Экология изучает как отдельные особи (аутэкология), так и их популяции (демэкология) и сообщества (синэкология). Многообразие связей, формирующихся на уровне биологических макросистем, обусловливает разнообразие путей и способов изучения экологических явлений.
Первостепенное значение для эколога имеют полевые исследования, т. е. изучение популяций видов и их сообществ в естественной обстановке, непосредственно в природе. Полевые методы позволяют:
- установить результат влияния на организм или популяцию определенного комплекса экологических факторов,
- выяснить общую картину развития и жизнедеятельности вида в конкретных условиях.
Однако наблюдения в естественной обстановке не могут дать точного ответа на некоторые вопросы, например, какой конкретно фактор среды определяет характер жизнедеятельности особи, популяции, сообщества, как он влияет на их функционирование. На эти вопросы можно ответить с помощью эксперимента, задачей которого является выяснение причин наблюдаемых в природе явлений, взаимосвязей и взаимоотношений. В связи с этим экологический эксперимент, как правило, носит аналитический характер. Следует иметь в виду, что выводы, полученные в ходе лабораторного эксперимента, обязательно должны быть проверены в природе.
Эксперимент отличается от наблюдения тем, что в эксперименте организмы искусственно ставятся в условия, при которых можно строго фиксировать и дозировать тот или иной экологический фактор. Вообще в экологическом эксперименте очень трудно воспроизвести весь комплекс природных условий, но изучить влияние отдельных факторов на организм, популяцию или сообщество возможно.
Методы исследований — это пути и способы изучения экологических явлений. Совокупность определенных приемов исследования представляет собой методику исследования. В зависимости от объектов экологии и целей исследования используют те или другие методы. Главными из них, как в любом естественно-научном исследовании, являются методы:
- описание,
- наблюдение,
- эксперимент.
Экология имеет свою специфику: объектом ее исследования служат не только единичные особи — организмы, но и целые группы особей — популяции и их сообщества — биогеоценозы и даже биосфера. Многообразие связей, формирующихся на уровне разных по сложности биологических систем, обусловливает большое разнообразие методов экологических исследований, выявляющих количественное участие особей, видов и их качественную оценку состояния в условиях обитания. Реализуются они в большом разнообразии приемов полевых и лабораторных исследований экологических свойств природы.
Полевые методы могут быть:
- маршрутными,
- стационарными,
- описательными,
- экспериментальными.
Маршрутные методы используются для: выяснения наличия на исследуемой территории экологических объектов (например, тех или иных жизненных форм организмов, экологических групп, фитоценозов, охраняемых видов и др.); выявления разнообразия и встречаемости исследуемых экологических объектов. Приемами этой группы методов являются:
- прямое наблюдение;
- оценка состояния;
- измерение;
- описание (например, описание учетных площадок, отдельных представителей живого мира, фенофаз и т.п.);
- составление схем, карт и инвентаризационных списков исследуемых объектов.
Стационарные методы - это методы длительного (сезонного, круглогодичного или многолетнего) наблюдения за одними и теми же объектами, требующие неоднократных описаний, замеров изменений, происходящих у наблюдаемых объектов. Эти методы обычно совмещают в себе полевые и лабораторные исследования.
Описательные методы применяются при: регистрации основных особенностей изучаемых объектов; прямом наблюдении; картировании экологических явлений; инвентаризации ценных природных объектов. Эти методы являются ключевыми в экологическом мониторинге.
Экспериментальные методы объединяют различные приемы прямого вмешательства в обычные характеристики исследуемых объектов. Производимые в эксперименте наблюдения, описания и измерения выявленных свойств объекта обязательно сопоставляются с такими же объектами, не задействованными в эксперименте. В экологическом эксперименте сравниваются проявления свойств изучаемого объекта в различных условиях окружающей среды. Эксперимент, поставленный в полевых условиях, может продолжиться в лаборатории.
Для современных экологических исследований характерно то, что они основываются на количественной оценке изучаемых объектов и явлений. Например, при изучении растительных сообществ проводятся описания пробных площадей и учетных площадок, оценка хозяйственной роли сообществ, оценка площади выявления (т. е. минимальной площади, на которой выявляются все наиболее существенные особенности изучаемого сообщества), геоботаническое картирование и т. д. При экологическом изучении животных анализируются закономерности миграций и размещения популяций, а также многие другие показатели: частота встречаемости, обилие, доминирование, биомасса, продукция, удельная продукция.
В последнее время широкое распространение получил метод моделирования экологических явлений, т. е. имитация в искусственных условиях различных процессов, свойственных живой природе. Так, в "модельных условиях" были осуществлены многие химические реакции, протекающие в растении при фотосинтезе. В некоторых областях биологии и экологии широко применяются так называемые "живые модели". Несмотря на то, что различные организмы отличаются друг от друга, многие физиологические процессы в них протекают практически одинаково. Поэтому изучать их удобно на более простых существах. Они-то и становятся живыми моделями. Например, в качестве модели для изучения обмена веществ может служить зоохлорелла - одноклеточные микроскопические водоросли, которые быстро размножаются в искусственных условиях, а для исследования внутриклеточных процессов используются гигантские растительные и животные клетки и т. д.
В настоящее время все шире используется компьютерное моделирование экологических ситуаций.