Екологічні методи дослідження: спостереження, експериментування та моделювання

Екологія полягає у вивченні взаємозв’язку між організмами та їх оточенням на землі. Для вивчення цього взаємозв'язку використовується кілька екологічних методів, включаючи експериментування та моделювання.

Можуть використовуватися маніпулятивні, природні або спостережні експерименти. Моделювання допомагає аналізувати зібрані дані.

Екологія, вивчення взаємодії організмів з навколишнім середовищем та між собою спирається на кілька інших дисциплін. Екологічна наука екологія включає біологію, хімію, ботаніку, зоологію, математику та інші галузі.

Екологія вивчає взаємодію видів, чисельність популяції, екологічні ніші, харчові мережі, енергетичний потік та фактори навколишнього середовища. Для цього екологи покладаються на обережні методи збору максимально точних даних, які тільки можуть. Після збору даних екологи аналізують їх для своїх досліджень.

Інформація, отримана за допомогою цих методів дослідження, може допомогти екологам знайти вплив, спричинений людиною або природними факторами. Потім цю інформацію можна використовувати для управління та збереження уражених територій або видів.

Кожен експеримент вимагає спостереження. Екологи повинні спостерігати за навколишнім середовищем, за видами в ньому та за тим, як ці види взаємодіють, ростуть та змінюються. Різні дослідницькі проекти вимагають різних видів оцінок та спостережень.

Екологи іноді використовують a бюро оцінки, або DBA, для збору та узагальнення інформації про конкретні сфери інтересів. За цим сценарієм екологи використовують інформацію, вже зібрану з інших джерел.

Однак нерідко екологи покладаються спостереження та польові роботи. Це передбачає фактичне потрапляння в середовище існування об’єкта, що цікавить, для спостереження за ним у його природному стані. Виконуючи польові опитування, екологи можуть відстежувати приріст популяції видів, спостерігати екологія громади в дії та вивчіть вплив будь-якого нового виду або інших інтродукованих явищ у навколишнє середовище.

Кожна польова ділянка буде відрізнятися за своєю природою, формою чи іншими способами. Екологічні методи допускають такі відмінності, щоб для спостереження та відбору проб можна було використовувати різні інструменти. Дуже важливо, щоб вибірки проводились випадковим чином для боротьби з упередженнями.

Дані, отримані в результаті спостережень та польових робіт, можуть бути як якісними, так і кількісними. Ці дві класифікації даних різняться по-різному.

Якісні дані: Якісні дані стосуються а якість предмета або умови. Тому це більше описовий форма даних. Це непросто виміряти, і воно збирається спостереженням.

Оскільки якісні дані є описовими, вони можуть включати такі аспекти, як колір, форма, хмарне чи сонячне небо, або інші аспекти того, як може виглядати місце спостереження. Якісні дані не є числовими, як кількісні дані. Тому він вважається менш надійним, ніж кількісні дані.

Кількісні дані: Кількісні дані посилаються числові значення або величини. Такі типи даних можна виміряти, і вони, як правило, мають цифрову форму. Приклади кількісних даних можуть включати рівні рН у ґрунті, кількість мишей на місцевості, дані проб, рівні солоності та іншу інформацію у цифровій формі.

Екологи використовують статистику для аналізу кількісних даних. Тому він вважається більш надійною формою даних, ніж якісні дані.

Пряме опитування: Вчені можуть безпосередньо спостерігати за тваринами та рослинами в їх середовищі. Це називається прямим опитуванням. Навіть у таких віддалених місцях, як морське дно, еколог може вивчати підводне середовище. Пряме опитування в цьому випадку потягне за собою фотографування або відеозйомку такого середовища.

Деякі методи вибірки, що використовуються для запису зображень морського життя на дні моря, включають відеосанки, камери з водяними завісами та кулачки Ham-Cam. Ham-Cams прикріплені до Hamon Grab, пристрою для відбору зразків, який використовується для збору зразків. Це один із ефективних способів вивчення популяцій тварин.

Хамон Граб - це метод збору осаду з морського дна, і осад береться на човен для екологів для сортування та фотографування. Ці тварини будуть ідентифіковані в іншій лабораторії.

Окрім Хамон Граб, підводні пристрої для збору включають балочний трал, який використовується для отримання більших морських тварин. Це передбачає прикріплення сітки до сталевої балки та тралювання із задньої частини човна. Зразки доставляються на борт човна, фотографуються та підраховуються.

Непряме опитування: Не завжди практично або бажано спостерігати за організмами безпосередньо. У цій ситуації екологічні методи передбачають спостереження за слідами, які залишають ці види. Сюди можуть входити скоти тварин, сліди ніг та інші показники їх присутності.

Основною метою екологічних методів дослідження є отримання високоякісних даних. Для цього експерименти повинні бути ретельно сплановані.

Гіпотеза: Першим кроком у будь-якому експериментальному дизайні є висунення гіпотези чи наукового питання. Тоді дослідники можуть скласти детальний план відбору проб.

Фактори, що впливають на експерименти на місцях, включають розмір і форму площі, для якої необхідно взяти вибірку. Розміри польових ділянок коливаються від малих до дуже великих залежно від того, які екологічні спільноти вивчаються. Експерименти в екології тварин повинні враховувати потенційний рух та розмір тварин.

Наприклад, павукам не знадобиться великий польовий майданчик для вивчення. Те саме було б справедливо при вивченні хімії ґрунту або ґрунтових безхребетних. Ви можете використовувати розмір 15 метрів на 15 метрів.

Трав'янистим рослинам та дрібним ссавцям можуть знадобитися польові ділянки площею до 30 квадратних метрів. Деревам і птахам може знадобитися пара гектарів. Якщо ви вивчаєте великих, рухливих тварин, таких як олені або ведмеді, це може означати потребу в досить великій площі в кілька гектарів.

Вирішення кількості сайтів також має вирішальне значення. Для деяких польових досліджень може знадобитися лише один сайт. Але якщо в дослідження включені два або більше середовища існування, необхідні два або більше польових ділянок.

Інструменти: Інструменти, що використовуються для польових майданчиків, включають трансекти, ділянки відбору проб, відбір проб без участі, точковий метод, метод перехресту трансекти та метод квартальної точки. Мета полягає в тому, щоб отримати неупереджені зразки достатньо великої кількості, щоб статистичний аналіз був обґрунтованішим. Запис інформації на польових аркушах даних допомагає під час збору даних.

Добре розроблений екологічний експеримент матиме чітке твердження про мету чи питання. Дослідникам слід подбати надзвичайно обережно, щоб усунути упередження, забезпечуючи як реплікацію, так і рандомізацію. Знання про види, що вивчаються, а також про організми, що знаходяться в них, є першорядними.

Результати: Після завершення зібрані екологічні дані слід проаналізувати за допомогою комп’ютера. Існує три типи екологічних експериментів: маніпулятивні, природні та спостережні.

Маніпулятивні експерименти - це ті, в яких дослідник змінює фактор щоб побачити, як це впливає на екосистему. Це можна зробити в польових умовах або в лабораторії.

Такі види експериментів забезпечують втручання в контрольованому режимі. Вони працюють у випадках, коли польові роботи не можуть відбуватися на цілій території з різних причин.

Недоліком маніпулятивних експериментів є те, що вони не завжди репрезентують те, що відбудеться в природній екосистемі. Крім того, маніпулятивні експерименти можуть не виявити механізму будь-яких спостережуваних закономірностей. Також непросто змінити змінні в маніпулятивному експерименті.

Приклад: Якщо ви хотіли дізнатись про ящірку хижацтво павуків, ви можете змінити кількість ящірок у вольєрах і вивчити, скільки павуків було результатом цього ефекту.

Більшим і сучасним прикладом експерименту з маніпуляціями є повторне впровадження вовків у Єллоустонський національний парк. Це реінтродукція дозволяє екологам спостерігати за ефектом вовків, що повертаються до колишнього звичайного ареалу.

Вже дослідники дізналися, що негайна зміна екосистеми відбулася після того, як вовки були повторно впроваджені. Поведінка стада лосів змінилася. Підвищена смертність лосів призвела до більш стабільного забезпечення їжею як вовків, так і поїдачів падалі.

Природні експерименти, як випливає з назви, спрямовані не людиною. Це маніпуляції з екосистемою, спричинені природою. Наприклад, внаслідок стихійного лиха, зміни клімату або інвазійних видів, сама екосистема являє собою експеримент.

Звичайно, такі реальні взаємодії не є справді експериментами. Ці сценарії дійсно надають екологам можливість вивчити вплив природних явищ на види в екосистемі.

Приклад: Екологи можуть провести перепис тварин на острові, щоб вивчити їх населення щільність.

Основна відмінність між маніпулятивними та природними експериментами з точки зору даних полягає в тому, що природні експерименти не мають контролю. Тому іноді важче визначити причину та наслідок.

Тим не менше, є корисна інформація, яку можна отримати в результаті природних експериментів. Екологічні змінні, такі як рівень вологості та щільність тварин, все ще можуть використовуватися для цілей даних. Крім того, природні експерименти можуть проводитись на великих територіях або в значній частині часу. Це ще більше відрізняє їх від маніпулятивних експериментів.

На жаль, людство спричинило катастрофічні природні експерименти по всій земній кулі. Деякі приклади з них включають деградацію середовища існування, зміну клімату, інтродукцію інвазивних видів та вилучення місцевих видів.

Спостережні експерименти вимагають адекватної копії високоякісних даних. Тут застосовується "правило 10"; дослідники повинні зібрати 10 спостережень для кожної необхідної категорії. Зовнішні впливи все ще можуть перешкоджати зусиллям щодо збору даних, таких як погода та інші порушення. Однак використання 10 повторних спостережень може виявитися корисним для отримання статистично значущих даних.

Важливо провести рандомізацію, бажано до проведення спостережних експериментів. Це можна зробити за допомогою електронної таблиці на комп’ютері. Рандомізація посилює збір даних, оскільки зменшує упередженість.

Для ефективності слід застосовувати рандомізацію та реплікацію разом. Сайти, зразки та методи обробки слід розподіляти випадковим чином, щоб уникнути незрозумілих результатів.

Екологічні методи значною мірою покладаються на статистичні та математичні моделі. Вони надають екологам спосіб передбачити, як екосистема зміниться з часом або реагуватиме на зміну умов у навколишньому середовищі.

Моделювання також надає інший спосіб розшифрувати екологічну інформацію, коли польові роботи не є практичними. Насправді є декілька недоліків у покладанні виключно на польові роботи. Через типово великий масштаб польових робіт неможливо точно повторити експерименти. Іноді навіть тривалість життя організмів є обмежувальним фактором для польових робіт. Інші проблеми включають час, працю та простір.

Отже, моделювання забезпечує метод, за допомогою якого інформація є більш ефективною.

Приклади моделювання включають рівняння, моделювання, графіки та статистичний аналіз. Екологи використовують моделювання і для виготовлення корисних карт. Моделювання дозволяє обчислювати дані, щоб заповнити прогалини від вибірки. Без моделювання екологів заважав би величезний обсяг даних, які потребують аналізу та передачі. Комп’ютерне моделювання дозволяє проводити порівняно швидкий аналіз даних.

Наприклад, імітаційна модель дозволяє описати системи, які в іншому випадку були б надзвичайно складними та занадто складними для традиційного числення. Моделювання дозволяє вченим вивчати співіснування, динаміку популяції та багато інших аспектів екології. Моделювання може допомогти передбачити закономірності для вирішальних цілей планування, таких як зміна клімату.

Вплив людства на довкілля продовжуватиметься. Тому для екологів стає все більш важливим використання методів екологічних досліджень для пошуку способів пом'якшення впливу на навколишнє середовище.