CC BY
53
экология
УДК 57.087:581.526.325.3(262.81)
В. Н. Винникова, А. Ф. Сокольский Астраханский государственный технический университет
ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ И РАЙОНА МОРЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАЗНООБРАЗИЯ ФИТОПЛАНКТОННЫХ СООБЩЕСТВ
СРЕДНЕГО КАСПИЯ
Введение
Фитопланктон как первичное звено пищевой цепи в значительной мере определяет биопродуктивность всех водоемов [1]. Исследования в этой области проводились многими учеными как в полевых, так и в лабораторных условиях. Многочисленные построения физико-экологических моделей Каспия подтвердили только то, что объект является очень сложным для моделирования. Адекватно описать в рамках таких моделей удается преимущественно гидрологические процессы, и частично то, что связано с фитопланктоном, а более высокие звенья пищевых цепей моделированию поддаются значительно хуже. Именно поэтому целесообразна разработка модифицированных и новых методов анализа накопленных данных по фитопланктону (как первичного звена пищевой цепи). Одним из этих методов является дисперсионный анализ.
Задачей данного исследования в связи с вышеизложенным является дисперсионный анализ для определения влияния температуры, а также района моря на показатели разнообразия и величину биомассы фитопланктона Среднего Каспия.
Материал и методы исследования
Результаты по фитопланктонным сообществам, используемые нами для проведения расчетов, были получены сотрудниками КаспНИРХ. Использовалась стандартная сетка станций. Для исследования были взяты пробы фитопланктона на поверхности Среднего Каспия, которые экспедиция научных сотрудников отбирала по разрезу Махачкала - мыс Сагындык в разные годы - 1989, 1993,2000,2001.
При сборе фитопланктона использовался осадочный метод, впервые примененный П. И. Усачевым в 1924 г. во время изучения Черного и Азовского морей. Далее работники лаборатории проводили качественный и количественный анализ проб фитопланктона.
Для оценки влияния температуры воды на показатели разнообразия мы использовали метод однофакторного дисперсионного анализа [2]. Наряду с относительно простыми способами сравнения одной выборки с другой в исследовательской работе встречаются и более сложные -приходится сравнивать одновременно несколько выборок, объединяемых в единый статистический комплекс. Р. Фишер (1925) предложил метод комплексной оценки сравниваемых средних, получивший название дисперсионного анализа. Этот метод основан на разложении общей дисперсии статистического комплекса на составляющие ее компоненты, сравнивая которые друг с другом посредством Б-критерия можно определить, какую долю общей вариации учитываемого (результативного) признака обусловливает действие на него как регулируемых, так и не регулируемых в опыте факторов.
Однофакторные дисперсионные комплексы могут быть равномерными и неравномерными. Независимо от этого техника дисперсионного анализа однофакторных комплексов сводится главным образом к расчету показателей варьирования, которыми в области дисперсионного анализа служат средние квадраты отклонений, или дисперсии, а также к расчету групповых средних и общей средней арифметической для всего комплекса [2]. Обычно дисперсионный анализ однофакторных дисперсионных комплексов проводят по следующей схеме:
1. Первичные данные, подлежащие дисперсионному анализу, группируют в виде комбинационной таблицы, в которой градации организованного (регулируемого) фактора А обычно располагают по горизонтали в верхней части таблицы, а числовые значения признака Х, т. е. варианты х, или даты, размещают соответственно по градациям фактора А.
2. Сгруппировав исходные данные, приступают к расчету вспомогательных величин
Ех, Е (Е х)2 и Ех2.
N а _
3. Затем переходят к расчету девиат: Бу = Е xi2 - Н ; Ол = пЕ хг2 - Н ; Бе = Бу - Бл .
1=1
Повторяемая в этих формулах величина Н = (Е xi )2 /Л , где xi - варианты, или даты, входящие в состав комплекса; N = Е п - общее число наблюдений или объем комплекса; п - численность
вариантов xi в каждой из градаций дисперсионного комплекса; Ол - факториальная девиата, характеризующая межгрупповое варьирование не вообще, а применительно к конкретному фактору, который здесь обозначается буквой А.
4. Закончив расчет девиат, переходят к определению чисел степеней свободы к, которые равны: ку = N - 1 для общего варьирования; кл = а - 1 для факториального варьирования; ке = = (Л - 1) - (а - 1) = N - а для остаточной вариации. Буквой а обозначено число градаций фактора А.
5. Делением девиат на соответствующие числа степеней свободы получают выборочные
^л - общая для всего комплекса; $л2 = - межгрупповая, или фактори-
а-1
N - а
внутригрупповая, или остаточная.
6. Наконец, определяют дисперсионное отношение Г = ял2 /яе2 (при ял2 > яе2), по которому судят о действии фактора А на результативный признак. Так как фактически полученное дисперсионное отношение ( Гф = 5л2/ яе2) является величиной случайной, его необходимо сравнить с табличным (стандартным) значением критерия Фишера для принятого уровня значи-
мости а и чисел степеней свободы кл и ке. Нулевую гипотезу отвергают и эффективность действия фактора А на результативный признак Х признают статистически достоверной, если Гф > Г ; в противном случае отвергать нулевую гипотезу нельзя.
Результаты и обсуждение
Группировка исходных данных для проведения дисперсионного анализа в соответствии с задачей исследования представлена в табл. 1.
Таблица 1
Группировка данных для проведения дисперсионного анализа влияния температуры воды на показатели разнообразия
Показатели разнообразия по численности видов
Интервал температу р воды, °С — от...до...
18-20 20-22 22-24 24—26
0,6 0,619 0,723 0,444
0,729 0,685 0,62 0,534
0,517 0,535 0,561 0,754
0,568 0,862 0,546
0,828 0,779 0,697
0,463
0,777
0,806
0,888
0,882
0,897
0,854
0,738
0,791
0,674
0,511
0,706
2
Сила влияния температуры воды на показатели разнообразия рассчитывается следующим образом: ha2 = Da/Dy = 0,026/1,209 = 0,0215, или 2,15 %.
Это еще раз подтверждает, что температура воды влияет очень слабо - примерно на 2,15 % по отношению к другим факторам.
Для оценки силы влияния района исследования на показатели разнообразия (по численности индивидуальных видов) нами также был выполнен дисперсионный анализ [2]. При этом в качестве западного района рассматривались станции, расположенные между меридианами от 47° 30' до 48° 40' в. д.; в качестве центрального - от 48° 40' - 49° 50' в. д.; в качестве восточного -от 49° 50' - 51° в. д.
Однофакторный дисперсионный анализ проводился по соответствующей методике [2] с использованием пакета анализа из Microsoft Excel [3], где реализована аналогичная методика. Группировка данных для проведения дисперсионного анализа, а также его конечные результаты для отдельных лет исследования и в целом за 4 года сведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Группировка данных для проведения дисперсионного анализа влияния района моря на показатели разнообразия
Район моря
западный, 47° 30'—48° 40' в. д. центральный, 48° 40'—49° 50' в. д. восточный, 49° 50'—51° в. д.
0,511 0,854 0,806
0,674 0,897 0,888
0,791 0,882 0,463
0,738 0,546 0,723
Показатели разнообразия по численности видов 0,444 0,697 0,619
0,534 0,549 0,62
0,754 0,801 0,779
0,777 0,561 0,828
0,109 0,535 0,862
0,706 - 0,517
0,294 - -
0,222 - -
0,6 - -
0,568 - -
0,685 - -
0,729 - -
Таблица 3
Сила влияния района моря на показатели разнообразия
Год Сила влияния, %
1989 64,8
1993 0,72
2000 61,8
2001 54,8
За 4 года 13
Видно, что для трех лет из четырех (1989, 2000, 2001) показатель влияния района превышает 50 %, что достаточно много. И лишь в 1993 г. он является невысоким. В то же время аналогичный показатель за 4 года невелик. Такие результаты можно было бы интерпретировать следующим образом: в рамках одного года (в период исследования) гидробиологические условия развития фитопланктона в выделенных трех районах (восточном, центральном и западном) существенно различаются, а имеющиеся течения не приводят к значительному «размытию» границ районов за счет переноса фитопланктона [4]; низкий показатель для четырех лет в целом должен быть объяснен преимущественно межгодовыми различиями условий (гидробиологических и гидрологических) развития фитопланктона.
экология
Заключение
В ходе исследований мы использовали как традиционные методы математической статистики, так и нетрадиционные подходы, которые следует отнести к области биометрии. Одним из таких подходов является оценка биоценозов с использованием индексов разнообразия. Результаты расчетов этих индексов были нами проанализированы в комплексе с традиционными характеристиками фитопланктонных сообществ - с температурой воды и районом моря.
По результатам расчетов на основании дисперсионного анализа данных исследования проб фитопланктона по разрезу «Махачкала - мыс Сагындык» Среднего Каспия за теплый сезон (август - октябрь) можно сделать следующие выводы:
— связь между температурой воды и показателями развития фитопланктона (численностью и биомассой), судя по результатам расчетов, практически отсутствует (для исследованного интервала температур);
— район моря значительно влияет на показатели разнообразия фитопланктона Среднего Каспия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Букварева Е. Н., Алещенко Г. М. Принцип оптимального разнообразия биосистем // Успехи современной биологии. - 2005. - Т. 125, № 4. - С. 34.
2. Лакин Г. Ф. Биометрия. - М.: Высш. шк., 1990. - 352 с.
3. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. - СПб.: Питер, 1997. - 240 с.
4. Косарев А. Н. Особенности гидрологических условий Каспийского моря в связи с экологией // Материалы 4-й Ассамблеи Ассоциации университетов Прикаспийских государств, Махачкала, 7-11 сент. 1999 г. - Махачкала, 1999. - С. 145-147.
Статья поступила в редакцию 20.12.2006
THE DISPERSIVE ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF WATER TEMPERATURE AND PART OF THE SEA ON THE PARAMETERS OF PHYTOPLANKTON COMMUNITIES VARIETY LIVING IN THE MIDDLE OF THE CASPIAN SEA
V. N. Vinnikova, A. F. Sokolsky
An attempt to analyse the stored data on phytoplankton with the use of traditional methods of mathematical statistics and non-traditional approaches, which should be attributed to the sphere of biometrics is undertaken in the paper. As a result of the calculations received by means of the dispersive analysis of the data on a cut "Makhachkala - cape Sagyndyk", carried out in the middle of the Caspian sea, for a warm season, revealed that there is not any connection between water temperature and parameters of phytoplankton development (for the investigated interval of temperatures). This or that part of the sea considerably influences the parameters of phytoplankton variety.
