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生态学实验 绍兴文理学院生命科学学院 实验一生态环境中综合生态因子的观测与测定 一 实验目的通过本实验使学生了解和掌握生态环境中主要生态因子的观测和测定方法及一些常见的测定仪器的使用方法 并比较不同生态环境中主要生态因子的变化规律 二 实验材料太阳辐射仪 或照度计 温湿表 酸度仪 GPS 地温计 罗盘仪 遮阳板 锹 镐 竹竿 皮尺 卷尺 记录笔 记录纸等 三 实验原理生态学是研究生物与生物之间 生物与环境之间相互关系和相互作用的科学 任何一种生物都生活在错综复杂的生态环境中 不仅受到各生态因子的制约和束缚 同时也能明显地改变各生态因子 本实验通过对不同生态环境中的主要生态因子的观测与测定 使学生掌握几种主要生态因子的观测和测定方法 并通过不同生态环境及同一生态环境中不同位置的比较 了解生态因子的变化规律 认识生物与环境的相互作用和相互关系 四 实验步骤1 太阳辐射量调节太阳辐射仪到水平位置 连接辐射仪与辐射电流表 或调整照度计至 0 的位置 测下列项目 1 总太阳辐射量将太阳辐射仪的探头直接暴露于太阳辐射下 待辐射电流表稳定后 记录读数 通过换算得出总太阳辐射量 2 散射辐射量在太阳辐射仪上面的一定高度 用黑色遮阳板遮住太阳辐射的直射部分 待辐射电流稳定后 记录读数 3 直射辐射量等于太阳总辐射与散射辐射量之差 4 地面反射辐射量将太阳辐射仪探头朝向地面 并与地面平行 待辐射电流表读数稳定后 记录读数 2 气温和土温 1 从地面算起1 5m处测量空气温度 注意不要让太阳光直射探头或温度计的下部 可用黑色遮阳板遮住阳光 2 用小镐挖约20 50cm深的土炕 每隔5cm放一支土壤温度计 或用低温表直接插入预期的深度 待读书稳定后读取表上的摄氏温度 3 每隔约10分钟记录一次读数 需要注意的是 当用温度计测定温度的时候 取出或取下温度计时应尽快读数 否则会增大误差 3 湿度单独测定湿度的常用温度计有通风干湿球温度计和露点温度计 干湿球温度计包括两个温度计 其球部并排暴露在空气中 一个温度计球是干的 另一个温度计球有可湿润的棉纱套 在测定温度时 棉纱套用蒸馏水湿润 当空气流通过时会造成蒸发 而由蒸发失热必然造成稳定的降低 这样就与实际的温度形成温差 干湿球温度的读数是在湿球已变为稳定的最小值时进行的 从干湿球温度计提供的湿球和干球温度 由下面公式得到时间水汽压 e em 0 00066P t t 1 0 00114t e 干球温度时的实际水汽压 毫米汞柱 em 湿球温度时的饱和水汽压 毫米汞柱 t 干球温度 t 湿球温度 P 大气压 毫米汞柱 相对湿度是在一定温度下实际水汽压对该温度饱和水汽压 饱和水汽压可由附表1查出 的比率乘100 公式为 相对湿度 100e em 绝对湿度是在一定温度下每单位体积空气的水汽重量 公式为 绝对湿度 克 立方米 289 30 e T e 实际水汽的压力 毫米汞柱 T 绝对温度 4 GPS在开阔地进行GPS的定位和导航 说明详见pdf格式的使用说明书5 罗盘仪利用罗盘仪测量物体的方位和坡度 GPS 左上 照度计 右上 罗盘仪 左下 温湿度计 右下 五 作业1 选择几个代表性样地 在样地内重复以上步骤 记录数据 多测几次取其平均值 2 比较不同样地各生态因子的变化规律 一 实验目的通过水分控制了解植物对生态因子的耐受范围 深入领会Shelford耐受定律 二 实验材料花盆 土 剪刀 漏斗 标签等 选用一种蔬菜种子 直尺或卷尺 电子天平 记录表 三 实验原理生态因子是指环境中对生物的生长 发育 生殖 行为和分布有着直接或间接影响的环境要素 生物生活所不可缺少的各种生态因子 统称为生存条件 生态因子对生物有塑造作用 每种生物对一种生态因子都有一个耐受范围 即一个生态学上的最低点和一个生态学上的最高点 在最高点和最低点之间的范围就称为生态幅或生态价 通过人工控制温室植物灌溉水量 分析植物生长状况 了解植物在其他生态因子一致的条件下 对水分的耐受状况 实验二生物对生态因子的耐受实验 大麦幼苗 四 实验步骤1 任意选择一种植物 在培养箱或温室中进行催芽 育苗 2 培育植物幼苗时 应该保持其在温室中光照 温度 空气湿度 土壤等条件均匀一致3 幼苗出土后对于相同高度的植株分别放入不同的盆中 待成长健康并达到一定高度后 自行设计水分梯度 如每两天或几天浇一次水 每次对不同的盆中浇不等量的水 每个处理重复3次 每个盆中至少有10株以上植物 4 记录浇水时间 用水量 以及幼苗的高度 健康程度 生物量等指标 五 作业 1 绘制不同处理下 苗高的生长曲线 2 对苗高或冠幅指标在水分梯度变化下的实验结果进行方差分析和多重比较 分析水分差异对苗高或冠幅的影响 实验三生物的种间竞争实验 一 实验目的通过本实验使学生深入了解一种非常重要种间关系 种间竞争 进一步体会logistic方程的意义 二 实验材料花盆 土 剪刀 漏斗 标签等 选用两种植物种子 直尺 电子天平 记录表 三 实验原理种间竞争是指两个种在所需的环境资源或能量不足的情况下而发生的相互排斥关系 在这种相互关系中 对竞争中的个体生长和种群数量的增长都有抑制作用 种间竞争在自然界中是易于观察到的 种间竞争能力 决定于种的生态习性和生态幅度 而生长速率 个体大小 抗逆性 叶子和根系的数目以及植物的生长习性 也都影响竞争能力 种间竞争在决定共存的种类方面起着重要作用 一 实验目的通过本实验使学生深入了解一种非常重要种间关系 种间竞争 二 实验材料花盆 土 剪刀 漏斗 标签等 选用两种植物种子 直尺 电子天平 记录表 三 实验原理种间竞争是指两个种在所需的环境资源或能量不足的情况下而发生的相互排斥关系 在这种相互关系中 对竞争中的个体生长和种群数量的增长都有抑制作用 种间竞争在自然界中是易于观察到的 种间竞争能力 决定于种的生态习性和生态幅度 而生长速率 个体大小 抗逆性 叶子和根系的数目以及植物的生长习性 也都影响竞争能力 种间竞争在决定共存的种类方面起着重要作用 四 实验步骤将两种植物种子按不同比例进行播种 从全部为一种植物种子到全部为另一种的种子 两者的比例分别为 0 1 0 25 0 75 0 50 0 50 0 75 0 25 1 0共5个处理 每个处理重复3次 共需15个花盆 1 将土壤充分拌匀 分别装到花盆里 使土面稍低于盆口约2cm 放于温室内备用 2 按上述比例 每盆均匀播种数粒已经催芽处理过的种子 视盆大小而定 播完后 将每个花盆贴上标签 写明处理 重复编号和播种日期 将花盆依次排列在温室内 定期交换位置 浇水 3 种子萌发后 统计发芽率和幼苗成活情况 4 将生长2 3个月的幼苗进行收获 分盆分种统计并登记数目 生物量 鲜重 株高 5 将3个重复的数目 生物量 鲜重 株高进行统计 取其平均值 用图解法进行分析 五 作业 分析不同比例播种密度下所测指标的变化趋势并分析其原因 实验四种群生命表的编制与存活曲线的绘制 一 实验目的进一步了解特定时间和特定年龄生命表的异同 掌握其组建方法和各参数的计算方法 并学习种群数量动态分析技巧 二 实验材料调查或利用已有的调查资料 如利用调查某地区人口年龄结构编制生命表 见表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 三 实验原理生命表是描述种群死亡过程及存活情况的一种有用工具 可以体现各年龄或各年龄组的实际死亡数 死亡率 存活数目和群内个体未来预期余年 即平均期望年龄 生命表的意义在于提供一个分析和对比种群个体起作用生态因子的函数数量基础 也可以利用生命表中的数据 描述存活曲线图 说明种各年龄组在生命过程中的数量 说明不同年龄的生存个体随年龄的死亡和生存率的变化情况 生命表分为动态生命表和静态生命表两种类型 静态生态表是根据某一特定时间对种群作一个年龄结构调查 并根据调查结果而编制的生命表 常用于有世代重叠 且生命周期较长的生物 动态生命表就是跟踪观察同一时间出生的生物的死亡或动态过程而获得的数据所做的生命表 可用于世代不重叠的生物 如一化性昆虫 它在记录种群各年龄或各发育阶段死亡数量 死亡原因和生殖力的同时 还可以查明和记录死亡原因 从而可以分析种群发展的薄弱环节 找出造成种群数量下降的关键因素 并根据死亡和出生的数据估计下一世代种群消长的趋势 四 实验步骤及作业1 计算生命表各栏数据并填入表格 生命表每栏以符号代表 这些符号在生态学中已成为习惯用法 如x 按年龄的分段 nx 在x期开始时的存活数目 lx 为x期开始时的特定年龄存活率 nx n0 dx 从x到x 1的死亡数目 nx nx 1 dxF为x期间死亡因子 qx 从x到x 1的死亡率 dx nx Lx 从x到x 1期的平均存活率 nx nx 1 2 Tx 超过x年龄的总个体数 Lx Lx 1 L最大 ex x期开始时的平均生命期望 或平均余年 Tx nx kx lgnx lgnx 1致死力 2 以生命表中年龄 x 为横坐标 相对年龄存活数 nx 的常用对数值为纵坐标 绘制生命存活曲线 并对各曲线的变化特征进行分析 3 初步分析各生命表的关键因子 明确不同致死因子对各种群数量变动起作用的大小 4 了解不同生物编制生命表的重要意义 并指出其分析重点 表3 1某地区人口统计数据生命表 表3 2某地区马鹿特定时间生命表 表3 3某地甘蓝第三代菜蛾种群的动态生命表 表3 4某地区藤壶的生命表 一 实验目的通过本实验使学生进一步理解逻辑斯谛方程的现实意义 二 实验材料方程计算软件 计算机 三 实验原理逻辑斯谛方程描述的是一个在有限资源空间中的简单种群的增长 在早期 资源丰富 死亡率最小 繁殖尽可能的快 种群内个体可达到内禀增长率 种群呈几何式增长 直到种群数量达到环境可持续支持的最大程度 这个最大数量称为环境容纳量 K 当种群更加拥挤时 种群增长率减少到零 种群大小处于稳定状态 这可用逻辑斯谛方程来表示 t时间种群大小变化率 内禀增长率 种群大小 密度制约因子dN dt rN 1 N K 实验五逻辑斯谛方程 四 实验步骤1 了解软件的使用方法 见付必谦的种群增长计算机模拟 2 让学生对目前比较关心的动物种群或不同国家的人口以不同的增长率进行计算和比较五 作业分析中国人口或世界人口以某一增长率增长在20年 30年 50年等以后 中国或世界人口的状况 谈我国计划生育政策的必要性 实验六植物群落学调查及物种多样性的测定 一 实验目的学习群落学调查方法和物种多样性的调查方法 比较各地区物种多样性的差异 了解各类指数的特点和生态学意义 熟悉和掌握最常用的物种多样性指数的计算方法 了解重要值的计算方法及其意义 二 实验材料照度计 温湿表 GPS 地温计 罗盘仪 烘箱 酸度计 电导率计 皮尺 卷尺 铅笔 记录夹 塑料袋 记号笔或标签 野外记录表格 三 实验原理1 群落学调查包括 群落内外的光照 温度 湿度的比较 参看实验一 群落的命名 样地的选择和调查方法 详见生态学野外调查方法与数据处理简介 2 多样性指数是以数学公式描述群落结构特征的一种方法 在调查了植物群落的种类及其数量之后 选定多样性公式 就可计算反映群落结构的多样性指数 物种多样性代表了群落组织水平和功能的基本特征 它通常包涵两种涵义 1 种的数目或丰富度 即一个群落或生境中物种数目的多寡 2 种的均匀度 即一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况 它反映的是各物种个体数目分配的均匀程度 多样性指数是反映丰富度和均匀度的综合指标 生态学考察中较多使用的多样性指数有辛普森指数 香农 威纳指数及均衡度指数 密度 D 单位面积上特定种的株数相对密度 RD 某种植物的个体数目 全部植物的个体数目100密度比 DR 某个种的密度 最大密度种的密度盖度 C 植物地上部分的投影面积 枝叶空隙不计在内 以百分数表示 相对盖度 RC 某一种的盖度 所有种盖度的总和100盖度比 CR 某一种的盖度 盖度最大种的盖度优势度 DO 盖度或植物断面积相对优势度 RDE 一个种的优势度 所有种的优势度之和100频度 F 某种植物出现的样方数目对全部样方数目的百分数 相对频度 RF 某一种的频度 全部种的频度之和100频度比 FR 某一种的频度 主要建群种的频度 高度 H 植物体自然高度相对高度 RH 某个种的高度 所有种高度之和高度比 HR 某个种的高度 群落中最大高度种的高度重要值 IV 相对密度 相对优势度 相对频度重量 W 单位面积地上部分产量 干重或鲜重 相对重量 RW 某个种的重量 所有种重量之和重量比 WR 某个种的重量 群落中重量最大种之重量总优势比 SDR 可分为二因子的 三因子等 辛普森多样性指数 Simpson sdiversityindex 该指数假设 对无限大的群落随机取样 样本中两个不同种个体相遇的几率可认为是一种多样性的测度 用公式表示为 辛普森多样性指数 随机取样的两个个体属于不同种的概率 1 随机取样的两个个体属于同种的概率设种i的个体数占群落中总个体数的比例为Pi 那么 随机取种i两个个体的联合概率就为P2i 如果我们将群落中全部种的概率合起来 就可得到辛普森指数D 1 P2i i为1 S 式中 S为物种数目 香农 威纳指数 Shannon Weinerindex 该指数假设在无限大的群落中对个体随机取样 而且样本包含了群落中所有的物种 个体出现的机会即为多样性指数 种信息量越大 不确定性也越大 因而多样性也就越高 其计算公式为 D Pilog2Pi i为1 S 式中 H为香农 威纳指数 Pi为第i个种在全体物种中的重要性比例 如以个体数量而言 ni为第i个种的个体数量 N为总个体数量 则有Pi ni N S为物种数目 Pielou均匀度指数 Pielouevennessindex 群落的实测多样性H与最大多样性Hmax 即在给定物种数S下的完全均匀群落的多样性 之比 以Shannon Wiener指数H为基础的群落的均匀度为 J H log2SH为Shannon Weiner指数 S为物种数目 3 重要值重要值是用来表示某个种在群落中地位和作用的综合数量指标 重要值 相对密度 相对频度 相对优势度 相对基盖度 300四 实验步骤1 选择样方 在府山的山坡上选择面积为30 40m2样方 调查样方内的生态因子和各植物种类的数量指标 2 统计记录 按选择的样方统计样方内的植物种类数和每一种的个体数 高度 盖度 基盖度 频度 对不认识的植物应该采样带回实验室检索 3 群落内外主要生态因子 光照 温度 湿度 的调查 采集土壤样本 4 物种多样性指数计算5 对调查地中的优势乔木计算其重要值 五 作业1 描述所调查的群落特征 2 群落内外主要生态因子的比较 并分析产生差异的原因 3 多样性指数计算结果及分析 试述样方面积的大小对多样性指数的影响 4 优势乔木重要值的计算 并将群落的分层现象进行描述 生态因子测定土壤样品采集 室内实验样品监测 表4 1植物群落样地基本情况调查表 表4 2植物群落样地乔木层调查表样地号 样地面积 总郁闭度 调查人 表4 3植物群落样地灌木和草本层调查表样地号 样地面积 总郁闭度 调查人 实验七水体生态系统中初级生产力的测定 一 实验目的了解测定水生生态系统中初级生产力的意义和方法 二 实验原理生态系统中的生产过程主要是植物通过光合作用生产有机物的过程 水生生态系统的生产过程起主要作用的是浮游植物 在光合作用与呼吸作用两个过程中 在单位时间 单位体积内所生产的有机物量 即为该生态系统的初级生产力 测定水体初级生产力最通行的方法是黑白瓶测氧法 在黑瓶内的浮游植物 在无光条件下只进行呼吸作用 瓶内氧气将会被逐渐消耗而减少 而白瓶在光照条件下 瓶内植物进行光合作用与呼吸作用两个过程 但以光合作用为主 所以白瓶中的溶解氧量会逐渐增加 光合作用的过程可以用下列化学反应式来表示 6CO2 12H2O C6H12O6 6H2O 6O2或化简式 CO2 H2O CH2O O2由反应式可以看出氧气的生成量与有机质的生成量之间存在着一定的当量关系 所以可以通过测定瓶中溶解氧的变化 用O2量间接表示生产量 也可以将O2量转移成C量 从O2转移成C量转换系数是0 375 三 实验用具 溶氧仪 照度计 电导率仪 采水器 透明度盘 黑白瓶 水桶 pH计 pH试纸 洗瓶 吸耳球 乳胶管 滤纸 卷尺 曲别针 四 实验步骤 1 本实验可以在室内大水族箱内进行模拟 也可以到现场 湖或河 中进行 2 挂瓶 用采水器采0 1m深度的水样 采样深度可分别取0 00m 0 05m 0 10m 0 15m 0 20m 0 25m 0 30m 0 35m 0 40m 0 50m 0 60m 1 0m 装满试验瓶 灌水时要使水满溢出2 3倍 每组试验瓶3个 其中一瓶水应立即进行溶氧测定 称IB瓶 测定原初溶氧量 另一白瓶 称LB瓶 与一黑瓶 称DB瓶 装满水后挂入与采水相同深度的水层中 然后经一定时间分别测定黑白瓶两瓶中的溶解氧量 如测定光照强度与生产力的关系 可每2 4小时测定一次 如测定全天初级生产力 则可在挂瓶后24小时测一次 本实验挂瓶时间为48小时 在野外测定时 要选择晴天 在室内进行时 水族箱应放在靠窗户位置 或加人工光源 不论室内或室外 均可用照度计定时测定光强度 还要测定水温 pH 透明度 或浊度 电导等水质状态参数 野外工作还要详细记录当天的天气情况 如晴 阴 雨 风向 风力等 以备实验分析时参考 48h后取瓶 用溶氧仪分别测定黑瓶 白瓶的溶解氧 先测黑瓶 再测白瓶 五 数据计算 1 溶氧量单位均为mg l h表示 呼吸量 R IB DB总生产量 PG LB DB净生产量 PN LB IBIB为原初溶氧量 LB为白瓶溶氧量 DB为黑瓶溶氧量 2 计算日总产量和日净产量 单位mg l 日 3 将O2量转换成C量 六 讨论 1 分析用黑白瓶法测定水生生态系统初级生产力的优缺点 2 初级生产力的测定方法还有哪些 3 水生生态系统初级生产力的限制因素有哪些 附录 仪器使用说明 一 JPB 607型便携式溶解氧分析仪1 将电极插头插入仪器的插口 2 内 同时将仪器的电源开关拨至 测量 档 测量选择开关拨至 溶氧 档 盐度 3 调节旋钮向左旋至底 0g L 2 仪器预热10分钟 然后将电极放入5 新鲜配制的亚硫酸钠溶液中5分钟 待读数稳定后 使仪器显示为零 由于电极的残余电流极小 如果没有亚硫酸钠溶液 只要将仪器电源开头置于调零档 调节调零电位器 使仪器显示为零即可 3 把电极从溶液中取出用水冲洗干净 用滤纸小心吸干薄膜表面水分 放入空气中待读数稳定后 调节跨度调节器 使读数指示值为纯水在此温度下的饱和溶解氧值 各种温度下的饱和溶解氧值见附录1 4 反复操作2 3 5 将电极浸入被测溶液中 此时仪器的读数即为被测水样的溶解氧值 氧在不同温度和氯化物浓度水中饱和含量表 101 3KPa 注 表中的栏2是氧溶解度 Cs 以每升水含若干毫克氧表示 在101 3Kpa压力下 纯水中含有带饱和水蒸汽的空气时含氧量为20 94 V V 氧在水中的溶解度随含盐度的增加而降低 其关系是线性关系 实际上水的含盐量可高达35g l 含盐量以每升水中含多少克盐表示 表中所列的 Cs是进行校准时每升每克盐浓度要减去的数值 因此 氧在含有mg l盐的水中的溶解度 要用对应的纯水的氧溶解度减去n Cs的数值便可求得 二 DDS 303A型电导率仪使用方法 按照介质的电阻率或电导率的高低选用不同常数的电极和不同的测量方式 本实验中使用常数为1的DJS 1型光亮电极或铂黑电极浸入被测溶液中测量 装入9V干电池 接通电源开关 预热约10分钟 调节 温度 补偿电位器 使温度指示与被测溶液温度一致 如不须温度补偿则把该电位器调到25 位置 开关拨至 校准 档 调节 校准 电位器 使数字显示为100 0 对于电极常数为1 10 和0 01的三种电极 一般都有不大于20 的误差 校准好的电极常数是一个恒定值 并在电极上贴有标签 电极出厂时都贴有常数标签 本仪