Investigating ecosystems

調查生態系統：海洋科學工具包（課程大綱 5.2）

歡迎來到海洋生態學的實踐領域！在上一章中，我們學習了關於生態系統的所有技術術語，例如物種、種群和群落。但科學家們究竟是如何在真實（且經常濕漉漉！）的海洋環境中進行測量呢？

本章將為你提供調查海洋生態系統所需的實地考察基本技能，特別是針對岩岸和沙灘等沿海地區。如果覺得這看起來很棘手，請別擔心——我們會將這些方法拆解成簡單的步驟！

為什麼我們要調查海洋生態系統

在研究海洋棲息地時，我們通常想了解居住在那裡的生物的兩個主要特點：

• 種群大小 (Population Size)（某個物種有多少個體？）
• 物種豐富度 (Species Richness)（有多少「不同」的物種？）
• 分佈情況 (Distribution)（生物具體分佈在哪裡，以及原因為何？）

1. 測量種群大小與物種豐富度（隨機取樣）

為了估算大面積區域內生活著多少生物，我們無法將牠們全部數一遍。相反，我們會使用一個小的、可管理的區域，稱為樣本 (sample)。為了確保樣本具有公平性並能代表整個區域，我們使用隨機取樣 (random sampling) 和樣方 (quadrats)。

什麼是樣方？

樣方只是一個已知大小的正方形框架（例如 0.25 m² 或 1 m²）。它們是統計固著（不會移動）生物的重要工具，例如藤壺、貽貝或大型藻類（海藻）。

隨機取樣的過程

隨機取樣確保棲息地的每個部分都有相等的機會被選中，這能避免研究員產生偏差。

1. 界定區域：測量你想取樣的總面積（例如 10m x 10m）。
2. 生成隨機坐標：使用隨機數生成器或從帽子裡抽籤，在定義的區域內選擇坐標（X 軸和 Y 軸）。
3. 放置樣方：將樣方放置在選定的精確坐標處。
4. 計數或測量：記錄你感興趣的物種的個體數量（用於種群大小），或者簡單地列出存在的所有不同物種（用於物種豐富度）。
5. 重複：重複此過程多次（例如 20 或 30 次）以收集足夠的數據。

計算種群大小（密度）

如果你統計了 20 個樣方中的帽貝數量，你就可以估算出總種群。首先，計算平均密度：

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

然後，估算總種群：

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

小總結：樣方取樣用於統計生物數量（種群大小）和識別棲息地內的生物多樣性（物種豐富度），透過*隨機放置*確保結果可靠。

2. 調查分佈情況（系統取樣）

有時，我們不僅想知道有多少生物，還想知道它們「在哪裡」以及「為什麼」它們的數量會隨著環境變化而改變。這就是調查分佈情況 (distribution)。

這在海岸線上很常見，那裡的環境條件（如暴露於空氣的時間或波浪作用）會隨潮汐而發生巨大變化。

樣線 (Line Transects) 與樣帶 (Belt Transects)

為了研究分佈，我們使用系統取樣 (systematic sampling)，這意味著沿著已知的環境梯度（如從低潮線到高潮線的梯度）將樣本排列成直線。

1. 樣線：

這是最簡單的形式。你鋪設一條長捲尺（樣線）從一點連接到另一點（例如垂直於海岸線）。然後，你記錄在固定間隔（例如每 0.5 米或 1 米）處接觸到線的所有物種。

• 優點：快速且簡單。
• 缺點：只能告訴你物種是否存在，無法得知種群密度。

2. 樣帶：

這更詳細，結合了樣線取樣和樣方取樣。你將捲尺鋪設為中心線，但在沿線的固定間隔處，在線的旁邊放置一個樣方（即「樣帶」）。然後，你計算或估算該樣方內物種的豐度。

• 優點：提供有關沿梯度的分佈（在哪裡）和種群密度（有多少）的數據。
• 缺點：比簡單的樣線耗時得多。

類比：將樣線想像成在地圖上畫一條線，並記錄線條經過的城鎮。而樣帶則像是記錄那條邊界沿線一定寬度帶狀區域內的所有城鎮及其人口。

記憶小技巧：
*R*andom (隨機取樣) 讓你得到 *R*ichness (豐富度) 和種群大小。
*S*ystematic (系統取樣/樣線) 顯示 *S*patial (空間) 分佈。

3. 測量海岸或坡度剖面

剖面 (profile) 是指海岸線的高度和坡度變化。這非常重要，因為海拔高度決定了生物在退潮時暴露在空氣中（乾燥）的時間長度。不同的物種適應了不同的區域（潮上帶、潮間帶、潮下帶）。

測量坡度剖面的合適方法

當你沿著海岸向上移動時，需要測量水平移動的距離和垂直高度的變化：

1. 起點：將第一把米尺（或測量竿）垂直放置在你能安全到達的最低點（例如水邊）。
2. 水平距離：從你的第一把尺開始，沿海岸向上測量設定的水平距離（例如 1 米）。
3. 使用水平儀：使用第二把米尺和水平儀（或簡單的瞄準儀/阿貝水平儀），找到與第一根竿子高度標記完全水平的點。
4. 測量垂直變化：測量從水平視線點到地面的垂直高度。這就是你的高度變化（或「落差」）。
5. 記錄並重複：記錄水平距離（例如 1 米）和垂直高度變化。將第一把尺移到第二把尺的位置，並重複此過程，直到整段海岸線測量完畢。

通過繪製這些水平和垂直變化，你可以繪製出精確的海岸剖面圖，並將其與不同物種的分佈位置聯繫起來。

4. 分析沉積物（顆粒剖面與水分含量）

在沉積海岸（沙灘或泥灘）上，生活在表面下的生物（內生動物）會受到沉積物物理性質的巨大影響。

測量顆粒剖面（沉積物大小）

沉積顆粒的大小（沙、粉砂或黏土）決定了水和氧氣的滲透程度。沙岸具有較大的顆粒，相比具有微小顆粒的泥岸，其排水能力和氧氣供應更佳。

合適的方法：篩分分析

1. 收集並乾燥：從調查的特定點收集沉積物樣本。將樣本完全乾燥，通常在低溫烘箱中，直到質量保持不變。
2. 稱重：稱量乾燥樣本的總質量。
3. 篩分：將樣本通過一套嵌套的篩子。每個篩子的網孔尺寸逐漸減小（例如 2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 等）。
4. 各級稱重：分別稱量每個篩子上留下的沉積物。
5. 計算：計算每個尺寸級別占總樣本質量的百分比。這就是你的顆粒剖面。

測量沙子或沉積物的水分含量

沉積物中的高水分含量通常意味著低氧水平（厭氧條件），這是影響哪些生物可以在那裡挖掘的重要因素。

合適的方法：乾燥法

1. 稱量濕樣本：取出沉積物樣本並立即稱重（濕質量）。
2. 乾燥樣本：將樣本放入烘箱（通常在 \(100^\circ\text{C}\) 左右）加熱幾個小時，直到所有水分蒸發。
3. 稱量乾樣本：再次稱量樣本（乾質量）。
4. 計算水分含量：質量差即為蒸發的水分質量。

水分含量 (%) 使用以下公式計算（你需要知道如何使用它！）：

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

例子：如果濕樣本重 50 克，乾樣本重 40 克：
流失的水分質量 = 10 克。
水分含量 = \((10 / 50) \times 100 = 20\%\)