Investigating ecosystems

生态系统调查：海洋科学工具包（教学大纲 5.2 节）

欢迎来到海洋生态学的实践领域！在上一章中，我们学习了关于生态系统的专业术语，如物种、种群和群落。但是，科学家们究竟是如何走进真实（且经常湿漉漉的！）海洋环境去测量这些指标的呢？

本章将为你提供调查海洋生态系统所需的关键野外考察技能，特别是针对岩岸和沙滩等海岸区域。别担心，如果这看起来有些复杂——我们将把这些方法拆解成一步一步的操作指南！

为什么要调查海洋生态系统？

在研究海洋栖息地时，我们通常希望了解生活在那里的生物的以下两个主要方面：

• 种群大小（Population Size）（某种生物到底有多少？）
• 物种丰富度（Species Richness）（有多少*不同*的物种？）
• 分布（Distribution）（生物具体在哪里发现的？为什么会出现在那里？）

1. 测量种群大小与物种丰富度（随机取样）

为了估算大面积区域内生活着多少生物，我们无法逐一清点。相反，我们使用一小块易于统计的区域，称为样本。为了确保样本公平且能代表整个区域，我们使用带有样方（quadrats）的随机取样（random sampling）法。

什么是样方？

样方就是一个已知尺寸的方形框架（例如 0.25 m² 或 1 m²）。它们是清点固着生物（不移动的生物），如藤壶、贻贝或大型藻类（海藻）的重要工具。

随机取样的过程

随机取样确保了栖息地的每一部分都有平等的被抽中机会，这避免了研究人员的主观偏见。

1. 确定区域：测量你想取样的总区域（例如 10m x 10m）。
2. 生成随机坐标：使用随机数生成器或抽签的方式，在你定义的区域内选择坐标（X轴和Y轴）。
3. 放置样方：将样方准确放置在选定的坐标上。
4. 计数或测量：记录你感兴趣的物种的个体数量（用于种群大小），或者简单地列出出现的所有不同物种（用于物种丰富度）。
5. 重复：重复此过程多次（例如 20 或 30 次），以收集足够的数据。

计算种群大小（密度）

如果你在 20 个样方中清点了帽贝的数量，就可以估算总种群。首先，计算平均密度：

$$ \text{Density} = \frac{\text{Total number counted}}{\text{Total area of all quadrats used}} $$

然后，估算总种群：

$$ \text{Estimated Population Size} = \text{Density} \times \text{Total area of habitat} $$

快速总结：样方取样用于清点生物（种群大小）和识别栖息地内生命的种类（物种丰富度），通过*随机放置*来确保结果的可靠性。

2. 调查分布（系统取样）

有时，我们不仅想知道生物有多少，还想知道它们*在哪里*，以及为什么它们的数量会随环境变化。这就是调查分布。

这在海岸线非常常见，因为那里的环境条件（如暴露于空气的时间或波浪作用）会随潮汐发生剧烈变化。

样线法（Line Transects） vs. 样带法（Belt Transects）

为了研究分布，我们使用系统取样（systematic sampling），这意味着沿着一个已知的环境梯度（例如从低潮线到高潮线的梯度）按直线放置样本。

1. 样线法（Line Transect）：

这是最简单的形式。你拉一条长卷尺（样线），从一个点到另一个点（例如垂直于海岸线）。然后记录在固定间隔（例如每 0.5 米或 1 米）处接触到线条的每一个物种。

• 优点：快速、简便。
• 缺点：只能告诉你物种是否存在，无法得知种群密度。

2. 样带法（Belt Transect）：

这更为详尽，它结合了样线取样和样方取样。你铺设卷尺作为中心线，但在沿线的固定间隔处，在线的旁边放置一个样方（即“带”）。然后统计或估算该样方内的物种丰度。

• 优点：能同时提供关于分布（哪里有）和种群密度（有多少）的数据。
• 缺点：比简单的样线法耗时得多。

类比：你可以把样线法想象成在地图上画一条线，只记录正好在边界线上的城镇。而样带法则是记录该边界线周围一条带状区域内所有的城镇及其人口。

记忆窍门：
*R*andom（随机）取样带给你 *R*ichness（丰富度）和种群大小。
*S*ystematic（系统）取样（样线/样带）为你显示 *S*patial（空间）分布。

3. 测量岸滩或坡度剖面

剖面（profile）是指岸滩沿线高度和坡度的变化。这一点至关重要，因为海拔高度决定了生物在低潮期间暴露于空气（干燥）的时间长度。不同的物种适应不同的区域（潮上带、潮间带、潮下带）。

测量坡度剖面的合适方法

你需要测量移动时的水平距离和向上爬升时的垂直高度变化：

1. 起点：将第一根米尺（或测距杆）垂直放置在你能够安全到达的最低点（例如水边）。
2. 水平距离：从你的第一根杆处向上岸测量设定的水平距离（例如 1 米）。
3. 使用水平仪：使用第二根米尺和水平仪（或简单的瞄准仪/艾布尼水平仪），找到与第一根杆上的高度标记完全水平的点。
4. 测量垂直高度变化：测量从水平瞄准点到地面的垂直高度。这就是你的高度变化（或“下降/上升值”）。
5. 记录并重复：记录水平距离（例如 1 米）和垂直高度变化。将第一根杆移动到第二根杆的位置，重复整个过程，直到抵达岸上高处。

通过标绘这些水平和垂直的变化，你可以绘制出精确的海岸剖面图，并将其与不同物种的分布地点关联起来。

4. 分析沉积物（颗粒剖面和含水量）

在沉积海岸（沙滩或泥滩）上，生活在地表以下的生物（内生动物，infauna）受到沉积物本身物理性质的巨大影响。

测量颗粒剖面（沉积物大小）

沉积颗粒（沙、粉砂或粘土）的大小决定了水和氧气渗透的难易程度。沙滩有较大的颗粒，与含有微小颗粒的泥滩相比，排水性和氧气供应更好。

合适的方法：筛分分析（Sieve Analysis）

1. 采集并干燥：从特定的研究点采集沉积物样本。将样本彻底干燥，通常在低温烘箱中进行，直到质量恒定。
2. 称重：称量干燥后的样本总质量。
3. 筛分：将样本通过一套嵌套的筛子。每个筛子的网眼尺寸依次减小（例如 2 毫米、1 毫米、0.5 毫米、0.25 毫米等）。
4. 称量各部分：分别称量每个筛子上残留的沉积物质量。
5. 计算：计算各粒径组分占总样本质量的百分比。这就得到了颗粒剖面。

测量沙子或沉积物的含水量

沉积物中较高的含水量通常意味着较低的氧气水平（厌氧条件），这是影响哪些生物能在此穴居的关键因素。

合适的方法：干燥法

1. 称量湿样本：取沉积物样本并立即称重（湿质量）。
2. 干燥样本：将样本放入干燥箱（通常在 \(100^\circ\text{C}\) 左右）中烘干几个小时，直到水分完全蒸发。
3. 称量干样本：再次称量样本（干质量）。
4. 计算含水量：质量的差值就是蒸发掉的水的质量。

含水量（%）计算公式如下（你需要掌握如何使用！）：

$$ \text{\% Moisture} = \frac{\text{Mass wet} - \text{Mass dry}}{\text{Mass wet}} \times 100 $$

例子：如果湿样本重 50 克，干样本重 40 克：
失去的水分质量 = 10 克。
含水量 % = \((10 / 50) \times 100 = 20\%\)