СПОСОБ ОЦЕНКИ ВИДОВОГО РАЗНООБРАЗИЯ ТРАВЫ ПО НАЛИЧИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ НА ПРОБНЫХ ПЛОЩАДКАХ РАЗНЫХ РАЗМЕРОВ

Изобретение относится к измерению качества различных видовых комплексов трав и травянистых растений на пробах, преимущественно на пойменных лугах, и может быть использовано в экологическом мониторинге территорий с травяным покровом. Изобретение относится также к ландшафтам малых рек с луговой растительностью и может быть использовано при оценке видового разнообразия травы по наличию отдельных видов растений.

Известен способ испытания пробы травяных растений по патенту РФ №2389015, включающий отмечание контура площадки на месте взятия пробы травяных растений, после срезки травы со всей площадки пробу сразу же взвешивают на весах около площадки, а после первого взвешивания пробу травы размещают на естественную сушку в сухом и безветренном месте, затем после высыхания пробу травы взвешивают.

Недостатком является то, что способ предполагает неделимость пробы на отдельные элементы по видовому составу, и это не позволяет проводить анализ пробы по видовому составу травяных и травянистых растений по наличию видов.

Известен также способ испытания травяного покрова на пойме малой реки по патенту №2384048, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с испытуемым травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении в пределах водоохраной зоны, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после выявляют закономерности показателей проб травы.

Недостатком является невозможность учета наличия видов травяных и травянистых растений на пробных площадках. При этом по существующим стандартам видовое разнообразие можно определять только на пробной площадке размерами 2×2 м.

Для изучения травостоя применяются различные методы, из которых известен способ пробных площадок размерами 1,0×1,0 м. Для исследований по рекомендациям [Шарашова B.C. Устойчивость пастбищных экосистем / B.C. Шарашова. М.: Агропромиздат, 1989. 240 с., с. 51-53] достаточны пробы травы с площадок 0,5×0,5 м. Таким образом, для конкретной местности необходимо обосновать размеры пробных площадок.

По данным [Улучшение и рациональное использование пойменных лугов России. М.: Россельхозиздат, 1987. 149 с., с. 4] в составе луговых фитоценозов умеренной зоны насчитывается около 4 тыс. видов растений, относящихся к 582 родам и 76 семействам. Наибольшее число видов приходится на семейство сложноцветковых (свыше 900), затем идут злаковые (350), бобовые (250), осоковые, лютиковые, норичниковые (по 200 и более), зонтичные и розоцветные (свыше 150). Остальные семейства представлены в травостое лугов 1-100 видами.

Такое большое разнообразие в целом на территории страны требует в конкретной местности и на конкретном участке поймы малой реки или ее притока обосновать не только количество видов травяных растений, но и появляется потребность в обосновании размера пробных площадок.

Технический результат - повышение точности учета наличия видов травяных и травянистых растений на всех пробных площадках при одновременном снижении трудоемкости анализа видового состава на них, упрощение процесса анализа видового состава только по численности видов на пробных площадках, повышение функциональных возможностей сравнения проб травы по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию (относительной встречаемости) видов травы на каждой пробной площадке данного участка, причем без срезания с пробных площадок травяных проб.

Этот технический результат достигается тем, что способ определения размеров пробных площадок по результатам анализа видового состава луговой травы, включающий выделение на малой реке или ее притоке визуально по карте или натурно участка пойменного луга с травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, а после выявляют закономерности показателей проб травы, согласно изобретению для подсчета разнообразия видов травяных растений на участке пойменного луга выделяют точки будущих центров комплексных пробных площадок, затем в каждом центре комплексных пробных площадок забивают колышки и концентрически устанавливают квадратные рамки с разными размерами сторон, причем квадратные рамки устанавливают с ориентацией сторон вдоль и поперек русла малой реки или ее притока, затем внутри каждой квадратной рамки сосчитывают количество видов травы и записывают в таблицу для каждого размера пробных площадок, в которой по строкам указан список всех видов травы, а в столбцах указаны номера комплексных пробных площадок, после этого по строкам и столбцам вычисляют суммы видов и пробных площадок, по этим суммам вычисляют отношения к общей сумме видов и к общей сумме всех комплексных пробных площадок, затем статистическим моделированием выявляют ранговые распределения по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию видов травы на каждой пробной площадке данного участка, после этого вычисляют общую сумму видов по всей таблице и вычисляют делением на сумму всех клеток таблицы по видам и комплексным пробным площадкам коэффициент коррелятивной вариации.

В каждом центре комплексных пробных площадок концентрически устанавливают рамки с разными размерами сторон, например, 0,50×0,50, 1,00×1,00, 1,50×1,50 и 2,00×2,00 м, обозначают колышком центр каждой комплексной пробной площадки с четырьмя указанными выше размерами, при этом для упрощения процесса установления пробной площадки изготовляют квадратные шаблоны из деревянных реек, причем на выбранную точку местности с колышком накладывают все четыре шаблона с разным внутренним сечением концентрически и после сосчитывают внутри каждого шаблона количество видов растений, для записи результатов счета по каждому размеру пробных площадок применяют таблицу, в которой по строкам указывают произвольный список видов травы по всем пробным площадкам, а по столбцам по номерам пробных площадок отмечают числом 1 наличие того или иного вида травы, после этого получают столько таблиц, сколько концентрически расположенных квадратных комплексных пробных площадок расположены на участке луга.

Общее количество пробных площадок с минимальными размерами 0,50×0,50 м на участке луга должно быть не менее 4 м², поэтому количество комплексных пробных площадок рассчитывают исходя из деления минимально допустимой площади в 4 м² на площадь наименьшей пробной площадки площадью 0,25 м², причем площадь одного изучаемого участка на малой реке или ее притоке должна быть не более 3 га, при минимальной площади всех пробных площадок размерами 0,50×0,50 м в 4 м² количество комплексных пробных площадок должно быть не менее 16 шт.

Выявляют закономерность по ранговым распределениям влияния общей площади всех пробных площадок участка луга на встречаемость вида на измеряемом участке площадью не более 3 га и влияния площади каждой пробной площадки размерами 0,50×0,50 м площадью в 0,25 м², 1,00×1,00 м площадью в 1,00 м², 1,50×1,50 м площадью в 2,25 м² и 2,00×2,00 м и площадью в 4,00 м² на показатели встречаемости и разнообразия видов травы.

Опыты по определению видового состава травы проводят без срезки проб травы и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения пробной площадки, что позволяет заложить постоянные комплексные пробные площадки для изучения динамики видового состава, а на комплексных пробных площадках с разными концентрически расположенными рамками сосчитывают количество видов травы из общего списка всех видов травы на данном участке или на нескольких участках вдоль малой реки или ее притока.

По всем столбцам и строкам каждой таблицы проводят суммирование чисел 1, а также суммирование по столбцам и строкам всех сумм 1 для вычисления коэффициента коррелятивной вариации делением общей суммы клеток таблицы с 1 на общее количество клеток во всей таблице, причем по данным каждой таблицы изменение коэффициента коррелятивной вариации в зависимости от общей площади всех пробных площадок определяется формулой закона экспоненциального роста, при этом этот показатель является универсальным и может применяться для сравнения не только разных по размерам пробных площадок на одном участке пойменного луга, но также и разных участков на одной реке и даже на разных реках.

Полученные суммы по столбцам и строкам делят на общее количество столбцов и общее количество строк и после расчетов получают два показателя: вероятность встречаемости (относительная встречаемость на всех площадках разного размера) каждого вида по всем пробным площадкам; разнообразие (вероятность встречаемости из всего перечня видов травы) всех видов травы на каждой пробной площадке разного размера, при этом поведение видов травяных растений изучают по ранговым распределениям относительной встречаемости видов растений на выделенном участке пойменного луга, а показатели относительной встречаемости каждого вида по всем пробным площадкам и количества видов на одной пробной площадке показывают качество травяного покрова на участке по биоразнообразию.

Статистическим моделированием выявляют ранговые распределения по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию видов травы на каждой пробной площадке данного участка по общему закону рангового распределения в виде закона экспоненциальной гибели

где Y - показатель встречаемости вида травы по всем пробным площадкам или же разнообразия видов по каждой пробной площадке,

R - шкала рангового распределения, причем R=0,1,2,…,

а ₁ - наилучшее значение показателя для одного из видов травы или же для одной пробной площадки на участке поймы малой реки,

а ₂ - активность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам,

а ₃ - интенсивность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам.

Сущность технического решения заключается в том, что для подсчета разнообразия видов на всем выделенном участке пойменного луга выделяются точки будущих центров комплексных пробных площадок. Затем в каждом центре комплексных пробных площадок концентрически устанавливают рамки с разными размерами сторон, например, 0,50×0,50, 1,00×1,00, 1,50×1,50 и 2,00×2,00 м. Квадратные рамки устанавливают с ориентацией сторон вдоль и поперек русла малой реки или ее притока. При этом общее количество пробных площадок с минимальными размерами 0,50×0,50 м на участке луга должно быть не менее 4 м². Поэтому количество комплексных пробных площадок рассчитывают исходя из деления минимально допустимой площади в 4 м² на площадь наименьшей пробной площадки площадью 0,25 м². Площадь одного изучаемого участка должна быть не более 3 га. При этом минимальная площадь всех пробных площадок может быть не менее 4 м². Тогда минимальное количество пробных площадок на участке площадью не более 3 га размерами 0,50×0,50 м должно быть не менее 16 шт.

Сущность технического решения заключается также и в том, что опыты по определению видового состава травы можно проводить без срезки проб травы и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения пробной площадки. Это позволяет заложить постоянные пробные площадки. На них приходится только сосчитать количество видов травы. Для этого в центрах пробных площадок забиваются колышки с указанием номера.

Сущность технического решения заключается еще и в том, что статистическим моделированием выявляют ранговые распределения по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию (относительной встречаемости) видов травы на каждой пробной площадке данного участка.

Сущность технического решения заключается еще и в том, что выявляют закономерность по ранговым распределениям влияния общей площади всех пробных площадок на встречаемость вида на измеряемом участке площадью не более 3 га и влияния площади каждой пробной площадки размерами 0,50×0,50 м площадью в 0,25 м², 1,00×1,00 м площадью в 1,00 м, 1,50×1,50 м площадью в 2,25 м² и 2,00×2,00 м и площадью в 4,00 м² на разнообразия видов травы.

Сущность технического решения заключается еще и в том, что обозначают колышком центр каждой комплексной пробной площадки с четырьмя указанными выше размерами. Для упрощения процесса установления пробной площадки изготовляют квадратные шаблоны из деревянных реек. На выбранную точку местности с колышком накладывают все четыре шаблона с разным внутренним сечением концентрически и после сосчитывают внутри каждого шаблона количество видов растений. Для счета по каждому размеру пробных площадок применяют таблицу, в которой по строкам указывают произвольный список видов травы по всем пробным площадкам, а по столбцам по номерам пробных площадок отмечают числом 1 наличие того или иного вида травы. В итоге получают столько таблиц, сколько концентрически расположенных квадратных пробных площадок расположены на выбранных на участке луга комплексных пробных площадок.

Сущность технического решения заключается еще и в том, что по всем столбцами строкам проводят суммирование 1, а также суммирование по столбцам и строкам для вычисления коэффициента коррелятивной вариации делением общей суммы клеток таблицы с 1 на общее количество клеток во всей таблице. По данным каждой таблицы изменение коэффициента коррелятивной вариации К в зависимости от общей площади S всех пробных площадок определяется формулой закона экспоненциального роста.

Этот показатель является универсальным и может применяться для сравнения не только разных по размерам пробных площадок на одном участке пойменного луга, но также и разных участков на одной реке и даже на разных реках.

Затем полученные суммы по столбцам и строкам делят на общее количество столбцов (пробных площадок) и общее количество строк (перечень видов травы). После расчетов получают два показателя: Р - вероятность встречаемости (относительная встречаемость на всех площадках разного размера) каждого вида по всем пробным площадкам; В - разнообразие (вероятность встречаемости из всего перечня видов травы) всех видов травы на каждой пробной площадке разного размера.

Таким образом, поведение травяных растений вполне можно изучать по ранговым распределениям относительной встречаемости видов растений Р и В на выделенном участке пойменного луга. При этом не требуется выполнять геодезических измерений и тем более не нужно срезать траву с пробных площадок.

Причем видовой состав вполне можно изучать на множестве пробных площадок размерами 0,50×0,50 м. Площадь одного изучаемого участка должна быть не более 3,00 га. При этом минимальная площадь всех пробных площадок не может быть менее 4 м². Тогда минимальное количество пробных площадок на участке площадью не более 3 га размерами 0,50×0,50 м должно быть не менее 16 шт.

Положительный эффект достигается тем, что показатели относительной встречаемости каждого вида по всем пробным площадкам и количества видов на одной пробной площадке показывает качество травяного покрова на данном мозаичном участке по биоразнообразию. Доказано, что видовой состав травы на участке площадью менее 3 га вполне можно изучать на множестве пробных площадок размерами 0,50×0,50 м в количестве 16 штук. Такая малая пробная площадка значительно экономит время на перечет видов травы. Выявление математической связи по ранговому распределению видового состава происходит по показателю относительной встречаемости видов на пробных площадках пойменного луга. При этом участок пойменного луга принимается за цельный объект исследования. Сравнение разных участков выполняется по коэффициенту коррелятивной вариации.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые доказаны закономерности рангового распределения относительной встречаемости видов на всем участке пойменного луга и на каждой пробной площадке. Доказано, что пробные площадки размерами 0,50×0,50 м в количестве 16 штук дают репрезентативную статистическую выборку для выявления закономерностей ранговых распределений встречаемости видов. Коэффициент коррелятивной вариации, полученный по совокупности не менее 16 пробных площадок размерами 0,50×0,50 м, позволяет сравнивать участки одной и той же реки или даже разных малых рек между собой. Показатели относительной встречаемости видов растений по ранговым распределениям позволяют оценить экологическое качество территории участка на пойменном лугу.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг. 1 приведена схема концентрического расположения четырех квадратных пробных площадок относительно одного центра в виде колышка комплексной пробной площадки; на фиг. 2 дана схема выделенного участка с тремя створами измерений по течению водотока малой реки Манага, где 1-18 - номера комплексных пробных площадок; на фиг. 3 показаны графики ранговых распределений по двум показателям: Р - вероятность встречаемости (относительная встречаемость на всех площадках разного размера) каждого вида по всем пробным площадкам; В - разнообразие (вероятность встречаемости из всего перечня видов травы) всех видов травы на каждой пробной площадке разного размера; на фиг. 4 - график изменения коэффициента коррелятивной вариации К в зависимости от общей площади S всех пробных площадок; на фиг. 5 - графики изменения значений параметров модели (9) в виде коэффициентов а₁, а₂, а₃ и остатки по ним; на фиг. 6 - графики изменения разнообразия В в зависимости от площади одной пробной площадки по параметрам модели a₁, а₂, а₃ и остатки по ним.

Способ определения размеров пробных площадок по результатам анализа видового состава луговой травы содержит следующие действия.

Вначале визуально изучают травяной покров на данной территории пойменного луга и намечают места со створами измерений и комплексными пробными площадками относительно них поперек малой реки. При этом размечают не меньше трех створов и не меньше трех комплексных пробных площадок с каждой стороны малой реки. По течению малой реки или ее притока за естественные характерные места принимают излучины и другие формы руслообразования малой реки или ее притока.

На изучаемом пойменном лугу размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении с расстояниями между ними по течению малой реки или ее притока не более 100-кратной ширины зеркала воды в летнюю межень. А комплексные пробные площадки располагают на промежутках не менее чем 10 м между собой и от кромки зеркала воды прибрежных пробных площадок. Вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех комплексных пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, причем нумерацию пробных площадок проводят от левого берега к правому при нахождении наблюдателя лицом по течению малой реки или ее притока.

Вначале осмотром всего выделенного участка глазомерно устанавливают общий список всех видов травы. Для идентификации всех видов составляют методическое пособие путем выбора видов растений из атласа или из других источников информации. Такой заранее заготовленный видовой состав всех возможных видов травяных и травянистых растений на данной малой реке значительно ускоряет работу.

Для подсчета разнообразия видов травяных растений на участке пойменного луга выделяют точки будущих центров комплексных пробных площадок. Затем в каждом центре комплексных пробных площадок забивают колышки и концентрически устанавливают квадратные рамки с разными размерами сторон, причем квадратные рамки устанавливают с ориентацией сторон вдоль и поперек русла малой реки или ее притока. Затем внутри каждой квадратной рамки сосчитывают количество видов травы и записывают в таблицу для каждого размера пробных площадок, в которой по строкам указан список всех видов травы, а в столбцах указаны номера комплексных пробных площадок. После этого по строкам и столбцам вычисляют суммы видов и пробных площадок, по этим суммам вычисляют отношения к общей сумме видов и к общей сумме всех комплексных пробных площадок. Затем статистическим моделированием выявляют ранговые распределения по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию видов травы на каждой пробной площадке данного участка. После этого вычисляют общую сумму видов по всей таблице и вычисляют делением на сумму всех клеток таблицы по видам и комплексным пробным площадкам коэффициент коррелятивной вариации.

В каждом центре комплексных пробных площадок концентрически устанавливают рамки с разными размерами сторон, например 0,50×0,50, 1,00×1,00, 1,50×1,50 и 2,00×2,00 м, обозначают колышком центр каждой комплексной пробной площадки с четырьмя указанными выше размерами. При этом для упрощения процесса установления пробной площадки изготовляют квадратные шаблоны из деревянных реек, причем на выбранную точку местности с колышком накладывают все четыре шаблона с разным внутренним сечением концентрически и после сосчитывают внутри каждого шаблона количество видов растений. Для записи результатов счета по каждому размеру пробных площадок применяют таблицу, в которой по строкам указывают произвольный список видов травы по всем пробным площадкам, а по столбцам по номерам пробных площадок отмечают числом 1 наличие того или иного вида травы. После этого получают столько таблиц, сколько концентрически расположенных квадратных комплексных пробных площадок расположены на участке луга.

Общее количество пробных площадок с минимальными размерами 0,50×0,50 м на участке луга должно быть не менее 4 м². Поэтому количество комплексных пробных площадок рассчитывают исходя из деления минимально допустимой площади в 4 м² на площадь наименьшей пробной площадки площадью 0,25 м². Причем площадь одного изучаемого участка на малой реке или ее притоке должна быть не более 3 га, при минимальной площади всех пробных площадок размерами 0,50×0,50 м в 4 м² количество комплексных пробных площадок должно быть не менее 16 шт.

Выявляют закономерность по ранговым распределениям влияния общей площади всех пробных площадок участка луга на встречаемость вида на измеряемом участке площадью не более 3 га и влияния площади каждой пробной площадки размерами 0,50×0,50 м площадью в 0,25 м², 1,00×1,00 м площадью в 1,00 м², 1,50×1,50 м площадью в 2,25 м² и 2,00×2,00 м и площадью в 4,00 м² на показатели встречаемости и разнообразия видов травы.

Опыты по определению видового состава травы проводят без срезки проб травы и без измерений расстояний поперек, вдоль и по высоте расположения пробной площадки, что позволяет заложить постоянные комплексные пробные площадки для изучения динамики видового состава. А на комплексных пробных площадках с разными концентрически расположенными рамками сосчитывают количество видов травы из общего списка всех видов травы на данном участке или на нескольких участках вдоль малой реки или ее притока.

По всем столбцам и строкам каждой таблицы проводят суммирование чисел 1, а также суммирование по столбцам и строкам всех сумм 1 для вычисления коэффициента коррелятивной вариации делением общей суммы клеток таблицы с 1 на общее количество клеток во всей таблице. Причем по данным каждой таблицы изменение коэффициента коррелятивной вариации в зависимости от общей площади всех пробных площадок определяется формулой закона экспоненциального роста. При этом этот показатель является универсальным и может применяться для сравнения не только разных по размерам пробных площадок на одном участке пойменного луга, но также и разных участков на одной реке и даже на разных реках.

Полученные суммы по столбцам и строкам делят на общее количество столбцов и общее количество строк и после расчетов получают два показателя: вероятность встречаемости (относительная встречаемость на всех площадках разного размера) каждого вида по всем пробным площадкам; разнообразие (вероятность встречаемости из всего перечня видов травы) всех видов травы на каждой пробной площадке разного размера. При этом поведение видов травяных растений изучают по ранговым распределениям относительной встречаемости видов растений на выделенном участке пойменного луга, а показатели относительной встречаемости каждого вида по всем пробным площадкам и количества видов на одной пробной площадке показывают качество травяного покрова на участке по биоразнообразию.

Статистическим моделированием выявляют ранговые распределения по двум показателям: относительной встречаемости каждого вида на всех пробных площадках и разнообразию видов травы на каждой пробной площадке данного участка по общему закону рангового распределения в виде закона экспоненциальной гибели

где Y - показатель встречаемости вида травы по всем пробным площадкам или же разнообразия видов по каждой пробной площадке,

R - шкала рангового распределения, причем R=0,1,2,…,

а ₁ - наилучшее значение показателя для одного из видов травы или же для одной пробной площадки на участке поймы малой реки,

а ₂ - активность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам,

а ₃ - интенсивность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам.

Пример. Объект исследования - земельные участки на территории племенного завода «Азановский» Медведевского района Республики Марий Эл с растительным покровом в травяной пойме реки Манага.

Предмет исследования - закономерности влияния размеров пробных площадок на видовой состав травяного покрова (фиг. 1).

Манага - левый приток Малой Кокшаги, длина реки 27 км, площадь водосбора 194 км². Участок по течению реки Манага расположен с северо-востока на юго-запад. Пойма реки - для выпаса скота и сенокошения.

Опыты были проведены летом 2013 года. Нами был выбран метод концентрически расположенных пробных площадок размерами 0,50×0,50 м площадью в 0,25 м², 1,00×1,00 м площадью в 1,00 м², 1,50×1,50 м площадью в 2,25 м² и 2,00×2,00 м и площадью в 4,00 м². Для соблюдения постоянных условий отбор проб на пойменном лугу предложено проводить в период созревания травы.

Для количественного учета растительности, прежде всего, необходимо определить видовой состав биоценоза, выявить характер распределения растений по площади у пробных площадок с разными сторонами.

Сначала визуально была изучена с обеих сторон береговая линия малой реки Манага и травяной покров на пойменном лугу, далее натурно были намечены места расположения восемнадцати пробных площадок пойменного луга (фиг. 2). По течению реки выбирали три створа и с каждого створа по обеим сторонам реки по три пробы.

На выбранном первом створе, на расстоянии 90 м от кромки воды, обозначаем колышком центр первой комплексной пробной площадки с четырьмя указанными выше размерами. Для упрощения процесса установления пробной площадки, были изготовлены квадратные шаблоны из деревянных реек. На выбранную точку местности с колышком накладывали все четыре шаблона с разным внутренним сечением концентрически и после этого проводим учет видов растений.

Всего на всем участке оказались 32 вида. Поэтому наличие всех 32 видов травяных и травянистых растений приведено полностью в таблицах 1-4. Нумерация видов была произвольной.

В этих таблицах имеются следующие условные обозначения:

Р - вероятность встречаемости (относительная встречаемость на 18 площадках разного размера) каждого вида по всем пробным площадкам;

В - разнообразие (вероятность встречаемости из 32 видов) всех видов травы на каждой пробной площадке разного размера.

Ранговые распределения встречаемости вида на участке и разнообразия видов травы на пробной площадке.

В таблицах 5-8 даны ранговые распределения показателей Р и В.

Значения этих показателей расставлены по рангам, которые приняты по вектору предпорядка предпочтительности «лучше → хуже». Чем больше количество пробных площадок (относительно 18 площадок Р), на которых встречается данный вид растения, тем экологически ровнее данный участок луга. Также чем больше разнообразие В (относительно общего количества 32 видов), тем экологически устойчивее травяной биоценоз на данном участке поймы реки.

По данным таблицы 5 были получены две формулы по закону экспоненциальной гибели (фиг. 3):

По данным таблицы 6 были получены две формулы по закону экспоненциальной гибели (фиг. 3):

Видно, что параметры модели зависят от размера пробных площадок. При этом конструкция статистической модели не изменяется.

По данным таблицы 7 были получены две формулы по закону экспоненциальной гибели (фиг. 3):

Таким образом, существует фундаментальный закон рангового распределения для значений у обоих показателей, причем по обоим показателям одинаковый - это модифицированный нами закон Лапласа.

По данным таблицы 8 были получены две формулы по закону экспоненциальной гибели (фиг. 3):

В итоге, как по видам травы, так и по пробным площадкам существует общий закон рангового распределения

где Y - показатель встречаемости вида травы по всем пробным площадкам или же разнообразия видов по каждой пробной площадке,

R - шкала рангового распределения, причем R=0,1,2,…,

а ₁ - наилучшее значение показателя для одного из видов травы или же для одной пробной площадки на участке поймы малой реки ли el притока,

а ₂ - активность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам,

а ₃ - интенсивность экспоненциального спада значений показателя по видам травы или же по пробным площадкам.

Общая характеристика популяции видов травы.

Участок луга занимает с обеих сторон поперек малой реки 210 м, а вдоль реки три створа на расстоянии 150 м. Общая площадь участка с 18 комплексными пробными площадками равна 210×150=31500 м²=3,15 га. По существующей методике для определения состава видов травяного покрова требуется как минимум одна пробная площадка размерами 2,00×2,00 м или 4 м².

В нашем способе для определения оптимальных размеров у множества пробных площадок выполняют подсчет видов травы в четырех концентрически расположенных квадратах.

На 18 площадках в таблицах 1-4 встречается разное количество заполненных клеток (132, 135, 133 и 155) по наличию данного вида травы (табл. 9).

Теоретически могут быть заполненными все 32×18=576 клеток. Тогда коэффициент коррелятивной вариации, например, для всех 18 площадок размерами 0,50×0,50 м по численности видов травы равен 132/(32×18)=132/576=0,2292.

Этот показатель является универсальным и может применяться для сравнения не только разных по размерам пробных площадок на одном участке пойменного луга, но также и разных участков на одной реке и даже на разных реках. Причем по нашим экспериментам получается, что площадь одного участка при 18 пробных площадках должна быть не более 3,00 га. При этом минимальная площадь всех пробных площадок не может быть менее 4 м². Тогда минимальное количество пробных площадок на участке площадью не более 3 га размерами 0,50×0,50 м должно быть не менее 4/0,25=16 шт.

По данным таблицы 9 изменение коэффициента коррелятивной вариации К в зависимости от общей площади S всех пробных площадок (фиг. 4) определяется формулой

В отличие от общей формулы (9) формула относится к экспоненциальному закону роста и показывает, что с увеличением общей площади всех пробных площадок от 4,50 до 72 м² коэффициент коррелятивной вариации непрерывно растет. Из графика на фигуре 4 видно, что этот рост происходит с адекватностью по коэффициенту корреляции (в правом верхнем углу графика) r=0,9326. Формула (10) относится к сильнейшей факторной связи.

Но, по-видимому, выше 72 м² значение коэффициента К достигнет предела. Для определения такого предела нужно весь участок площадью 31500 м² представить как одну макропробную площадь и подсчитать в дальнейшем весь состав травяных растений. Пока по уравнению (10) предела изменения коэффициента К не наблюдается.

Встречаемость вида травы на участке.

Далее из данных таблицы 9 рассмотрим изменение значений параметров модели (9) в виде коэффициентов а₁, а₂ и а₃ (фиг. 5).

По первому параметру а_х четко видно, что стабильные два значения наблюдаются для пробных площадок размерами 0,50×0,50 ми 1,00×1,00 м.

По двум другим параметрам модели (9) оптимум находится на площадке размерами 1,00×1,00 м. В таблице 9 этот размер выделен. Тогда отношение 100×18 м²/31500 м²=0,05714% определяет относительную часть участка под рациональными пробными площадками. Однако, как по коэффициенту К, для доказательства нужны новые эксперименты с площадками с размерами более двух метров.

Разнообразие видов травы на пробной площадке. В таблице 10 приведены данные по изменению разнообразия В в зависимости от площади одной пробной площадки (фиг. 6).

После структурно-параметрической идентификации были получены формулы для расчета разнообразия видов травы на одной пробной площадке, отличающиеся от общей модели (9):

а ₁=0,23925+0,084899s^0,30523,

а ₂=0,04641s^0,44731,

а ₃=55586,12ехр(-12,89073s^0,12353)+1,38315.

В наилучшем случае будет R=0. Тогда В₀=а₁. При условии s=0 будет . Тогда получается, что разные участки на однотипных пойменных лугах на одной малой реке по многим ее притокам можно сравнивать по наилучшей (из всех опытных участков) по разнообразию пробной площадке.

При условии s>0 будет сложная зависимость по формуле (11). При этом параметры модели а₁ и а₂ будут возрастать, а параметр а₃ приближаться к постоянному значению 1,38315.

Выбор размера пробной площадки.

По предварительному анализу получилось, что наилучшим является пробная площадь размерами 1,00×1,00 м (табл. 9). Для окончательного выбора рассмотрим максимумы и минимумы ранговых распределений по данным таблиц 5-8, которые приведены в таблице 11.

Для ранговых распределений было R_{P min}=0 и R_{B min}=0.

Сравнение показывает, что пробная площадь 0,50×0,50 м ни в чем не уступает пробной площадке 1,00×1,00 м, кроме фактического значения максимума разнообразия B_max на 100(0,3125-0,3438)/0,3438=- 9,10%. Такая относительная погрешность при условии R_B=0 мала. При этом на площадках размерами 0,50×0,50 м трудоемкость измерений состава травяного покрова по видам будет меньше в четыре раза.

При этом положительным является то, что длина статистического ряда уменьшается на 100(7-5)/7=28,57%.

Таким образом, поведение травяных растений вполне можно изучать по изменению ранговых распределений относительной встречаемости видов растений на выделенном участке пойменного луга. При этом не требуется выполнять геодезических измерений и тем более не нужно срезать траву с пробных площадок. Причем видовой состав вполне можно изучать на множестве пробных площадок размерами 0,50×0,50 м.

Площадь одного изучаемого участка должны быть не более 3,00 га. При этом минимальная площадь всех пробных площадок не может быть менее 4 м². Тогда минимальное количество пробных площадок на участке площадью не более 3 га размерами 0,50×0,50 м должно быть не менее 16 шт.

Предлагаемое изобретение упрощается по исполнению и дает возможность ежегодного (и даже в вегетационный период для изучения годичной динамики видового состава) экологического мониторинга разных участков пойменного луга. Причем, как оказалось, разные однотипные участки с различными уровнями антропогенного воздействия на пойменных лугах малой реки и ее притоков не оказывают влияния на видовое разнообразие и это дает возможность изучать малую реку по выделенным участкам не более 3 га.