生态学的研究方法

生态学的研究方法
摘要：本文就生态学研究的方法论进行了浅括。

任何科学研究都包括两个层面，即如何思考和如何做。

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，然后用数学模型找出生态学规律。

最后本文就当前生态学研究的发展趋势进行了展望。

关键词：生态学，研究方法，展望
ABSTRACT
Inthispaper,生态学是研究有机体及其周围环境相互关系的科学。

任何科学研究都包括四个环节，首先根据已有理论，提出科学问题。

然和通过观察记载、测计度量和实验收集数据，通过归纳法予以系统分析。

再根据研究结果，演绎新的推论，最后通过实验验证，判断这一过程成功与否。

从50年代开始，生态学研究方法一方面趋向专门化，针对不同对象和问题，设计了各种专用的方法技术；另一方面是强调系统化，表现是为各类生物系统制定出生态综合方法程序。

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。

下面就生态学研究的方法论进行阐述。

一生态学研究的方法论
1基本逻辑：归纳与演绎
前提与结论之间存在或然关系（即非确定性的相互关系）的推论过程。

亚里斯多德最早提到归纳法，但英国唯物主义哲学家FrancisBacon是归纳逻辑的奠基人的《新工具论》（1620）。

他提倡通过归纳事实，产生低级的理论，再由低级的理论上升到高级的理论，最后形成公理，从而遵循从特殊到一般的过程。

他的逻辑方法是对中世纪欧洲神学欺人自欺的演绎逻辑的反动，并且是近代实验科学的方法论。

归纳法在现代数学中的代表是概率统计。

归纳推理所得到的结论是超出其前提的。

通常经验主义重视归纳法,前提与结论之间存在必然联系的推论过程。

由亚里斯多德提出的三段论是最早总结出来的一种演绎推理。

而古希腊时代的欧几里德《几何原本》代表了演绎逻辑的典范。

演绎是根据已有的前提假设，确定性地推演出新的结论的过程。

从而遵循从一般到一般或一般到特殊的过程。

演绎法在现代数学方法中代表是代数。

演绎推理的结论不会超过其逻辑前提。

而理论思维重视演绎推理。

所以归纳可以从众多的个别事例中提出具有一般性的理论假设，而演绎则根据已有的与假设相关的确定性前提来逻辑严密地验证这些假设的正确性，并且可以根据现有的少数确定性命题（如规律、公理等）和已知的事实发展出合乎逻辑的具体结论。

2科学研究的两个层面
如何思考
科学分析问题，然后进行调查或实验来发现新的信息。

通过在一个综合中整理和解释这些信息，形成一个关于现实世界运转的理论。

理论是（我们认为我们知道的）先前的认识与我们（在现实世界里观测或看到的）现有数据之间的对话。

精通某一特定研究技能是要付出努力的，例如生态学田间实验、植被调查与分析等，理解理论是如何用由应用它们获得的数据构筑起来同样如此。

毋庸置疑，我们选择的研究问题、分析问题的方式、会受到我们所掌握的研究技能的强烈影响。

因此我们建造的理论可能会偏向用我们最熟悉的研究技能获得的信息。

此时面临的问题是理论与数据是相互关联的。

研究的这种循环属性会强烈影响我们的发现－即使当我们认为我们正在走近新的问题。

这就是为什么问题分析在研究之始如此重要。

如何做
在理论与数据之间所作的反复的对话需要批判性的分析和创造。

定义与评估必须不断地相互作用：我们将自己的想法定义为一个理论，由此发展新的想法，通过观测评价这些想法，然后在一个新的框架下修订理论。

然而，定义与评价之间的相互作用必须经过批判性分析的反复磨炼。

批判性分析是我们必须不断应用的基本过程，以此使定义更精确和清晰，评价更无偏。

二生态学的研究方法
生态学的研究方法可以分为三大类：1）野外调查、观测；2）实验；3）数学模型。

1野外调查、观测
来源于生态学的博物学传统。

自然界是生态学天然的实验场，生态学的研究对象，种群和群落均与特定自然生境不可分割，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。

在野外可以发现所有的生态学现象和生态过程。

包括野外考察和定位观测两种。

当代的遥感手段实际上是一种新的观察手段。

极大地拓展了人类的感知范围。

野外考察
考察特定种群或群落与自然地理环境的空间分异的关系。

首先有一个划定生境边界的问题，然后在确定的种群或群落生存活动空间范围内，进行种群行为或群落结构与生境各种条件相互作用的观测记录。

种群生境边界的确定，视物种生物学特性而异。

动物种群活动范围，其巢穴或防御的领地可能很小，但取食空间范围可能很大。

对有定期长距离迁徙或洄游行为的动物种群原地观测往往要包括广大地区，考察动物种群活动
可能要用飞机，遥测，或标志追踪技术。

在大范围内出现群落连续，或逐渐过渡性强时，则要借助于群落学统计，或航测遥测技术。

野外考察种群或群落的特征，测计生境的环境条件,不可能在原地内进行普遍的观测,只能通过适合于各类生物的规范化抽样调查方法。

例如动物种群调查中取样方法有样方法，标志重捕法，去除取样法；属于种群水平的野外考察项目，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，物种的生活习性行为等。

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，各种动物的生态习性和行为;各种动植物种群的多度、频度、显着度、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、大气物理、水、土壤、地质、地貌等环境因子的描述和测量。

定位观测
是考察某个种群或群落结构功能与其生境相互关系的时态变化。

定位观测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，脊椎动物从几年到几十年；多年生草本和树木要几十年到几百年。

若是观测群落演替所需时限更长。

若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。

2实验方法
来源于生态学的生理学传统。

实验方法根据其对实验检验因子的控制程度，可分为就地实验和控制实验两类。

就地实验
指仅控制某一因子，来观测其不同水平的生态效应。

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去除其中的某个种群，或引进某个种群，从而辨识该种群对群落及生境的影响；或进行补食、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和机制。

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。

不仅有助于阐明某些因素的作用和机制，还可作为设计生态学有控实验或生态模拟的参考或依据。

控制实验
指控制所有的因子，检验某一个或几个因子不同水平的生态效应。

例如，所谓“微宇宙”模拟系统，是在人工气候室或人工水族箱中建立自然生态系
统的模拟系统，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中,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。

随着现代科学技术工艺的进步，实验生物材料和生物测试技术的完善，近年来受控生态试验的规模和生态系统模拟水平，正在日趋扩大完备。

例如70年代在海洋生态学研究中，创造了一种受控生态系统技术，是用一个巨大的塑料套在浅海里围隔出一个从海面到海底的受控水柱，可以在其中进行持续的、包括生物及环境在内的多项受控试验。

不过，受控生态实验无论怎样都不可能完全再现自然的真实，总是相对简化的，存在不同程度的干扰，因而模拟实验取得的数据和结论，最后都要回到自然界中去进行验证。

3数学模型
从50年代起，系统概念和计算数学的方法渗入生态学研究领域。

此后，越来越多的学者采用数学模型来描述生态现象，预测未来趋势。

计算结果与实测数据相互印证，这有助于检验理论的有效性。

人们还可以用电子计算机进行模拟试验。

计算机模拟在性质和规模上都摆脱了原地实验的局限性，很容易利用改变有关参数的方法来分析系统中的因果关系，计算结果可以再拿到现场检验。

这不仅大大加快了研究进度，而且开拓了更为广阔的研究领域。

—般说来建立数学模型的方法大体上可分为两大类。

一类是机理分析方法，一类是测试分析方法．机理分析是根据对现实对象特性的认识、分析其因果关系，找出反映内部机理的规律,建立的模型常有明确的物理或现实意义.测试分折将研究对象视为一个“黑箱”系统，内部机理无法直接寻求，可以测量系统的输人输出数据、并以此为基础运用统计分析方法，按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个与数据拟合得最好的模型。

这种方法称为系统辨识．将这两种方法结合起来也是常用的建模方法。

即用机理分析建立模型的结构，用系统辨识确定模型的参数．
数学模型仅仅是现实生态学系统的抽象，每种模型都有其一定的限度和有效范围。

生态学系统建模，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。

模型方法第一步是对模式的精确描述；通过进一步观测确定导致所观察到的模式的生物和环境过程，建立机制模型，进行理论解释；并根据一定的前提条件，经理论化逻辑推导揭示出新的现象。

而一旦理论解释已经建立，就可以引导人们进行有目的的观察或实验。

生态学模型主要包括描述模型、机制模型和预测模型3类。

描述模型通常是统计学模型，如动植物的生长函数；机制模型，其模型参数具有较明确的生态学含义，同时具有较强的假设，如Logistic模型、Lotka-Volterra模型以及结构种群的Leslie模型等；目前，生态学的复杂性使得这类模型在数
学方法上较难实现。

预测模型，根据生态学概念模型建立的复合模型系统，利用计算机进行数值计算来实现。

算法不一定非常严谨，但明确地符合生态学理论。

三生态学研究方法的发展趋势
生态学研究方法发展趋势主要表现以下几个方面：
研究对象时空尺度的扩展。

例如在空间尺度表现从分子到全球；在时间尺度方面表现为从叶片气孔瞬时动态到地质历史时期；在组织水平表现为从个体到生物圈。

相关学科方法技术的引进。

随着分子生物学的发展，分子生物学已完全融入生态学形成了一门新的学科----分子生态学。

例如DNA分子标记技术和蛋白质标记技术已种群生态学、地理变异、遗传多样性检测、遗传分化等研究中。

数量化、信息化以及大规模的控制实验。

例如“3S”集成、空间数据库与数据管理、数据分析软件等。

大规模控制实验例如生物圈“2号”、Face实验、群落增温实验、计算机模拟实验等。

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