第一章-绪论-生态学研究方法概述

现代生态学研究方法与技术王文强教授ECOLOGICALMETHODOLOGY延安大学生命科学学院生态学专业多媒体课件系列联系我吧办公地点：延安大学逸夫楼406电话：2332041，13619113816Email：[e-mail]主要参考书Krebs,EcologicalMethodology(2ndedition),1998.Sutherland,生态学调查方法手册，1997，科学技术文献版社.生态学报、生态学杂志（中文）ECOLOGY（英文）Molecularecology(英文）课程讲授内容引言动植物种群数量调查方法种群的空间格局判断方法样方及取样数的确定方法常用抽样技术生态学研究试验设计方法群落、物种多样性及生态位研究方法种群存活率估计方法生态学研究资料的数据转化方法第一章引言•课程性质•生态学研究方法概述•现代生态学发展特点和趋势课程前知识回顾•ECOLOGY的定义？生态学是研究生物有机体与其周围环境(包括生物环境和非生物环境)相互关系的科学。……Haeckel(1869)生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学。……马世骏(1979)分子－个体－种群－群落－生态系统－景观－全球landscape：生态学上的景观是指一定空间范围内，由不同生态系统所组成的，具有重复性格局的异质性地域单元(Forman1986)。•生态学所研究的生物组织水平有哪些？景观Landscape一、生态研究法课程的性质•生态研究法是一门介绍生态学研究中所需的基本方法的原理和操作的应用性课程。–是一门应用性课程，课程体系跨度大。–是介绍研究方法的原理和操作，是要回答做什么？如何做？做得如何？等问题。–课程范围广泛，无绝对界限。一、生态研究法课程的性质–研究方法层出不穷，不断添新，要求研究者紧跟生态学发展步伐，不断吸取新知识、掌握新方法。(阅读文献）–本课程着重于生态学研究中的种群大小估计、空间分布、种群生存率估计、群落研究和数据转换等方法，并且重点是试验调查、设计与计算等普遍使用的方法。而并非是一些具体实验方法介绍。二、生态学研究方法概述1野外观察和定位站–野外观察：是生态学研究的最基本方法–定位观察站•全球变化生态学是现代生态学研究的热点之一，它的研究需要大尺度上的时间和空间数据。•国际地圈－生物圈计划(InternationalGeosphereBiosphereProgramme,IGBP)•美国长期生态研究网络LTER(海拔涉及0－4000m)•中国生态系统研究网络(29个生态站)•LTER目的–在较大地理区域内促进不同学科的合作研究。•LTER涉及的地理区域–美国北部、中部和南部–欧洲西部、中部和东部–东亚–澳大利亚–新西兰Long-TermEcologicalResearchNetwork热带森林，极地苔原，温带森林和沙漠•1993年，LTER召开了第一次会议（workshop)并达成以下共识：–从事长期生态研究的科学家能进行世界范围的交流及信息共享，对监测数据进行全球尺度上的比较和建模。–建立全球长期生态研究站点名录。–鼓励发展建立其它长期生态研究站点。–建立适宜的标准取样和试验设计方法。•中国生态系统研究网络–20世纪80年代始建，包括29个野外定位站，并形成了网络化。–农田–森林–草原–湖泊–海洋–目的：对这些生态系统及其环境因子进行长期监测，研究其结构、功能和动态，以及自然资源的持续利用。2实验方法–原地实验或野外实验：是指自然或半自然条件下通过某些措施获得某些因子的变化对生物的影响。–人工控制实验：是在受控条件下研究各因子对生物的作用。–分子标记技术：探讨种群遗传物质上的变化。•1992年MolecularEcology杂志创刊，认为该年为分子生态学诞生年。二、生态学研究方法概述–分子生态学研究在20世纪50年代后期就已开展，并且主要是进行分子水平的群体遗传学研究和进化生物学研究。•同工酶标记isozyme•DNA分子标记（RAPD,ALFP)•微卫星标记（SSR)–确定种群的源和汇：种群迁移和扩散路线–确定动物的繁殖策略二、生态学研究方法概述3数学模型与数量分析方法“生态学本质上是一门数学”------E.C.Pielou«数学生态学引论»–系统分析及数学模型方法是生态系统研究最理想的方法。只有它才能解决诸如预测系统的行为及提出治理的最佳方案。–生物统计方法在生态学试验和数据分析中不可缺少。–促进生态模型发展的两个重要因素•计算机技术的快速发展•工业化的高速发展•20世纪70年代形成的系统生态学被著名生态学家O.P.Odum誉为“生态学中的革命”•诺贝尔奖获得者朱棣文预言“在今后的几十年中，一部分物理学将会和一些生命科学结合起来，这意味着系统分析和数学模型将占有越来越重要的地位”。三、现代生态学发展特点和趋势1生态学研究有越来越向宏观发展的趋势–生态系统生态学–景观生态学–全球生态学•20世纪60年代，国际生物学计划(InternationalBiologicalProgramme,IBP)•70年代，人与生物圈计划(ManandtheBiosphereProgramme,MAB)•80年代，国际地圈－生物圈计划(IGBP)•这些国际计划均以生态系统为基础，通过生态系统生态学和景观生态学方法，研究生态系统的结构、功能以及人类活动对生态系统的影响。–海洋生物地球化学过程对气候变化的影响–全球气候变化对陆地生态系统的影响•3S技术在宏观生态学研究中得到了广泛利用–GIS–RS–GPS地理信息技术GIS目前应用较广的GIS软件：ArcGISArcViewGISMapinfo地理信息技术GIS系统由一些基本模块和众多扩展模块组成，包括：数据输入：用于采集和处理各种空间数据和属性数据（如，普通地图，航空图片，遥感图像，实测数据、田间调查资料等）数据库管理：用于数据贮存、查询、校验、修改，用数字化表示空间或地图数据是GIS的一个基本特征空间数据的操作和分析：用来分析数据要素层之间和要素层内的关系数据输出：用来显示图形或报表。其中空间数据的操作和分析是GIS的核心模块，也是GIS区别于其它信息系统的根本所在。HistoricalRangeofOakSavannas地理信息系统GISRed-headedWoodpeckerRed-headedWoodpeckerTrendMapFieldSparrowFieldSparrowTrendMapGIS的空间分析功能•DistributionofgypsymothcountsinpheromonetrapsintheAppalachianMts.in1995isshownintherightfigure.Isolatedpopulationsareclearlyvisible.•TheUSForestServiceSlow-the-Spreadprojecthasagoaltoreducetherateofgypsymothexpansionbydetectinganderadicatingisolatedcolonieslocatedjustbeyondtheadvancingpopulationfront.ArcGIS的空间分析功能_Grid统计ArcGIS的空间分析功能_图层与迭加ArcGIS的空间分析功能_图层与迭加遥感(RemoteSensing),是一种不通过直接接触目标物而获取其信息的一种技术。遥感指使用各种传感器（如航空摄像机，卫星扫描仪，微波雷达等）获取和处理地球表面的信息，尤其是自然资源与人文环境方面的信息，其最后反映在所获取的像片或数字影像上。按照遥感器使用的平台可分为：航天遥感技术，航空遥感技术、地面遥感技术。遥感技术卫星遥感_卫星种类通讯卫星气象卫星资源卫星、海洋卫星科学实验卫星军事侦察卫星天空实验室卫星遥感_卫星遥感影像按分辨率可将卫星遥感影像分为高清晰度影像、中清晰度影像和低清晰度影像不同分辨率的卫星影像适用于不同场合。病虫测报中常用的是中低分辨率的地球资源卫星和气象卫星资料。卫星遥感技术的应用地表水系变化、水位动态、土地利用的变化、沙漠的进退和荒漠化、森林的破坏和草场退化等，均可在遥感影像上表现出来。根据图片则可在宏观尺度上进行研究特征的空间分布和时间变化等的研究。如植被在空间和时间上的动态则直接反映了全球、区域和局地环境的变化。迁飞性害虫往往随着暴雨大规模集中降落，暴雨就是这种害虫入侵的一个警示物，而利用卫星监测能形成这种暴雨的冷云的分布，则预警迁飞害虫的降落与危害的主要区域。沙漠蝗的发生与植被状况密切相关，而降水又是植被生长的关键制约因素。从1975年始，FAO就开始利用卫星遥感的植被指数和冷云资料监测降水来检测和监测沙漠蝗栖息地,从而做出蝗情的预警和预报。FAO沙漠蝗信息中心产品：降水分布+雨量1mm;▲小雨,雨量1~20mm;●中雨,雨量20~50mm;□大雨,雨量50mm2003年7月8日12时风云二号（FY—2B）卫星云图2003年7月9日6时风云二号（FY—2B）卫星云图2003年7月9日8时风云二号（FY—2B）卫星云图2003年7月8日08时至7月9日08时24h降水分布2003年7月9日08时至7月10日08时24h降水分布雷达遥感迁飞、迁徙途径观测X频带昆虫雷达(3.2cm波长)Q频带昆虫雷达(8.8mm波长)中国农科院植保所廊坊观测场雷达观测图廊坊基地姊妹灯诱虫雷达观测昆虫迁飞的辅助设备载网氦气球用充氦悬系气球空中取样低探设备示意图从图中可见其中的天线部分和白色的工作室（包括数据采集和处理装置在内的各种电子设备置于其内）和其上的自动气象站。观测场当地的工作人员每周去一次或两次更换光碟，基地工作人员每年到观测场2~4次做保养和维护。因监测对象是夜间迁飞种类，故所有的初级和深度分析都在第二天早上进行，分析结果立即上传到基地的IMR网页上以图形化显示。安装在澳大利亚昆士兰州Thargomindah观测场的IMR怎么用VLR/IMR监测？_雷达遥测同时采集200-1400m高度8-16个高度的信号,垂直分辨率50m怎么用VLR/IMR监测？_各参数图形输出位移方位(°)定向方位(°)位移速度(m/s)体重(红,lgmg)翅振频率(蓝,Hz)DrsDrakeandChapmanvisitingNanjingMeteorologicalInstitute(May2004)DrsDrakeandChapmanvisitingNanjingMeteorologicalInstitute(May2004)南京农大的多普勒昆虫监测雷达于2006年6月建成。委托建造单位：南京信息工程大学电子工程系GPS技术三、现代生态学发展特点和趋势2系统生态学的产生和发展–是现代生态学在方法论上的突破，是生态学领域的革命。–系统研究法中的生态模型：涉及变量多，线性和非线性结合，包括了时滞、突变和反馈机制等，这些只能通过计算机来实现模型的整合和模拟。三、现代生态学发展特点和趋势3产生了一些生态学的分支学科–进化生态学：生态学、行为学和进化论–行为生态学：行为机制、动物行为的存活价值(survivalvalue)、适合度及进化意义等–化学生态学：化学信息物质在动植物行为上的作用三、现代生态学发展特点和趋势4分子生态学的兴起是20世纪末生态学发展的最重特征之一–以分子遗传为标志研究和解决生态学和进化问题–转基因生物释放后的生态效应也成为了分子生态学研究的热点之一三、现代生态学发展特点和趋势5应用生态学的迅速发展也是现代生态学的重要特色之一–20世纪60年代以来出现了人口危机、能源危机、资源危机、农业危机和环境危机–生态学被认为是解决这些危机的科学基础。–环境生态学、保护生物学、恢复生态学、生态毒理学、经济生态学、城市生态学和生物多样性思考题•生态学的主要研究方法有哪些？它们有何联系？•现代生态学及其研究方法有哪些新特点？