3. Методы экологических исследований

В экологии используются методы исследований и понятия, применяемые и в других науках – биологии, математике, физике, химии и т.д. Многие же методы исследований свойственны исключительно только экологии как науке. Например, если исследования экологии особей (аутэкология) иногда близки к исследованиям в области физиологии или биогеографии, то изучение популяций и биоценозов относится всецело только к экологии. Известно, что при переходе вещества от одного уровня к другому, более высокому, у вещества проявляется новое качество, не свойственное первоначальному состоянию.

В связи с этим можно привести два простых примера: один из курса химии, другой – из экологии.

1. Водород и кислород, соединяясь в определённом соотношении, образуют воду (2Н + О = Н2О) – жидкость, совершенно не похожую по своим свойствам на исходные газы – водород и кислород. Вода является важным экологическим фактором для жизни живых организмов.

2. Водоросли и кишечно-полостные животные, эволюционируя совместно, образуют систему кораллового рифа, при этом возникает эффективный механизм круговорота элементов питания, позволяющий такой комбинированной системе поддерживать высокую продуктивность в водах с очень низким их содержанием. Фактическая продуктивность и разнообразие коралловых рифов – это качественно новые свойства, характерные только для данного рифового сообщества. Г. Фейблман (1945 г.) считал, что при каждом объединении подмножеств возникает, по меньшей мере, одно новое множество с другими свойствами.

Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экология уже давно перестала быть чисто описательной дисциплиной, сейчас в ней преобладают количественные методы – измерения, расчёты, математический анализ. Системный анализ пронизывает большинство экологических исследований, так как любой объект экологии имеет системную природу. В системном подходе объединяются аналитические и синтетические приёмы исследования. Разнообразие исследовательских и прикладных задач влечёт за собой и разнообразие применяемых в экологии методов. Их можно объединить в несколько групп.

Основными методами экологических исследований считаются: полевые; экспериментальные с использованием экосистемного подхода; изучение сообществ (синэкология); популяций (аутэкология); анализ местообитаний; эволюционный и исторический подходы, методы регистрации и оценки состояния среды; методы количественного учёта; методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах; методы прикладной экологии.

Экосистемный подход. При экосистемном подходе экологических исследований в центре внимания исследователя-эколога оказывается поток энергии и круговорот веществ между биотическими и абиотическими компонентами экосферы. Этот подход выдвигает на первый план общность организации всех сообществ независимо от местообитания и систематического положения входящих в них организмов.

В экосистемном подходе находит свое понимание концепция саморегуляции, благодаря которой становится ясно, что нарушение регуляторных механизмов, например, в результате загрязнения окружающей среды может привести экосистему к биологическому дисбалансу.

Изучение сообществ. При этом подходе исследуют сообщества растений, животных и микроорганизмов, которые обитают в различных биотических единицах: лес, степь и луг. Основное внимание при этом уделяется определению и описанию видов, изучению факторов, ограничивающих их распространение. Одним из аспектов подобных исследований считается получение научных данных осукцессиях и климаксовых сообществах, что важно для решения вопросов рационального использования природных ресурсов.

Популяционный подход. В современных популяционных исследованиях используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности тех или иных видов. Построение моделей связано с такими понятиями как рождаемость, выживаемость и смертность особей.

Популяционный подход обеспечивает теоретическую базу для прогнозирования вспышек увеличения численности вредителей и паразитов, имеющих огромное значение для медицины и сельского хозяйства.

Изучение местообитания. Анализ местообитания особо выделяют в связи с удобством проведения исследований. Этот подход широко распространён в полевых исследованиях, так как места обитания легче всего поддаются классификации. Здесь изучают биотические компоненты экосистемы – эдафические (почвенные), топографические и климатические. Анализ места обитания имеет тесные связи с экосистемным подходом и изучением сообществ.

Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на Земле и позволяет понять основные закономерности, которые действовали в экосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большинство организмов и на физическую среду, стала хозяйственная деятельность человека. Этот подход позволяет реконструировать экосистемы прошлого.

Историческая экологияизучает изменения, связанные с развитием цивилизации и технологий производств, их возрастающим влиянием на природу, охватывая период от неолита до настоящего времени.

Относительно новым методом исследования в современной экологии является математическое моделирование,позволяющее изучать сложные объекты, явления и процессы путём их упрощённого имитирования (натурного, математического, логического). Существенным преимуществом экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте.

Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические наблюдения; измерения температуры, прозрачности, солености воды и анализ её химического состава; определение характеристик почвенной среды, измерения освещённости, радиационного фона, напряжённости физических полей, определение химической и бактериальной загрязнённости среды и т.д. К этой группе методов следует отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством окружающей среды.

Методы количественного учёта организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчёты особей на контрольных площадках, в объёмах воды или почвы, маршрутные учёты, отлов и мечение животных, наблюдения за них перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей.

Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их число входят различные, подчас сложные и длительные наблюдения в природе.

Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах составляют важную часть системной экологии. Здесь также важны натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения, опыты с переносом «меток», например, радиоактивных изотопов, с помощью которых можно определить, какое количество органического вещества и энергии переходит от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным животным, от травоядных – к хищникам.

Кибернетические исследования приобретают всё большее значение в экологии. Потребность в них для целей управления и прогнозирования весьма велики. Существуют близкие к реальным процессам математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения.

Методы прикладной экологии быстро развиваются. Её важными средствами становятся:

создание геоинформационных систем (ГИС-технологий) и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, агроэкосистемам, промышленным центрам, городам:

• комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;

• методы инженерно-экологических изысканий, необходимых для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов;

• методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов, основанные на принципах и расчётах экологического соответствия;

• технологические методы снижения отходности, побочных эмиссий и коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий;

• методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградации окружающей среды на здоровье людей и состояние природных систем;

• методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности; экологический мониторинг; экологическая аттестация и паспортизация хозяйственных объектов, территориальных природно-производственных комплексов; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.