ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и

Индекс биоразнообразия

ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и

Биоразнообразие в последнее десятилетие становится одним из самых распространенных понятий в научной литературе, природоохранном движении и международных связях. Научные исследования доказали, что необходимым условием нормального функционирования экосистем и биосферы в целом является достаточный уровень природного разнообразия на нашей планете.

В настоящее время биологическое разнообразие рассматривается как основной параметр, характеризующий состояние надорганизменных систем. В ряде стран именно характеристика биологического разнообразия выступает в качестве основы экологической политики государства, стремящегося сохранить свои биологические ресурсы, чтобы обеспечить устойчивое экономическое развитие.

В настоящее время предложено более 40 индексов, которые предназначены для оценки биоразнообразия. Индексы, применяемые в анализе разнообразия сообществ, должны удовлетворять следующим требованиям:

  • 1) разнообразие сообщества тем выше, чем больше в нем количество видов;
  • 2) разнообразие сообщества тем выше, чем выше его выравненность.

Большинство различий между индексами, измеряющими биоразнообразие, заключается в том, какое значение они придают выравненности и видовому богатству.

Важной мерой оценки разнообразия для ограниченного в пространстве и во времени сообщества, для которого точно известно число составляющих его видов и особей, является видовое богатство.

Однако в большинстве случаев исследователь имеет дело с выборкой, не располагая полным списком видов сообщества. В этом случае необходимо использовать «нумерическое видовое богатство», т. е.

число видов на строго оговоренное число особей или на определенную биомассу, и видовую плотность.

Видовая плотность (например, на 1 кв.м) — наиболее распространенный показатель видового богатства, особенно среди ботаников и почвенных зоологов.

Показатель «нумерическое видовое богатство» используется реже, хотя более популярно его применение при исследовании водных объектов.

Например, при исследовании экологических воздействий на сообщества рыб можно использовать показатель число видов на 1000 рыб.

Не всегда можно добиться равного размера всех выборок. Но следует всегда помнить, что при увеличении объема выборки число видов всегда растет.

Индекс Шеннона — Уивера. Макартур и Маргалеф впервые применили для оценки к исследованию видовой устойчивости и разнообразия сообщества теорию информации. Теория информации основывается на изучении вероятности наступления цепи событий. Результат выражается в единицах неопределенности, или информации.

Шеннон в 1949 году вывел функцию, которая стала называться индексом разнообразия Шеннона. Расчеты индекса разнообразия Шеннона предполагают, что особи попадают в выборку случайно из «неопределенно большой» (т. е.

практически бесконечной совокупности) генеральной совокупности, причем в выборке представлены все виды генеральной совокупности. Неопределенность будет максимальной, когда все события (N) будут иметь одинаковую вероятность наступления (pi = ni/N).

Она уменьшается по мере того, как частота некоторых событий возрастает по сравнению с другими, вплоть до достижения минимального значения (нуля), когда остается одно событие и есть уверенность в его наступлении.

Индекс Шеннона рассчитывается по формуле:

H'= — pi ln pi,,

где величина pi — доля особей i-го вида.

В выборке истинное значение pi неизвестно, но оценивается как ni/N.

Причины ошибок в оценке разнообразия с использованием этого индекса заключаются в том, что невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.

При расчете индекса Шеннона часто используется двоичный логарифм, но приемлемо также использовать и другие основания логарифма (десятичный, натуральный)

Индекс Шеннона обычно варьирует в пределах от 1,5 до 3,5, очень редко превышая 4,5.

Дисперсию индекса Шеннона (VarH') рассчитывают по формуле:

Если значения индекса Шеннона рассчитать для нескольких выборок, то полученное распределение величин подчиняется нормальному закону. Это свойство дает возможность применять мощную параметрическую статистику, включая дисперсионный анализ. Применение сравнительных параметрического и дисперсионного анализа полезно при оценке разнообразия различных местообитаний, когда есть повторности.

Для проверки значимости различий между выборочными совокупностями значений индекса Шеннона Хатчесон предложил использовать параметрический критерий Стьюдента:

Число степеней свободы определяется по уравнению:

где N1 и N2 — общее число видов в двух выборках.

На основе индекса Шеннона можно вычислить показатель выравненности Е (отношение наблюдаемого разнообразия к максимальному):

E €[0,1], причем E = 1 при равном обилии всех видов.

Индекс Шеннона оказался самым популярным в оценке данных по разнообразию и применяется чаще других.

Перейти к загрузке файла
  • 1. Елсаков В.В. Эколого-географическая изменчивость в условиях севера // Автореферат … канд. биол. наук. Сыктывкар, 1999. — 22 с.
  • 2. Зайцев Г.Н. Математика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1990. -294 с.
  • 3. Ушаков С.А., Ушакова И.С. Экологические проблемы и пути их решения. Сб. «Жизнь Земли. Экологические проблемы и природообразование.», 1991.
  • 4. Экология и проблемы большого города. М., 1992.
  • 5. Государственный комитет СССР по охране природы. М.: Лесная промышленность, 1990г.
  • 6. Г.П.Зарубин, Ю.В. Новиков «Гигиена города». М.: Медицина, 1986г.
  • 7. Н.С.Победоносов «Природные ресурсы земли и охрана окружающей среды». М.: Недра, 1986г.
  • 8. Журнал «Природа»,№6. М.: Наука, 1997г.
  • 9. Большая Советская Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1975 г.
  • 10. Етеревская Л.В., Яранцева Л.Д. О влиянии на растения загрязнений почвы при бурении и разведке на нефть и газ // Растения и промышленная среда. Киев: Наукова думка, 1976. С. 73-75.
  • 11. Федоров В.Д., Левич А.П. Откуда берутся индексы разнообразия? // Человек и биосфера. М.:НМГУ 1980. С. 164-184.
  • 12. Юрцев Б.А. Эколого-географическая структура биологического разнообразия и стратегия его учета и охраны // Биологическое разнообразие: подходы к изучению и сохранению. СПб.: ЗИН РАН, 1992. С. 7-21.

  Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter

Источник: https://studwood.ru/885586/agropromyshlennost/indeks_bioraznoobraziya

Оценка качества экосистемы по индексам видового разнообразия

ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и
⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 26Следующая ⇒

Видовое разнообразие слагается из двух компонентов:

· видового богатства, или плотности видов, которое характеризуется общим числом имеющихся видов;

· выравненности, основанной на относительном обилии или другом показателе значимости вида и положении его в структуре доминирования.

Таким образом, один из главных компонентов биоразнообразия – видовое богатство или плотность видов – это просто общее число видов, которое в сравнительных целях иногда выражается как отношение числа видов к площади или числа видов к числу особей. Так, например, Р.Маргалеф предложил в качестве меры биоразнообразия индекс видового богатства Маргалефа:

d = (s – 1) / ln N ,

где s – число видов, N – число особей.

Е.Ф. Менхиникк рассчитывал видовое богатство полевых насекомых по несколько другой формуле, используя в знаменателе функцию квадратного корня (индекс Менхиникка):

dМ = (s – 1) / (N)1/2 .

Виды, входящие в состав биоценоза, очень сильно различаются по своей значимости.

Традиционно принято выделение следующей иерархии видов: руководящие (или «доминантные») виды; за ними следует группа «субдоминантов»; остальные же виды считаются второстепенными, среди которых отмечают случайные или редкие.

Значение отдельных видов должно определяться тем, какую роль играют они в функционировании экосистемы или в продукционном процессе. Но при исследованиях водных сообществ установить истинную функциональную роль видов нелегко, если об их значении судить только по обилию, т.е. численности и биомассе.

При этом для анализа биоразнообразия и степени доминантности в разных ситуациях используют два традиционных подхода:

· сравнения, основанные на формах кривых относительного обилия или доминирования – разнообразия:

· сравнения, основанные на индексах разнообразия, представляющих собой отношения или другие математические выражения зависимости между числом видов и их значимостью.

Е.Ф. Менхиникк рассчитывал видовое богатство полевых насекомых по несколько другой формуле, используя в знаменателе функцию квадратного корня (индекс Менхиникка):

= (s – 1) / (N)1/2 .

Индексы доминирования. Для природных биоценозов принято использовать индекс доминирования И. Балога: Di = Ni / Ns,

где Ni – число особей i-го вида, Ns – общее число особей в биоценозе. К сожалению, этот идеальный по своей простоте индекс не отражает самого смысла доминирования, поскольку может принимать, например, значение 0.5 как при истинном доминировании, когда при нескольких сотнях видов один вид выражен половиной численности, так и в случае двух особей двух видов.

Другая формула индекса доминирования (или доминантности) предложена А. Ковнацки на основе «коэффициента обилия» В.Ф. Палия (индекс доминирования Палия – Ковнацки):

Di = 100 × pi ×Ni / Ns , (4.4)

где pi – встречаемость; pi = mi / Mi , mi – число проб, в которых был найден вид i, M – общее число проб, Ni – число особей i-го вида, Ns – общее число особей в биоценозе.

Для характеристики видового комплекса предлагается выделять доминанты в пределах 10 < Di < 100, субдоминанты – в пределах 1 < Di < 10, субдоминанты первого порядка – в пределах 0.

1 < Di < 1 и второстепенные члены – 0.01 < Di < 0.1.

К. Шеннон определил энтропиюопыта Н, как среднее значение неопределенности отдельных исходов:

· для случая двух опытов

H(a b ) = – (1/r) log(1/r) – (1/l) log(1/l)

· или в общем случае произвольного опыта с k исходами, имеющими вероятности P1, P2, …, Pk

Энтропия (или неопределенность исхода) равна нулю, если вероятность одного из событий равна 1, и принимает максимальное значение в случае равновероятных исходов. Действительно, если известно, что в водоеме присутствует только один вид гидробионтов, то какая-либо неопределенность по его извлечению отсутствует (т.е.

Н = 0). Неопределенность в предсказании результата отлова резко возрастает, если мы имеем в водоеме k видов с одинаковой численностью.

Важным для биологии свойством энтропии является то, что значительным числом исходов, суммарная вероятность которых мала, при подсчете энтропии можно пренебречь.

Энтропию H, как меру неопределенности, нельзя отождествлять с информациейI (как, например, напряженность электрического поля нельзя отождествлять с разностью потенциалов). Но количество информации об опыте b, содержащейся в опыте a, равно

I (a,b) = H(b) – Ha(b)

где Ha (b ) – условная энтропия опыта b после выполнения опыта a (т.е. снижение неопределенности b в результате выполнения a ).

При расчете энтропии Н по Шеннону считается, что каждая проба – случайная выборка из сообщества, а соотношение видов в пробе отражает их реальное соотношение в природе. В качестве оценок вероятностей независимых событий рi для формулы (4.6) могут быть использованы следующие апостериорные отношения:

· удельная численностьi –го вида, как частное от деления его численности Ni на общую численность всех видов, взятых для анализа: pi = Ni / S Ni;

· удельная биомасса i –го вида, как частное от деления его биомассы Bi на общую биомассу всех видов в пробе: pi = Bi / S Bi.

Чуть позже Р. Маргалеф предложил другое выражение для индекса разнообразия:

где N! – факториальная величина всех исследуемых видов, ni! – факториал от числа особей каждого вида. Сопоставляя формулы, нетрудно увидеть, что формула Маргалефа – просто иная форма расчета энтропии по Шеннону.

13.12.3. Классификация водоемов и биоценозов
по сапробности

Классификация организмов по сапробности – это их классификация по сопротивляемости загрязнению (органической нагрузке, недостатку кислорода, присутствию соединений сероводорода), поскольку: сапробность (от греч.

saprós – гнилой) – «это комплекс физиологических свойств данного организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ, с той или иной степенью загрязнения»..

Для каждой зоны сапробности можно выделить тесно связанное с ней подмножество видов гидробионтов, которые считаются ее индикаторами. Именно это обстоятельство породило иллюзию того, что в основании сапробиологической классификации водоемов лежат именно «биологические» факторы, а не механизмы деструкции органического вещества.

О.П. Оксиюк и В.Н. Жукинский в своих классификационных таблицах соотнесли две шкалы: сапробности и трофности. Если под сапробностью понимается интенсивность органического распада, то трофность означает интенсивность органического синтеза.

В природе оба процесса – органический синтез и распад – существуют параллельно и состоят друг с другом в многократном взаимодействии, что позволяет говорить об аналогии ступеней сапробности и трофики: «олигосапробность – олиготрофия», «b-мезосапробность – мезотрофия», «a–мезасапробность – эвтрофия» и «полисапробность – гипертрофия».

Эта аналогия привлекательна тем, что создает предпосылку к устранению одной из классификаций, как ненужного дублирующего звена. В худших конкурентных условиях находится система сапробности, как основанная на весьма «размытых» разделяющих факторах, когда как классификация по трофике жестко связана с концентрациями биогенных элементов.

В то же время, ряд исследователей подчеркивает неполное совпадение форм трофики и сапробности, особенно в мезосапробных зонах и для непроточных водоемов.

Система Кольквитца–Марссона была разработана применительно к условиям загрязнения вод средней Европы в начале века. В настоящее время характер и степень загрязнения водоемов изменились, в основном за счет интенсификации антропогенного воздействия. Это явилось причиной расширения «классической» классификации в двух основных направлениях:

· появление новых зон «чище» олигосапробной и «грязнее» полисапробной;

· выделение дополнительных зон на принципиально новой классификационной основе.

Наиболее широкая ревизия «классической» системы была выполнена В.

Сладечеком, который включил в классификацию абиотические зоны, а внутри полисапробной выделил три зоны – изосапробную (преобладание цилиат над флагеллятами), метасапробную (преобладание флагеллят над цилиатами) и гиперсапробную (отсутствие простейших при развитии бактерий и грибов).

Наконец, была сделана методологически решительная попытка [Sládeček, I969М] сравнения некоторых бактериологических и химических показателей с отдельными ступенями сапробности и предложена общая «биологическая» схема качества вод.

Все системы сапробности учитывают фактически только нетоксичные органические загрязнения, которые влияют на организмы в первую очередь через изменение кислородного режима.

Для учета влияния токсических органических и неорганических соединений делаются попытки разработать шкалы токсобности и затем объединить их со шкалами сапробности в единую шкалу сапротоксобности, причем существуют противоположные мнения о возможности такого объединения.

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://lektsia.com/2x88d.html

Биоразнообразие 1 ч.. I. Биологическое разнообразие и методы его оценки Введение

ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и

Подборка по базе: Занятие 8 (4 часа) Воспитание в семье. Методы воспитания.doc, Математические методы.Нелинейное программирован….doc, Курсовая 4 курс методы оценки рентабельности и пути ее повышения, КР основные направления и методы оценивания применяемые в оценке, Формы и методы реаблитации.pptx, ГДП методы исследования .

pptx, Контрольная работа Финансовые методы регулирования экономики..rt, Цели и методы финансового планирования.rtf, сравнительные методы лечения экзем у собак в зависимости от возр, Тыртышников методы численного анализа.pdf. В настоящее время предложено более 40 индексов, которые предназначены для оценки биоразнообразия.

Индексы, применяемые в анализе разнообразия сообществ, должны удовлетворять следующим требованиям [Песенко, 1982]:1) разнообразие сообщества тем выше, чем больше в нем количество видов;2) разнообразие сообщества тем выше, чем выше его выравненность.

Большинство различий между индексами, измеряющими биоразнообразие, заключается в том, какое значение они придают выравненности и видовому богатству.
Важной мерой оценки разнообразия для ограниченного в пространстве и во времени сообщества, для которого точно известно число составляющих его видов и особей, является видовое богатство.

Однако в большиинстве случаев исследователь имеет дело с выборкой, не располагая полным списком видов сообщества. В этом случае необходимо использовать «нумерическое видовое богатство», т. е. число видов на строго оговоренное число особей или на определенную биомассу, и видовую плотность.

Видовая плотность (например, на 1 м2) – наиболее распространенный показатель видового богатства, особенно среди ботаников и почвенных зоологов.Показатель «нумерическое видовое богатство» используется реже, хотя более популярно его применение при исследовании водных объектов. Например, при исследовании экологических воздействий на сообщества рыб можно использовать показатель число видов на 1000 рыб.

Не всегда можно добиться равного размера всех выборок. Но следует всегда помнить, что при увеличении объема выборки число видов всегда растет.

Различные сочетания S (число выявленных видов) и N (общее число особей всех S видов) лежат в основе простых показателей видового разнообразия:

индекса видового богатства Маргалефа:

;

индекса видового богатства Менхиника:

.

Например, 5 октября 1997 года в Театральном парке г. Ростова-на-Дону в результате экскурсии была получена выборка, которая насчитывала 17 видов птиц, представленных 149 особями. Разнообразие будет составлять: по индексу Маргалефа – DMg = 3,2 , по индексу Менхиника – DMn = 1,4.

Достоинство этих индексов – легкость расчетов. Большая величина индекса соответствует большему разнообразию.

Для оценки видового богатства Кемптоном и Тейлором в 1976 году был предложен индекс Q, учитывающий распределение видовых обилий, но не требующий соответствия какой-либо модели.

Этот индекс представляет собой меру межквартильного наклона кривой накопленного видового обилия и обеспечивает измерение разнообразия сообщества, не отдавая предпочтения ни очень обильным, ни очень редким видам. Несколько ранее индекс, основанный на сходной идее, был предложен Уиттекером, однако он учитывал всю кривую видовых обилий и давал ошибки на обоих концах распределения.

Рис. 5.4.1. Графическая интерпретация индекса Q

Индекс Q рассчитывается по эмпирическим данным.

,

где nr – общее число видов с обилием R;  – общее число видов в выборке; R1, R2 – нижний и верхний квартили; nR1– число особей в классе, соответствующем R1; nR2– число особей в классе, соответствующем R2 (рис. 5.4.1).

По оси абсцисс откладывается обилие видов в логарифмическом масштабе (log10), а по оси ординат – накопленное число видов. Индекс Q – наклон Q между двумя квартилями.

Если выборки малы, индекс Q может смещаться. Однако эта ошибка невелика, если в выборку попадает более 50% всех видов. Некоторые ученые находят, что Q =  логарифмического распределения.

Для лог-нормальной модели Q = 0,371 S/.

Эту группу индексов называют индексами неоднородности, так как они учитывают одновременно и выравненность, и видовое богатство. Индексы, основанные на относительном обилии видов, относятся к непараметрическим, поскольку они не требуют никаких предположений о распределениях. Их применение углубляет оценки биоразнообразия по сравнению с индексами видового богатства, которые опираются лишь на один параметр.Выделяются две категории непараметрических индексов:1) индексы, полученные на основе теории информации (информационно-статистические);2) индексы доминирования.

Индекс Шеннона – Уивера. Макартур [1955] и Маргалеф [1957] впервые применили для оценки к исследованию видовой устойчивости и разнообразия сообщества теорию информации. Теория информации основывается на изучении вероятности наступления цепи событий. Результат выражается в единицах неопределенности, или информации.

Шеннон в 1949 году вывел функцию, которая стала называться индексом разнообразия Шеннона. Расчеты индекса разнообразия Шеннона предполагают, что особи попадают в выборку случайно из «неопределенно большой» (т. е. практически бесконечной совокупности) генеральной совокупности, причем в выборке представлены все виды генеральной совокупности.

Неопределенность будет максимальной, когда все события (N) будут иметь одинаковую вероятность наступления (pi= ni/N).

Она уменьшается по мере того, как частота некоторых событий возрастает по сравнению с другими, вплоть до достижения минимального значения (нуля), когда остается одно событие и есть уверенность в его наступлении.

Индекс Шеннона рассчитывается по формуле:

H’= - pi ln pi,,

где величина pi – доля особей i-го вида.

В выборке истинное значение pi неизвестно, но оценивается как ni/N.

Причины ошибок в оценке разнообразия с использованием этого индекса заключаются в том, что невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.

При расчете индекса Шеннона часто используется двоичный логарифм, но приемлемо также использовать и другие основания логарифма (десятичный, натуральный)Индекс Шеннона обычно варьирует в пределах от 1,5 до 3,5, очень редко превышая 4,5.

Дисперсию индекса Шеннона (VarH’) рассчитывают по формуле:

.

Если значения индекса Шеннона рассчитать для нескольких выборок, то полученное распределение величин подчиняется нормальному закону. Это свойство дает возможность применять мощную параметрическую статистику, включая дисперсионный анализ.

Применение сравнительных параметрического и дисперсионного анализа полезно при оценке разнообразия различных местообитаний, когда есть повторности.

Для проверки значимости различий между выборочными совокупностями значений индекса Шеннона Хатчесон предложил использовать параметрический критерий Стьюдента:

.

Число степеней свободы определяется по уравнению:

,

где N1 и N2 – общее число видов в двух выборках.

На основе индекса Шеннона можно вычислить показатель выравненности Е (отношение наблюдаемого разнообразия к максимальному):

E [0,1], причем E= 1 при равном обилии всех видов.

Индекс Шеннона оказался самым популярным в оценке данных по разнообразию и применяется чаще других.

Индекс Бриллуэна. Не всегда исследователи способны гарантировать случайный отбор объектов в выборочную совокупность или учесть все виды сообщества.

Это происходит обычно из-за несовершенных методов отлова животных. Нельзя обеспечить случайность попадания объектов в выборку при отлове насекомых на свет (привлекаются виды, активные только ночью, и выпадают из списка видов формы с дневной активностью).

Очень разнятся списки видов паукообразных, приносимых в гнезда большой синицей и собранных в биотопе традиционными методами, рекомендуемыми при сборе беспозвоночных.

Подходящей формой информационно-статистического индекса в таких случаях может быть индекс Бриллуэна, определяемый по формуле:

.

Индекс Бриллуэна дает сходную с индексом Шеннона величину разнообразия, редко превышая 4,5. Однако при оценке одного и того же массива данных его величина ниже индекса Шеннона. Это объясняется тем, что в нем нет неопределенности, свойственной индексу Шеннона.Выравненность определяется по формуле:

,

,

где [N/S] – целая часть отношения N/S, а r=NS.[N/S].

Этим индексом мало пользуются, так как он трудно вычисляется, и, если выборка мала, – приводит к неверным выводам. Однако этот индекс рекомендуется использовать, если оценивается коллекция, а не случайная выборка, и если известен полный состав сообщества.

Меры доминирования уделяют основное внимание обилию самых обычных видов, а не видовому богатству. Лучшим среди индексов доминирования считается индекс Симпсона.

Его иногда называют «индекс Юла», поскольку он напоминает меру, разработанную Юлом для оценки словарного запаса.

Индекс Симпсона описывает вероятность принадлежности любых двух особей, случайно отобранных из неопределенно большого сообщества, к разным видам формулой:

D = pi2, где pi – доля особей i-го вида.

Для расчета индекса используется формула, соответствующая конечному сообществу:

,

где ni – число особей i-го вида, а N – общее число особей.

По мере увеличения D разнообразие уменьшается. Поэтому индекс Симпсона часто используют в форме (1– D). Эта величина носит название «вероятность межвидовых встреч» и варьирует от 0 до 1.

Он очень чувствителен к присутствию в выборке наиболее обильных видов, но слабо зависит от видового богатства. Высокая или низкая величина индекса определяется типом распределения видовых обилий для случаев, когда число видов превышает 10.

Многие авторы считают, что наилучшая мера – это «индекс полидоминантности»:

S= 1/ D,

S= ,

где i = 1,2,3,…. S ; S[1; ].

Мера разнообразия Макинтоша. В 1967 году. Макинтош предложил рассматривать сообщество как точку в S-мерном гиперпространстве с координатами (n1, n2, …, ns). Тогда евклидово расстояние такого сообщества от начала координат можно использовать как меру его разнообразия:

.

Индекс Макинтоша U сам по себе не является индексом доминирования, однако, используя его, можно рассчитать меру разнообразия D, или доминирования, которая независима от объема выборки:

,

в дальнейшем можно рассчитать выравненность

.

Индекс Бергера – Паркераодна из мер доминирования. Его достоинство – простота вычисления. Индекс Бергера-Паркера выражает относительную значимость наиболее обильного вида:

,

где Nmax – число особей самого обильного вида.

Увеличение величины индекса Бергера – Паркера, как и индекса Симпсона, означает уменьшение разнообразия и увеличение степени доминирования одного вида. Поэтому обычно используется величина обратная индексу Бергера – Паркера 1/d.

Этот индекс независим от количества видов, но на него влияет объем выборки. Некоторые ученые считают этот индекс лучшей мерой разнообразия.1   …   14   15   16   17   18   19   20   21   …   24

Источник: https://topuch.ru/i-biologicheskoe-raznoobrazie-i-metodi-ego-ocenki-vvedenie/index18.html

Работы Р. Уиттекера по оценке биоразнообразия

ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и

МИНОБРНАУКИ РОССИИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«Поволжская государственная социально-гуманитарная академия» 
(ПГСГА)

Естественно-географический факультет

Реферат

Работы Р. Уиттекера по оценке биоразнообразия

Выполнили студенты

1 курса

направления «Биология»

магистерской программы

«Экология»

Кузнецов С.А.,

Лутина М.В.

Научный руководитель

к.б.н., доцент Ильина В.Н.

Самара 2013

Оглавление

  1. Биологическое разнообразие…………………………………………………………………3
  2. Параметры биологического разнообразия (альфа-разнообразие)………….6
  3. Индексы биоразнообразия…………………………………………………………………..9
  4. Анализ бета-разнообразия: сравнение, сходство, соответствие сообществ..15
  5. Применение показателей разнообразия………………………………………16
  6. Гамма-разнообразие наземных экосистем……………………………………18
  7. Сохранение биоразнообразия………………………………………………….20
  8. Определение приоритетов для охраны биоразнообразия……………………….23

Список литературы…………………………………………………………………..27

Биологическое разнообразие

Биоразнообразие в последнее десятилетие становится одним из самых распространенных понятий в научной литературе, природоохранном движении и международных связях. Научные исследования доказали, что необходимым условием нормального функционирования экосистем и биосферы в целом является достаточный уровень природного разнообразия на нашей планете.

В настоящее время биологическое разнообразие рассматривается как основной параметр, характеризующий состояние надорганизменных систем.

В ряде стран именно характеристика биологического разнообразия выступает в качестве основы экологической политики государства, стремящегося сохранить свои биологические ресурсы, чтобы обеспечить устойчивое экономическое развитие.

Биоразнообразие (биологическое разнообразие) — разнообразие жизни во всех её проявлениях. Также под биоразнообразием понимают разнообразие на трёх уровнях организации: генетическое разнообразие (разнообразие генов и их вариантов — аллелей), видовое разнообразие (разнообразие видов в экосистемах) и экосистемное разнообразие, то есть разнообразие самих экосистем.

В 1960 году Р. Уиттекер предложил понятия α-, β-, γ- разнообразия для того, чтобы не путать разнообразие внутри одного местообитания или региона с разнообразием ландшафта или региона, который содержит несколько местообитаний.

α- разнообразие – разнообразие внутри местообитания или одного сообщества.

β- разнообразие – разнообразие между местообитаниями.

γ- разнообразие – разнообразие в обширных регионах биома, континента, острова и т. д.

В 1979 году. Крюгер и Тейлор добавили к этой классификации еще Δ- разнообразие.

Δ-разнообразие – разнообразие, определяемое изменениями климатических факторов, что выражается в смене растительных зон, провинций и т. д.

Р. Уиттекер, кроме того, различал две формы разнообразия: инвентаризационное (оценка разнообразия экосистем разного масштаба как единого целого) и дифференцирующее (оценка разнообразия между экосистемами).

Дифференцирующее разнообразие характеризует степень различий или сходства местообитаний, или выборок с точки зрения их видового состава и обилия видов вдоль градиента среды.

Четыре уровня инвентаризационного разнообразия (альфа, бета, гамма, эпсилон) соответствуют трем уровням дифференцирующего (внутреннее бета-разнообразие или мозаичное разнообразие – изменение между частями мозаичного сообщества; бета-разнообразие местообитаний вдоль градиента среды; дельта-разнообразие – географическая дифференцияция вдоль климатических градиентов).

Дельта-разнообразие определяется как изменение видового состава и обилия между территориями гамма-разнообразия; оно представляет собой дифференцирующее разнообразие крупных биогеографических регионов в пределах области эпсилон-разнообразие. Мозаичное разнообразие определяется как дифференцирующее различие между выборками в пределах однородного местообитания.

Омега-разнообразие – это разнообразие биомов на территории эпсилон-пространства. Для его анализа используются географические карты разного масштаба и методология их изучения с помощью геоинформационных систем.

Параметры биологического разнообразия (альфа-разнообразие)

Одна из важных задач экологии — оценка разнокачественности, разнообразия сообществ. Любое сообщество — не просто сумма образующих его видов, но и совокупность взаимодействий между ними.

Одним из важных свойств сообщества, которое отражает его сложность и структурированность, принято считать его разнообразие. Видовое разнообразие отражает сложность строения и структуру сообщества.

Понятие «биоразнообразия», хотя и является сложным, многогранным и достаточно неопределенным, описывается двумя компонентами.

Компоненты биоразнообразия: число видов и относительное обилие видов.

Разнообразие принято оценивать либо путем подсчета видов, измерения их относительного обилия, либо мерой, объединяющей эти два компонента. Однако оценка разнообразия только простым подсчетом видов малоинформативна, так как ни одно сообщество не состоит из видов равной численности.

Из общего числа видов какого-либо трофического уровня или сообщества в целом обычно лишь немногие бывают доминирующими, т. е. имеют значительную численность (большую биомассу, продуктивность или другие показатели), подавляющая же часть относится к редким видам (т. е. имеет низкие показатели «значимости»).

Таким образом, большинство видов в сообществе малочисленны, численности других умеренны и лишь немногие обильны.

При оценке альфа-разнообразия принимаются во внимание два фактора: видовое богатство и выравненность обилий видов.

Видовое богатство — число видов, для сравнения отнесенное к определенной площади.

Выравненность — равномерность распределения видов по их обилию в сообществе.

Видовое разнообразие в разных местах часто зависит от шкалы измерения разнообразия. Например, в 1 м2 полуестественных европейских пастбищ может быть больше видов, чем в нижнем ярусе дождевого тропического леса в бассейне Амазонки.

Разнообразие видов на 1 км и более будет выше в тропическом лесу. Видовое разнообразие увеличивается при увеличении размеров изучаемой площади.

Маргалеф на примере изучения планктонных сообществ показал, что при увеличении объема выборки разнообразие также увеличивается.

Распределение видового богатства на Земле меняется по долготе, высоте над уровнем моря, в градиенте увлажнения, солености, содержания калия в почве и др. Уиттекер пришел к выводу, что разнообразие увеличивается от холодного к теплому климату и от морского к континентальному.

Видовое разнообразие увеличивается при продвижении от высоких широт к экватору. Максимум видового разнообразия наблюдается в большинстве случаев в мезофитных сообществах.

В сообществах, подвергающихся стрессовым воздействиям, видовое разнообразие уменьшается; но, кроме того, оно может снижаться в результате обострения видовой конкуренции в климаксовых сообществах, существующих в стабильной физической среде.

Высокую выравненность принято считать эквивалентной высокому разнообразию. Например, в двух выборках может быть равное число видов и особей, большая выравненность одной из выборок делает ее разнообразие более высоким. Рассмотрим теоретический пример.

Выравненность максимальна, если все виды в сообществе имеют равное обилие, и минимальна, когда один вид имеет обилие, превышающее обилия всех остальных видов, которые имеют только по единице обилия.

Выравненность — это единственный серьезный показатель структуры сообщества.

Выравненность, как правило, высока и постоянна среди популяций птиц (это может быть объяснено их территориальным поведением), а различия этого показателя в разных сообществах и географических зонах определяются, главным образом, видовым богатством. Напротив, у растений и фитопланктона выравненность в среднем низка, и оба компонента подвержены значительным вариациям.

Наилучший способ представить оба компонента разнообразия -построить график.

Индексы биоразнообразия

В настоящее время предложено более 40 индексов, которые предназначены для оценки биоразнообразия.  Индексы, применяемые в анализе разнообразия сообществ, должны удовлетворять следующим требованиям:

1) разнообразие сообщества тем выше, чем больше в нем количество видов;

2) разнообразие сообщества тем выше, чем выше его выравненность. 

Большинство различий  между индексами, измеряющими биоразнообразие,  заключается в том, какое значение они придают выравненности и видовому богатству.

Индексы видового богатства

Важной мерой оценки разнообразия для ограниченного в пространстве и во времени сообщества, для которого точно известно число составляющих его видов и особей, является видовое богатство.

Однако в большиинстве случаев исследователь имеет дело с выборкой, не располагая полным списком видов сообщества. В этом случае необходимо использовать «нумерическое видовое богатство», т. е.

число видов на строго оговоренное число особей или на определенную биомассу, и видовую плотность.

Видовая плотность (например, на 1 м2) – наиболее распространенный показатель видового богатства, особенно среди ботаников и почвенных зоологов.

Показатель «нумерическое видовое богатство» используется реже, хотя более популярно его применение при исследовании водных объектов.

Например, при исследовании экологических воздействий на сообщества рыб можно использовать показатель число видов на 1000 рыб.

Не всегда можно добиться равного размера всех выборок. Но следует всегда помнить, что при увеличении объема выборки число видов всегда растет.

Различные сочетания S (число выявленных видов) и N (общее число особей всех S видов) лежат в основе простых показателей видового разнообразия:

индекса видового богатства Маргалефа:

индекса видового богатства Менхиника:

Например, 5 октября 1997 года в Театральном парке г. Ростова-на-Дону в результате экскурсии была получена выборка, которая насчитывала 17 видов птиц, представленных 149 особями. Разнообразие будет составлять: по индексу Маргалефа – DMg = 3,2 , по индексу Менхиника – DMn = 1,4.

Достоинство этих индексов – легкость расчетов. Большая величина индекса соответствует большему разнообразию.

Индексы, основанные на относительном обилии видов

Эту группу индексов называют индексами неоднородности, так как они учитывают одновременно и выравненность, и видовое богатство.

Индексы, основанные на относительном обилии видов, относятся к непараметрическим, поскольку они не требуют никаких предположений о распределениях.

Их применение углубляет оценки биоразнообразия по сравнению с индексами видового богатства, которые опираются лишь на один параметр.

Выделяются две категории непараметрических индексов:

1) индексы, полученные на основе теории информации (информационно-статистические);

2) индексы доминирования.

Индекс Шеннона – Уивера.

Макартур [1955] и Маргалеф [1957] впервые применили для оценки к исследованию видовой устойчивости и разнообразия сообщества теорию информации. Теория информации основывается на изучении вероятности наступления цепи событий. Результат выражается  в единицах неопределенности, или информации.

Шеннон в 1949 году вывел функцию, которая стала называться индексом разнообразия Шеннона. Расчеты индекса разнообразия Шеннона предполагают, что особи попадают в выборку случайно из «неопределенно большой» (т. е.

практически бесконечной совокупности) генеральной совокупности, причем в выборке представлены все виды генеральной совокупности. Неопределенность будет максимальной, когда все события (N) будут иметь одинаковую вероятность наступления (pi = ni/N).

Она уменьшается по мере того, как частота некоторых событий возрастает по сравнению с другими, вплоть до достижения минимального значения (нуля), когда остается одно событие и есть уверенность в его наступлении.

Источник: https://www.myunivercity.ru/%D0%AD%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F/%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D1%8B_%D0%A0_%D0%A3%D0%B8%D1%82%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%B5%D1%80%D0%B0_%D0%BF%D0%BE_%D0%BE%D1%86%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%B5/173490_2279211_%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%86%D0%B01.html

Индексы биоразнообразия, учитывающие выравненность (меры доминирования)

ИНДЕКСЫ ВИДОВОГО БОГАТСТВА: Важной мерой оценки разнооб­разия для ограниченного в пространстве и

Индексы видового богатства (без учета доминирования)

Различные сочетания S (число выявленных видов) и N (общее число особей всех S видов) лежат в основе расчета простых показателей видового разнообразия (формулы 1,2):

Индекс видового богатства Маргалефа: . (1)

Индекс видового богатства Менхиника: . (2)

Индексы биоразнообразия, учитывающие выравненность (меры доминирования)

Меры доминирования уделяют основное внимание именно обилию самых обычных видов, а не видовому богатству.

Индекс Симпсона описывает вероятность принадлежнос­ти любых двух особей, случайно отобранных из неопределен­но большого сообщества, к разным видам. Для расчета индекса используется формула (3.1 или 3.2):

, (3.1)

или , (3.2)

где ni – число особей i-го вида, N – общее число особей, рi – значимость видов (рi=ni/N).

По мере увеличения С разнообразие уменьшается. Поэто­му индекс Симпсона часто используют в форме (1—С), его ве­личина варьирует от 0 до 1. Он очень чувствителен к присутствию в выборке наиболее обильных видов, но слабо зависит от видо­вого богатства. Индекс применим для случаев, когда число видов превышает 10.

Индекс Бергера-Паркера выражает относительную значимость наиболее обильно­го вида (формула 4):

, (4)

где Nmax – число особей самого обильного вида.

Увеличение величины индекса Бергера-Паркера, как и индекса Симпсона, означает уменьшение разнообразия и воз­растание степени доминирования одного вида. Поэтому обыч­но используется величина, обратная индексу Бергера-Парке­ра — 1/d.

Индекс разнообразия Шеннона основан на теории информации, т.е. его значение определяется вероятностью наступления цепи собы­тий. Результат выражается в единицах неопределенности, или информации.

Расчеты это­го индекса предполагают, что особи попадают в выборку случайно из неопределенно большой генеральной совокупности, причем в выборке пред­ставлены все виды генеральной совокупности.

Неопределен­ность будет максимальной, когда все события (N) будут иметь одинаковую вероятность наступления (рi=ni/N).

Она умень­шается по мере того, как частота некоторых событий возрас­тает по сравнению с другими, вплоть до достижения мини­мального значения (нуля), когда остается одно событие и есть уверенность в его наступлении. Индекс Шеннона обычно варьирует от 1,5 до 3,5, очень ред­ко превышая 4,5.

Индекс Шеннона (формула 5):

, (5)

где рi —доля особей i-го вида (рi=ni/N).

Индекс выравненности Пиелу рассчитывается на основе индекса Шеннона (формула 6):

, (6)

где H' — индекс Шеннона, S — число видов.

Анализ β-разнообразия

Са­мый простой способ измерения β-разнообразия двух учас­тков — расчет коэффициентов сходства, или индексов общно­сти с использованием списков видов сообществ. Предложено огромное число индексов общности, но чаще используются индексы Жаккара и Серенсена (формулы 7,8).

Индекс Жаккара: Kj = Nab/(Na + Nb-Nab), (7)

Индекс Серенсена: Ks = 2Nab/(Na + Nb), (8)

где Nab – число общих видов в сообществах А и В; Na – число видов в сообществе A; Nb – число видов в сообществе В.

Эти коэффициенты равны 1 в случае полного совпа­дения видов сообществ и равны 0, если выборки не включают общих видов.

Задание 1.Рассчитайте индексы Менхиника и Бергера-Паркера для сообществ А и В, каждое из которых насчитывает по 7 видов, при этом численность каждого вида для сообщества А составляет n1=25, n2=15, n3=5, n4…7 =1, для сообщества В — n1=9, n2=9, n3=7, n4=7, n5=7, n6=5, n7=5. Видовое разнообразие какого сообщества выше и почему?

Задание 2.

В результате обследования маршрутным методом участка берёзового сосняка в период гнездования была получена выборка, которая насчитывала 28 видов птиц, представленных 103 особями: зябликов – 12, пеночек-веснянок – 10, зеленых пересмешек – 10, мухоловок-пеструшек – 9, зарянок – 7, зеленых пеночек, буроголовых гаичек, пестрых дятлов, пеночек-теньковок, лесных коньков, иволг, садовых славок, больших синиц, горихвосток – по 4 особи каждого вида, пеночек-трещоток, чижей, пищух, снегирей, обыкновенных овсянок – по 2 особи каждого вида, удод, садовая камышовка, серая мухоловка, поползень, славка черноголовая, соловей, дрозд певчий, дрозд-деряба и длиннохвостая синица были отмечены в единичных экземплярах. Оценить видовое разнообразие по индексу Менхиника и дать оценку выравненностисообщества, рассчитав индекс Бергера-Паркера и индекс Симпсона по формуле 3.2.

Задание 3. Проведите сравнительную оценку выравненности (индекс Симпсона) трех биоценозов (Уиттекер, 1980). Площадь учетной площадки во всех случаях одинакова и равна 20×50 м. Проанализируйте графики относительной значимости видов в этих биоценозах (рис. 1). Какой тип распределения значимости видов соответствует более устойчивому сообществу?

1. Субальпийский пихтовый лес.

Число видов сосудистых растений – 7.

Значимость видов (% от чистой первичной продукции леса): 69; 23; 7; 0,62; 0,28; 0,08; 0,02.

2. Широколиственный лес.

Число видов сосудистых растений – 39.

Значимость видов (% от чистой первичной продукции леса): 34; 21; 15; 13; 6,5; 3,3; 1,5; 1,3; 0,9; 0,5; 0,45; 0,45; 0,4; 0,2; 0,2; 0,2; 0,19; 0,15; 0,1; 0,09; 0,09; 0,09; 0,07; 0,07; 0,055; 0,055; 0,04; 0,03; 0,024; 0,011; 0,009; 0,008; 0,0045; 0,004; 0,0036; 0,002; 0,0016; 0,0013; 0,001.

3. Орнитофауна широколиственного леса.

Число видов птиц – 20.

Значимость видов (% от плотности гнездующихся пар птиц): 20; 15; 11; 9; 7,5; 6; 4,5; 4,5; 3,5; 3,5; 3,5; 2,1; 2,1; 2,1; 2,1; 1; 1; 1; 0,3; 0,3.

Рис. 1. Кривые значимости видов: 1 – субальпийский пихтовый лес; 2 – широколиственный лес; 3 – орнитофауна широколиственного леса

Задание 4. В табл. 1 приведено описание древесно-кустарниковой растительности двух городских парков. Используя индекс Симпсона (формула 3.2), оцените концентрацию доминирования, а с помощью индекса Менхиника — видовое богатство в этих парках. Проанализируйте общность видового состава фитоценозов.

Таблица 1. Древесно-кустарниковая растительность городских парков (Федулова и др., 2004)

№ п/п Название вида Число особей
  Парк №1
Берёза
Дуб
Орешник
Ель
Клён
Смородина
Черёмуха
Рябина
Ива серебристая
Тополь серебристый
Тополь
Итого 11 видов число особей N = 306
  Парк №2
Клён
Тополь
Берёза
Дуб
Орешник
Ель
Черёмуха
Ива серебристая
Сосна
Лиственница
Рябина
Сирень
Шиповник
Акация жёлтая
Омела
Итого: 15 видов число особей N = 168

Задание 5. Сравните видовой состав гнездящихся птиц на трех участках приволжской степи.

Ковыльная степь: степной жаворонок, полевой жаворонок, малый жаворонок, каменка-плясунья, каменка-плешанка, лунь степной, орел степной.

Посевы с лесополосами: степной жаворонок, полевой жаворонок, малый жаворонок, желтая трясогузка, розовый скворец, перепел, лунь полевой.

Посевы без лесополос: степной жаворонок, полевой жаворонок, малый жаворонок, каменка-плясунья, чибис, лунь полевой.

Задание 6. Для изучения разнообразия полихет акватории Одесского порта в 2001 году были отобраны 346 проб – 222 пробы в обрастании гидротехнических сооружений и 123 пробы в бентосе.

Для каждого вида полихет, размеры особей которых варьируют в Черном море от 1 до 100 мм, определены средние показатели численности и биомассы (табл. 2).

Для сообществ полихет обрастаний рассчитанный по численности индекс Шеннона составил 0,574, индекс Пиелу — 0,602; соответствующие показатели для бентоса – 1,464 и 1,190.

Определите значения указанных индексов по биомассе, установите целесообразность использования показателя биомассы в данном исследовании. При каких условиях лучше проводить сравнительную оценку видового богатства сообществ по биомассе, а не по численности? Сравните видовой состав сообществ бентоса и обрастания (формула 7).

Таблица 2. Видовой состав, количественные показатели (N – средняя численность, экз./м2, В – средняя биомасса, экз./м2) полихет в акватории Одесского порта в 2001 г. (Лосовская и др., 2005)

Задание 7. В акватории Одесского порта изучалось также экологическое разнообразие полихет – соотношение их жизненных форм в сообществе по числу видов и относительному обилию. Было выявлено преобладание интра-эпибионтов – полихет, которые могут жить и на рыхлых, и на жестких субстратах.

Разнообразие жизненных форм полихет в бентосе больше, чем в обрастании, в котором отсутствуют интрабионты, тогда как в бентосе рыхлых грунтов, благодаря примеси ракуши, встречаются не только все жизненные формы интрабионтов, но и эпибионты.

По формулам 5 и 6 оцените экологическое разнообразие полихет, используя средние показатели численности и биомассы не отдельных видов, а их совокупностей, относящихся к той или иной жизненной форме (табл. 3). Оцените общность экологической структуры сообществ бентоса и обрастания (формула 7).

Почему рассчитанный по численности индекс Шеннона для сообществ обрастаний, значительно выше, чем рассчитанный по биомассе, а для бентоса эти показатели отличаются не столь сильно?

Таблица 3. Состав и количественные показатели (n – количество видов, N – средняя численность, экз./м2, В – средняя биомасса, экз./м2) жизненных форм полихет в акватории Одесского порта в 2001 г. (Лосовская и др., 2005)

Закономерности распределения видов в сообществе можно выявить с помощью графического анализа. Рассмотрим некоторые типы графиков, применяемых при оценке биоразнообразия:

1. График ранг/обилие – один из способов представления данных по обилию видов. Ось абсцисс – ранг вида (порядковый номер ранжированного по обилию вида).

Виды располагаются в упорядоченном ряду данных по возрастанию обилий. Ось ординат – обилие вида (число особей).

Линия, соединяющая точки или проходящая близко от них, называется кривой доминирования-разнообразия, или кривой значимости видов (рис. 1).

2. Частотное распределение устанавливает зависимость между числом особей каждого вида и числом видов (рис. 2). Ось абсцисс – число особей. Ось ординат – число видов.

Частотные распределения по сравнению с ранговыми в более интегральной форме отражают видовую структуру.

Их форма определяется соотношением частот редких видов и видов со средним обилием, тогда как массовые виды уходят в «хвосты» распределений.

Рис. 2. График частотного распределения

Задание 8. По данным табл. 4 постройте графики доминирования-разнообразия и частотного распределения декабрьской структуры зимнего населения птиц.

Таблица 4. Структура зимнего населения птиц парка «П.Х. Витгенштейна» в г. Каменке, особ./км2 (Тищенков А.А., 2004)

Список литературы:

Источник: https://megaobuchalka.ru/6/9572.html

Scicenter1
Добавить комментарий