例談科學(xué)研究方法“樣方法”的內(nèi)在思維

秦亞平

(江蘇省武進(jìn)高級(jí)中學(xué) 常州 213161)

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，借助于科學(xué)研究方法，經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量的發(fā)展過(guò)程。學(xué)習(xí)生物學(xué)不僅僅要認(rèn)識(shí)生命系統(tǒng)的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)、發(fā)展和變化規(guī)律以及生命系統(tǒng)中各組分間的相互作用，更要理解和領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法。學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟科學(xué)研究方法需要正確認(rèn)識(shí)其意義、把握其內(nèi)涵與外延、厘清其內(nèi)在的思維關(guān)系，方能將科學(xué)研究方法理解得更透徹、運(yùn)用得更科學(xué)。本文以樣方法為例探討科學(xué)研究方法的內(nèi)在思維關(guān)系。

1 樣方法的產(chǎn)生

在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中，常常需要統(tǒng)計(jì)調(diào)查(研究)數(shù)量多少。當(dāng)其數(shù)量相對(duì)比較少時(shí)，人們可以對(duì)其逐個(gè)計(jì)數(shù)(絕對(duì)密度)。然而，當(dāng)調(diào)查(研究)數(shù)量足夠多時(shí)，將需要在此環(huán)節(jié)花費(fèi)大量的人力、物力。例如，我國(guó)的每一次人口普查動(dòng)用了大量的人力、物力和財(cái)力。為了能花有限的時(shí)間和精力獲得相對(duì)比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，科學(xué)工作者發(fā)明了計(jì)數(shù)有代表性的一小部分，進(jìn)而估算出整體(相對(duì)密度)的取樣調(diào)查法，其中，樣方法則是取樣調(diào)查法中常用方法之一。

種群密度是種群數(shù)量的最基本特征，樣方法則是研究種群密度時(shí)常用的研究方法之一。樣方法是指在被調(diào)查種群的生存環(huán)境內(nèi)隨機(jī)選取若干個(gè)樣方，通過(guò)計(jì)數(shù)每個(gè)樣方內(nèi)的個(gè)體數(shù)，以所有樣方種群密度的平均值作為該種群的種群密度。采用樣方法的目的在于在有限投入的前提下，快速獲取相對(duì)可靠的種群密度數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)是只是相對(duì)密度，與絕對(duì)密度之間是存在一定誤差的。因此，在實(shí)際操作中如何處理好這一對(duì)矛盾成為了關(guān)鍵，也是樣方法中各種操作要求(規(guī)程)和問(wèn)題處理的核心思維依據(jù)。

2 樣方法適用的條件

2.1 適用的生物對(duì)象 樣方法要求明確樣方中的具體個(gè)數(shù)，進(jìn)而要求被調(diào)查對(duì)象的位置相對(duì)穩(wěn)定以利于計(jì)數(shù)。因此，樣方法適用于植物和活動(dòng)范圍較小的動(dòng)物(如蚯蚓、蚜蟲(chóng)、跳蝻和昆蟲(chóng)卵的密度等)，與生物個(gè)體大小無(wú)關(guān)(如微生物同樣適合)，而不適合移動(dòng)速度快、活動(dòng)范圍廣的動(dòng)物。

2.2 適用的種群數(shù)量 對(duì)于種群數(shù)量較小直接計(jì)數(shù)即可得到真實(shí)的數(shù)據(jù)。因此，只有針對(duì)種群數(shù)量較為龐大的種群，樣方法才有價(jià)值。結(jié)合中學(xué)生的實(shí)際水平和能力，教學(xué)中宜選擇種群密度較大的常見(jiàn)物種作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

2.3 使用的種群空間特征 樣方法適用于不同空間特征類(lèi)型的種群，而且可以通過(guò)樣方法獲得的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)空間特征類(lèi)型，而并非只能適用于均勻分布的種群。但中學(xué)生物學(xué)對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)不作要求，在教學(xué)中宜選擇均勻分布的種群作為研究對(duì)象，以保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和難度的適切性。

3 樣方的形狀選擇

在實(shí)際教學(xué)和實(shí)習(xí)中，學(xué)生首先遇到的問(wèn)題就是樣方的形狀選擇。實(shí)踐表明，學(xué)生起初選擇的樣方形狀是五花八門(mén)的，如長(zhǎng)方形、正方形、圓形乃至不規(guī)則形狀等。為什么在實(shí)踐中通常運(yùn)用正方形樣方呢？各種形狀樣方的差異何在？其實(shí)，各種形狀樣方的差異在于同等樣方面積下的周長(zhǎng)不同，其中長(zhǎng)方形的周長(zhǎng)>正方形的周長(zhǎng)>圓形的周長(zhǎng)。周長(zhǎng)越大，與周?chē)慕佑|面就越大，造成的誤差會(huì)越大。因此，一般選用正方形的樣方而不選用長(zhǎng)方形樣方；但由于圓形面積涉及的圓周率帶有小數(shù)且為無(wú)理數(shù)，極易造成計(jì)算麻煩且結(jié)果不夠準(zhǔn)確，因而一般不用。簡(jiǎn)而言之，最常選用正方形樣方的核心價(jià)值還在于減少實(shí)驗(yàn)的誤差。

4 樣方大小的確定

樣方小簡(jiǎn)單省事，但誤差大，樣方大則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但準(zhǔn)確。當(dāng)樣方覆蓋面積為全部調(diào)查區(qū)域時(shí)即為真實(shí)數(shù)據(jù)。樣方大小的選擇是實(shí)驗(yàn)誤差與投入博弈達(dá)成的某種平衡，并非固定不變。在實(shí)際操作中，樣方的大小主要取決于兩方面因素：

4.1 被調(diào)查物種本身大小 微生物由于個(gè)體小，樣方可以小于1mm×1mm(如血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù))，而喬木可能10m×10m以上。在實(shí)踐中，一般草本植物選擇1m×1m，灌木在4m×4m左右，喬木在10m×10m左右。由此可見(jiàn)，在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)中選擇合適的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是非常必要的。

4.2 被調(diào)查種群本身密度的大小 不同種群的密度存在著非常大的差異，當(dāng)然，選擇的樣方大小也須有不同。例如，四川滎經(jīng)縣高橋河珙桐雖然分布比較集中，但種群密度仍然較低的。因此，對(duì)四川省滎經(jīng)縣珙桐種群生態(tài)學(xué)調(diào)查時(shí)選擇的樣地面積為 20m×40m；又如2006～2008年杭州下沙國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)自然生長(zhǎng)狀態(tài)下加拿大一枝黃花的種群密度為90～120株/m2[1]，其選擇的樣方大小為1m×1m；再如，利用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板對(duì)紅細(xì)胞、白細(xì)胞計(jì)數(shù)時(shí)，以中央大方格中的5個(gè)中方格為樣方計(jì)紅細(xì)胞數(shù)，而計(jì)白細(xì)胞數(shù)則以4個(gè)大方格為樣方。在實(shí)踐中，真正確定樣方大小前需要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方中個(gè)體數(shù)，再調(diào)整、確定樣方的合適大小。

同樣，在調(diào)查群落物種豐富度時(shí)，樣方的最小面積取決于群落組成的復(fù)雜程度，群落組成越復(fù)雜，樣方的最小面積往往越大。例如，西雙版納熱帶雨林群落包括主要高等植物130多種，樣方最小面積要在2500m2以上，而小興安嶺紅松群落包括主要高等植物約40種，樣方最小面積則為400m2左右。

5 樣方選擇

樣方位置是造成數(shù)據(jù)是否科學(xué)的重要因素，所取位置的樣方須具有代表性，不可滲入主觀因素的干擾。在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)(實(shí)習(xí))中除需選擇一個(gè)種群分布較均勻的地塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，還需考慮：

5.1 防止邊緣效應(yīng) 由于兩個(gè)或多個(gè)群落之間的生態(tài)過(guò)渡帶中的生物種類(lèi)和一些物種的密度與群落內(nèi)部存在著一定的差異(邊緣效應(yīng))，不能代表群落的真正情況，要避免這種邊緣部分的樣方選取。因此，在實(shí)踐中一般不選取周邊的樣方。如在樣方法統(tǒng)計(jì)時(shí)，血球計(jì)數(shù)板的每一個(gè)中格因計(jì)數(shù)室(中央大方格)位于計(jì)數(shù)池的中央而均具有代表性，按一定的標(biāo)準(zhǔn)選取即可。

5.2 隨機(jī)取樣 隨機(jī)取樣的目的在于避免調(diào)查人員的主觀心理因素產(chǎn)生的誤差，因此，在確定調(diào)查面積的基礎(chǔ)上，在實(shí)施調(diào)查前，就應(yīng)該確定好取樣的具體方案，即便在實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)原先方案需要調(diào)整，但也應(yīng)該保證所有的樣方按照同等標(biāo)準(zhǔn)獲取，不可以在實(shí)施中隨意改變?nèi)拥奈恢?，更不可以因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)某個(gè)位置個(gè)體數(shù)量的多寡而改變既定位置。

如在常用的五點(diǎn)取樣法、等距離取樣法中，每個(gè)樣方間的間距一旦確定，所有樣方之間的間距必須一致，以避免主觀因素的干擾。樣方一旦具備了代表性，其位置可不必拘泥于形式。如使用25×16規(guī)格的血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)時(shí)，一般采用五點(diǎn)(四角及中心5個(gè)小格)，但如果僅選用四角的4個(gè)小格，或者每邊選擇3個(gè)樣方共9個(gè)小格的方法都是可以的，而不必拘泥于固化的“五點(diǎn)”。

6 樣方數(shù)量的確定

樣方數(shù)量越少越省事但誤差越大，樣方數(shù)量越多越費(fèi)時(shí)但越準(zhǔn)確。因此，樣方數(shù)量多少的確定需要根據(jù)具體實(shí)際條件進(jìn)行評(píng)估，在實(shí)驗(yàn)誤差與投入之間達(dá)成某種平衡即可，而并非固定不變。

7 樣方的計(jì)數(shù)

7.1 認(rèn)準(zhǔn)計(jì)數(shù)對(duì)象 由于種群是在同一時(shí)期內(nèi)占有一定空間的同種生物個(gè)體的集合，因此，無(wú)論老幼均應(yīng)按正常個(gè)體計(jì)數(shù)，但死亡個(gè)體就不應(yīng)該計(jì)入，否則極易造成誤差的產(chǎn)生。如利用血球計(jì)數(shù)板對(duì)酵母菌計(jì)數(shù)時(shí)，只有活的酵母菌才是實(shí)驗(yàn)真正研究的對(duì)象，故在計(jì)數(shù)前需予以染色鑒別，將死亡的酵母菌剔除在外。

7.2 壓線個(gè)體的計(jì)數(shù) 由于壓線個(gè)體部分在樣方內(nèi)，部分在樣方外，如果以整個(gè)個(gè)體計(jì)數(shù)，則猶如將樣方面積無(wú)形之中擴(kuò)大了一圈，也造成相鄰樣方個(gè)體的重復(fù)計(jì)數(shù)而造成誤差。

因此，科學(xué)工作者發(fā)明了壓線個(gè)體依照“數(shù)上不數(shù)下，數(shù)左不數(shù)右”的方法，其實(shí)質(zhì)是樣方周長(zhǎng)的一半按個(gè)體計(jì)數(shù)，另一半則不計(jì)數(shù)，需要強(qiáng)調(diào)的是一次調(diào)查的計(jì)數(shù)應(yīng)該按統(tǒng)一規(guī)則實(shí)施[1]。

7.3 模型與現(xiàn)實(shí)的差距 模型構(gòu)建就是根據(jù)某一特定目的，抓住研究事物原型的本質(zhì)特征，對(duì)原型進(jìn)行抽象，把復(fù)雜的原型加以簡(jiǎn)化、純化或理想化的產(chǎn)物。在本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，個(gè)體可以理想化地化作點(diǎn)，但現(xiàn)實(shí)的個(gè)體都是有一定大小和體積的，其必然不可能只是位于某一點(diǎn)上。因此，必定可以將其視作某條壓線的個(gè)體。

7.4 特殊狀態(tài)下的處理 由于生物處于不斷地生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖之中，當(dāng)新生命脫離了母體，則無(wú)疑須按個(gè)體計(jì)入，但當(dāng)遇到如酵母菌出芽之類(lèi)的特殊情況就需要特殊處理，可按約定俗成將芽體超過(guò)母體1/2的看做一個(gè)新個(gè)體，予以統(tǒng)計(jì)。

8 樣方數(shù)據(jù)的處理

為減少誤差，每次實(shí)驗(yàn)(實(shí)習(xí))均須獲取多個(gè)樣方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后，將獲得的多個(gè)樣方數(shù)據(jù)予以平均，進(jìn)而推算出被調(diào)查區(qū)域的種群數(shù)量(密度)。對(duì)待所獲得的每一個(gè)樣方數(shù)據(jù)，包括疑似異常數(shù)據(jù)的取舍須嚴(yán)謹(jǐn)，只有在確認(rèn)數(shù)據(jù)有誤的情況下才能棄之不用。如果確認(rèn)數(shù)據(jù)正確的情況下，可用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法來(lái)估算顯著性，進(jìn)而判定該種群的分布類(lèi)型。在實(shí)踐中，貌似排除主觀因素的 “去掉一個(gè)最高分(數(shù))，去掉一個(gè)最低分(數(shù))”的社會(huì)做法在科學(xué)研究中是極不嚴(yán)肅的，也是不科學(xué)的，很可能埋沒(méi)了該種群集群分布、隨機(jī)分布可能性的存在。