Методичка: Основы биопродуктивности

Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ
Учебно-методическое пособие
Красноярск
СФУ
2012
УДК 574.45 (07)
ББК 28.081.8 я73
О-753
Составитель: ст. преп. Шашкова Т.Л.
Основы биологической продуктивности: учебно-методическое пособие
[Текст] / сост. Т.Л. Шашкова. – Красноярск: Сиб. Федер. ун-т, 2012. – 12 с.
Предмет курса включает в себя рассмотрение основных понятий и
законов в области биологической продуктивности естественных и
искусственных экосистем. Учебно-методическое пособие содержит указания
для практических (семинарских) занятий и для самостоятельной работы
студентов.
Предназначено для студентов, обучающихся на очной форме обучения,
по специальности 020801.65 экология
УДК 574.45 (07)
ББК 28.081.8 я73
© Сибирский
федеральный
университет, 2012
Введение
Целью изучения дисциплины является формирование у студентов
знаний и понятий об основных закономерностях образования и
трансформации органического вещества и энергии в водных и наземных
сообществах различных природно-климатических зон.
Предмет курса включает в себя рассмотрение основных понятий и
законов в области биологической продуктивности естественных и
искусственных экосистем. В курсе рассматриваются методы определения
первичной продукции, а также трансформации вещества и энергии по
трофическим цепям водных и наземных сообществ.
Изучение
дисциплины
направлено
на
формирование
профессиональных компетенций экологов. В результате изучения
дисциплины студент должен:
Знать:
 основы биологической продуктивности биосферы;
 закономерности формирования первичной и вторичной продукции;
 особенности потоков органического вещества и энергии в
зависимости от факторов среды;
 роль почвенного покрова как компонента наземных и некоторых
субаквальных экосистем; плодородие почв и продуктивность
биоценозов;
 методы определения первичной продукции водных и наземных
сообществ;
Уметь:
 рассчитывать первичную продукцию;
 применять полученные знания для рационального использования
биологических ресурсов и охраны окружающей среды;
Владеть:
 Методами поиска и обмена информаций в глобальных и локальных
компьютерных сетях.
Курс «Основы биологической продуктивности» базируется на знаниях
в области математики, физики, ботаники, зоологии, физиологии животных,
физиологии растений, основ экологии, биогеографии. Дает системные
представления об общих закономерностях структурно-функциональной
организации наземных и водных экосистем, определяющей потоки
органического вещества и энергии. Знания, полученные в ходе изучения
дисциплины, дают основу для освоения некоторых разделов таких
дисциплин как охрана природы, устойчивое развитие человечества.
Требования к зачету
Суммарная оценка складывается из устных ответов студента на
семинаре, презентации, предоставления реферата и успешного выполнения
двух контрольных работ.
3
Раздел 1 Основные понятия и термины продукционной биологии
Форма проведения практических занятий предполагает устный опрос и решение задач.
Вопросы для обсуждения на семинарах
1. Что такое экологическая система?
2. Из каких компонентов состоят экосистемы?
3. Можно ли космический корабль назвать экосистемой?
4. Что такое пищевая цепь и как много таких цепей в экосистемах?
5. Какие трофические уровни в пищевой цепи занимают продуценты и
консументы первого, второго и третьего порядков?
6. Дайте определения терминам: продуктивность экосистем, биомасса,
продукция, первичная продукция, вторичная продукция, валовая
первичная продуктивность, чистая первичная продуктивность, вторичная
продуктивность сообщества.
7. Чем отличаются пирамиды энергии от пирамид чисел и биомасс?
8. Как формулируется правило экологической пирамиды?
9. Расскажите о потоке энергии, проходящем через пищевую цепь.
10.Сравните потоки энергии в лесу и степном сообществе.
11.Сравните потоки энергии в планктонном и речном сообществе.
12.Почему для человека предпочтительнее поддерживать молодые, чем
устойчивые сформировавшиеся экосистемы?
13.Почему на пшеничном поле видовое разнообразие меньше, а биомасса
фитофагов выше, чем на соседнем участке степи?
14.Каково практическое значение законов биологической продуктивности
для человека?
15.В каких экосистемах наблюдаются наиболее длинные трофические
цепочки?
16.Почему в природе практически невозможно встретить хищников, которые
питались бы исключительно теплокровными хищниками?
17.От чего зависит площадь территории, занимаемой животными?
18.Объясните значение территориального поведения хищников.
19.Назовите исключения из правила пирамиды биомасс
20.При одинаковом количестве пищевых ресурсов для воробья и жабы,
численность каких организмов будет выше?
21.Назовите примеры животных, которые выработали приспособления для
более эффективного потребления энергии.
22.Назовите наиболее яркий пример трофического тупика.
4
Задачи
1. Определите сколько понадобиться фитопланктона для роста щуки массой
10 кг (цепь питания: фитопланктон – зоопланктон – малек – окунь - щука),
учитывая, что на каждом трофическом уровне потребляются только
представители предыдущего уровня.
2. Определите сколько необходимо фитопланктона, чтобы вырос медведь
массой 300 кг (цепь питания: фитопланктон – зоопланктон – мелкая рыба –
лосось - медведь), известно, что каждым трофическим уровнем поедаются
только представители предыдущего трофического уровня.
3. Определите процент пшеницы, сохраняемый от поедания мышами парой
сов по 2 кг на площади 10 га, где продуктивность 1м2 поля составляет 1,2
кг пшеницы. Сколько мышей съедят при этом совы, если масса в среднем
масса одной мыши 80 г.
4. Определите сколько волков может прокормиться охотясь на площади 20 га
(продуктивность 1м2 составляет 300 г), если масса 1 волка в среднем равна
60 кг, из которых 60% - вода. Сколько зайцев при этом будет съедено, если
масса зайца приблизительно 1,5 кг?
5. Сколько звеньев в трофической цепочке, если продукция особей
последнего трофического уровня составляет 0,5 у.е., чистая первичная
продукция – 100 у.е., а эффективность продуцирования – 0,4. К какой
экосистеме скорее всего относится эта цепочка?
6. Затраты энергии на метаболизм у коровы массой 500 кг составят 7400
ккал в сутки, или 14,8 ккал кг-1 сутки-1, а у кролика массой 1 кг – 70 ккал
сутки-1, или 70 ккал кг-1 сутки-1. Биомасса каких животных и во сколько
раз будет больше?
7. Сравнить площадь охотничьих угодий степного, лесного и тундрового
волка, исходя из данных, приведенных в таблице.
5
Таблица – Исходные данные для решения задачи №7
Количество Прирост Кормовая Коэффициент Кормовая
детенышей за сезон база
потребления база
1 особи волков
корма
травоядных
волками
Коэффициент
потребления
корма
травоядными
Биомасса
растений
ц/га, в
т.ч.
зеленые
части
Прирост
ц/га, в т.ч.
зеленые
части
Опад
Истинный
ц/га, в т.ч. прирост,
зеленые
ц/га
части
Степной
волк
8
15
Полевка
0,8
Зерно
0,7
306 (26*)
126 (43*)
119 (39*)
7
Лесной
волк
6
28
Заяцбеляк
0,8
Трава
0,6
2800
(140)
61 (29)
47 (23)
14
Тундровый
волк
4
20
Лемминг
0,8
Трава
0,6
280 (32)
24 (10)
22,7 (9)
1,3
* - процент зерна от зеленых частей составляет 10%, из них всходит на следующий год ¼ часть.
6
Раздел 2 Продуктивность наземных экосистем
Занятия проводятся в формате круглого стола.
Темы для обсуждения:
 Сравнение продуктивности биомов Арктики и Тундры;
 Сравнение продуктивности биомов Тайги и широколиственных лесов
умеренного пояса;
 Сравнение продуктивности степных и пустынных биомов;
 Сравнение продуктивности биомов Влажных тропических лесов и
Саванны;
 Роль адаптаций живых организмов к условиям различных биомов в
формировании уровня их продуктивности.
При подготовке сообщения по продуктивности биома необходимо
акцентировать внимание на следующих пунктах:
1. климат
а) количество осадков
б) длительность безморозного периода
в) почвы
г) доля ФАР поглощаемой растениями
2. первичная продукция (биомасса и видовое разнообразие)
а) деревья
б) кустарники
в) травянистая растительность
3. вторичная продукция (биомасса и видовое разнообразие)
а) консументы 1 порядка
б) консументы 2 порядка и т.д.
Раздел 3 Продуктивность водных экосистем
Занятия проводятся в формате дискуссии.
Вопросы для обсуждения
1. Что такое эвтрофикация?
2. опасность «цветения» сине-зеленых водорослей.
3. Основные показатели эвтрофикации водоёмов.
4. Какие причины могут способствовать эвтрофикации водоемов?
5. Источники веществ, повышающих трофию водоемов.
6. Эвтрофикация – обратимый или необратимый процесс?
7. Какими могут быть последствия эвтрофикации водоемов
хозяйственной деятельности человека?
8. Каковы меры борьбы с эвтрофикацией водоемов?
9. Предупреждение антропогенной эвтрофикации.
10.Понятие биологического самоочищения водоёмов.
7
для
Указания для самостоятельной работы
Самостоятельная
работа
студентов
предполагает
изучение
теоретического материала при подготовке к выполнению тестов и
контрольных работ, подготовку иллюстративной информации для
выступления на практических занятиях и оформление реферативной работы
по выбранной теме. Тема доклада на семинаре и реферата совпадает.
Темы рефератов
1. Биологическая продуктивность Арктического биома
2. Биологическая продуктивность Тундрового биома
3. Биологическая продуктивность таежного биома
4. Биологическая продуктивность биома широколиственных лесов
умеренного пояса
5. Биологическая продуктивность степных биомов
6. Биологическая продуктивность пустынного биома
7. Биологическая продуктивность биома Саванн
8. Биологическая продуктивность биома влажных тропических лесов
9. Адаптивные приспособления организмов животного мира Арктики и
Тундры
10.Адаптивные приспособления организмов растительного мира Арктики
и Тундры
11.Адаптивные приспособления организмов животного мира степных
сообществ
12.Адаптивные приспособления организмов растительного мира степных
сообществ
13.Адаптивные приспособления организмов животного мира пустынных
сообществ
14.Адаптивные приспособления организмов растительного мира
пустынных сообществ
15.Явление эвтрофикации на примере водоемов Красноярского края
Требования к оформлению реферата
Текст реферата должен содержать аргументированное изложение
определенной темы. Реферат должен быть структурирован (по главам, разделам,
параграфам) и включать разделы: введение, основная часть, заключение,
список используемых источников. В зависимости от тематики реферата к нему
могут быть оформлены приложения, содержащие документы, иллюстрации,
таблицы, схемы и т.д.
Реферат печатается с использованием компьютера и принтера на одной
стороне листа белой бумаги формата А4 (210 х 297 мм) и представляется в
сброшюрованном виде в папке типа «скоросшиватель».
Общий объем реферата не должен превышать 15-20 страниц для
печатного варианта. Текст набирается в текстовом редакторе Microsoft Word,
при этом рекомендуется использовать шрифт Times New Roman Cyr, размер
8
шрифта – 14 пт, с полуторным межстрочным интервалом. Размеры полей:
слева – 3 см, справа, сверху и снизу – 2 см. Каждая страница нумеруется в
середине нижней строки в районе колонтитула. Счет нумерации ведется с
титульного листа, на котором цифры не проставляются.
Во введении указывается обоснование актуальности темы реферата
с позиций научной значимости (малая изученность вопроса, его спорность,
дискуссионность и проч.), либо современной востребованности; постановку
целей и формирование задач; краткий обзор литературы и прочих
источников информации (при этом ограничение их только учебной и
справочной литературой недопустимо).
Основная часть реферата структурируется по главам, параграфам,
количество и названия которых определяются автором. Подбор глав
должен быть направлен на рассмотрение и раскрытие основных
положений выбранной темы; демонстрацию автором навыков подбора,
структурирования, изложения и критического анализа материала по
конкретной теме; выявление собственного мнения, сформированного на
основе работы с источниками и литературой. Обязательными являются
ссылки на авторов, чьи позиции, мнения, информация использованы в
реферате.
Заключение состоит из подведения итогов выполненной работы;
краткого и четкого изложения выводов; анализа степени выполнения
поставленных во введении задач; обобщения положений, высказанных во
введении и основной части.
Список используемой литературы к реферату оформляется в
порядке появления ссылок на источники в тексте реферата. В него вносится
весь перечень изученных авторами в процессе написания реферата
монографий, статей, учебников, справочников, энциклопедий и др.
9
Список литературы
Основной:
1. Алимов А.Ф. Введение в продукционную гидробиологию / Л.:
Гидрометеоиздат, 1989. – 152 с.
2. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи популяции и
сообщества. В 2-х томах. М.: Мир, 1989. Т.1- 667с.; Т.2 - 477с.
3. Небел, Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. Т. 2 / Б.
Небел; Пер. с англ. М.В. Зубкова, Д.А. Петелина, Н.О. Фомина. – М.:
Мир, 1993. – 336 с.
4. Одум Ю. Общая экология: В 2т. / Ю. Одум – М.: Мир, 1986. – Т.1. –
325 с.; Т.2. – 373 с.
5. Степановских А.С. Биологическая экология: теория и практика:
учебник для вузов по экологическим специальностям / Москва:
ЮНИТИ-ДАНА, 2009 . - 791 с.
6. Степановских А.С. Экология: учебник для студентов вузов / - Москва:
ЮНИТИ, 2003 . - 703 с.
Дополнительный:
7. Алимов А.Ф., Гольд З.Г., Чупров С.М., Скопцова Г.Н. Определение
продукции популяций водных сообществ: Учебно-методическое
пособие. / Новосибирс: Наука, 2000. – 63 с.
8. Дольник В.Р., Горшков В.Г. Энергетика биосферы // Успехи
физических наук, 1980. Т. 131, вып. 3: 441-478.
9. Зилов Е.А. Гидробиология и водная экология (организация,
функционирование и загрязнение водных экосистем): учебное пособие
/ Иркутск: Иркут. Ун-т, 2008. – 138 с.
10.Зилов Е.А. Структура и функционирование пресноводных экосистем /
Учебное пособие по курсу «Гидробиология и водная экология» /
Иркутск: Иркут. Ун-т, 2006. – 20 с.
11.Коробкин, В.И. Экология: Учеб. для студ. вузов / В.И. Коробкин, Л.В.
Передельский. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 576 с.
12.Моисеев Б.Н., Алябина И.О. Оценка потоков и баланс органического
углерода в основных биомах России // Использование и охрана
природных ресурсов в России, № 1, 2004. С.61-69.
13.Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы / М:
Прогресс, 1978. – 379 с.
14.Ревелль, П. Среда нашего обитания: В 4 кн. Кн. 1. Народонаселение и
пищевые ресурсы / П. Ревелль, Ч. Ревелль; Пер. с англ. С.В. Ан, Т.В.
Никитиной. – М.: Мир, 1994. – 341 с.
15.Саускан В.И. Экология и биологическая продуктивность океана:
Учебное пособие / Калинингр. ун-т. - Калининград, 1996. - 72 с.
Интернет-сайты
16. Электронный журнал Biodat: http://www.biodat.ru
10
Вопросы к зачету
1. Трофические связи в экосистемах. Особенности
детритных и паразитических пищевых цепей.
пастбищных,
2. Понятие продуктивности. Первичная и вторичная продуктивность.
Чистая и валовая продукция.
3. Экологические пирамиды. Значение Р/В-коэффициентов.
4. Энергетические потоки в экологических системах. Коэффициенты,
характеризующие эффективность переноса энергии (экологическая
эффективность).
5. Экологические следствия правил трофических цепей.
6. Различные пути
организмами.
образования
7. Методы оценки первичной
сообществах.
первичной
продукции
разными
продукции в наземных и водных
8. Пространственное распределение биопродуктивности в Мировом
океане
9. Эвтрофирование водоемов. Антропогенное эвтрофирование: причины
и контроль
10.Классификации материковых водных экосистем по продуктивности.
11.Факторы, лимитирующие
сообществах.
12.Факторы, лимитирующие
сообществах.
первичную
первичную
продукцию
продукцию
13.Сравнительный анализ продуктивности двух биомов.
11
в
наземных
в
водных
Учебное издание
Подготовлено к изданию РИО БИК СФУ
Подписано в печать ……..2012 г. Формат 60x84/16
Бумага офсетная. Печать плоская
Усл. Печ. Л.
Уч.-изд.л.
Тираж экз. Заказ
Редакционно-издательский отдел
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391) 206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru
http://rio.sfu-kars.ru
Отпечатано Полиграфическим центром
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел. 206-26-58, 206-26-49