山东大学 生命科学学院 生态学与生物多样性研究所

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1 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 Tel: (O) 主页： 山东大学 生命科学学院 生态学与生物多样性研究所

2 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

3 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

4 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、、）

5 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

6 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

7 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

8 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）

9 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

10 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.

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

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14 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 m，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%。

15 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)

16 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)

17 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

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26 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

27 页眉 2014生态学研究方法安排 利用技术课补

28 页眉 主要参考书目 1. Resetarits W J , J Bernardo 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 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 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 Scaling Relations in Experimental Ecology. New York: Columbia University Press (国家图书馆外文新书阅览室）

29 页眉 主要参考书目（续） 5.李博 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) 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 森林生态学实验实习方法. 东北林业大学出版社 10.邬建国 景观生态学－格局、过程、尺度与等级. 北京: 高等教育出版社

30 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）