生态学研究方法topic2

生态学研究方法（硕士生学位课）陈欣浙江大学生命科学学院农业生态研究所联系电话：6971154（O)7997840(H)课程简介（Introduction)1课程安排课程以课堂讲述和实验操作两种形式进行课堂：以专题的形式讲述（30学时）实验：学生独立完成实验设计、实验过程和实验结果分析，并写出实验报告（24学时）考核形式：闭卷考试（50%）和实验操作（50%）相结合教学手段：多媒体教学上课时间：4~6月，共同商量后定要求：做课堂笔记、看资料2讲课内容第一讲生态学研究方法概述（3学时）第二讲野外调查方法（3学时）第三讲种群结构与过程研究方法（3学时）第四讲群落结构与物种多样性的研究方法（3学时）第五讲生态系统能流与物流的研究方法（3学时）第六讲生态系统生产力的研究方法（3学时）第七讲模型分析（3学时）第八讲生态学方法的发展（3学时）第九讲生态学文献分析（3学时）第十讲生态学方法论问题（3学时）3实验内容（24学时）（1）取样技术（2）Logistc增长观测与模型建立（3）植物群落生物多样性调查种群（4）生态系统能量流动与物质循环分析（5）生态系统生产力测定（6）模拟模型第二讲野外调查与观测方法一、为什么要调查二、如何描述生境三、取样技术四、野外观测基本方法五、野外调查中最容易发生的错误六、参考文献一、为什么要调查决定进行一次调查有许多理由：了解一个生境（区域）的重要性一个种群的大小及对生境需求群落的变化物种减少的原因了解生境管理是否成功了解种群的动态机制…………………….例如：一个国家的对保护某一物种的重要性；一个国家里那些区域是关键的，其中那些地段有时最主要的例、卡纳岛石鶺（Saxicoladacotiae）的调查Bibby和Hill（1987）研究了石鶺的种群和对生境的需求。随机选取21个小区，每个小区由12个1km2正方网格组成。在每个正方形网格中调查2-3小时，足以判断这一易辨认的所有个体，同时记录各网格中的生境特点。通过这样的调查，可以得出该种群的总数为750±100对。例、Brecklood石楠群落变化调查Breckland是英格兰东部具有较大保护价值的处于演变早期阶段的石楠灌丛低洼地。科学家采用多种方法调查发现，29%~93%的种群消失，原以地衣和一年生草本植物为特征的群落向着争竞性强的禾草、灌木和乔木群落发展。例、银斑跃蝶的衰退原因记录显示银斑跃蝶在英国半自然草地中的许多地区消失。野外调查发现，银斑跃蝶产卵一般在裸露区的禾本科羊茅叶上。生境比较发现，放牧的生境中银斑跃蝶能生存，而不放牧的草地则种消失。因而引入放牧能使种群数量成功地增加。二、如何描述生境当要了解一个物种或某一生物群落的生态学特性时，首先要对其所存在的生境有一个基本的了解。在这种情况下，应尽可能使用一系列不同的技术，取样应在多个生境和较大的时间范围内进行。例1位于西非的几内亚高地森林区有22种区域性和8种全球性的濒危鸟类。塞拉里昂东南部的Gola森林保护区是鸟类原始生境残存的几片之一，1988-1989年一个调查队研究重要鸟类的生存地。为了达到此目的，采用了多种技术：监视蜂巢以观察Melignomomeisentraui：寻搜树冠以发现：Melignomomannamarulae和campephagalobata通过叫声和在枯枝落叶的刨叶声来判别Agelastesmeleagrides黄昏时观察河床以观察以发现Scotopeliaussheri鸟水边树上的鸟白天观测在岩石和悬崖上观察Picathartesgymnocephalus鸟观察正在开花和结果的树，对与蚂蚁有关的鸟注意蚂蚁群等三、取样技术PopulationSample1Sample2Sample3野外观察和实验常常需取样进行。取样（sampling）是生态学定量研究中一项最基础的工作。因为在种群或在群落水平上，要逐个计量和观察所有的生物体，几乎是不可能的。通常只能采取统计学的取样。取样是生态学观察最经济最科学的一种手段，其目的在于根据总体（population）的某些部分即样本估计总体.因此，取样方法必须正确，否则导致错误判断。一方面要求取样的人在取样过程中不能有任何主观意识，必须随机取样；另一方面，取样应以总体性质为依据，根据总体特点，采取不同的采样方式。在取样中，要考虑二点：（1）立地判识。即确定调查的位置，通过立地的判识才能对抽样做出合适的决策。（2）取样方法。指在取样场所观察记录生物的技巧。记录的资料可以是样本或样地内的绝对数量，分层取样的估计值可种群相对数量的估计值，也可以在记录内只记上“有”或“无”。取样技术包括以下几个方面：（一）样地制图（生境描述）（二）随机样本的获取方法（三）取样类型（四）随机样本分析（一）样地制图不论种群取样或是群落生态学研究，首先要进行环境调查，为了对样区作横向比较以及作为未来变化分析的背景材料，详细绘制研究区的外形图是十分必要的。这种外形图一般包括群落或种群的位置与边界、生物密度、动物巢穴、以及人类和动物活动的痕迹等。1、陆地生境制图陆地外形图绘制法的原理很简单，即通过角度和相距某一观察点的距离来确定一系列的标志点。但要绘出理想的外形图，基本训练是必要的训练时，可选择一块合适的调查区，先绘制一幅草图，标明全部界标，如道路、河流、水塘、小径、岩石、建筑、乔木、灌丛等等，再根据下述任何一种方法绘制轮廓线，即可绘出尽可能精确的外形图。（1）中心点法(2)中心块法（1）水塘制图2、水塘与河流制图（2）河流制图(二)随机样本的获取抽取样本有两种情况：一是主观取样法即根据主观判断选取样本，许多植物群落学家采用这种方法。其优点是迅速简便，对于有经验的调查者有时可得到很有价值的结果。缺点是无法对其估计量进行显著性检验，因而无法确定其置信区间，可靠程度无法预测。•另一种是客观取样法，或叫概率取样法（随机取样）。随机样本可通过二维图选样或随机化样带获得。1、常规定位法（规则取样）下图所示的定方法，是人们野外调查时普遍采用的方法，也称作系统取样法或规则取样法。（三）取样类型（1）五点取样（2）棋盘式取样（3）单对角线取样（4）五点取样(长度)（5）直行式（6）双对角线取样（7）“Z”字形取样（8）平行线（1）五点取样：这一方法适用于调查属性（如生物个体）分布比较均匀的情况，取样样点较少，但取样面积可扩大。（2）对角线取样：单对角线和双对角线样区较大时可用此法，取样数量较多，适用于属性分布比较均匀的随机分布型。（3）棋盘式取样：适用于随机分布或聚集分布中的核心分布型。（4）平行线：有平行线式、直行式（条样式），适用于植株呈均匀分布的人工营造林、作物田等。植被点样法调查时，针架定位一般也用此法。取样时样本数多，样本单位宜小。用于生物属性呈核心分布的类型。（5）“Z”字形取样：适用于聚集分布中的嵌纹分布型。一些边际效应比较明显的种类，如农田中蚜虫、叶螨的调查宜用此法。2随机数字定位法（1）样区坐标化（2）确定随机数字2、样方法取样1、样方法与种-面积曲线（1）样方法（quadratmethod)：是以一定面积的样地作为整个研究区域的代表。样方的形状：样方形状不一定是正方形的，其他形状同样有效。如调查低矮植物群落时，样圆更为有效。还有人发现，长方形样方比方形样方更能反映实际，因为长方形样地可以反映群落更多的变异情况。样方面积的大小：植被调查时，一般情况是生长致密的草原仅需1m2，而稀疏的草原则需4m2或16m2，森林通常采用100m2。岩面苔藓或地衣，可能只需100cm2。样方数目：根据群落的类型、性质和结构而定。取样时，样方越多，代表性越大，但所费人力、物力就越大。取样误差与取样数量的平方成反比，若想减少1/3的误差，就要增加9倍取样数。这种关系可由下图表示。（2）种-面积曲线通过种-面积曲线，可以确定群落调查所需要的最小样方面积。此法开始使用小样方，随后用一组逐渐扩大的巢式样方，逐一统计每个样方面积内的植物种数。如图所示。2样条法植物群落调查中的样条法（transectmethod)与前一节所介绍的样方法类似，是采用一个长方形的条带状样地，或一条线来代表群落种类分布的调查法。样条法有四种：（1）样带（belttransect)：是以长方形作为样地的方式的调查法。（2）样线（linetransect）：是用一根绳子系于所要调查的样区，记录在绳索一边可两边的物种数和个体数。这种方法多用于群落过渡地带，可以节省时间。（3）隔离样条（isolationtransect）：（图）这种方法用于牧场草原，再分成3条，每条宽10m，两边作样条中间为保护区，一条又分成10块10×10m2的小区。（4）层样条（layertransect）：以叫剖面样条（bisect或profilechart），这是调查群落地上地下茎根层次现象的方法。3、点样法点样法（pointframemethod）：适用于草本群落的调查，主要用来测定群落总盖度、各个种的盖度及频度，并据此计算在群落中的相对重要值。点样法的传统工具是一木（或金属）（2.5cm×1.5cm）框针架，上装并排的10根针，各相距10cm，每根针能上下滑动（图）。调查时将此架放在待测草被地面，从一端开始把10根针依次提起，使之从上向下降落，记录测针所接触的植物名称与每种植物的接触次数。4、无样地法无样地法（plotlessmethods）：是不设立样方或样条的调查方法，因而不受样方大小效应的影响，具有代表性强、操作简便、工作量小的优点。特别是山地陡峭，不易拉样方的地段，就更为方便而有效。无样地法有四种（图16-22）：（a）最近个体法（closestindividual），测定随机点到最近个体的距离；（b）最近邻体法（nearestneighbormethod），测定随机个体到最近同种个体的距离；（c）随机成对法（randompairsmethod），测定随机点两边距离最近的两个个体间的距离；（d）中心点四分法（point-centerquartermethod），测定中心点到四个象限最近个体的距离。下表为上述各种取样方法对不同植物的适用性方法乔木灌木草本苔藓地衣藻类种子总计数＋＋？目测盖度*****+样方++***+样带***？？样点**无样地*+？*：表示普遍使用；+通常可使用；？有时可使用；空白表示从不使用3、集群取样（Clustersampling）4、多水平取样（Multi-levelsampling）5、分层取样（Stratifysampling）6、层内或穿过层间的条样带(四)随机样本分析随机样本:如果样本中每一数值从总体中取得时都是随机的，而且每取得一个数值，既不受别的数值影响，也不影响别的数值，这样得到的样本称为简单随机样本（simplerandomsample），简称随机样本或样本,取得随机样本的过程称随机取样。1、简单样方法的取样误差分析（1）误差取样是以样本估计总体，由样本所得的归纳指标，与总体指标之间可以说永远不会完全相等，它们间的差异即取样误差。在野外取样时，样本被抽取后一般再无入样的机会，这样便每个抽取的样本不是独立的，后一次取样依赖于前面的取样，形成无放回取样，即不重复取样。不重复取样的平均数标准误差（S）可由下式计算：（2）取样平均数的置信区间在明确取样误差之后，即指出了样本平均数的误差范围，但这误差范围是没有附以概率保证的，它并不能说明犯1%错误时（即保证99%正确），或允许犯5%错误时的误差范围该是多少。因此，在确定了误差范围之后，还要附以概率的保证。任何一种估值如果不附以概率来说明误差，仍然是没有意义的。置信区间就是以概率的要求来说明样本平均数的误差范围。其理论依据是，当抽取样足够大（n50）时，2、集群取样的误差分析•基础：把每个群组作为一个“组”或一个“处理”来进行方差分析，群组中的样本单位提供种群大小的估计值，用普通的方法即可进行方差分析。估计：S2b=群组间的均方S2w=群组内的均方（误差均方）F=S2b/S2w得到野外调查的总方差估计数CM+UCuCM=取