緒論 生態(tài)學(xué)研究方法概述

1、.,現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究方法與技術(shù),王文強(qiáng) 教授,ECOLOGICAL METHODOLOGY,延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,生態(tài)學(xué)專業(yè)多媒體課件系列,.,聯(lián)系我吧,辦公地點(diǎn)：延安大學(xué)逸夫樓406 電話：2332041Email：,歡迎光臨,.,主要參考書,Krebs, Ecological Methodology ( 2nd edition), 1998. Sutherland, 生態(tài)學(xué)調(diào)查方法手冊(cè)，1997，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)版社. 生態(tài)學(xué)報(bào)、生態(tài)學(xué)雜志（中文） ECOLOGY（英文） Molecular ecology(英文）,.,課程講授內(nèi)容,引言 動(dòng)植物種群數(shù)量調(diào)查方法 種群

2、的空間格局判斷方法 樣方及取樣數(shù)的確定方法 常用抽樣技術(shù) 生態(tài)學(xué)研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 群落、物種多樣性及生態(tài)位研究方法 種群存活率估計(jì)方法 生態(tài)學(xué)研究資料的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法,.,第一章 引言,課程性質(zhì) 生態(tài)學(xué)研究方法概述 現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì),.,課程前知識(shí)回顧,ECOLOGY的定義？,生態(tài)學(xué)是研究生物有機(jī)體與其周圍環(huán)境(包括生物環(huán)境和非生物環(huán)境)相互關(guān)系的科學(xué)。Haeckel (1869) 生態(tài)學(xué)是研究生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)相互關(guān)系的科學(xué)。 馬世駿(1979),分子個(gè)體種群群落生態(tài)系統(tǒng)景觀全球 landscape：生態(tài)學(xué)上的景觀是指一定空間范圍內(nèi)，由不同生態(tài)系統(tǒng)所組成的，具有重復(fù)性格局的異質(zhì)性地域單

3、元(Forman 1986)。,生態(tài)學(xué)所研究的生物組織水平有哪些？,.,景觀Landscape,.,.,一、生態(tài)研究法課程的性質(zhì),生態(tài)研究法是一門介紹生態(tài)學(xué)研究中所需的基本方法的原理和操作的應(yīng)用性課程。 是一門應(yīng)用性課程，課程體系跨度大。 是介紹研究方法的原理和操作，是要回答做什么？如何做？做得如何？等問(wèn)題。 課程范圍廣泛，無(wú)絕對(duì)界限。,.,一、生態(tài)研究法課程的性質(zhì),研究方法層出不窮，不斷添新，要求研究者緊跟生態(tài)學(xué)發(fā)展步伐，不斷吸取新知識(shí)、掌握新方法。(閱讀文獻(xiàn)） 本課程著重于生態(tài)學(xué)研究中的種群大小估計(jì)、空間分布、種群生存率估計(jì)、群落研究和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方法，并且重點(diǎn)是試驗(yàn)調(diào)查、設(shè)計(jì)與計(jì)算等普遍使

4、用的方法。而并非是一些具體實(shí)驗(yàn)方法介紹。,.,二、生態(tài)學(xué)研究方法概述,1 野外觀察和定位站 野外觀察：是生態(tài)學(xué)研究的最基本方法,.,定位觀察站 全球變化生態(tài)學(xué)是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，它的研究需要大尺度上的時(shí)間和空間數(shù)據(jù)。 國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere Biosphere Programme, IGBP) 美國(guó)長(zhǎng)期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)LTER (海拔涉及04000m) 中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(29個(gè)生態(tài)站),.,LTER目的 在較大地理區(qū)域內(nèi)促進(jìn)不同學(xué)科的合作研究。 LTER涉及的地理區(qū)域 美國(guó)北部、中部和南部 歐洲西部、中部和東部 東亞 澳大利亞 新西蘭,Lon

5、g-Term Ecological ResearchNetwork,熱帶森林，極地苔原，溫帶森林和沙漠,.,1993年，LTER召開(kāi)了第一次會(huì)議（workshop)并達(dá)成以下共識(shí)： 從事長(zhǎng)期生態(tài)研究的科學(xué)家能進(jìn)行世界范圍的交流及信息共享，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全球尺度上的比較和建模。 建立全球長(zhǎng)期生態(tài)研究站點(diǎn)名錄。 鼓勵(lì)發(fā)展建立其它長(zhǎng)期生態(tài)研究站點(diǎn)。 建立適宜的標(biāo)準(zhǔn)取樣和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。,.,中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò) 20世紀(jì)80年代始建，包括29個(gè)野外定位站，并形成了網(wǎng)絡(luò)化。 農(nóng)田 森林 草原 湖泊 海洋 目的：對(duì)這些生態(tài)系統(tǒng)及其環(huán)境因子進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究其結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)，以及自然資源的持續(xù)利用。,.,

6、2 實(shí)驗(yàn)方法 原地實(shí)驗(yàn)或野外實(shí)驗(yàn)：是指自然或半自然條件下通過(guò)某些措施獲得某些因子的變化對(duì)生物的影響。 人工控制實(shí)驗(yàn)：是在受控條件下研究各因子對(duì)生物的作用。 分子標(biāo)記技術(shù)：探討種群遺傳物質(zhì)上的變化。 1992年Molecular Ecology雜志創(chuàng)刊，認(rèn)為該年為分子生態(tài)學(xué)誕生年。,二、生態(tài)學(xué)研究方法概述,.,分子生態(tài)學(xué)研究在20世紀(jì)50年代后期就已開(kāi)展，并且主要是進(jìn)行分子水平的群體遺傳學(xué)研究和進(jìn)化生物學(xué)研究。 同工酶標(biāo)記isozyme DNA分子標(biāo)記（RAPD, ALFP) 微衛(wèi)星標(biāo)記（SSR) 確定種群的源和匯：種群遷移和擴(kuò)散路線 確定動(dòng)物的繁殖策略,.,二、生態(tài)學(xué)研究方法概述,3 數(shù)學(xué)模型

7、與數(shù)量分析方法 “ 生態(tài)學(xué)本質(zhì)上是一門數(shù)學(xué)” -E.C.Pielou 數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)引論 系統(tǒng)分析及數(shù)學(xué)模型方法是生態(tài)系統(tǒng)研究最理想的方法。只有它才能解決諸如預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為及提出治理的最佳方案。 生物統(tǒng)計(jì)方法在生態(tài)學(xué)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析中不可缺少。,.,促進(jìn)生態(tài)模型發(fā)展的兩個(gè)重要因素 計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展 工業(yè)化的高速發(fā)展 20世紀(jì)70年代形成的系統(tǒng)生態(tài)學(xué)被著名生態(tài)學(xué)家O.P.Odum譽(yù)為“生態(tài)學(xué)中的革命” 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者朱棣文預(yù)言“在今后的幾十年中，一部分物理學(xué)將會(huì)和一些生命科學(xué)結(jié)合起來(lái)，這意味著系統(tǒng)分析和數(shù)學(xué)模型將占有越來(lái)越重要的地位”。,.,三、現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì),1 生態(tài)學(xué)研究有越來(lái)越向宏

8、觀發(fā)展的趨勢(shì) 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué) 景觀生態(tài)學(xué) 全球生態(tài)學(xué) 20世紀(jì)60年代，國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃(International Biological Programme, IBP) 70年代，人與生物圈計(jì)劃(Man and the Biosphere Programme, MAB) 80年代，國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP),.,這些國(guó)際計(jì)劃均以生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)方法，研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。 海洋生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氣候變化的影響 全球氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響,.,3S技術(shù)在宏觀生態(tài)學(xué)研究中得到了廣泛利用 GIS RS GPS,.,地理信息技術(shù)G

9、IS,目前應(yīng)用較廣的GIS軟件： ArcGIS ArcView GIS Mapinfo,.,地理信息技術(shù),GIS系統(tǒng)由一些基本模塊和眾多擴(kuò)展模塊組成，包括： 數(shù)據(jù)輸入：用于采集和處理各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（如，普通地圖，航空?qǐng)D片，遙感圖像，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、田間調(diào)查資料等） 數(shù)據(jù)庫(kù)管理：用于數(shù)據(jù)貯存、查詢、校驗(yàn)、修改，用數(shù)字化表示空間或地圖數(shù)據(jù)是GIS的一個(gè)基本特征 空間數(shù)據(jù)的操作和分析：用來(lái)分析數(shù)據(jù)要素層之間和要素層內(nèi)的關(guān)系 數(shù)據(jù)輸出：用來(lái)顯示圖形或報(bào)表。 其中空間數(shù)據(jù)的操作和分析是GIS 的核心模塊，也是GIS 區(qū)別于其它信息系統(tǒng)的根本所在。,.,Historical Range of Oak S

10、avannas,地理信息系統(tǒng)GIS,.,Red-headed Woodpecker,.,Red-headed Woodpecker Trend Map,.,Field Sparrow,.,Field Sparrow Trend Map,.,GIS的空間分析功能,.,Distribution of gypsy moth counts in pheromone traps in the Appalachian Mts. in 1995 is shown in the right figure. Isolated populations are clearly visible.,The US For

11、est Service Slow-the-Spread project has a goal to reduce the rate of gypsy moth expansion by detecting and eradicating isolated colonies located just beyond the advancing population front.,ArcGIS的空間分析功能_Grid統(tǒng)計(jì),.,ArcGIS的空間分析功能_圖層與迭加,.,ArcGIS的空間分析功能_圖層與迭加,.,遙感(Remote Sensing), 是一種不通過(guò)直接接觸目標(biāo)物而獲取其信息的一種技術(shù)

12、。 遙感指使用各種傳感器（如航空攝像機(jī)，衛(wèi)星掃描儀，微波雷達(dá)等）獲取和處理地球表面的信息，尤其是自然資源與人文環(huán)境方面的信息，其最后反映在所獲取的像片或數(shù)字影像上。 按照遙感器使用的平臺(tái)可分為：航天遙感技術(shù)，航空遙感技術(shù)、地面遙感技術(shù)。,遙感技術(shù),.,衛(wèi)星遙感_衛(wèi)星種類,通訊衛(wèi)星 氣象衛(wèi)星 資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 軍事偵察衛(wèi)星 天空實(shí)驗(yàn)室,.,衛(wèi)星遙感_衛(wèi)星遙感影像,按分辨率可將衛(wèi)星遙感影像分為高清晰度影像、中清晰度影像和低清晰度影像 不同分辨率的衛(wèi)星影像適用于不同場(chǎng)合。病蟲測(cè)報(bào)中常用的是中低分辨率的地球資源衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星資料。,.,衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用,地表水系變化、水位動(dòng)態(tài)、土地利

13、用的變化、沙漠的進(jìn)退和荒漠化、森林的破壞和草場(chǎng)退化等，均可在遙感影像上表現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)圖片則可在宏觀尺度上進(jìn)行研究特征的空間分布和時(shí)間變化等的研究。 如植被在空間和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)則直接反映了全球、區(qū)域和局地環(huán)境的變化。 遷飛性害蟲往往隨著暴雨大規(guī)模集中降落，暴雨就是這種害蟲入侵的一個(gè)警示物，而利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能形成這種暴雨的冷云的分布，則預(yù)警遷飛害蟲的降落與危害的主要區(qū)域。,.,沙漠蝗的發(fā)生與植被狀況密切相關(guān)，而降水又是植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵制約因素。 從1975年始，F(xiàn)AO就開(kāi)始利用衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)和冷云資料監(jiān)測(cè)降水來(lái)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)沙漠蝗棲息地,從而做出蝗情的預(yù)警和預(yù)報(bào)。,.,FAO沙漠蝗信息中心產(chǎn)品：降水分

14、布,+ 雨量50mm,.,2003年7月8日12時(shí)風(fēng)云二號(hào)（FY2B）衛(wèi)星云圖,.,2003年7月9日6時(shí)風(fēng)云二號(hào)（FY2B）衛(wèi)星云圖,.,2003年7月9日8時(shí)風(fēng)云二號(hào)（FY2B）衛(wèi)星云圖,.,2003年7月8日08時(shí)至7月9日 08時(shí)24h降水分布,2003年7月9日08時(shí)至7月10日08時(shí)24h降水分布,.,雷達(dá)遙感,遷飛、遷徙途徑觀測(cè),.,.,中國(guó)農(nóng)科院植保所廊坊觀測(cè)場(chǎng),.,雷達(dá)觀測(cè)圖,.,廊坊基地姊妹燈誘蟲,.,雷達(dá)觀測(cè)昆蟲遷飛的輔助設(shè)備 載網(wǎng)氦氣球,.,用充氦懸系氣球空中取樣,.,低探設(shè)備示意圖,.,從圖中可見(jiàn)其中的天線部分和白色的工作室（包括數(shù)據(jù)采集和處理裝置在內(nèi)的各種電子設(shè)備置

15、于其內(nèi)）和其上的自動(dòng)氣象站。觀測(cè)場(chǎng)當(dāng)?shù)氐墓ぷ魅藛T每周去一次或兩次更換光碟，基地工作人員每年到觀測(cè)場(chǎng)24次做保養(yǎng)和維護(hù)。因監(jiān)測(cè)對(duì)象是夜間遷飛種類，故所有的初級(jí)和深度分析都在第二天早上進(jìn)行，分析結(jié)果立即上傳到基地的IMR網(wǎng)頁(yè)上以圖形化顯示。,安裝在澳大利亞昆士蘭州Thargomindah觀測(cè)場(chǎng)的IMR,.,怎么用VLR / IMR監(jiān)測(cè)？ _ 雷達(dá)遙測(cè),同時(shí)采集200-1400m高度8-16個(gè)高度的信號(hào), 垂直分辨率50m,.,怎么用VLR / IMR監(jiān)測(cè)？ _ 各參數(shù)圖形輸出,.,Drs Drake and Chapman visiting Nanjing Meteorological Insti

16、tute (May 2004),.,Drs Drake and Chapman visiting Nanjing Meteorological Institute (May 2004),南京農(nóng)大的多普勒昆蟲監(jiān)測(cè)雷達(dá)于2006年6月建成。委托建造單位：南京信息工程大學(xué)電子工程系,.,GPS技術(shù),.,.,.,.,三、現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì),2 系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 是現(xiàn)代生態(tài)學(xué)在方法論上的突破，是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的革命。 系統(tǒng)研究法中的生態(tài)模型：涉及變量多，線性和非線性結(jié)合，包括了時(shí)滯、突變和反饋機(jī)制等，這些只能通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的整合和模擬。,.,三、現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì),3 產(chǎn)生了一些生態(tài)學(xué)的分支學(xué)科 進(jìn)化生態(tài)學(xué)：生態(tài)學(xué)、行為學(xué)和進(jìn)化論 行為生態(tài)學(xué)：行為機(jī)制、動(dòng)物行為的存活價(jià)值(survival value)、適合度及進(jìn)化意義等 化學(xué)生態(tài)學(xué)：化學(xué)信息物質(zhì)在動(dòng)植物行為上的作用,.,三、現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì),4 分子生態(tài)學(xué)的興起是20