменные, определяемые субъективно;
- численность, обилие, встречаемость;
- обязательно установление методом экспертных оценок равномерности распределения видов;
- необходимо знание основных экотопов района исследования, долговременное их изучение.
Таким образом, известный объект не может быть применен ввиду того, что данный способ определения активности видов является полуколичественным, все составляющие для вычислений определяются глазомерно и требует постоянного участия экспертных оценок.
Задача изобретения - повышение точности, надежности, значимости количественных характеристик видов, которые показывают антропогенную преобразованность среды и сокращение трудозатрат при их проведении в естественных сообществах, биоценозах городских поселений путем вычисления количественного индекса экотопической приуроченности (S).
Предложен индекс экотопической приуроченности (S), позволяющий посредством разовых замеров, проведенных во всем диапазоне действия комплексных факторов антропогенного преобразования сред обитания и отклика на них биоиндикаторов-растений, включающий констатацию наличия видов растений в экотопах растительных сообществ на различных по степени антропогенной преобразованности территорий, установление баллов их встречаемости и проективного покрытия и расчет индекса экотопической приуроченности (S), выражающегося отношением произведения баллов встречаемости и квадратного корня суммы проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний к общему числу описаний, по формуле:
где S - индекс экотопической приуроченности; В - встречаемость в промежутке значений проективного покрытия (Р) согласно 5-балльной квадратично-трансформированной шкале процентов покрытия в диапазоне 0 - 100%: 0-4% - I балл, 4-I6% - 2 балла, 16-36% - 3 балла, 36-64% - 4 балла, 64-100% - 5 баллов; Р - сумма проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний; N - число геоботанических описаний сообществ, при этом наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствует о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности).
Индекс экотопической приуроченности (S) отличается от известного прототипа тем, что при его вычислении устраняются субъективные факторы при биоиндикационных работах (исследованиях) - глазомерной оценки их обилия и встречаемости, наблюдается упрощение метода, повышается его точность; индекс экотопической приуроченности не содержит переменных, определяемых субъективно; возможно применение без метода экспертных оценок.
Предлагаемый индекс экотопической приуроченности позволяет проводить диагностические биомониторинговые исследования на территориях, где рекогносцировочные обследования (особенно в лесных сообществах, городских насаждениях) не выявили явного влияния антропогенного воздействия на видовой состав растительных сообществ, и вычислить индекс экотопической приуроченности по формуле:
где S - индекс экотопической приуроченности; В - встречаемость в промежутке значений проективного покрытия (Р) согласно 5-балльной квадратично-трансформированной шкале процентов покрытия в диапазоне 0-100%: 0-4% - I балл, 4-I6% - 2 балла, 16-36% - 3 балла, 36-64% - 4 балла, 64-100% - 5 баллов; Р - сумма проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний; N - число геоботанических описаний сообществ, при этом наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствует о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности).
Ограничения индекса экотопической приуроченности: для применения индекса и достижения его объективности необходима достаточная представительность выборки, редкие виды растений могут оказаться неучтенными при описаниях.
Предложенный индекс экотопической приуроченности вычисляется следующим образом.
В последние годы с развитием исследований по биоиндикации антропогенной преобразованности сред обитания появилась возможность для реализации интегральной оценки роли видов в сложении как флоры и растительного покрова. Концептуальная основа этого направления - характеристика местообитания «языком экологии (режимов среды), а не геоботаники» [2]. Последователи экотопологического направления в биоиндикационных исследованиях, опираясь преимущественно на характер субстрата и микроклимат, с учетом местоположения визуально объединяют местообитания в разные типы и затем изучают их растительное население. Они объясняют различия во флоре и растительности особенностями типов местообитаний, а не строят систему экотопов, исходя из особенностей флоры и растительности. Так появилось понятие активности видов, они считаются активными, если распространены в ландшафтном районе повсеместно и равномерно, постоянно встречаются в одних и тех же местообитаниях и имеют высокую численность в основных экотопах района. Следовательно, особо активные виды могут показывать разнообразие условий местообитаний, в том числе и антропогенно преобразованных.
Вопрос о применении видов растений для классификации экотопов в том числе и антропогенно преобразованных распадается на ряд направлений: инструментальные камеральные биохимические исследования отдельных видов, визуальное обследование морфолого-анатомических изменений биоиндикаторов, применение эмпирических данных для вычисления индексов активности растений, позволяющих проводить деление территории по степени преобразованности различными факторами.
Наиболее информативны количественные биоиндикационные исследования состояния сред обитания, основанные на инструментально фиксируемых характеристиках биологических систем с последующей математической обработкой для исключения фактора субъективности.
Для классификации экотопов с различной степенью антропогенной преобразованности используются все виды растений, обнаруженных на пробных площадках, в том числе широко распространенные в условиях малых, средних и крупных городов.
Количественный показатель информативности видов растений как биоиндикаторов отражает их приспособленность к стрессовым факторам на антропогенно преобразованных территориях, выражающейся в баллах встречаемости и проективного покрытия, т.е. индекс экотопической приуроченности, рассчитываемый по формуле:
где S - индекс экотопической приуроченности; В - встречаемость в промежутке значений проективного покрытия (Р) согласно 5-балльной квадратично-трансформированной шкале процентов покрытия в диапазоне 0-100%: 0-4% - 1 балл, 4-I6% - 2 балла, 16-36% - 3 балла, 36-64% - 4 балла, 64-100% - 5 баллов; Р - сумма проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний; N - число геоботанических описаний сообществ, при этом наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствует о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности).
С помощью индекса экотопической приуроченности (S) четко выделяются виды различных экотопических зон и по ним диагностируются экотопы, проводится корреляция с уровнем антропогенной преобразованности среды (в городах, других ландшафтных зонах), создается карта изучаемой местности с учетом влияния общего антропогенного преобразования среды на разнообразие экотопических групп. Наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствуют о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности).
Примеры применения индекса экотопической приуроченности
Исследования проводились в городе Брянске - административном центре Юго-Западного Нечерноземья России - в период с 1998 по 2006 гг. Площадь города составляет около 230 км2. Город - крупный промышленный центр с густой транспортной сетью. Брянск имеет многоядерную структуру, сформированную вокруг нескольких территориально сближенных крупных объектов [3].
Брянск расположен на стыке двух природных зон - хвойно-широколиственных и широколиственных лесов [4]. Бежицкий, Фокинский и Володарский районы г. Брянска находятся в долине реки Десны. Значительная часть Советского района находится в пределах опольного ландшафта. На территории Брянска четко прослеживаются границы естественных ландшафтов и выделяются плакорные, склоновые, пойменные и пойменно-террасовые местности. Плакоры (ландшафт ополий) застроены или распаханы. Склоновые местности, представленные долинными (ландшафт долины р. Десны) и овражно-балочными (ландшафт ополий) склонами, также большей частью застроены, но имеются участки, нагрузка на которые невелика. Пойма и пойменно-террасные местности используется под сенокосные и пастбищные угодья, там располагаются промышленные и дорожно-линейные антропогенные ландшафты. Наибольшая плотность застройки - в административных центрах (55-60%), наименьшая - в юго-западной части (20-23%).
Исследования велись маршрутным методом для учета полного флористического состава обследуемых территорий. Номенклатура и объем таксонов мхов класса Bryopsida даны согласно спискам мохообразных [5], названия сосудистых растений - по работе СК. Черепанова [6]. Названия синтаксонов приведены в соответствии с требованиями «Кодекса фитосоциологической номенклатуры» [7].
Для расчета показателя S «синантропного ядра» флоры в пределах городского ландшафта и его изменчивости по градиенту центр - окрестности, за основу мы решили принять результаты сплошного обследования растительного покрова более или менее крупных эталонных выделов городской территории. В качестве эталонных были приняты выделы, приближающиеся к форме квадрата со стороной 200 м. Такие размеры были продиктованы средней величиной элементарных выделов застройки, т.е. кварталов. Внутри выделов производилось не выборочное, а полное описание всех более или менее изолированных участков с синантропной растительностью. В пределах одного эталонного выдела оказалось в среднем 140-150 участков и соответственно столько же описаний. Указывались флористический состав, общее проективное покрытие и покрытие синантропных видов. Во внимание не принимались специально посаженные виды (древесные растения и декоративные травянистые). Экотопологические группы видов указывались по современной терминологии [8].
В состав флоры города Брянска входит 1546 видов сосудистых растений и мохообразных (табл. 1). Ведущее положение во флоре занимают семейства Asteraceae, Роасеае, что является типичным для Голарктики [9], а также возрастает роль представителей типичных синантропных семейств - Polygonaceae, Chenopodiaceae, термофильных семейств - Fabaceae Lamiaceae, Brassicaceae.
Синантропная растительность представлена 12 классами (табл. 1).
Для ценофлор сообществ, установленных в пределах города, характерны более высокие значения видового богатства по сравнению с естественными сообществами [10]. Показатели среднего α-разнообразия установленных синтаксонов увеличиваются на городской территории. Исключение составляют сообщества классов Querco-Fagetea и Vaccinio-Piceetea.
Изучены три эталонных выдела: по одному в зоне старой застройки (постройки 50-80-х гг.), в зоне новостроек и прилегающем лесопарке Соловьи. Индекс экотопической приуроченности был определен у 1017 видов, в табл. 2 представлены данные только для диагностических видов синтаксонов синантропной растительности («синантропного ядра»).
Урбанофилами являются 35 видов, из них к умеренным урбанофилам отнесены номера 7, 12, 14, 20, 24, 25, 28, 37, 40, 41, 47, 48, 49, к экстремальным урбанофилам - 6, 9, 10, 13, 15, 17, 18, 21, 26, 27, 30, 31, 32, 33, 36, 38, 39, 42, 43, 45, 46, 51. Видов-урбанофобов - 12, в том числе к умеренным урбанофобам принадлежат виды с номерами 1, 3, 16, 22, 53, к экстремальным урбанофобам - 2, 11, 23, 34, 35, 50, 54. Остальные 7 видов являются урбанонейтралами.
При антропогенной трансформации местообитаний наибольшее количество видов группы урбанофилов встречается в сообществах классов Artemisietea vulgaris, Phragmiti-Magnocaricetea, Molinio-Arrhenatheretea, в том числе экстремальных урбанофилов - Artemisietea vulgaris. Виды-урбанофобы составляют ядро сообществ класса Agropyretea repentis.
В целом, анализ активного элемента флоры четко отражает типичные особенности городских флор: снижение доли активных видов класса однодольные, возрастает число активных видов-терофитов. Использование дает хорошие перспективы при изучении растительного покрова антропогенных ландшафтов при выявлении сукцессионных смен синантропной растительности. Урбанофилы и урбанонейтралы рекомендовано использовать для оптимизации состояния урбофитоценозов города.
Таким образом, предлагаемый индекс экотопической приуроченности позволяет адекватно оценивать состояние антропогенно преобразованных сред обитания в различных ландшафтных зонах (при воздействии определенного негативного фактора или комплекса факторов) при биоиндикационных исследованиях, уменьшит субъективность биоиндикации, повысить точность и прогностическую ценность полученных данных для учета конкретного антропогенного воздействия, что сократит расходы и увеличит точность работ в биомониторинге при зонировании территорий (в том числе и городских поселений), уменьшить трудоемкость операций при натурных исследованиях, не содержит переменных, определяемых субъективно; возможно применение без метода экспертных оценок.
Литература
1. Юрцев Б.А. Флора Сунтар-Хаята: Проблемы истории высокогорных ландшафтов. Л.: Наука, 1968. 236 с.
2. Кожевников Ю.П. Флора и экологические условия района Телекайской чозениевой рощи (Центральная Чукотка) // Ботан. журн. 1974. Т. 59. №4. С. 502-519.
3. Лаппо Г.М. География городов. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1997. 480 с.
4. Растительность европейской части СССР. Л.: Наука, 1980. 429 с.
5. Игнатов М.С., Игнатова Е.А. Флора мхов средней части европейской России. T. 1: Sphagnaceae-Hedwigiaceae. М.: KMK, 2003. С. 1-608.
6. Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств. СПб.: Мир и семья, 1995. 992 с.
7. Weber Н.Е., Moravec J., Theourillat D.-P. 2000. International Code of Phytosociological nomenclature. 3rd additional // Journal of Vegetation Science. Vol. 11. №5. P. 739-768.
8. Wittig R., Diesing D., 
M. Urbanophob - Urbanophiel - Urbanoneutral: Des Verhalten der Arten 
dem Lebensraum Stadt // Flora. 1985. B. 177. №5-6. S. 265-282.
9. Толмачев А.И. Введение в географию растений. Л.: Изд-во ЛГУ, 1974. 244 с.
10. Булохов А.Д. Синтаксономия как основа ботанико-географического анализа флоры и охраны растительности (на примере Южного Нечерноземья): Автореф. дисс. … докт. биол. наук. М., 1992. 32 с.
Способ биомониторинга общего загрязнения воздуха городской среды, включающий констатацию наличия видов растений в экотопах растительных сообществ на различных по степени антропогенной преобразованности территориях, установление баллов их встречаемости и проективного покрытия и расчет индекса экотопической приуроченности (S), выражающегося отношением произведения баллов встречаемости и квадратного корня суммы проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний к общему числу описаний, по формуле:
где S - индекс экотопической приуроченности; В - встречаемость в промежутке значений проективного покрытия (Р) согласно 5-балльной квадратично-трансформированной шкале процентов покрытия в диапазоне 0-100%: 0-4% - 1 балл, 4-16% - 2 балла, 16-36% - 3 балла, 36-64% - 4 балла, 64-100% - 5 баллов; Р - сумма проективных покрытий конкретного вида в массиве геоботанических описаний; N - число геоботанических описаний сообществ, при этом наибольшее абсолютное значение индекса экотопической приуроченности свидетельствует о высокой информативности (активности) вида, а наименьшее - о низкой информативности (активности).
