Лекция 8. Мониторинг растительности и биоты

Пример

Пусть материальная точка движется по поверхности планеты (см. рис. 2.4.1).

Рис. 2.4.1

Планета равномерно вращается вокруг своей оси с угловой скоростью .

Ось планеты сохраняет свое направление неизменным в абсолютном пространстве.

Будем считать, что поверхность планеты имеет форму поверхности вращения, образованной поворотом эллипса вокруг одной из своих осей, причем эта ось совпадает с осью планеты.

Введем абсолютную систему отсчета, связанную со звездами.

За полюс системы примем точку — центр планеты, за ось — ось вращения планеты, за оси и — взаимно ортогональные оси, расположенные в плоскости экватора и выбранные так, чтобы система была правой.

Положение точки на поверхности планеты будем определять сферическими координатами , :

– угол — долгота точки ; отсчитывается в экваториальной плоскости от некоторого фиксированного на планете меридиана, называемого нулевым, до меридиана, проходящего через точку ; угол называется планетоцентрической долготой точки;

– угол — широта точки ; отсчитывается в плоскости меридиана точки от плоскости экватора до положения этой точки.

Пусть точка движется по параллели планеты с фиксированной широтой

.

Тогда для задания движения точки достаточно определить только одну обобщенную координату.

В качестве обобщенной координаты возьмем планетоцентрическую долготу , т.е. положим

.

При таком введении обобщенной координаты связь положения точки в абсолютном пространстве с обобщенной координатой будет задаваться формулами:

, , ,

где

,

— радиус планеты на широте ,

— угол между положительным направлением оси и плоскостью нулевого меридиана планеты в момент времени .

Если обозначить — момент времени, в который плоскость нулевого меридиана проходит через положительное направление оси , то можем записать

.

А тогда связь положения точки с обобщенной координатой принимает вид

(2.4.11)

В векторном представлении эту связь можем записать в форме (2.4.10)

Хотя в вектор-функцию время входит явно, тем не менее, легко показать, что связи, накладываемые на положение материальной точки, являются стационарными.

Действительно, все положения точки подчинены двум условиям.

Одно из них — это требование, чтобы точка в любой момент времени находилась на заданной поверхности вращения.

Вторым — является требование, чтобы широта точки в любом ее положении оставалась неизменной.

Математически эти два условия в декартовых координатах могут быть записаны в виде следующих равенств:

,

.

Они задают ограничения на координаты положения точки в любой момент времени .

В них:

— заданная широта,

— известная функция, отражающая зависимость
радиуса планеты от широты.

В функциях , время отсутствует, а потому данная механическая система, состоящая из одной материальной точки, является стационарной.

Точка имеет одну степень свободы, и ее движение вполне определено, если задан закон изменения координаты :

.

Таким образом, соотношения (2.4.11)

(2.4.11)

где

,

показывают, что:

с одной стороны, описание движения точки по параллели с помощью планетоцентрической долготы приводит к нестационарным зависимостям абсолютного положения точки от этой долготы;

с другой стороны, поскольку голономные связи данной механической системы стационарны, то, согласно доказанному выше следствию 1 из теоремы 1, для данной механической системы должна существовать обобщенная координата , которая связана с абсолютным положением точки стационарными зависимостями.

Легко видеть, что такой обобщенной координатой может служить абсолютная долгота меридиана, на котором находится точка в момент времени .

Под указанной долготой понимается угол между положительным направлением оси и плоскостью меридиана места точки .

Очевидно, этот угол (обозначим его ) связан с планетоцентрической долготой точки следующей зависимостью:

.

Формулы связи положения точки с обобщенной координатой будут иметь вид

, , ,

где

.

Как видим, в них время не входит явно, в отличие зависимостей от обобщенной координаты по формулам (2.4.11):

(2.4.11)

1. Мониторинг растительности

2. Мониторинг биоты

Растения – крайне важный и интересный объект для характеристики состояния окружающей среды. Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными процудентами, их роль в экосистеме трудно переоценить. Растения чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального местообитания. Удобство использования растений состоит в доступности и простоте сбора материала для исследования. Специфика растений как объекта исследования предъявляет определенные требования к выбору видов. При выборе вида в зависимости от задачи исследования, необходимо учитывать, что, в силу прикрепленного образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиологические условия (как естественные локальные различия типа почвы, влажности и других факторов, так и антропогенные – точечное загрязнение). При наличии таких микробиологических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиологических различий предпочителен выбор травянистых растений, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные растения. По данным Н.Г. Кряжевой и Е.К. Чистяковой (Захаров и др., 2001) сбор материала следует проводить после остановки роста растений. Каждая выборка должна включать в себя 100 листьев (по 10 листьев с 10 растений). При выборе растений важно учитывать четкость определения принадлежности растения к исследуемому виду, условия произрастания особи и возрастное состояние растения. Для оценки стабильного развития растений можно использовать любые признаки по различным морфологическим изменениям. Некоторые ограничения при этом накладываются лишь необходимостью того, чтобы рассматриваемые признаки были полностью сформированы к моменту исследования. В качестве наиболее простой системы признаков, удобной для получения большого объема данных для различных популяций, предлагается система промеров листа у растений с билатерально симметричными листьями. Для оценки величины флуктуирующей асимметрии необходимо выбирать признаки, характеризующие общие морфологические особенности листа, удобные для учета и дающей возможность однозначной оценки. Для оценки степени нарушения стабильности развития удобно использовать пятибалльную оценку.

Изучение геохимических особенностей растительности сопровождается описанием ее на участках, непосредственно примыкающих к избранным на профиле местам заложения разрезов. Оно производится по принятой в обычных геоботанических исследованиях методике, на пробных площадках, размеры которых варьируют до 100 м². Наряду с обычными геоботаническими описаниями при ландшафтно-геохимических исследованиях особое внимание следует уделять некоторым особенностям растений и растительного покрова в целом. Установлено, что изменчивость внешнего облика растений, их размеров, формы и цвета листьев, цветов, характера кущения в зависимости от недостатка или избытка некоторых элементов. Все эти изменения, или, как их называют геоботаники, “морфы”, могут быть внешними показателями определенных уровней содержания в ландшафтах ряда биологически важных элементов. Все морфологические отклонения растений от нормы должны фиксироваться. Изменения обилия некоторых видов или родов растений может быть показательным для суждения об аномальном содержании некоторых элементов в почвах.

Отбор проб и пробоподготовка

Биогеохимическое опробование целесообразно проводить в течение времени, соответствующего определенной фенологической фазе развития растений. Если такой возможности нет, то площадь работ делится на участки, опробование которых займет время, соответствующее определенным фенофазам развития растений. Введение поправок на вегетационные колебания содержаний элементов нецелесообразно, так как представляет собой трудоемкую и малоточную работу. Если требуется зимнее опробование, его проводят после наступления устойчивых морозов и до начала весенних оттепелей.

Биогеохимические пробы могут быть простыми (берется одно растение или одна, заранее определенная его часть) и составными. В последнем случае для пробы отбирается также только один вид растения или его определенная часть. Опробование растений (биогеохимическое) осуществляют на основных точках наблюдения по преобладающим (2-5) видам, повсеместно растущим в районе. Каждое растение составляет отдельную пробу. У травянистых растений в одну пробу отбирают всю наземную часть. Корень отрезают от стебля, тщательно отряхивают от минеральных частиц и помещают в отдельный мешочек. Остальную часть растения заворачивают в плотную бумагу.

Многолетние кустарники и деревья опробуют, формируя пробы из одних и тех же частей растения (листья, прирост последнего года, многолетние побеги, кора). Масса биогеохимической пробы составляет 100-200 г сырого вещества. Для растений с большой зольностью масса пробы может быть 50-100 грамм. Пробу растений маркируют, указывая номер пробы, номер основного разреза и профиля. Для отбора проб могут быть использованы ножи, садовые ножницы, сучкорезы. Листья с деревьев и кустарников удобнее всего отбирать руками в перчатках. Методика пробоподготовки заключается в высушивании и измельчении пробы, после чего подвергается озолению.

Озоление проб проводится в лабораторных условиях в специальных электрических печах. Последние позволяют выдерживать определенный температурный режим, что резко увеличивает производительность работ при улучшении качества. Озоление можно проводить в фарфоровых и металлических тиглях, предварительно установив, что данные тигли не вызывают загрязнение проб. Оптимальные режимы озоления растений приводятся в таблице.

Оптимальные режимы озоления растений (Алексеенко, 2000)

Примечание: *- герметизация печи в период набора температуры

Показателем полного озоления является появление равномерной окраски золы (от белой до пепельно-серой и коричневой) и отсутствие черных углей. Вероятные причины брака при озолении и способы его исправления приводятся в таблице.

Вероятные причины брака при озолении и способы его исправления (Алексеенко, 2000)

Зольность сухого вещества наземных растений приводится в таблице.

Зольность сухого вещества наземных растений (Алексеенко, 2000)

Золу подвергают растиранию и отправляют в лабораторию на анализ. Учитывая большую гигроскопичность золы многих растений, а также повышенную «слипаемость» ее отдельных частичек, спектральный анализ золы биогеохимических проб «методом просыпки» в большинстве случаев невозможен.