Методы экологических исследований

Что значит методы экологии

Основные методы

Лабораторные

Вот некоторые ключевые аспекты и методы, связанные с лабораторным анализом в экологических исследованиях:

1. Подготовка образцов: вода, почва, воздух или биологические образцы требуют подготовки. Проводят фильтрацию, сушку, измельчение, гомогенизацию, экстракцию, переваривание.
2. Химический анализ: измерение концентрации или наличия определенных химических соединений в образцах. К распространенным методам относятся: спектроскопия для определения концентрации различных соединений в образцах, хроматография для разделения и количественного определения отдельных химических компонентов в сложных смесях.
3. Электрохимический анализ: потенциометрия, вольтамперометрия или амперометрия измеряют pH, окислительно-восстановительный потенциал, специфические ионы в растворе.
4. Титрование: постепенное добавление реагента известной концентрации для определения концентрации аналита.
5. Физический анализ: анализ размера частиц, плотность и вязкость.
6. Термический анализ: термическое поведение, фазовые переходы или разложение веществ.
7. Анализ площади поверхности: измеряет удельную площадь поверхности твердых веществ, что важно для понимания адсорбционных или каталитических свойств.
8. Биологический анализ:

Микробиологический анализ: идентификация и количественная оценка микроорганизмов (бактерии, вирусы или грибы).

Анализ биомаркеров: специфические ферменты, белки или генетические маркеры анализируются для оценки биологических реакций или идентификации конкретных организмов в образцах.

Секвенирование ДНК/РНК: для анализа генетического материала в образцах окружающей среды. Это может дать информацию об идентификации видов, составе сообщества или генетическом разнообразии.

Полевые

1. Выбор участка: учитывают экологическую значимость, доступность, репрезентативные характеристики, наличие ключевых видов или мест обитания.
2. Дизайн выборки: определяют соответствующий размер, единицы и методы выборки. Методы: случайная, стратифицированная, систематическая или целенаправленная выборки.
3. Сбор данных: прямые наблюдения за характеристиками среды обитания, идентификация видов, регистрация моделей поведения и мониторинг природных явлений, таких как миграция или размножение. Измерения: температура, влажность, уровень pH, качество воды, воздуха или свойства почвы. Трансектные исследования: систематическое прохождение по заранее определенной линии или пути через исследуемую территорию и сбор данных через регулярные промежутки времени. Трансекты используют для оценки состава растительности, распределения видов или свойств среды обитания вдоль градиента. Квадратный отбор проб: квадраты — это фиксированные участки определенного размера, используемые для количественной оценки обилия видов растений, плотности или покрытия. Камеры-ловушки устанавливаются в полевых условиях для получения изображений или видеозаписей диких животных. Они часто используются для изучения неуловимых или ночных видов и могут предоставить ценные данные о присутствии, поведении и численности.
4. GPS и картирование.
5. Идентификация видов на основе физических характеристик, поведения или вокализации.

Системного подхода

Вот ключевые аспекты и принципы системного подхода:

1. Глобальный взгляд на систему: Рассматривается взаимодействие всех компонентов и процессов внутри экосистемы, а также их связь с внешней средой.
2. Иерархический подход: Экосистема рассматривается на разных уровнях организации, от отдельных организмов и популяций до биоценозов и биогеоценозов.
3. Учет взаимодействия и обратных связей: Анализируются взаимодействия и обратные связи между компонентами системы, учитывается влияние изменений в одном компоненте на другие компоненты и на систему в целом.
4. Мультидисциплинарный подход: Исследование экосистемы требует сотрудничества между различными дисциплинами, такими как биология, география, химия, физика и др.
5. Моделирование: Для анализа и предсказания поведения экосистемы используются математические и компьютерные модели, которые позволяют оценить последствия изменений в системе.

Применение метода системного подхода в экологии позволяет более полно и глубоко понять структуру и функционирование экосистемы, а также прогнозировать и управлять ее состоянием.

Стационарный

Надо выбрать определенные места, проводить наблюдения и сбор данных регулярно. Это измерение физико-химических параметров окружающей среды, плотности популяций организмов, видовое разнообразие, состав растительности, процессы деградации или восстановления экосистем. Позволяет выявлять тренды, сезонные вариации.

Один из примеров — мониторинг качества воды в реках или озерах. Регулярные измерения параметров, таких как уровень загрязнения, содержание кислорода, pH-уровень и биологический состав, помогают определить воздействие антропогенных факторов или естественных процессов на водные экосистемы.

Маршрутный

Надо установить предварительно определенные пункты наблюдения или маршруты, которые периодически проходятся и изучаются на протяжении длительного времени. Эти маршруты могут быть расположены в разных типах экосистем: лесах, озерах, реках, пустынях или морских берегах. В процессе регистрируют и измеряют видовое разнообразие, плотность популяций, состав растительности, физико-химические показатели окружающей среды.

Преимущества: возможность оценки изменений во времени и пространстве, а также получение информации о биологическом разнообразии и состоянии экосистем на более крупных масштабах. Позволяет выявлять тенденции и угрозы для экосистем и видов.

Одним из известных примеров является программа «Европейский совет по переписи птиц», собирающая данные о популяциях птиц на определенных маршрутах в течение длительного времени.

Наблюдение

Может быть проведено на разных уровнях — от индивидуальных организмов до экосистем. Наблюдение за поведением животных, распределением и обилием видов, физико-химическими показателями окружающей среды, процессами изменения ландшафта.

1. Систематичность: проводятся согласно определенному плану или протоколу, чтобы обеспечить консистентность и повторяемость результатов.
2. Объективность.
3. Длительность и регулярность.
4. Документация.
5. Контекст: проводятся с учетом контекста и взаимосвязей с другими факторами и процессами в экологической системе.

Наблюдение может быть проведено в различных формах, включая прямое наблюдение в полевых условиях, использование бинокля или телескопа для наблюдения за дикими животными, фотофиксацию, аудиозапись и другие методы.

Статистический

1. Планирование исследования: определяют цели и гипотезы и разрабатывают план сбора данных, включая выбор методов исследования и определение необходимого объема выборки.
2. Сбор данных: собираются на основе выбранного плана исследования, включая наблюдения, эксперименты, обследования или другие методы.
3. Описательная статистика: данные описываются и анализируются с учетом среднего значения, медианы, стандартного отклонения и диапазона.
4. Статистический анализ: t-тесты, анализ дисперсии (ANOVA), регрессионный анализ, корреляционный анализ.

Исторический

1. Сбор исторических данных: старые карты, атласы, географические описания, отчеты экспедиций, журналы, фотографии, архивные записи, устные источники и другие документы, связанные с экологическими аспектами.
2. Критический анализ данных: оценивает их достоверность, точность, полноту и релевантность для исследуемой экологической проблематики.
3. Реконструкция прошлых состояний: реконструкция ландшафтов, распределения видов, состава растительности, популяций животных.
4. Анализ изменений со временем, ученый старается понять причины этих изменений, включая естественные факторы и влияние деятельности человека.
5. Интерпретация и выводы: на основе анализа исторических данных и реконструкции прошлых состояний исследователь делает интерпретацию результатов и формулирует выводы относительно влияния прошлых изменений на текущее состояние экологических систем и их долгосрочную устойчивость.

Другие

Дистанционное зондирование

1. Платформы датчиков: спутники, самолеты, беспилотники или наземные датчики. Спутники обеспечивают глобальную перспективу и широкий охват, в то время как самолеты и беспилотники предлагают более высокое пространственное разрешение и гибкость для целевых областей.
2. Электромагнитный спектр: датчики дистанционного зондирования обнаруживают и измеряют электромагнитное излучение, отраженное или испускаемое поверхностью Земли. Электромагнитный спектр охватывает диапазон длин волн, от гамма-лучей до радиоволн. Различные датчики предназначены для улавливания определенных частей спектра, таких как видимое, инфракрасное, тепловое или микроволновое излучение.
3. Получение изображений: с помощью датчиков, которые регистрируют интенсивность излучения на разных длинах волн. Мультиспектральные датчики собирают данные в нескольких дискретных полосах, а гиперспектральные — в сотнях узких и смежных полос, предоставляя подробную спектральную информацию.
4. Интерпретация изображений: визуальная интерпретация экспертами или автоматизированный анализ с использованием алгоритмов и методов компьютерного зрения. Интерпретация изображений направлена на выявление и классификацию типов земного покрова, индексов растительности, водных объектов и других объектов, представляющих интерес.
5. Индексы растительности: индекс нормализованной разности растительности (NDVI) или расширенный индекс растительности (EVI) позволяют оценить состояние, биомассу и продуктивность растительности.
6. Обнаружение изменений: изображения сравнивают для обнаружения и мониторинга изменений в почвенно-растительном покрове, расширении городов, обезлесении или динамике растительности. Методы: дифференциация изображений, пороговая обработка изображений или современные алгоритмы — классификация на основе объектов или машинное обучение.
7. Тепловые датчики измеряют тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли. Изучают температурные модели поверхности, вулканическую активность, поток энергии и тепловые аномалии — городские острова тепла или лесные пожары.
8. LIDAR: Обнаружение света и дальности — метод, использующий лазерные импульсы для измерения расстояний и создания высокодетальных трехмерных изображений поверхности Земли. Данные LIDAR могут использоваться для моделирования рельефа, анализа структуры лесов, картирования пойм и городского планирования.

Значение методов

Методы экологии позволяют ученым получать объективные данные, проводить анализ, делать выводы и принимать решения для охраны природы и устойчивого использования ресурсов.

1. Понимание экологических процессов.
2. Оценка состояния окружающей среды: качество воды и воздуха, состояние почвы, уровень загрязнения, уровень биологического разнообразия.
3. Прогнозирование и управление.
4. Поддержание биологического разнообразия.