生態(tài)學(xué)是一門研究生物如何與環(huán)境以及生物之間相互作用的學(xué)科，它借鑒了其他幾門學(xué)科。生態(tài)學(xué)包含生物學(xué)、化學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、數(shù)學(xué)和其他領(lǐng)域。

生態(tài)學(xué)研究物種、種群規(guī)模、生態(tài)位、食物網(wǎng)、能量流和環(huán)境因素之間的相互作用。為此，生態(tài)學(xué)家需要采用謹(jǐn)慎的方法收集最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。一旦收集到數(shù)據(jù)，生態(tài)學(xué)家就會對其進(jìn)行分析研究。通過這些研究方法獲得的信息可以幫助生態(tài)學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類或自然因素造成的影響。這些信息可用于幫助管理和保護(hù)受影響的地區(qū)或物種。下面將對生態(tài)學(xué)的三種研究方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、觀察和實(shí)地考察

1.概述

每個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要觀察。生態(tài)學(xué)家需要觀察環(huán)境、環(huán)境中的物種以及這些物種如何互動(dòng)、生長和變化。不同的研究項(xiàng)目需要不同類型的評估和觀察。

有時(shí)生態(tài)學(xué)家會使用案頭評估(或稱 DBA)來收集和總結(jié)特定興趣領(lǐng)域的信息。在這種情況下，生態(tài)學(xué)家會使用從其它來源收集到的信息。生態(tài)學(xué)家通常依靠觀察和實(shí)地考察。這包括實(shí)際進(jìn)入感興趣區(qū)域的棲息地，觀察其自然狀態(tài)。通過實(shí)地研究，生態(tài)學(xué)家可以跟蹤物種數(shù)量的增長，觀察群落的生態(tài)活動(dòng)，并研究引入環(huán)境中的新物種或其他現(xiàn)象的影響。

每個(gè)實(shí)地考察地點(diǎn)在性質(zhì)、形式或其他方面都會有所不同。生態(tài)學(xué)方法考慮到了這些差異，因此可以使用不同的工具進(jìn)行觀察和取樣。取樣必須隨機(jī)進(jìn)行，以避免偏差。

2.獲得的數(shù)據(jù)類型

通過觀察和實(shí)地考察獲得的數(shù)據(jù)可以是定性數(shù)據(jù)，也可以是定量數(shù)據(jù)。這兩種數(shù)據(jù)分類有不同的方式。

定性數(shù)據(jù)：定性數(shù)據(jù)指的是地點(diǎn)或條件的質(zhì)量。因此，它是一種更具描述性的數(shù)據(jù)形式。它不易測量，通過觀察收集。由于定性數(shù)據(jù)是描述性的，它可以包括顏色、形狀、天空是陰天還是晴天或觀察地點(diǎn)外觀的其他方面。定性數(shù)據(jù)不像定量數(shù)據(jù)那樣是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。因此，定性數(shù)據(jù)被認(rèn)為不如定量數(shù)據(jù)可靠。

定量數(shù)據(jù)：定量數(shù)據(jù)是指數(shù)值或數(shù)量。這類數(shù)據(jù)可以測量，通常采用數(shù)字格式。定量數(shù)據(jù)的例子包括土壤 pH 值、野外現(xiàn)場的老鼠數(shù)量、采樣數(shù)據(jù)、鹽度水平和其他數(shù)字格式的信息。

生態(tài)學(xué)家使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來分析定量數(shù)據(jù)。因此，與定性數(shù)據(jù)相比，定量數(shù)據(jù)被認(rèn)為是更可靠的數(shù)據(jù)形式。

3.實(shí)地研究的類型

直接研究：科學(xué)家可以直接觀察環(huán)境中的動(dòng)植物。這就是所謂的直接研究。即使在海底這樣偏遠(yuǎn)的地方，生態(tài)學(xué)家也可以研究水下環(huán)境。在這種情況下，直接研究包括對這種環(huán)境進(jìn)行拍照或拍攝。

用于記錄海底海洋生物圖像的一些取樣方法包括視頻雪橇、水簾攝像機(jī)和 Ham-Cams。Ham-Cam 連接到 Hamon Grab(一種用于采集樣本的取樣裝置)上。這是一種研究動(dòng)物種群的有效方法。

Hamon Grab 是一種從海底收集沉積物的方法，這些沉積物會被放在船上，供生態(tài)學(xué)家進(jìn)行分類和拍照。這些動(dòng)物將在其他地方的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定。

除哈蒙抓斗外，水下采集裝置還包括用于獲取較大型海洋動(dòng)物的梁式拖網(wǎng)。這需要將網(wǎng)固定在鋼梁上，然后從船的后部拖動(dòng)。樣本在船上采集、拍照和計(jì)數(shù)。

間接研究：直接觀察生物并不總是切實(shí)可行或可取的。在這種情況下，生態(tài)學(xué)方法就是觀察這些物種留下的痕跡。這可能包括動(dòng)物糞便、腳印及其他存在跡象。

二、生態(tài)實(shí)驗(yàn)

生態(tài)研究方法的主要目的是獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。為此，研究人員必須仔細(xì)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。

假設(shè)：規(guī)劃任何實(shí)驗(yàn)的第一階段都是提出假設(shè)或科學(xué)問題。然后，研究人員就可以制定詳細(xì)的取樣計(jì)劃。

影響實(shí)地實(shí)驗(yàn)的因素包括取樣區(qū)域的大小和形狀。根據(jù)所研究的生態(tài)群落的不同，野外小區(qū)的大小從很小到很大不等。動(dòng)物生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)需要考慮動(dòng)物的潛在運(yùn)動(dòng)和大小。

例如，研究蜘蛛并不需要大面積的田地。研究土壤化學(xué)或土壤無脊椎動(dòng)物也是如此。你可以使用 15 乘 15 米的地塊。

草本植物和小型哺乳動(dòng)物可能需要多達(dá) 30 平方米的田地。樹木和鳥類可能需要幾公頃。如果你研究的是鹿或熊等大型流動(dòng)動(dòng)物，可能需要幾公頃的大面積場地。

研究地點(diǎn)的數(shù)量也至關(guān)重要。在一些實(shí)地研究中，可能只需要一個(gè)研究點(diǎn)。但如果研究包括兩個(gè)或更多棲息地，則需要兩個(gè)或更多實(shí)地考察點(diǎn)。

工具：用于實(shí)地考察的工具包括橫斷面法、取樣地塊法、非區(qū)域取樣法、點(diǎn)法、橫斷面和截距法以及點(diǎn)和四分之一法。目的是獲得數(shù)量足夠大的客觀樣本，使統(tǒng)計(jì)分析更加可靠。在實(shí)地?cái)?shù)據(jù)表上記錄信息有助于數(shù)據(jù)收集。

精心設(shè)計(jì)的生態(tài)實(shí)驗(yàn)會有明確的目標(biāo)或問題。研究人員必須盡最大努力消除偏差，確保重復(fù)性和隨機(jī)性。了解所研究的物種及其中的生物是基礎(chǔ)。

1.操縱性實(shí)驗(yàn)

操縱性實(shí)驗(yàn)是指研究人員通過改變某一因素來觀察其對生態(tài)系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)可以在野外或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行。這種類型的實(shí)驗(yàn)提供了一種可控方法，以確保不會產(chǎn)生擾動(dòng)。當(dāng)由于各種原因無法在整個(gè)區(qū)域開展實(shí)地工作時(shí)，這類實(shí)驗(yàn)就很有用。

操控性實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是，它們并不總能代表自然生態(tài)系統(tǒng)中會發(fā)生的情況。此外，操作實(shí)驗(yàn)不一定能揭示觀察到的模式背后的機(jī)制。而且，操縱實(shí)驗(yàn)中的變量不易改變。

例如：如果你想研究以蜘蛛為食的蜥蜴的食性，你可以改變籠子里蜥蜴的數(shù)量，然后看看這種效果會產(chǎn)生多少蜘蛛。

2.自然實(shí)驗(yàn)

自然實(shí)驗(yàn)，顧名思義，不是由人類進(jìn)行的。它們是大自然對生態(tài)系統(tǒng)的操縱。例如，在發(fā)生自然災(zāi)害、氣候變化或引入入侵物種后，生態(tài)系統(tǒng)本身就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)世界中的這種互動(dòng)并不是真正意義上的實(shí)驗(yàn)。不過，這些情景為生態(tài)學(xué)家提供了研究自然事件對生態(tài)系統(tǒng)中物種影響的機(jī)會。生態(tài)學(xué)家可以對島嶼上的動(dòng)物種群進(jìn)行普查，研究種群密度。

操縱實(shí)驗(yàn)與自然實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)方面的主要區(qū)別在于，自然實(shí)驗(yàn)沒有對照。因此，有時(shí)很難確定因果關(guān)系。然而自然實(shí)驗(yàn)也能獲得有用的信息，如濕度和動(dòng)物密度等環(huán)境變量仍可作為數(shù)據(jù)的參考。此外，自然實(shí)驗(yàn)可以在大面積或長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。這進(jìn)一步區(qū)分了自然實(shí)驗(yàn)與人為實(shí)驗(yàn)。不幸的是，人類已經(jīng)在全球范圍內(nèi)造成了災(zāi)難性的自然實(shí)驗(yàn)。例如，棲息地遭到破壞、氣候變化、引進(jìn)外來物種和清除本地物種。

3.觀測實(shí)驗(yàn)

監(jiān)測實(shí)驗(yàn)需要足夠的重復(fù)才能獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。10 規(guī)則 "適用于此;研究人員必須在每個(gè)要求的類別中收集 10 次觀測。外部影響仍會妨礙數(shù)據(jù)收集，如天氣和其他干擾因素。不過，10 次重復(fù)觀察有助于獲得具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的數(shù)據(jù)。

隨機(jī)化非常重要，最好在進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行?？梢允褂糜?jì)算機(jī)電子表格進(jìn)行隨機(jī)化。隨機(jī)化可減少偏差，從而改進(jìn)數(shù)據(jù)收集工作。為提高效率，應(yīng)同時(shí)使用隨機(jī)化和復(fù)制。應(yīng)隨機(jī)分配實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、樣本和處理方法，以避免結(jié)果混淆。

三、建模

生態(tài)學(xué)方法在很大程度上依賴于統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)模型。這些模型為生態(tài)學(xué)家提供了一種方法來預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)將如何隨著時(shí)間的推移而變化，或如何應(yīng)對不斷變化的環(huán)境條件。

當(dāng)實(shí)地考察不切實(shí)際時(shí)，建模也是解讀生態(tài)信息的另一種方法。事實(shí)上，僅僅依靠實(shí)地考察有幾個(gè)缺點(diǎn)：由于規(guī)模大，不可能完全復(fù)制實(shí)驗(yàn)。有時(shí)甚至生物的壽命也是限制實(shí)地考察的因素。其他問題包括時(shí)間、勞動(dòng)力和空間。因此，建模是一種以更有效的方式將信息合理化的方法。

建模的例子包括方程、模擬、圖表和統(tǒng)計(jì)分析。生態(tài)學(xué)家還利用建模制作有用的地圖。建?？梢杂?jì)算數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)取樣的不足。如果沒有建模，生態(tài)學(xué)家就會被需要分析和報(bào)告的大量數(shù)據(jù)所困擾。計(jì)算機(jī)建?？梢韵鄬焖俚胤治鰯?shù)據(jù)。

例如，模擬模型可以描述一些系統(tǒng)，否則傳統(tǒng)的計(jì)算會非常困難和復(fù)雜。通過建模，科學(xué)家可以研究共存、種群動(dòng)態(tài)和生態(tài)學(xué)的許多其他方面。建模有助于預(yù)測氣候變化等重要規(guī)劃的模式。

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