高三生物 生态学研究和实验方法 课件.ppt

生态学研究和实验方法 周先叶华南师范大学生命科学院2008 1 生态学研究方法生态学实验方法高中生态学实验和探究活动 一 生态学研究方法 观察方法实验方法理论方法 观察方法举例 changeinplantspeciesrichnessduringprimarysuccessionatglacierbay alaska datafromreiners worley andlawrence1971 successionofplantgrowthformsatglacierbay alaska datafromreiners worley andlawrence1971 实验方法举例 gause 1934 首先在实验室进行了草履虫竞争的实验研究 提出了竞争排除原理 在一个稳定的环境中 两个以上受资源限制的 但具有相同资源利用方式的种 不能长期共存在一起 即完全的竞争者不能共存 connell 1961 在苏格兰岩岸潮间带对两种藤壶竞争空间进行了一系列经典实验 解释竞争与生态位的关系 paine 1969 通过实验验证了捕食者对局部地区物种多样性的影响 并提出关键种的概念 理论方法举例 理论的方法指使用抽象的方法 常常是数学的方法 描述生态学中的种群或群落 其目的是阐明实验室或野外观察到的事实 揭示其生态学含义 1 几何增长假设条件 假定环境中空间 食物等资源是无限的 因而其增长率不随种群本身的密度而变化 这类增长可称为与密度无关的增长 种群的各个世代不重叠 称为离散增长 如一年生植物和许多一年生殖一次的昆虫 细菌等微生物 其种群增长是不连续的 世代离散 种群增长的数学模型及其模拟研究是分析和预测种群动态的有力工具 它的引入使种群生态学理论有重大的发展 模型构建 nt表示t世代种群大小nt 1表示t 1世代种群大小r0为世代净繁殖率 倍数 种群以r0速率年复一年地增长 模型特点 r0是种群离散增长模型的重要参数 如果r0 1 种群上升 r0 1 种群稳定 r0 1 种群下降 r0 0 雌体没有繁殖 种群在一代中灭亡 2 指数增长假设条件 空间 食物等环境资源是无限的 种群的各个世代彼此重叠 就是说在任何时候 种群中都存在不同年龄的个体 这种情况要以一个连续型种群模型来描述 例如人和多数兽类 其种群增长是连续的 出生率为b 死亡率为d 迁入率为i 迁出率为e 种群增长率 r b i d e 连续性和间断性实际上是一种时间特征 如以年或月为时间单位来描述种群 得到的将是间断性的种群动态特征 而以天或小时为间断时间的种群变动 将呈现连续性 模型构建 对几何增长模型进行时间上的微分 以得到种群的瞬时增长 即为种群指数增长的微分方程 n 种群大小这个公式是描述连续性变动种群动态的基本模型 或 n rn j型增长曲线的特点 r代表了种群的瞬时增长率 与密度无关 如果r 0 种群上升 r 0 种群稳定 r 0 种群下降 3 逻辑斯谛增长假设条件 空间 食物等环境资源是有限的 世代彼此重叠 有一个环境容纳量 通常以k表示 当nt k时 种群为零增长 即dn dt 0 增长率随密度上升而降低的变化是按比例的 每增加一个个体 就产生1 k的抑制影响 模型构建 如果k 100 每增加一个体 产生0 01影响 或者说 每一个体利用了1 k的 空间 n个体利用了n k的 空间 而可供种群继续增长的 剩余空间 只有 1 n k 称为环境阻力 n 0 k 1 n k 1 0最简单的数学模型是在指数增长模型上增加一个密度制约因子 1 n k 就得到种群的逻辑斯谛方程 或 常划分为五个时期 开始期 个体数很少 增长缓慢 加速期 随个体数增加 增长逐渐加快 转折期 当个体数达k 2时 增长最快 减速期 个体数超过k 2以后 增长逐渐变慢 饱和期 个体数达到k值而饱和 s型增长曲线的特点 在种群增长早期 逻辑斯谛增长与指数增长相差不多 种群数目n很小 1 n k 接近于1 所以密度抑制效应可忽略不计 随着种群密度增高 密度抑制效应增加 直到当n k时 种群就停止增长 种群达到稳定平衡状态 j型和s型增长曲线的比较 模型的意义 r和k两个参数具有重要的生物学意义 r表示物种的潜在增殖能力 k是环境容纳量 即物种在特定环境中的平衡密度 但应注意k也是随环境 资源量 的改变而改变的 是构建两个相互作用种群增长模型的基础 是渔业 林业 农业等实践领域中 确定最大持续产量的主要模型 模型中两个参数r k 已成为生物进化对策理论中的重要概念 种群的遗传平衡 hardy weinberg定律 遗传学的一个重要原理是具备以下5个条件的种群 其等位基因和基因型频率将世代保持稳定不变 1 个体数量很多 2 随机交配 3 没有选择 4 不发生突变 5 种群间没有迁移这个原理就hardy weinberg定律 是hardy和weinberg 1908 分别推导出 hardy和weinberg的重要发现表明 不会因为有性生殖而发生进化性改变 只有对种群基因库施加额外的作用力才能引起等位基因和基因型频率的改变 突变 小种群 非随机交配 迁移和自然选择都会导致种群偏离哈温平衡 即影响基因频率的变化 假定某一特定基因a的两个等位基因a和a 它们在种群中所占的比例分别是p和q q 1 p 当处于哈迪 温伯格平衡时 3种基因型所占比例为 p2 2pq q2 1 20 2分 某常染色体隐性遗传病在人群中的发病率为1 色盲在男性中的发病率为7 现有一对表现正常的夫妇 妻子为该常染色体遗传病致病基因和色盲致病基因携带者 那么他们所生小孩同时患上述两种遗传病的概率是a 1 88b 1 22c 7 2200d 3 800平均分0 39 难度0 19 区分度0 15a 19 34 b 8 83 c 40 54 d 30 66 例子 2007年广东生物高考题 妻子为该常染色体遗传病致病基因和色盲致病基因携带者 妻子的基因型可以肯定是aaxbxb一对表现正常的夫妇 丈夫的基因型是aaxby或者aaxby只有基因型为aaxbxb与aaxby的夫妇 其后代会同时患上述两种遗传病 概率为1 4x1 4 1 16某常染色体隐性遗传病在人群中的发病率为1 根据遗传平衡定律 p q 2 p2 2pq q2 1 得出a的基因频率q 0 1 则a的基因频率p 0 9 基因型为aaxby的概率 2pq p2 2pq 2 111 16 2 11 1 88 二 生态学实验方法 取样数量的确定 1 种 样本曲线 1 取样方法 表1样方采样累计面积及出现物种数据 2 特性曲线 表2样方累计平均生物量数据 3 预抽样 4 采用大样本 采用下列公式计算采样数 按照概率论的理论 当n 30时 样本就属于大样本 因此 在进行实验时只要n 30 就可以满足统计分析的要求 2 实验设计方法 实验设计的原则 1 对照原则排除自然变异和非处理因素对观察结果的影响 2 随机原则避免有意无意夸大或缩小组间的差别而造成结果偏差数理统计的要求 3 重复原则样本数量的大小影响结果的准确性 称为偏差 即样本值与实际值的距离 重复次数的多少影响结果的精确性 称为误差 即重复估计值的接近程度 4 一致原则实验组与对照组的非处理因素的条件均衡一致设计合理的实验是人为控制的 随机的 有重复的实验 实验设计的步骤和方法 1 确定实验目标在进行任何实验之前 应该知道通过实验要回答是什么问题 或揭示某一规律 或验证某一假说 2 筛选实验变量在确定实验目标后 要分析 通过查阅文献资料 影响实验结果的因素有哪些 首先要考虑影响显著的因素 再考虑影响不显著的因素 从中选出最重要的因素来进行实验 3 确定因素水平因素水平的选择原则是 重要的因素水平数可以多一些 次要的因素水平数可以少一些 4 完成实验设计如果实验仅考虑1个因素 就可以进行单因素实验设计 如果是2个因素 可以用交叉分组实验设计 当因素数超过3个时 再考虑重复 就应该用实验次数少而效果又好的正交实验设计 举例1 2005年广东生物高考题 研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液1000ml 利用以下实验材料和器材设计实验 探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响 实验材料和器材 水稻种子 试管 培养皿 纱布 尺子 100mm 蒸馏水 恒温光照培养箱 温度设定为28 光强度为2000lux 实验材料和器材的数量不限 根据给出的实验材料和器材 请设计实验方法和步骤 预测实验结果并作出分析 1 方法和步骤 用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释l0 102 103 l04倍 稀释过程中ph值的变化可不作考虑 获得4种不同浓度的污染液 1分 挑选籽粒饱满 大小一致的水稻种子250粒 随机分成5组 50粒 组 1分 取5只培养皿 垫上纱布 其中4只培养皿加入等体积的不同浓度重金属污染液 浸润纱布即可 另1只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照 1分 在每只培养皿的纱布上 均匀放置50粒水稻种子 1分 将5只培养皿置于恒温光照培养箱培养 每天实验组补充等量的相应浓度重金属污染液 对照组补充等体积的蒸馏水 以保持纱布的湿润 1分 1周后统计各组的发芽率 用尺子测量幼苗株高 或根长 计算其平均值 1分 2 结果预测和分析 不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用 1分 随着浓度的增加 萌发率逐渐降低 1分 不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用 1分 随着浓度的增加 株高 或根长 逐渐降低 1分 典型的错误表现在 不少考生只设立2个不同浓度梯度的重金属污染液 没有设立3个以上的重金属污染液浓度梯度 叙述种子萌发实验时 种子数目太少 很多考生写1 5粒或8 10粒 不懂得样品数目太少对实验和统计结果的影响 许多考生在答题时只预测和分析了不同污染物浓度对种子萌发或生长一个方面的影响 只得一半分数 在配制不同浓度梯度污染液时 有的考生写出用试管配制 有的考生用烧杯配制 有的考生用培养皿配制 在进行种子萌发时 有的考生写出用试管或烧杯来进行萌发 有的用重金属污染液倒入光照培养箱中萌发 这些都反映了考生在实验动手能力方面的不足 在进行重金属污染液处理时 许多考生没有考虑到用等量的重金属污染液处理 有些考生也不设对照 反映考生没有掌握实验设计的基本原则 绝大多数考生不知道在萌发过程中要求补充水分或等量重金属污染液以维持湿度 反映了大部分考生并没有种子萌发的经验 举例2 2006年广东生物高考题 科学研究已证实某类有机污染物对水生软体动物雌性个体有致畸作用 畸变雌性体内出现雄性生殖器官 近期某水域被该类有机物x污染 为了解此有机物对水生软体动物是否有致畸作用 生物兴趣小组同学提出开展探究活动 请利用中学生物实验室常用器材以及下列实验材料和用具 设计实验并预测实验结果 实验材料和用具 采自未受污染水域 体重相近 性成熟的水生螺 a螺 300只 解剖镜 有机污染物x溶液 养殖池 正常a螺雌 雄性器官解剖图谱等 提示 给药剂量 具体仪器操作不作要求 室温恒定 养殖时间30天 a螺为雌雄异体 性别特征可在解剖镜下鉴定 1 拟定课题名称 2 设计实验步骤 3 预测实验结果 标准答案 1 课题名称 探究有机物x对a螺雌性器官畸变的作用 2分 2 实验步骤 随机取a螺数只解剖 对照解剖图谱 识别雌 雄生殖器官特征 1分 将a螺随即分为对照组和实验组 每组100只 至少30只 1分 向试验组养殖池加入一定体积的有机污染物x溶液 对照组加入等体积的蒸馏水 饲养条件和其他条件均相同 1分 养殖30天后 将各养殖池中a螺在解剖镜下解剖观察并与标准图谱对照 记录性畸变雌螺数量 1分 计算雌雄个体性畸变百分率 1分 3 预测实验结果 对照组雌性和雄性螺类生殖器官正常 1分 实验组雌性个体出现性畸变 1分 其他合理答案酌情给分 考生典型错误 课题名称 1 题目表达不具体 一半考生没有具体写出 有机污染物x 仅写到 有机污染物 多数考生没有具体写出 a螺 仅写到 水生软体动物 2 语言表达不准确 用词不当 如 验证 证实 实验 检测 假设 解剖 观察 调查 等 实验步骤 1 前测观察和统计计算畸变率基本没有考生答出 2 将 畸变雌性体内出现雄性生殖器官 误解为 雌性个体变为雄性个体或变为雌雄同体个体 3 没有注意题目中给出的条件 很多考生选用 培养皿 烧杯 试管 瓶子 等器皿培养螺 4 许多考生先用解剖镜挑出雌螺和雄螺 然后按雌雄螺进行分组 5 对样本数量没有统计学概念 不少考生在培养后只取几只甚至1只进行解剖统计 6 不明白实验观察和分析的具体内容 仅写出 观察实验结果 分析得出结论 等概括性描述 预测实验结果 1 预测结果表达不具体或不确切 如 实验组有畸变 对照组不变 实验组出现雄性器官 实验组雌性变为雄性 对照组不变 实验组与解剖图不同 对照组与解剖图相同 等 2 许多考生只预测实验组的结果 而没有预测对照组的结果 不全面 3 实验数据处理与分析 三 高中生态学实验和探究活动 用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化土壤中动物类群丰富度的研究调查当地自然群落中若干种生物的生态位探究水族箱 或渔缸 中群落的演替探究土壤微生物的分解作用设计并制作生态瓶调查或探讨一个农业生态系统中的能量流动 土壤中动物类群丰富度的研究例子 2007年广东生物高考题 近年来在防治稻田虫害方面进行了多种尝试 如 构建稻 萍 鱼生态系统 在该系统中 虽有危害水稻的病菌 害虫和杂草 但鱼的活动可起到除虫 松土和增氧的作用 红萍叶片内的蓝藻固氮可促进红萍和水稻生长 培育转bt基因抗虫水稻 减少虫害 此外 一些水稻遭遇虫害时会释放某些物质 引来天敌消灭害虫 科学家称之为稻田三重营养关系 根据上述材料 请回答下列问题 某地曾是著名的鱼米之乡 植物生长茂盛 土壤动物种类繁多 后来 由于上游地区一农药厂的污染废水排入河流 造成该地农田土壤环境持续恶化 原本常见的泥鳅 田螺等几近销声匿迹 为了调查污染废水对农田土壤动物类群的影响 在受污染河流一侧不同距离进行调查 调查结果见表37 1 表37 1距污染河流不同距离土壤动物类群和个体数 土壤中动物类群丰富度的研究例子 2007年广东生物高考题 请根据上述材料 回答下列问题 1 土壤动物调查一般不能采用标志重捕法 理由是大多数土壤动物身体微小 活动范围小 标记个体难与无标记个体充分混匀 1分 2 遭受污染的农田土壤仍存在一定数量的土壤动物 是因为农田生态系统具有相对稳定性 1分 而不同类群的土壤动物具有不同的耐污能力 1分 过度污染的农田会丧失生产能力 原因是 当外来干扰超过生态系统自我调节能力时 1分 会导致系统稳定性 稳态 的破坏 甚至会引起系统的崩溃 1分 3 从表37 1调查结果可得出以下结论 农药污染降低土壤动物类群数和个体总数 1分 距离污染源越远 近 农药污染物的浓度越低 高 对土壤动物的影响越小 大 1分 4 当污染停止后 在原来因污染而废弃的土地上开始的群落演替属于次生 1分 演替 在华南热带亚热带地区 这种演替将最后达到森林 1分 群落 阶段 生态瓶制作例子 2006年广东生物高考题 为观察生态系统稳定性 设计4个密闭 透明的生态瓶 各瓶内的组成和条