山东大学 生命科学学院 生态学与生物多样性研究所 页眉 生态学研究方法 主讲教师： 王仁卿 教授 助教：杜宁 博士 Email: rqwang@sdu.edu.cn Tel: 88363573(O) 主页：http://ecology.sdu.edu.cn 山东大学 生命科学学院 生态学与生物多样性研究所

第一讲 生态学研究方法概述 课程目的、要求 主要讲授内容及安排 学习、考核方法 参考书 其他

教学目的 了解生态学研究方法的历史 学习生态学的基本研究方法、原理等 初步掌握生态学研究的设计与实验 熟悉常规生态仪器的使用方法 页眉 教学目的 了解生态学研究方法的历史 学习生态学的基本研究方法、原理等 初步掌握生态学研究的设计与实验 熟悉常规生态仪器的使用方法 学会获取可靠的生态学数据 掌握对生态实验数据进行分析和解释的基本方法 等等

Field approach 野外研究（观测、取样、记录、拍照、跟踪、、、） 生态学研究特点 生态学特点： 综合性、复杂性、长期性、滞后性、不确定性、不可重复性、许多问题无法度量、、等等；三峡大坝、物种丧失、、等等；定性易，定量难！ 所以生态学的概念、理论、学派等特别多。而且现在滥竽充数的也特别多；生态学者也无所其从。 Field approach 野外研究（观测、取样、记录、拍照、跟踪、、、） Experimental Approach 实验研究（室内、室外；短期、长期；固定、非固定、、） Theoretical Approach 理论研究 （群落理论、种群理论、；理论生态学、，假设、验证、、）

How to do ecology research Idea 观点、科学问题 Experimental design 设计（背景、目的、内容、方法、条件（设备、仪器、费用、）、、等） Ecological sampling 取样、研究 Analysis of dataset 数据分析 Results and discussions 结果与讨论、总结. Publish it or apply it. 报告、发表、应用、继续

生态学研究方法 传统的、常规的方法（样方、样地，捕捉，环志、培养，、） 现代的、新颖的方法（模型、3S-GPS、RS、GIS，分子生物学方法等等） 专业的-生态学专门方法 非专业的（土壤、气象、水文、遥感的；数学的、化学的、经济的，等等），生态学家像讨饭的、杂家、、 一般的、专门或特殊的（动物研究的方法；温室、） 个体的、种群的、群落的、生态系统的、经管的、、 理论的、假设的、验证的、、、 等等

生态学研究因对象、目的、尺度等不同，方法也大不相同！ 如植物的、动物的、微生物的、、 个体的、种群的、群落的、生态系统与景观的、、 理论探讨的、应用基础的、 设计的、假设的 模拟、模型 长期的、定位的、大样地大范围的 短期的、随机的、样方的、 控制的、非控制的 等等

植物生态研究 小型培养箱 小型温室，大型温室 试验站 样地 等等 （后面更多介绍，大实验主要的内容）

How do Species Coexist? Warbler feeding zones 动物生态研究 例子：树莺的共存 MacArthur（1955）望远镜观察，不是出于观鸟爱好，为了验证生态理论。生态学理论预测：具有一致的生态需求的物种生活在一起必然互相竞争，在同一环境中能否共存的结果是不能确定的。 几种树莺看起来都生活在云杉树上，主要靠取食树皮树叶上的昆虫，能共存吗？虎纹莺，黑斑森莺，黑喉莺，黄胸莺，黑尾莺（加州莺）。 MacArthur预测能，因为不同的柳莺取食树冠不同部位的昆虫。为此，对树木进行了分区，并详细地记录下不同鸟在树上取食的时间。结果证明不同取食分区避免了竞争，导致共存。 MacArthur的研究引发了关于竞争的很多问题。Morse（1980）对其中一个问题进行研究，即：当一种鸟在其他鸟类不存在的情况下，其取食区域是否会变化？采用比较的方法，对同一鸟（加州莺）不同地点的取食区域进行比较，一个地区有黑喉鸟与其共存，另一地没有，加州莺的取食区出现变化。在没有竞争者的地区，该鸟的取食区出现上移（扩大）。 为什么？进一步研究发现，取食区的存在，是由于两种鸟间打斗性相互作用维持的，其中黑喉莺的主导能力比加州莺强，因此，两鸟共存时，黑喉莺占据了很大区域，包括加州莺的潜在的取食区。 How do Species Coexist? Warbler feeding zones

Forest nutrient budget: inventories and large-scale experiments (Nalini Nadkarni, 1984) 例子：热带雨林的养分收支与附生植物 对热带雨林的养分收支研究的首先一步就是野外调查。Nadkarni的调查前无古人，借助专业登山设备登上热带雨林的树冠层上（可达50米），并取得巨大的成功。 一个重要的生态学之谜，热带雨林的地下土壤由于大量淋溶，其中养分NPCa等成分很少，但是热带雨林物种丰富多样，各种植物都需要养分，这是如何实现的？很多作用因素，其中之一是她发现的，奥秘在树冠层上生活了很多附生植物，它们生长过程中捕获营养，形成30cm厚的垫层。很多植物需要营养，不是从土壤中吸收，而是从树干发生系根，将根伸入垫子吸收。据估计，热带附生植物垫层的养分储存相当于全部冠层树叶的一半，有的森林甚至达到其生活树木所有枯落物的4倍。 冠层研究作为一个物理前沿已经结束，但作为一个科学前沿刚刚开始。美国另一处研究，采用了新的设备，森林高达70m，吊车式装置可以达到任何位置。观测内容包括不同高度冠层的附生植物垫的光合作用，冠层生活的侯鸟活动，蝙蝠的生境垂直分层等。 Exploring the rain forest canopy. What she discovered help solve a puzzle.

Providing access to the forest canopy: the wind river canopy crane(1990-)

Influence of forests on nutrient budgets: Manipulate entire forest Influence of forests on nutrient budgets: Manipulate entire forest.( Likens and Bormann, 1995) 例子：哈伯特流域森林采伐对养分的收支影响 Hubard Brook实验林，森林生态学的研究圣地。著名的流域皆伐实验，研究森林如何防止养分流失。指导实验的中心假说：有机物，尤其植物，能调节森林的养分运动速度。 面积；3000ha，高度200-1000m，1917皆伐后的次生林。Likens and Bormann在1994实验，皆伐后采用除草剂，进行3年，设立对照。在对照中，养分90％在固定在土壤有机质中，9.5%在植被中，溪流中不到1％。而皆伐后，溪流中NO3流失增加40－50倍，主要元素平均浓度增加117%-1 558%。

Vegetation change: information from pollen record and modeling 例子：利用孢粉记录植被变化历史 大尺度植被变化，一是湖泊底沉积物中的孢粉的记录。古生态学家Davis(1983,1989)致力于第四纪植物分布的变化问题，尤其近2万年。云杉孢粉出现在12 000年，山毛榉8000年，栗树2000年。持续出现一直到1920年，栗树病菌消灭湖边所有栗树。 每个湖的孢粉可以说明该地区的植被变化，而众多湖泊的记录可以重建整个大陆的植被分布。如Davis用很多湖泊的孢粉研究北美东部森林随气候变化而改变的情况。冰期物种迁移是一个重要的研究领域。假说：美国西海岸现在以落叶树为主，是落叶树在冰期存活了，但孢粉研究，冰期前实际上是针叶树为主。 Pollen record: History from lake sediment (Margaret David,1983)

例子：交错区的相变理论模型 模型可提供对植被长时期的时空变化的了解。Milne(1996)相变理论模型。如同水变冰，相变在某一个关键条件下突然发生，研究草原和森林区的交错带，发现两类生态系统或群落转变的关键树木密度值。 结果意义：交错带几何测定和对环境变化的敏感度。如，在不同植被用不同植物密度来定义交错带边缘间距离。如草原阔叶林交错带以41%或59%树木为边缘；而距离不同，意味着沿着交错带不同的环境梯度差异，越近，梯度越陡，越远，环境梯度越缓。 Theoretical Models: spatial phase transition theory and geometry of ecotones (Bruce Milne, 1996)

从小到大；从几天到几十、几年、几百年、、 页眉 生物圈2 号 大型温室 太空生态学！ 从小到大；从几天到几十、几年、几百年、、 17

页眉 18

页眉 19

页眉 20

页眉 21

页眉 22

页眉 23

页眉 24

页眉 25

鸟类环志 通过粪便、蹄印、洞穴、食物、等研究动物的数量、活动等

页眉 2014生态学研究方法安排 利用技术课补

页眉 主要参考书目 1. Resetarits W J , J Bernardo. 1998. Experimental Ecology : issues and perspectives. New York: Oxford University Press (国家图书馆外文图书阅览外借室） 2. Scheiner S M, J Gurevitch. 1993. Design and Analysis of Ecological Experiments. New York: Chapman & Hall(国家图书馆外文图书子库） 2001, New York: Oxford University Press (国家图书馆外文新书阅览室） 3.Hairston N G. 1989. Ecological Experiments---Purpose, Design, and Execution. New York: Cambridge University Press (国家图书馆外文图书子库） 4.Gardner R H, W M Kemp, V S Kemedy, J E Petersen. 2001. Scaling Relations in Experimental Ecology. New York: Columbia University Press (国家图书馆外文新书阅览室）

页眉 主要参考书目（续） 5.李博. 2000. 生态学. 北京: 高等教育出版社 6.祝廷成等.1988.植物生态学.北京: 高等教育出版社 7.董鸣(主编). 1996. 陆地生物群落调查观测与分析. 北京: 中国标准出版社 8. Sutherland W J(张金屯译). 生态学调查方法手册. 北京: 科学技术文献出版社 9. 王义弘，李俊清，王政权. 1990. 森林生态学实验实习方法. 东北林业大学出版社 10.邬建国. 2000. 景观生态学－格局、过程、尺度与等级. 北京: 高等教育出版社

考试方式：开卷考试 课程中间完成一次作业 课程结束每人介绍1个自己最感兴趣的生态学研究的技术方法。做PPT展示, 15~20分钟。（大实验时间） 结合大实验，每人完成一个综合报告。题目、背景、研究目标和研究内容、主要技术方法的简单说明。（具体再布置）