Методы экологических исследований: наблюдение, эксперименты и моделирование

Экология это исследование взаимоотношений между организмами и окружающей их средой на Земле. Для изучения этой взаимосвязи используются несколько экологических методов, включая эксперименты и моделирование.

Могут использоваться манипулятивные, естественные или наблюдательные эксперименты. Моделирование помогает анализировать собранные данные.

Экология, изучение того, как организмы взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом, опирается на несколько других дисциплин. Экологическая наука об экологии включает в себя биологию, химию, ботанику, зоологию, математику и другие области.

Экология изучает взаимодействие видов, размер популяции, экологические ниши, пищевые сети, потоки энергии и факторы окружающей среды. Для этого экологи полагаются на тщательные методы сбора максимально точных данных. После сбора данных экологи анализируют их для своих исследований.

Информация, полученная с помощью этих методов исследования, может затем помочь экологам обнаружить воздействия, вызванные людьми или природными факторами. Затем эту информацию можно использовать для управления и сохранения затронутых территорий или видов.

Каждый эксперимент требует наблюдения. Экологи должны наблюдать за окружающей средой, видами в ней и тем, как эти виды взаимодействуют, растут и изменяются. Разные исследовательские проекты требуют разных типов оценок и наблюдений.

Экологи иногда используют кабинетная оценка, или DBA, для сбора и обобщения информации о конкретных областях, представляющих интерес. В этом сценарии экологи используют информацию, уже собранную из других источников.

Однако часто экологи полагаются на наблюдение и полевые работы. Это влечет за собой фактическое проникновение в среду обитания интересующего объекта для наблюдения за ним в его естественном состоянии. Проводя полевые исследования, экологи могут отслеживать рост популяции видов, наблюдать экология сообщества в действии и изучать влияние любых новых видов или других интродуцированных явлений в окружающей среде.

Каждый полевой участок будет отличаться по своему характеру, форме или другим параметрам. Экологические методы допускают такие различия, поэтому для наблюдений и отбора проб можно использовать разные инструменты. Очень важно, чтобы выборка производилась случайным образом, чтобы избежать систематической ошибки.

Данные, полученные в результате наблюдений и полевых работ, могут быть как качественными, так и количественными. Эти две классификации данных различаются по-разному.

Качественные данные: Качественные данные относятся к качество предмета или условий. Следовательно, это более описательный форма данных. Его нелегко измерить, и его собирают путем наблюдения.

Поскольку качественные данные носят описательный характер, они могут включать такие аспекты, как цвет, форма, облачное или солнечное небо или другие аспекты того, как может выглядеть место наблюдения. Качественные данные - это не числовые данные, как количественные. Поэтому они считаются менее надежными, чем количественные данные.

Количественные данные: Количественные данные относятся к числовые значения или количества. Эти виды данных могут быть измерены и обычно представлены в числовой форме. Примеры количественных данных могут включать уровни pH в почве, количество мышей на полевом участке, данные образцов, уровни засоления и другую информацию в числовой форме.

Экологи используют статистику для анализа количественных данных. Поэтому это считается более надежной формой данных, чем качественные данные.

Прямой опрос: Ученые могут непосредственно наблюдать за животными и растениями в окружающей их среде. Это называется прямым опросом. Даже в таких отдаленных местах, как морское дно, эколог может изучать подводную среду. Прямая съемка в этом случае повлечет за собой фотографирование или съемку такого окружения.

Некоторые методы отбора проб, используемые для записи изображений морской жизни на морском дне, включают в себя видеосани, камеры с водяными завесами и Ham-Cams. Ham-Cams прикреплены к Hamon Grab, устройству с ведром для образцов, используемому для сбора образцов. Это один из эффективных способов изучения популяций животных.

Hamon Grab - это метод сбора наносов с морского дна, которые переносят на лодку, чтобы экологи могли разобрать и сфотографировать. Эти животные будут идентифицированы в другой лаборатории.

В дополнение к Hamon Grab, подводные устройства сбора включают лучевой трал, который используется для ловли более крупных морских животных. Это влечет за собой прикрепление сети к стальной балке и траление с кормовой части лодки. Образцы переносятся на борт лодки, фотографируются и подсчитываются.

Косвенный опрос: Непосредственное наблюдение за организмами не всегда практично или желательно. В этой ситуации экологические методы подразумевают наблюдение за следами, которые оставляют эти виды. Это может быть помет животных, следы и другие признаки их присутствия.

Основная цель экологических методов исследования - получение высококачественных данных. Для этого необходимо тщательно спланировать эксперименты.

Гипотеза: Первый шаг в любом экспериментальном дизайне - это выдвинуть гипотезу или научный вопрос. Затем исследователи могут составить подробный план отбора проб.

Факторы, влияющие на полевые полевые эксперименты, включают размер и форму области, на которой должна быть взята проба. Размеры полевых участков варьируются от маленьких до очень больших, в зависимости от того, какие экологические сообщества изучаются. Эксперименты в области экологии животных должны учитывать возможное перемещение и размер животных.

Например, паукам не потребуется большое поле для изучения. То же самое будет верно при изучении химии почвы или почвенных беспозвоночных. Вы можете использовать размер 15 на 15 метров.

Для травянистых растений и мелких млекопитающих могут потребоваться участки площадью до 30 квадратных метров. Деревьям и птицам может понадобиться пара гектаров. Если вы изучаете крупных подвижных животных, таких как олени или медведи, это может означать, что вам потребуется довольно большая территория в несколько гектаров.

Решающее значение также имеет выбор количества сайтов. Для некоторых полевых исследований может потребоваться только одно место. Но если в исследование включены два или более местообитания, необходимы два или более полевых участка.

Инструменты: Инструменты, используемые для полевых участков, включают трансекты, участки отбора проб, бессюжетный отбор проб, точечный метод, метод пересечения разреза и метод точечной четверти. Цель состоит в том, чтобы получить объективные выборки в достаточно большом количестве, чтобы статистический анализ был более надежным. Запись информации в полевые таблицы данных помогает при сборе данных.

Хорошо спланированный экологический эксперимент будет иметь четкую формулировку цели или вопроса. Исследователи должны проявлять особую осторожность, чтобы устранить предвзятость, обеспечив как репликацию, так и рандомизацию. Знание изучаемых видов, а также организмов в них имеет первостепенное значение.

Полученные результаты: По завершении собранные экологические данные следует проанализировать с помощью компьютера. Можно проводить три типа экологических экспериментов: манипулятивные, естественные и наблюдательные.

Манипулятивные эксперименты - это те, в которых исследователь изменяет фактор чтобы увидеть, как это влияет на экосистему. Это можно сделать в полевых условиях или в лаборатории.

Подобные эксперименты обеспечивают контролируемое вмешательство. Они работают в тех случаях, когда полевые работы не могут проводиться на всей территории по разным причинам.

Обратной стороной манипулятивных экспериментов является то, что они не всегда отражают то, что происходило бы в естественной экосистеме. Кроме того, манипулятивные эксперименты могут не выявить механизм, лежащий в основе наблюдаемых закономерностей. Также нелегко изменить переменные в манипулятивном эксперименте.

Пример: Если вы хотели узнать о ящерицах хищничество пауков, вы можете изменить количество ящериц в вольерах и изучить, сколько пауков появилось в результате этого эффекта.

Более крупным и актуальным примером эксперимента с манипуляциями является повторное введение волков в Йеллоустонский национальный парк. Это реинтродукция позволяет экологам наблюдать эффект возвращения волков к тому, что когда-то было их нормальным ареалом.

Исследователи уже узнали, что сразу после возвращения волков в экосистему произошли немедленные изменения. Изменилось поведение стада лосей. Повышенная смертность лосей привела к более стабильному кормлению как волков, так и падальщиков.

Естественные эксперименты, как следует из их названия, не управляются людьми. Это манипуляции экосистемой, вызванные природой. Например, после стихийного бедствия, изменения климата или интродукции инвазивных видов экосистема сама по себе представляет собой эксперимент.

Конечно, взаимодействия в реальном мире, подобные этим, на самом деле не являются экспериментами. Эти сценарии действительно предоставляют экологам возможность изучить влияние природных явлений на виды в экосистеме.

Пример: Экологи могут провести перепись животных на острове, чтобы изучить их Население плотность.

Основное различие между манипулятивными и естественными экспериментами с точки зрения данных заключается в том, что естественные эксперименты не имеют контроля. Поэтому иногда бывает труднее определить причину и следствие.

Тем не менее, есть полезная информация, которую можно получить из естественных экспериментов. Переменные окружающей среды, такие как уровень влажности и плотность животных, по-прежнему можно использовать для получения данных. Кроме того, естественные эксперименты могут проводиться на больших площадях или в огромных промежутках времени. Это еще больше отличает их от манипулятивных экспериментов.

К сожалению, человечество провело катастрофические природные эксперименты по всему миру. Некоторые примеры из них включают деградацию среды обитания, изменение климата, внедрение инвазивных видов и удаление местных видов.

Наблюдательные эксперименты требуют адекватных репликаций для получения высококачественных данных. Здесь применяется «правило десяти»; исследователи должны собрать 10 наблюдений для каждой требуемой категории. Посторонние влияния могут по-прежнему препятствовать попыткам сбора данных, например, о погоде и других нарушениях. Однако использование 10 повторяющихся наблюдений может оказаться полезным для получения статистически значимых данных.

Важно выполнить рандомизацию, желательно до проведения наблюдательных экспериментов. Это можно сделать с помощью электронной таблицы на компьютере. Рандомизация усиливает сбор данных, поскольку снижает систематическую ошибку.

Рандомизация и репликация должны использоваться вместе, чтобы быть эффективными. Участки, образцы и методы лечения должны быть распределены случайным образом, чтобы избежать искажающих результатов.

Экологические методы в значительной степени полагаются на статистические и математические модели. Это дает экологам возможность предсказать, как экосистема будет меняться с течением времени или реагировать на изменение условий в окружающей среде.

Моделирование также предоставляет другой способ расшифровать экологическую информацию, когда полевые работы нецелесообразны. На самом деле, полагаться исключительно на полевые работы есть несколько недостатков. Из-за типичного большого объема полевых работ невозможно точно воспроизвести эксперименты. Иногда даже продолжительность жизни организмов является ограничивающим фактором для полевых работ. Другие проблемы включают время, труд и пространство.

Таким образом, моделирование предоставляет метод более эффективного упорядочения информации.

Примеры моделирования включают уравнения, симуляции, графики и статистический анализ. Экологи также используют моделирование для создания полезных карт. Моделирование позволяет производить расчеты данных, чтобы заполнить пробелы от выборки. Без моделирования экологам будет мешать огромное количество данных, которые необходимо анализировать и передавать. Компьютерное моделирование позволяет проводить сравнительно быстрый анализ данных.

Имитационная модель, например, позволяет описывать системы, которые в противном случае были бы чрезвычайно трудными и слишком сложными для традиционного исчисления. Моделирование позволяет ученым изучать сосуществование, динамику популяций и многие другие аспекты экологии. Моделирование может помочь предсказать закономерности для важнейших целей планирования, например, для изменения климата.

Воздействие человечества на окружающую среду будет продолжаться. Поэтому для экологов становится все более важным использовать методы экологических исследований, чтобы найти способы смягчить воздействие на окружающую среду.