生态学研究方法01

生态学研究方法第一章绪论第一节生态学及其学科特性化一、生态学的概念生态学从科学的角度来看，生态学是运用层次观和系统论的方法，是研究生物与生物之间、生物与环境之间的相互关系的科学。这些相互关系会从生物分子、个体、种群、群落、生态系统、区域景观、全球等不同层次上对生物的和环境系统的结构和功能产生各种影响。因此，生态学是研究这些相互关系的产生方式、影响途径和作用后果有关规律的学科。二、研究层次及其学科现代生态学在研究层次上相宏观与微观两极发展。由于生态学研究对象的极其复杂性，它现已发展成为一个庞大的学科体系根据研究性质分，生态学可概分为理论生态学和应用生态学两大体系。从研究对象的水平和层次来看，生态学可分为：分子、个体、种群、群落、生态系统、景观、区域、全球生态学。（分辨率和空间尺度增加）三、生态学的实验科学属性科学的发展与研究方法和技术设备有关。在传统的生态学研究中，生态学侧重于研究对象的描述，所采用的研究方法（如直观描述，调查分析，数理统计，单项实验等）都很简单。设备也很简单。因此，生态学被误认为是一门描述性的、近似于思维方法论的和社会科学的一门学科。特别是近十几年来，随着生态学向经济科学和人文社会学科的渗透，使人们感觉到生态学似乎越来越偏离自然科学，而向社会科学靠近了。然而，生态学来源于生物学，其研究对象是生物与环境之间的相互关系。它始终围绕着生物与环境之间的物质循环、能量流动、信息传递（乃至资金流动）开展研究，就必然要与生物学实验、环境学实验、物理、化学实验等打交道，就需要通过实地观测与调查研究，获取实验数据来认识和回答各种种样的生态学过程及其内在机理。因此，总体上讲，生态学必然是一门实验科学，它的天然实验室就是自然界（或人类社会）。生态学实验的特点：1）生态学是一门与空间、时间相关的科学，因此，其实验必然涉及空间位置与时间的测定，与地理学密切相关；2）生态学是研究生物与环境相互关系的科学，那么，其实验必然涉及生物学与环境学；3）生态学的综合性与系统性，决定了解到其实验必然是多元化的，并与其他学科具有交叉渗透性；生物动物植物微生物人环境局域环境微环境局域环境区域景观环境地球环境宇宙环境物理相互关系生物相互关系化学相互关系生态学研究对象和内容4）生态学的不同尺度，决定了其不同实验方法的巨大差异性，如宏观生态学的研究方法与微观生态学研究方法。第二节生态学研究方法类型与内容体系科学的理论是建立在科学的实验研究方法之上的。生态学研究方法大多数与相关学科的方法相同或相近似，生态学研究需要先对自然界或实验室中的生态现象进行观察记载、测计度量和实验，再对资料数据进行分析综合，找出生态学规律。从20世纪50年代开始，生态学研究方法一方面趋向专业化，针对不同对象和问题，设计了各种专用方法技术；另一方面是强调系统化，即为各类生态系统制定出生态综合研究方法。生态学研究的专门化与系统化同时并进，彼此汇合，是学科方法体系日趋成熟的标志。一、科学研究的基本过程科学研究是人类认识自然、改造自然和服务社会的原动力，是科技创新的源泉。其目的在于探求新的知识、理论、方法、技术和产品。基础或应用基础性研究在于揭示新的知识、理论和方法；应用性研究则在于获得某种新的技术或产品。无论基础性研究，还是应用研究，其基本过程大致包括3个环节：1）根据自己的研究（观察、了解）或前人的研究（通过查阅文献）对所研究的命题形成一种认识或假说。2）根据假说所涉及的内容安排相斥性试验或抽样调查。3）根据试验或调查所获得的资料进行推理，肯定或否定或修改假说，从而形成结论，或开始新一轮的试验，以验证修改完善后的假说，如此循环发展，使所获得的知识逐步发展、深化。1、选题课题的选择决定了研究创新的潜在可能性。选题时必须明确其意义与重要性。理论性研究注重在未来学科发展上的重要性。应用性研究注重对未来生产发展的作用和潜力。来源：从当时当地的生产实践中提取；政府下达；科学研究需要；横向协作2、文献百科全书、文献索引、专业书籍、文摘、评论性杂志、科学期刊和杂志科学的发展是累积性的，通过对文献的了解可以把研究者推到研究的顶层，避免少走弯路。选题要有文献的依据，设计研究内容和方法更需文献的启示。3、假说假说的概念：假说是根据已知的科学事实和科学原理，对所研究的自然现象及其规律性提出的一种假定性的推测和说明。构成假说的基本要素：事实基础，背景理论对现象、规律的猜测，推导出的预言和预见。只是尝试性设想，对所研究对象的试探性概括。4、假说的检验假说的检验方法：逻辑分析和实践检验两个步骤。逻辑分析：判断假说的可检验性。实践检验：分为直接检验和间接检验。直接检验:即用观察和实验直接观测科学假说的实质内容，以证实或否证科学假说。间接检验：即用观察和实验观测来检验假说基本命题所推演出来的结论或预言。通常用逻辑推演与实践证明相结合的方式。二、生态学研究方法的基本类型根据生态学研究对象的多样性和复杂性，对生态学现象和生态学规律的研究，不仅要通过野外的观测和实地的调查研究，而且还需要通过严格的控制实验来模拟自然的生态过程与内在规律。根据生态学研究的不同需要，可以分为原地观测研究、受控实验研究，以及生态学综合研究方法三大类型。（一）原地观测研究原地观测研究是指在自然实地对生物与环境关系的考察。生态现象的直观第一手资料皆来源于原地观测。因为生态学的研究对象（种群、群落等）均与特定的自然生境不可分割，生态现象涉及因素众多，联系形式多样，相互影响又随时间不断变化，观测的角度和尺度不一，迄今尚难以或无法使自然现象全面地在实验室内再现，原地观测仍是生态学的基本方法。原地观测研究方法包括：野外考察、定位观测和原地实验等不同方法。1、野外考察野外考察是考察特定生态要素(生物要素和环境要素)的时空分异和规律。野外考察首先必须确定需要考察的空间范围及其边界,以及考察对象。然后根据调查目的,设计相应的调查方案和调查指标。1)生物要素①其调查边界通常视物种生物学特性而异。②植物种群不仅要考虑其定居的植株分布，还应包括种子的向外扩散范围。③动物种群的活动范围，其巢穴或防御的领地可能很小，但取食空间可能很大。④对有定期长距离迁徙或洄游行为的动物种群往往要包括广大地区，考察动物种群活动可能要用飞机、遥感或标志追踪技术。⑤陆地群落的生境划界，通常是依据植物群落或植被类型边界与地形地貌的联系。但在大范围内出现群落连续，或逐渐过渡性强时，则要借助于群落统计或航测遥测技术。⑥野外考察种群或群落特征，测计生境的环境条件，不可能在原地内进行普遍观测，只能通过适合于各类生物的规范化抽样调查方法。选题与提出假设制定研究计划开展科学试验获得结论数据统计分析肯定假说修改假说修改试验否定假说可能多次反复属于种群水平的考察项目主要有：个体数量（或密度）、水平与垂直分布样式、适应形态性状、生长发育阶段或年龄结构、物种的习性行为等。属于群落水平的考察项目主要有群落的种类组成、即对组成该群落的植物种类进行分类鉴定和记录、植物种的生活型或生长型、各种动物的生态习性和行为；各种动植物种群的多度、频度、显著度、分布样式、年龄结构、生活史阶段、种间关联和群落结构等。同时，要考察种群或群落生境的主要环境因子特征，如对生境的总面积、形状、海拔高度、大气、水、土壤、地质、地貌等环境因子的描述和测量。2）社会经济要素社会经济环境首先也需要确定研究对象和研究范围，然后根据研究目的，设计一系列调查表格和问卷，通过资料收集、当面采访、座谈会、问卷调查等方法，获取第一手和第二手的数据信息，如国民经济统计年鉴、地方志、产业发展概况、各种生产报表、人口状况、环境保护状况等，在此基础上进行统计分析，研究社会经济发展与资源与生态环境之间的关系。2、定位观测定位观测是考察某个种群或群落结构功能与生境相互关系的时态变化。先要设立一块可供长期观测的固定样地，样地必须能反映所研究的种群或群落及其生境的整体特征。定位观测时限，决定于研究对象和目的，若是观测种群的生活史动态，微生物种群的时限只要几天，昆虫种群是几个月到几年，脊椎动物要几年乃至几十年；多年生草本和树木要几十看甚至几百年。若是观测群落演替所需时限更长。或是观测种群或群落功能或结构的季节或年度的动态，时限一般是一年或几年。定位观测的项目，除野外考察的项目外，还要增加生物量增长、生殖率、死亡率、能量流、物质流等结构功能过程的定期观测。3、原地实验原地实验是在田间条件下，采取某些措施，获得有关某个因素的变化对种群或群落其他诸因素及对某种效果所产生的影响。例如，在牧场上进行围栏实验，可获得牧群活动对草场中种群或群落的影响；在森林或草地群落里人为的除其中的某个种群，或引进某个种群，从而辨识该种群对群落及生境的影响；或进行施肥、遮光、改变食物资源条件，以了解资源供应对种群或群落动态的影响的机制。原地或田间的对比实验是野外考察和定位观测的一个重要补充。不仅有助于阐明些因素的作用和机制，还可作为设计生态学受控实验或生态学仿真的参考或依据。（二）受控实验研究方法受控实验是仿真自然生态系统，严格控制实验条件，研究单项因子相互作用及其对种群或群落影响的方法技术。例如：所谓“微宇宙”仿真系统，是在人工气候室或人工水族箱中建立自然生态系统的仿真系统，即在光照、温度、土质、营养元素等大气物理或水分营养元素的数量与质量都完全可控的条件下，通过改变其中某一因子，或同时改变几个因子，来研究实验生物的个体、种群，以及小型生物群落系统的结构功能，生活史动态过程，及其变化的动因和机理。（三）生态学的综合方法生态学的综合方法是指对原地观测或受控的生态实验的大量资料和数据进行综合归纳和分析，表达各组变量之间存在的种种相互关系，反映客观生态规律性方法技术。1、资料的归纳和分析生态学现象观测数据资料，涉及多种学科领域，众多因素的变量集，各组变量（属性）为类型不同，量纲不一，尺度悬殊，为了便于归纳分析，需作以下工作。首先要进行数据的适当处理，包括对数据类型的转化，主要是把二元（定性）数据转化为定量数据；或者反之，以使数据类型一致。其次，是对不同量纲的数据进行数值转换，如将原始数值换成对数，倒数，角度，概率等，以便更合理的体现各类数据之间的数量关系，使其具有一定的分布形式（如正态分布），或一定的数据结构（如线性结构）。还可进行数据的标准化或中心化，即把各项数据的绝对值转换为相对值（比值），使变量的取值在0~1之间，从而获得数据的几何意义，能在一定维数的坐标上定位和进行运算。2、生态学的数值分类和排序数值分类是近20来新发展的对群落进行客观分类及区分种同内生态类型的方法技术。分类的对象单元是植被的抽样（样地），所以，样地的大小、数量和进行物种的数量特征（属性）的测计，都要按照规范化的方法。各种属性原始数据经过处理，建立各样地各属性的原始数据矩阵，再计算群落样地两两之间的相似系数或相异系数，列出相似系数矩阵，最后按照一定程序进行样地的聚类或划分，得出表征同质群落类型的树谱图和划分或聚合的分类结果。数值分类技术的最大特点是原地调查抽样以及数据处理和计算分类程序的规范化，具有较大的客观性和可重复检验的特征，能应用计算机加快分类过程，实现最优化的分类。3、生态学的数学模型和仿真生物种群或群落系统行为的时态变化的数学概括，统称为生态系统的动态数学模型。数学模型仅仅是现实生态系统的抽象，每种模型都有一定的限度和有效范围。生态系统建模并没有绝对的法则，但必须从确定对象系统过程的真实性出发，充分把握其内部相互作用的主导因素，提出适合的生态学假设，再采用恰当的数学形式来加以表达或描述。数学模型经过验证，确定了它的真实性后，即可作为一项有用的工具，进行实验仿真，分别改变方程中的变量及常数的数值，在计算机上进行运算，即可得出与改变相应的种群或群落过程的特征或效果，恰似在实地进行实验一样，也是对模型的合理性与正确性的验证。三、生态学研究方法的内容体系基本类型（一）原地观测研究（二）受控实验研究方法（三）生态学的综合方法1、野外考察2、定位观测3、原地实验在自然或田间条件下，采取某些措施，获得有关某个因素的变化对种群或群落其