生态学实验讲义

生态学实验讲义生命科学学院生态实验分室2014年1月目录一、气候因子测定（3学时）二、土壤因子测定（3学时）三、植物种间关系分析（3学时）四、校园景观格局定量分析（6学时）五、取样方法（3学时）六、种群空间结构分析（3学时）七、植物种间联结分析（3学时）八、植物群落物种多样性测定（6学时）实验一气候因子测定实验目的：学会使用和掌握生态因子的观测仪器及其使用方法。实验原理：不同的环境由于其地形、基质等的不同，导致其热量、水分等循环有其自身的特征。尤其在野外，地形等条件变化较多，生态因子变化较快，能够及时准确地测定相关因子是野外调查需要掌握的一个基本技术。实验指标：土壤温度、空气温度、空气湿度和太阳辐射。实验步骤：分别采用土温计、温湿度计和照度计测定阳光直射裸地和灌丛群落两种环境下的土壤温度、空气温度、空气湿度和太阳辐射，每个因子连续观测三个小时，每隔20分钟记录一次数据，做出生态因子随时间的变化曲线。空气温度为里地面1.5米处的气温。讨论：①对数据进行分析，提出自己对数据规律的解释。②对仪器操作时和测定时需要注意的地方进行讨论。实验二土壤因子测定实验目的：掌握土壤因子的测定方法实验原理：土壤水分含量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比例，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。在栽培作物时，需经常了解田间含水量等土壤水分状况，以便适时灌排，利于耕作，保证作物生长对水分的需求，达到高产丰收。土壤水分大致分为化学结合水、吸湿水和自由水三类。自由水是可供作物利用的；吸湿水是土粒表面分子力所吸附的单分子水层，只有在转变为气态时才能摆脱土粒表面分子力的吸附；而化学结合水却要在600-700℃下才能脱离土粒。在进行理化分析时，需要在105℃下烘干，测定烘干的土样的土壤吸湿水含量，并以烘干样品重为相对统一的计算基础。这是因为土壤理化常规分析常按烘干样品重计算分析结果，这样就可使整个分析结果有一合理的相对性数值。土壤容重是土壤在未破坏自然结构的情况下，单位容积中的重量，通常以克/厘米3表示。土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低。砂土容重较大，粘土容重较小。一般腐殖质多的表层容重都较小。一般耕作层土壤容重1.00-1.30克/厘米3，土层越深则容重越大，可达1.40-1.60克/厘米3，沼泽土的潜育层容重可达1.70-1.90克/厘米3或更大。土壤容重越小说明土壤结构、透气透水性能越好。实验指标：土壤含水量、土壤容重实验仪器：铝盒、环刀、环刀托、削土刀、小铁铲、烘箱、天平、手锄等实验步骤：①将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁稍涂上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止。若土层坚实，可用手锄慢慢敲打，环刀压如时要平稳，用力一致。用修土刀切开环刃周围的土样，取出已装上的环刀，细心削去环刀两端多余的土，并擦净外面的土。②同时在同层采样处用已知重量的铝盒采样，称重。③把装有样品的环刀两端立即加盖，以免水分蒸发。随即称重（精确到0.01克），并记录。④将装有样品的铝盒置入烘箱中，105℃-110℃下烘干至恒重称重（约6小时，精确到0.01g），测定土壤含水量。⑤结果计算：1)土壤含水量：a.以烘干土为基数的水分百分数：b.以风干土或自然湿重土为基数的水分百分数（通常用于化学分析计算之用）：1210%100ggWgg上两式中W—土壤含水量（%）；g0—铝盒重（g）g1—铝盒+湿样重（g）；g2—铝盒+烘干样品重（g）2)土壤容重a.环刀容积：2Vrh式中：V—环刀容积（cm3）；r—环刀内半径（cm）；h—环刀高度（cm）；—圆周率（3.1416）。b.土壤容重：100(100)sgVW1220%100ggWgg式中：s—土壤容重（g/cm3）；g—环刀内湿样重（g）；V——环刀容积（cm3）；W—样品含水量（%）。此法允许平行绝对误差0.03g/cm3，取算术平均值。讨论：对该土壤结构情况进行鉴定。实验三植物种间关系分析实验目的：学会分析物种间竞争作用。实验原理：物种间竞争主要是对资源的竞争，通过比较物种在单种和混合种植群落中的生产力，分析物种间竞争关系。实验指标：生物量实验材料与仪器：大豆种子，小麦（或油菜）种子，花盆，花土，烘箱，标签实验步骤：1.实验材料的遴选和花盆的准备：大田中采集或市场上购买的种子往往参差不齐，需要在实验前仔细遴选，一般应选择籽粒饱满、完整、大小均匀、发芽率高的种子。2.以直径15cm的花盆为实验样方，在9个花盆中装入花土至花盆3/4处。3.取3个花盆播种20粒大豆种子（大豆单种种植；最后根据发芽情况去除部分出芽个体，保留10个个体）；3个花盆播种20粒小麦种子（小麦单种种植；最后根据发芽情况可去除部分出芽个体，保留10个个体）；3个花盆播种10粒大豆种子和10粒小麦种子（大豆和小麦混合种植；最后根据发芽情况去除部分出芽个体，保留5个大豆个体和5个小麦个体）。4.种好后在种子上覆盖一层花土使花盆中土面约低于盆口2cm。在每个花盆上贴上标签，注明处理方式，重复号和播种日期。在培养过程中定期浇水并适当交换位置。培养时间长短根据气温状况而定，日平均气温在15℃以上，一般培养20天左右即可收获。如果日平均气温在15℃以下，一般培养30天以上视生长情况而定。5.培养结束后，在不损坏植物的前提下，仔细将每个花盆中的植物个体完整收获，洗去表面泥土。在烘箱中烘干，称量每个花盆大豆单种，小麦单种以及分别称量混种处理中大豆和小麦的干重。6.数据分析：相对总生物量（RYT）可作为测定混生群落种间竞争力的重要指标：RYT=WH2/WH1+WL2/WL1WH1为单种种植大豆的总生物量，WH2为混合种植大豆的总生物量，WL1为单种种植小麦的总生物量，WL2为混合种植小麦的总生物量。当RYT＞1时，两种植物存在互利关系；RYT=1时，两种植物间不存在影响作用；当RYT﹤1时，表示植物间存在竞争关系。讨论：分析黄豆和小麦间种间关系并解释原因。实验四校园景观格局定量分析实验目的：（1）认识和了解常见的景观指数。（2）应用景观指数分析现实景观格局并揭示其所指示的生态学含义。实验原理：景观是一个由不同土地单元镶嵌组成，具有明显视觉特征的地理实体；它处于生态系统之上，大地理区域之下的中间尺度；兼具经济、生态和文化的多重价值。景观由斑块、基质和廊道三要素组成。景观内不同要素的类型、数量、面积及其形状、相互之间的空间位置等构成了多种多样的格局特征，景观格局的合理性影响着景观的生物多样性维护等功能的优劣，因此格局既是各种作用和生态过程在不同尺度上长期作用的产物，也是景观异质性的具体体现，更是人类恢复或维持景观功能的依据；景观格局分析有助于探讨景观结构和生态过程的相互关系。使用景观指数定量分析景观格局结构特征的理论、方法和应用研究始终处于景观生态学研究的核心。景观斑块面积是景观结构最容易识别的特征，斑块面积一方面影响到能量和营养的分配，另一方面还影响到物种数量。一种景观要素如果其面积稳定并且持续增加，那么它就是稳定的；相反，面积不稳定且持续减少的景观要素是不稳定的，也是脆弱的。斑块的形状也是重要的结构特征，形状越复杂，斑块与外界接触越多，内部环境越小，越不利于内部物种的保护。生境破碎化是现存景观的一个重要特征。生境破碎化与自然变化紧密相关，许多濒危物种需要大面积自然生境才能保证生存。此外，生境破碎化是景观异质性的一个重要组成。景观的破碎程度可以用斑块的密度、生境破碎化指数等说明。根据功能的不同，可将校区景观中的斑块划分为六大类：1.教学设施斑块：指具有教学功能的斑块，包括教学楼、图书馆、国际学术交流中心，行政机关、以及相关辅助建筑等。2.教学实践设施斑块：包括试验地、温室、气象观测场等。3.生活设施斑块：指具有生活服务功能的斑块，即维持学生、教职工正常生活所必须的各项生活服务，包括学生宿舍和教职工宿舍（如教师公寓等）、食堂、校医院、商服用地。4.娱乐设施斑块：指具有娱乐功能的斑块，为学生、教职工等人员提供娱乐设施的场所，包括大学生活动中心、会堂及田径运动场地、广场、篮球场、游泳池等。5.绿地斑块：指具有绿化功能的斑块，包括草地、林地、人工草坪等。6.水域斑块：指景观中成片状的自然和人工水体，如校内人工湖。实验指标：景观指数实验步骤：（1）选择校园作为景观指数分析的对象，对校园各景观类型进行测量，将景观类型参数填入景观类型调查表5-2-1，以备景观格局分析。景观类型调查表景观类型：斑块编号斑块面积斑块周长（2）景观指数计算①平均斑块面积1000011iniijnaMPS式中：ija-斑块类型i中第j个斑块的面积，m2；in-斑块类型i在景观中的数目。②最大斑块指数最大斑块指数用来描述某一类型中最大斑块占景观总面积的百分比，该指数越大说明该类型在整个景观中所占的比例也越大；越小说明该类型在整个景观中所占的比例也小。显示最大斑块对整个类型或景观的影响程度。AamazLPIij式中：ija-斑块类型i中第j个斑块的面积，m2；A-整个景观面积，m2。③分维数不规则几何图形的分维数，可以反映空间实体几何形状的不规则性。由曼德布罗特提出的小岛法是测量分维数的简捷而适用的方法，适用于测量景观要素斑块的边界分维数。非欧几何不规则图形的周长P与其面积A之间的关系可以表示为：211ccAPDf式中：Df-不规则图形边界的分维数。由上式可知，图形的面积、周长与分维数之间存在如下关系：ADfCPln2ln式中：C-常数。由此可以推论，对于具有相似边界特性的斑块，其面积、周长与其边界的分维数同样存在上述关系。此时该类斑块的边界分维数可由同类斑块的周长和面积数据经对数处理后，用最小二乘法确定回归直线的斜率，其斜率的2倍就是该类斑块的边界分维数。IiiiINjNjijiijNjNjNjijijiijijiaNapaNpaDf1212111ln1lnlnln1lnln2式中：ijp-斑块类型i中第j个斑块的周长，m；ija-斑块类型i中第j个斑块的面积，m2；iN-斑块类型i在景观中的数目；iDf-第i类景观要素板块的边界分维数。当边界分维数接近1时，说明该类斑块的形状接近于正方形，边界分维数越高，说明该类景观要素斑块形状越复杂。④斑块密度斑块密度是斑块个数与面积的比值，即每百公顷（100hm2）的斑块个数。反映某个景观要素类型中的斑块分化程度或破碎化程度。斑块密度高，表明一定面积上景观要素斑块数量多，斑块规模小，这一类型景观要素的破碎化程度高。10010000AnPDi式中：in-斑块类型i在景观中的数目；A-整个景观面积，m2。⑤斑块边缘密度斑块边缘密度是景观要素斑块形状及斑块密度的函数，反映景观中各斑块之间物质、能量、物种及其他信息交换的潜力及相互影响的强度。通过对景观要素边缘密度的分析，可以了解景观要素的动态特征和斑块的发展趋势。10000AEED式中：E-景观中边缘总长度；A-整个景观面积，m2。⑥平均形状指数一般采用平均形状指数来描述斑块边界的复杂程度，比值越大说明斑块的周边越复杂。injijijnapMSI12式中：ijp-斑块类型i中第j个斑块的周长，m；ija-斑块类型i中第j个斑块的面积，m2；in-斑块类型i在景观中的数目；⑦景观多样性指数景观多样性指数根据生态系统（或斑块）类型及其在景观所占面积比例进行计算。常用的3个景观多样性指数是丰富度、均匀度和优势度。⑦景观多样性指数丰富度指数：TiiPH122log式中：2log-以2为底的对数；iP-生态系统类型i在景观中的面积比例；T-景观中生态系统的类型总数。均匀度指数：%100/maxHHE式中：E-相对均匀度指数；H-修正了的Simpson均匀度指数；maxH-在给定丰富度T条件下景观最大可能均匀度。优势度指数：%100/100maxDDRD式中：RD-相对优势度；D-Shan