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环境生态行为综合实验指导书实验一 保定电厂储灰场灰水水质测定及灰水对地下水的影响实验名称：保定电厂储灰场灰水水质测定及灰水对地下水的影响实验类型: 综合性实验学时：8适用对象: 环境科学及相关专业高年级学生一、实验目的保定市属于比较缺水的城市，因此地下水是保定市生活饮用水的重要水源。目前保定电厂采用水力冲灰，因此灰水中的各种污染物随灰水下渗进入地下水中，势必对灰场周围地区的地下水造成污染。另外，污染物进入地下水后在水中迁移、扩散，也将对灰场所在地周围居民的水源地水质安全造成威胁。因此，分析灰水的水质及研究保定电厂储灰场灰水对地下水的影响是非常必要且有现实意义的。1.掌握工业废渣渗沥液的渗沥特性和研究方法；2.掌握用分光光度法测定六价格和总铬的原理和方法；3.熟练应用分光光度计；4.了解测定水总硬度的意义及测定方法的原理；5.掌握测定水总硬度的方法；6.掌握水中pH值的测定方法；7.掌握氟离子选择性电极的使用方法二、实验要求1.学生应通过实验了解初步的环境问题模拟方法。2.学生应在开始实验之前应熟练掌握水中六价铬、总铬、总硬度、pH值、氟离子等水质参数测定方法的理论知识，并通过实验掌握实验室中这些水质参数常用的测定方法与操作步骤。3.实验应独立完成，并根据对模拟灰水水样、实际灰水水样及监测井水样的测定结果进行独立分析，得出保定电厂储灰场灰水对地下水的影响结果。4.在实验中应善于发现问题、解决问题。三、实验原理1.储灰场灰水渗沥液的模拟实验采用模拟的手段，在玻璃管内填装经粉碎的粉煤灰，以一定的流速滴加蒸馏水，从测定渗沥液中有害物质的流出时间和浓度变化规律，推断粉煤灰在堆放时的渗沥情况和危害程度。2.水样中铬的测定水中铬的测定方法主要有二苯碳酰二肼分光光度法和硫酸亚铁铵滴定法。其主要原理分别如下：（1）二苯碳酰二肼分光光度法在酸性溶液中，六价铬离子与二苯碳酰二肼（DPC）反应，生成紫红色化合物，于波长540nm进行比色测定，其反应式为： 计算公式为：式中：m由标准曲线查得的六价铬量（g） v水样的体积（ml）（2）硫酸亚铁铵滴定法在酸性介质中，以银盐作催化剂，用过硫酸铵将三价铬氧化成六价铬。加少量氯化钠并煮沸，除去过量的过硫酸铵和反应中产生的氯气。以苯基代邻氨基苯甲酸作指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，至溶液呈亮绿色。其滴定反应如下：6Fe(NH4)2(SO4)2 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 3Fe2(SO4)3+ Cr2(SO4)3+ K2 SO4 + 6(NH4)2SO4 + 7H2O根据硫酸亚铁铵溶液的浓度和进行试剂空白校正后的用量，可计算出水样中总铬的量。对比二苯碳酰二肼分光光度法和硫酸亚铁铵滴定法两种不同方法所测得水样总铬含量的结果3.水样的总硬度测定总硬度是指水中钙镁离子的总浓度，硬度对工业用水关系很大，尤其是锅炉用水。各种工业对水的硬度都有一定的要求。饮用水中硬度过高会影响肠胃的消化功能，我国生活饮用水卫生标准中规定总硬度（以CaCO3计）不得超过450mg/l。测量水中总硬度原理如下：在pH值10的缓冲溶液中，钙离子和镁离子都能与EDTA定量配合。以铬黑T为指示剂（HIn2-表示）和钙离子和镁离子都形成桃红色配合物，反应式如下：因为MgY2-和CaY2-比MgIn-和CaIn-稳定，所以在用EDTA滴定时EDTA首先和溶液中的Ca2+、Mg2+反应，达到滴定终点，稍过量的EDTA将夺取MgIn-（CaIn-）中的Mg2+（Ca2+），使指示剂游离出来而显示指示剂本身的颜色纯蓝色，指示滴定终点的到达。根据所消耗的EDTA溶液体积计算Mg2+、Ca2+总量。水样硬度XCaCO3（mg/L）按下式计算：100 式中：a滴定水样所消耗EDTA标准溶液的体积，ml b滴定空白溶液所消耗EDTA标准溶液的体积，ml TEDTA标准溶液对钙硬度的滴定度，mmol/ml V水样体积，ml4水样pH值的测定pH的测定使用方法是：使用酸度计直接测定，酸度计中电极为复合电极。水的颜色、混浊度、胶体微粒、氧化剂、还原剂以及较高含盐对玻璃电极的干扰影响都比较小。但在较强的碱性溶液（pH10）中，因有大量钠离子的存在，产生较大的误差，使读书偏低，通常称为：“钠差”。消除“钠差”的方法。除了使用特别的“低钠差”电极外，还可以选用与被测溶液的pH值相近的标准缓冲溶液对仪器进行校正。复合电极的使用注意事项：1）电极在测量前必须用已知PH值的标准缓冲溶液进行标定，为提高测量精度，缓冲液的PH值要可靠，且愈接近被测值愈好，一般不超过0.3个PH。2）电极前端的敏感玻璃球泡不能与硬物接触，任何破损和擦毛都会使电极失效。3）电极插座必须保持高度清洁和干燥，如有玷污可用医用棉花和无水酒精揩净并吹干，绝对防止输出二端短路，否则将导致测量失准或失败。4）测量前，应注意将玻璃泡内的气泡甩去，否则将造成测量误差，测量时，应将电极在测试溶液中搅动后静止放置，以加速回应。5）测量前和测量后，都应用去离子水清洗电极，以保证测量精度，在粘稠试样中测定后，电极需用热去离子水反复冲洗多次，以除去粘在玻璃膜上的试样，或先用适宜的溶剂清洗，再用去离子水洗去溶剂。6）电极经长期使用后会产生钝化，其现象是敏感梯度降低，响应慢，读数不准，此时可将电极下端球泡用0.1M稀盐酸浸泡24小时，（0.1M稀盐酸配制：9ml盐酸用蒸馏水稀释至1000ml），然后再用3Mkcl溶液浸泡数小时，或者将电极下端泡在4%HF（氢氟酸）中35秒钟，用蒸馏水洗净，再在3Mkcl溶液中浸泡数小时，使其恢复性能。5水样中氟化物的测定将氟离子选择电极和外参比电极（如甘汞电极）浸入欲测含氟溶液，构成原电池。该原电池的电动势与氟离子活度的对数呈线性关系，故通过测量电极与已知F-浓度溶液组成的原电池电动势和电极与待测F-浓度溶液组成原电池的电动势，即可计算出待测水样中F-浓度。常用定量方法是标准曲线法和标准加入法。四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）仪器：1色层柱（25mm，1300mm）；21000mL带活塞试剂瓶；3500mL锥形瓶；4分光光度计，10mm、30mm比色皿；550ml具塞比色管，移液管，容量瓶等；6酸度计（配复合电极）75ml、50ml酸性滴定管；8氟离子选择性电极；9饱和甘汞电极或银-氯化银电极；10离子活度计或pH计，精确到0.1mV；11磁力搅拌器、聚乙烯或四氟乙烯包裹的搅拌子；12聚乙烯杯：100mL,150mL。13其它必须实验仪器，如烧杯、量筒。试剂：1铬标准贮备液：铬标准贮备溶液：称取0.2829克于110干燥两小时的重铬酸钾（基准试剂或优级纯），用水溶解后移入1000毫升容量瓶中，加水至刻度，摇匀。此溶液1.00毫升=100微克铬（六价）。2铬标准使用液：铬标准使用溶液： 吸取上述铬贮备液10.0毫升于1000毫升容量瓶中，加水稀释至标线，摇匀。此溶液1.00毫升=1.0微克铬（六价）。3二苯碳酰二肼溶液：称取二苯碳酰二肼（简称DPC，C13H14N4O）0.2g，溶于50ml丙酮中，加水稀释到100ml，摇匀，贮于棕色瓶内置于冰箱中保存。若溶液颜色变深后，不能再用。4（1+1）硫酸。5（1+1）磷酸。6（1+1）氨水。7丙酮。8硝酸银9过硫酸铵10氯化钠11苯基代邻氨基苯甲酸12硫酸亚铁铵标准溶液130.01mol/l的EDTA标准溶液。14pH=10的氨-氯化铵缓冲溶液（54克氯化铵溶于200ml水中，加350ml氨水，用水稀释至1000ml）。15铬黑T指示剂16氟化物标准贮备液：称取2.210g基准氟化钠（NaF）（预先于105-110烘干2h，或者于500-650烘干约40min,冷却），用水溶解后转入1000mL容量瓶中，稀释至标线，摇匀。贮存在聚乙烯瓶中。此溶液每毫升含氟离子1000g。17氟化物标准溶液：用无分度吸管吸取氟化钠标准储备液10.00mL，注入1000mL容量瓶中，稀释至标线，摇匀。此溶液每毫升含氟离子10g。180.5mol/L柠檬酸钠1.0硝酸钠总离子强度缓冲液：称取147克柠檬酸钠及85克硝酸钠溶于800毫升水中，用盐酸调PH为5.5，稀释至1000毫升。192mol/L盐酸溶液。20pH值标准溶液：称取1.179克KH2PO4和3.533克Na2HPO4于110113下烘干2小时然后溶于1000毫升的容量瓶中，准确标定至刻度时此基准溶液的pH值为7.413。五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤（一）电厂灰水模拟实验将取出草木、砖石等杂物的粉煤灰置于阴凉通风处，使之风干。研磨后用四分法缩分，然后通过0.5mm孔径的筛，制备样品量约1000g，装入色层柱，约高200mm。试剂瓶中装蒸馏水，以4.5mL/min的速度通过色层柱流入锥形瓶，待滤液收集至400 mL时关闭活塞，摇匀滤液，作为待测水样。（二）Cr6+的测定1二苯碳酰二肼分光光度法1）标准曲线绘制 吸取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0毫升铬标准使用溶液于50毫升比色管中，用水稀释至40毫升左右，加0.5毫升1+1硫酸，0.5毫升1+1磷酸，摇均。加入2毫升0.2%二苯碳酰二肼丙酮溶液，立即摇匀，用水稀释至刻度，摇匀。510分钟后于540Am处，用3厘米比色皿，蒸馏水作为参比，测定吸光度。2）水样的测定取适量模拟灰水，调至中性，按标准曲线操作步骤，测定吸光度。再分别测定实际灰水水样和监测井水样。2硫酸亚铁铵滴定法用硫酸亚铁铵滴定法分别测定模拟灰水、实际灰水和监测井水样的总铬含量。（三）水中总硬度的测定用移液管吸取水样100ml于250ml锥形瓶中，加入5mlNH3NH4+缓冲溶液（3.37g氯化铵溶于10ml水加28.5ml浓氨水，稀释至50ml）和1滴铬黑T指示剂，在不断摇动下，用EDTA标准溶液进行滴定，接近终点时应缓慢滴定，溶液由红色转为蓝色即为终点。全过程应于5min内完成，温度不应低于15。另取100ml级试剂水同理测定空白值。水样硬度太小应采用5ml微量滴定管。根据公式（4）即可求出水样的总硬度。分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。（四）水中pH值的测定（1）根据酸度计的仪器使用说明书的要求操作。打开酸度计电源开关后，预热半小时。（2）用pH值标准溶液校正仪器刻度。 （3）废水的测定仪器经过校正后方可用于测定。测定时，先用水缓缓淋洗电极35次，再用被测废水水样淋洗35次后，轻轻将电极放入预先在室内放置半小时以上的2550毫升废水中。注意电极的玻璃必须浸入水中。轻轻摇动使废水水样均匀。反复读取pH值，直到读数稳定为止。分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。（五）水中氟化物的测定（1）标准曲线a 取10个50毫升的容量瓶，分别加入氟化钠标准使用液（1.00毫升=10微克氟化物）0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0毫升加10毫升0.5mol/L柠檬酸钠-1.0M硝酸钠总离子强度缓冲溶液。用水稀释至刻度，摇均。b 将溶液分别注入100毫升烧杯中，先取浓度低的溶液，然后，依次升高浓度，放入电极后，搅拌5分钟。c 待仪器指针稳定后记下毫伏数d 在对数坐标纸上。绘制标准曲线。（2）废水样品的测定 准确吸取废水样10.0毫升（含氟量110微克）置于50毫升容量瓶中，加入10毫升总离子强度缓冲液，用水稀释至标线，摇均。将溶液注入100毫升烧杯中搅拌，待指针稳定后，读取毫伏数。由标准曲线上查得氟化物含量。计算公式氟化物（毫克/升）=式中：m从标准曲线上查得氟化物的微克数；V废水体积，毫升分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。六、实验结果分析利用所测出的模拟灰水、实际灰水和监测井水样数据，再结合以下基础数据，分析pH、总硬、Cr6+、F在灰场地下土壤层中的迁移转换规律，得出保定电厂灰水中各污染物对地下水的影响。一、基础数据1.冲灰水的基本特征保定热电厂粉煤灰的化学成分、物理特征及灰水的化学成分见表1-1、1-2。表1-1 保定市热电厂粉煤灰化学成分表成分SiO2Al2OFe2O3CaOMgOTiOK2ONa2O余碳%45.7628.7310.974.670.51.350.0710.447.39表1-2 保定电厂粉煤灰物理特征不同粒径（mm）百分比密度g/cmK米/日表面积cm2/g20205 5110.10.10.010.013108304632.19349402.灰场浅部地下水水质分析数据表1-3 地下水背景值，mg/L指标CODNH4-NNO3-NNO2-NF-Cl-硬度Cr6+背景值0.40.0100.5320.00240.210.33268-表1-4 浅部地下水和灰水，pH值为无量纲，其余mg/LCl-SSCODF-SO42-硬度NH4-NNO3-NNO2-NCr6pH色度灰水176.662845.81.667253.9507.40.09252.191.250.1379.25深灰色浅层地下水133.8-1.20.25未检测8750.021.670.0610.0047.29透明3.中层地下水分析表1-5 中层与浅层地下水水质比较，pH值为无量纲，其余mg/LCl-SO42-NO3-NNH4-NCr6+NO2-N硬度CODpHF-浅水133.8未检测1.670.020.0040.0618751.27.290.252#130.9484.0 0.010.02 0.0040.001588.60.927.470.414#125.3451.00.100.02 0.0040.005688.20.917.410.285#131.9575.00.200.020.0040.001688.30.957.830.774.灰场边缘地下水分析表1-6 灰场边缘与中层地下水水质比较，mg/L项目Ca2+Mg2+硬度SO4+2-Cl-pHZn2+70m处（均值）148.5868.96655.0503.3129.47.570.05灰场东南96.7256.46473.9846.52100.857.510.035灰场东北125.8374.21619.7739.82108.777.55未检出灰场正东105.9363.44525.7339.42126.608.16未检出灰场西146.0769.22649.7640.21110.217.65未检出灰场北134.8870.02627.1729.17113.097.50未检出灰场西北154.7069.62672.9641.79131.827.47未检出5.深层地下水分析表1-7 深层地下水与7中层地下水水质比较，pH值为无量纲，其余mg/LCl-pHCODF-SO42-硬度NH4-NNO3-NNO2-NCr6+中层水（均值）148.587.570.9270.25503.3655.00.020.100.0020.004地下水17.58.626.1680.28626.82295.520.07131.8891.2350.004背景值10.330.40.20.0100.5320.0024七、思考题1.分光光度法测定水中六价铬和总铬的原理是什么？2.用分光光度法测定六价铬时，加入磷酸的主要作用是什么？3.测定六价铬的器皿能否用重铬酸钾溶液洗涤？为什么？应使用什么洗涤剂洗涤为宜？4.测定总铬时，加入高锰酸钾的作用是什么？加入亚硝酸钠和尿素是为什么？5.哪些水样(如地表水,地下水,工业废水,海水等)的硬度大？6.在pH=10时以铬黑T为指示剂，为什么滴定的是钙镁合量？7.用钙标准溶液标定EDTA及测定水样硬度时为何要加入缓冲溶液后立即滴定？量取3份水样时若在滴定前同时加入氨性缓冲溶液好不好？为什么用钙标定EDTA时为什么在加入氨性缓冲溶液前先加入一部分EDTA标准溶液？8.加入离子强度缓冲液起什么作用？9.氟电极使用前后应如何处理？实验二 区域植被野外综合调查实验名称：区域植被野外综合调查 实验类型: 综合性、设计性实验学时：8适用对象: 环境科学专业高年级学生一、实验目的通过本实验，要求学生掌握以下几点：1. 掌握识别植物、植物分类的方法，熟悉北方温带草原的主要物种；掌握各种植被类型的基本特点，确立植被的地带性思想；学习如何识别植物群落；2. 掌握植物生态学研究的常规技术方法；3. 掌握植被调查的要素，即调查的主要内容；4. 掌握实验调查数据的处理方法；5. 使学生实地感受不同人为干扰对草地生态系统的影响，分析生态系统受损原因、与环境的关系，思索生态修复的策略；6. 培养学生从事科学研究，特别是献身于生态学研究和环境保护的兴趣。二、实验要求本实验是为环境科学专业高年级学生开设的一门综合性实验，是在学生学习了环境科学的专业基础课和专业课以后，对课程内容和实际操作能力的一次综合性的实习和检验。要求学生具备基本的生物学、分类学、生态学、土壤、环境等专业知识及基础知识。通过本实验，学生应掌握环境科学学科领域可能涉及的课题的调研、实验、数据处理等工作方法。学习分析和解决问题的能力。三、实验原理与方法（一）地上生物量的测定绿色植物是生态系统的第一性生产者，是人类和所有生物赖以生存的基础。植物生产力问题已成为现代生态学所关心的重要课题之一。 第一性生产有两个概念，即总生产量(PR)与净生产量(Pn)。前者指一定期间内植物通过光合作用所生产的有机物质总量，其中包括植物同期由于呼吸所消耗的有机物质的量(R)。后者指一定期间内植物体实际积蓄的有机物质的数量即PR PnR或Pn PRR 所谓生产力(productivity)是对生产量的量度，指单位面积、单位时间所生产的有机物质的量，即生产的速率，一般用吨104米2年1或克米2年1表示。 一定面积内某一时间所具有的活植物体总量叫做现存量(standing crop)或生物量(biomass)。设开始时间(t1)与终了时间(t2)的现存量分别为B1和B2，则：PnBLGBB2B1B为t1t2间植物的生长量，L为此期间的枯死及脱落量，G为草食动物吃掉的量。此式为生产量测定的基本公式。由于森林、灌丛、草本群落生产量的形成和积累过程各有特点，所以生产力研究的途径和方法也各有不同。限于实验时间，这里仅介绍草本植物生产量的测定方法。对草原、草甸等草本群落生产量的测定，常用直接收割法，这是植物群落学和农学上最通用的常规方法，即直接将植物体地上枝叶及繁殖器官全部刈割下来进行烘干称重，根据研究目的不同，有以下几种具体测定方法： 1地上现存量的一次分种测定，通常是在全年内的产量高峰期测定，以便确定全年的最高现存量。 2地上生物量的分种、分层测定，是为了确定群落地上生物量的层次结构。 3地上茎、叶及繁殖器官生物量的分种测定，可确定营养器官及繁殖器官的生物量比例，绿色器官与非绿色器官的生物量比例。 4在年内进行地上生物量的周期性定点、分种测定，为生产量季节动态的分析提供数据。 5立枯物与凋落物产量的测定。 限于时间，本实验只要求测定1、2两项，如时间允许，也可进行上述第3项测定。（二）生物多样性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，就可计算反映该群落结构特征的多样性指数。 计算多样性的公式有很多，形式各异，而实质是差不多的。大部分多样性指数中，组成群落的生物种类越多，其多样性的数值越大。 种的多样性有以下几方面的生态学意义，(1)是刻划群落结构特征的一个指标。 (2)用来比较两个群落的复杂性，作为环境质量评价和比较资源丰富程度的指标。 (3)从演替阶段的多样性比较，可作为演替方向、速度及稳定程度的指标。 本实验采用Simpson的多样性指数和Shannon-Wiener多样性指数进行练习。Simpson多样性指数公式:Shannon-Wiener多样性指数公式：或 N=所有种的个体个数；=第i种的个体数 为了具体说明这一方法举一个实例(见表2-1)。 对南京紫金山植被调查的原始数据作多样性分析(原始数据由南京大学高兆杉同志提供)。 分别绘出Simpson和Shannon-Wiener多样性指数的平均数控制图(图21，22)。表2-1 随机取样10个样方(乔木层)原始数据(样方面积2520m2) 样方号种名12345678910黄檀43151534515马尾松39211810枫香44171014黄连木1314栓皮栎31353232四蕊朴4榔榆121812黑松37303745白栎112112麻栎712紫薇1321黑枣111化香树3212苦楮22青冈22苦木5洋槐402臭椿9种类合计998557786670数量合计55545346527464384532Simpson指数0.660.530.650.350.540.630.490.790.780.62Shannon-Wiener指数0.650.540.600.310.420.550.470.690.670.620.54 上限0.74=0.61下限0.48 图2-1 Simpson多样性指数的平均数控制图上限0.74=0.61下限0.48 图2-2 Shannon-Wiener多样性指数的平均数控制图从控制图可知，10个样方的种多样性是有差别的，可分为三组：4，5样方的多样性最低；1，2，3，6，7，10样方次之；8，9样方最高。而且两种多样性指数的结果是一致的。四、实验所需仪器、设备、材料（试剂）铅笔、供样方记录用的一套表格纸、皮尺、卷尺、测绳、1m2样方框架、样圆框架；照度计、羊毛剪刀或小镰刀、小刀、枝剪，手铲、薄膜塑料袋(长1535厘米)、白纸信封及纸口袋(或用包装纸代替)、纱布袋、硬纸小标签、植物采集记录本、药物天秤(1/10g)、扭力天秤(1/100g)、电热烘干籍或用其他烘干装置代替) 、植物标本夹；统计图纸、方格绘图纸、计算器、海拔表、地质罗盘、GPS、大比例尺地形图、望远镜、照相机等。五、实验步骤 （一）草本植物群落地上生物量的测定1样地的建立，在典型的群落片段上，按要求的面积选定样地(如果要求进行多次周期性测定，则应一次选好样地。样地的重复数量须按统计学的要求采设计，并按研究工作的要求规定好测产的周期及日期，制定出测产的计划)。 2样地植物群落的登记，内容包括：植物种类、植物的高度、密度、株数、盖度等。 3在规定购日期和样地上用剪刀分种刈割植物的地上器官，装入薄膜塑料袋内，写好标签，并尽快进行野外称重(鲜重)。称过鲜重以后，将样品装入信封或纸袋(也可用纸包好)准备烘干。 4因要求测定地上生物量的分层重量及计算产量结构，故需将每一植物种的样品按规定的长度(例如5厘米或10厘米)剪断，分别将每一段样品严格按次序分别装入信封内准备烘干。 5如果要求按不同器官计算生物量时，则需按茎、叶、生殖枝等分别装入信封内准备烘干。 6装入信封的样品要及时在电热烘干箱内保持65左右的温度烘烤810小时(肉质植物还要延长烘干时间)。烘干以后用天秤称量，取得各种植物或各个部分的干重数据。 7在地上生物量登记表(表413)上登记所测定的鲜重与干重的数据。8根据所得数据，绘制地上生物量结构图(如已按器官分别测定，应在结构图上反映出来)。（二）生物多样性调查1每2个学生为一组在几个已知的群落类型里分别用1m2样方测定其种数及每个种的个体数。在每种类型里重复取样10次，样方随机放置。 2按群落类型整理合并数据，并分别计算Simpson和Shannon-Wiener多样性指数。 3分别绘制Simpson和Shannon-Wiener多样性指数的平均控制图，判断不同群落中种的多样性的差别。4比较不同群落类型的种多样性指数，并给以生态学意义上的解释。六、思考题1地上器官产量结构的分析有什么生态学意义?2测定地上现存量应取得哪些数据才能计算出地上净生产量？要取得这些数据有什么困难？3如何确定草原群落在一年内植物地上部分停止生长期的时间？4多样性指数在群落分析中的作用，比较不同组之间的结果，分析相同或相异的原因。附录 植被生态野外调查方法野外调查是生态学，特别是植被生态学研究的基本方法。下面介绍野外调查的内容和方法，以方便学生查寻和参考。一、群落最小面积的确定如何确定一个植物群落的种类组成，简单的办法就是在这个群落地段上进行种类统计，但是由于一个群落地段所占的面积常常很大，种在群落内分布也很少是均匀的，我们既不可能对整个群落地段进行全面统计，也不可能只在一块很小的面积上进行调查用以代表整个群落的种类组成，这就产生了一个研究群落种类组成时统计面积适当大小的问题。欧洲大陆植被学家的最小面积（minimal area）概念就是针对这种需要提出来的。最小面积有许多定义，我们这里采用Mueller-Dombois和Ellenberg（1974）的最小面积定义，即：“在该面积里，群落的组成得以充分的表现”。 最小面积的确定通常采用在群落地段的中央，逐步成倍扩大样方面积（如图附l（a），统计随着面积扩大增加的种数（表 附1），用种的数目与样方面积增加的关系，绘制出种面积曲线（species-area curve），即以种的数目作纵坐标（Y轴），样方的面积作横坐标（X轴），把每次种的数目和样方面积的关系标绘在坐标图中，各点的连线即构成了种面积曲线（图附1（b）。曲线的特征是，起初陡峭上升，而后慢慢趋于平缓，这是因为开始的几个样方中出现许多种，而后来扩大的样方中增添的种数就不多了，曲线开始平伸的一点即群落的最小面积，这一点固然可以凭观察从图上识别出来，但是由于曲线的形式随着X轴与Y轴的比例而定，这使转折点的主观判断较为困难，解决的办法是事先设定，当面积增加10、种的总数也只增加10时，取样面积即已足够。这个点可以在曲线上机械地确定，即通过坐标图上的原点，到代表10的种和10的样方面积所标出的点间画一直线，然后与这条线平行地在曲线上画一切线，这样不管曲线的形状如何，切点就是l0的相关数，为了更精确的取样，这个点可以按增加10的样方面积，对增加5的种数来判定。表附2综合了不同国家作者对各类植被研究时所建议的样方最小面积。表 附1 随着样方面积增大增加的种数小样方号面积（m2）种类种数小计14木荷、檵木、马银花、乌饭、山鸡椒、光叶菝葜、算盘子728短柄枹、赤楠、石斑木、羊角藤11316盐肤木、大青、玄参科一种14432映山红、茅栗、菝葜17564石栎、苦槠、老鼠矢、青皮木、柃木、栀子、刺柏、南烛256128冻绿267256山矾、马尾松、冬青29图 附1 确定群落最小面积的程序按（a）图所示方式，成倍扩大样方面积，记录出现的种数（见表 附1），根据记录绘出如（b）图所示的种面积曲线表 附2 不同国家和作者建议的各类植被研究时的最小面积（m2）Whittaker (1978)Ellenberg (1956)中国常用标准热带沼泽雨林20004000温带植被热带雨林25004000热带次生雨林2001000森林（乔木）200500南亚热带森林9001200混交落叶林200800（灌木）50200常绿阔叶林400800温带阔叶林100500干草地50100温带落叶阔叶林200400草原群落50100矮石楠灌丛1025针阔混交林200400密灌丛群落25100干草割草场1025东北针叶林200400杂草群落25100肥沃牧场510灌丛幼年林100200温带夏旱灌木群落10100农田杂草群落25100高草群落25100钙质土草地1050苔藓群落14中草群落2540高山草甸和矮灌丛1050地衣群落0.11低草群落12石楠矮灌丛1050各国森林调查的标准干草草甸1025英国国家调查400800海岸流动沙丘群落1020美国（锯材、杄材）138（0.03英亩）盐生沼泽510瑞典国家调查1000沙丘草地110芬兰国家森林调查5002000湿生先锋群落14日本木材调查8001000陆生苔藓群落14加拿大木材调查100500附生群落0.10.4德国木材调查400二、群落特征的描述和度量1多度和密度（1）多度(abundance)是指该种在群落内的个体数目。确定多度最常用的方法有两种：一为直接点数，一为目测估计。这两种方法都被广泛应用。当植物个体小而数量多时，如对草本和矮灌木常用目测估计，对于乔木等大树多用直接点数。由于植物个体大小十分悬殊，多度的比较只是在相同生长型(或生活型)的植物之间才有意义。英美学派的多度是多度百分数，又称相对多度，是植被研究中经常用的一个指标。多度要以株数为基础，即为某种植物在单位面积内的百分数。计算公式如下：多度=样方内某种植物的株数/样方内各种植物的总株数100必须在同一个层次内或者相同的生长型内进行多度的计算，否则没有太大意义。聚生多度又称徳氏多度，这一多度概念源于欧洲，以后为苏联学派采用，是一种用代号表示的相对等级。聚生多度共有6个多度级和2个聚生度级，均以植物种为单位，乔、灌、草分层估测。 多度级：很多；多，尚多；不多而分散；少或个别；单株。 聚生度级：个体相互靠拢成大片或背景化；丛生成小团块或小块聚生。多度和聚生度可以连用，如：很多且聚成大片；不多但小块聚生。（2）密度(density)是指单位面积(S)内植物个体数量(N)，即DN/S。密度的反比值即每个体所占的面积。根据每个体所占面积，又可推算出个体间的距离(L)：，d为平均胸径或基径2盖度种的多度并不能完全说明该种是否在群落中占据优势地位，更不能说明它对于植物群落内的环境是否起着建造作用，真正能说明种在群落中作用的数量指标是盖度、体积和重量。 盖度（cover）一般指投影盖度，即植物地上器官对地面的水平投影大小，通常用百分率表示。投影盖度作为群落结构的一个重要指标是因为：一方面它标志了植物所占有的水平空间面积，另一方面它在一定程度上反映着植物同化面积的大小。投影盖度可分为：总盖度（整个群落地段的盖度）、层盖度（分层盖度）、种盖度和个体盖度。群落总盖度是指一定样地面积内原有生活着的植物覆盖地面的百分率。这包括乔木层、灌木层、草本层、苔藓层的各层植物。所以相互层之重叠的现象是普遍的，总盖度不管重叠部分。如果全部覆盖地面，其总盖度为100，如果林内有一个小林窗，地表正好都为裸地，太阳光直射时，光斑约占盖度的10，其他地面或为树木覆盖，或为草本覆盖，故此样地的总盖度为90。总盖度的估测对于一些比较稀疏的植被来说，是具有较大意义的。草地植被的总盖度可以采用缩放尺实绘于方格纸上，再按方格面积确定盖度的百分数。层盖度指各分层的盖度，实测时可用方格纸在林地内勾绘，比估测要准确得多。然而 ，有经验的地植物学工作者都善于目测估计各种盖度。种盖度指各层中每个植物种所有个体的盖度，一般也可目测估计。盖度很小的种，可略而不计，或记小于1。个体盖度是指上述的冠幅、冠径，是以个体为单位，可以直接测量。 由于植物的重叠现象，故个体盖度之和不小于种盖度，种盖度之和不小于层盖度，各层盖度之和不小于总盖度。3多优度群聚度的估测及其准则多优度和群聚度相结合的打分法和记分法是一种主观观测的方法，要有一定的野外经验。该法包括两个等级，即多优度等级和群聚度等级，具体内容如下：多优度等级（即盖度多度级，共6级，以盖度为主结合多度）： 5：样地内某种植物的盖度在75以上者（即3/4以上者）； 4：样地内某种植物的盖度在5075以上者（即1/23/4）； 3: 样地内某种植物的盖度在2550者（即1/41/2者）； 2：样地内某种植物的盖度在525者（即1/201/4者）； 1：样地内某种植物的盖度在5以下，或数量尚多者； +：样地内某种植物的盖度很小，数量也少。群聚度等级（5级，聚生状况与盖度结合） 5：集成大片，背景化； 4：小群或大块； 3：小片或小块； 2：小丛或小簇； 1：个别散生或单生。因为群聚度等级也有盖度的概念，在中、高级的等级中，多优度与群聚度常常是一致的，故常出现5.5，4.4，3.3等记号情况，当然也有4.5，3.4等情况，中级以下因个体数量和盖度常有差异，故常出现2.1，2.2，2.3，1.1，1.2，+，+.1，+.2的记号。4频度和相对频度多度、盖度、重量等数量特征只表明种的个体数量，而不能表示它们在群落中的散布状况，频度(frequency)则可以表明这些种的个体在群落中分布的均匀程度(图 附2)。换句话说，频度是一种植物个体在群落中各个地点的出现频率。测定的方法是在群落地段上设置许多小样方，计算种在小样方内出现的次数，并用百分率表示，也称频度系数或频度率。频度=某种植物出现的样方数/样方总数100%图 附2 频度与多度相互关系的几种可能（a）多度大，频度也大；（b）多度大，而频度小；（c）多度中等，频度颇大；（d）多度小，频度也小在野外测定各种植物频度时，常受样方数目、样方分布以及个体大小的影响(图 附3，图 附4)，一般地说，样地数目多、样地面积小，所得的结果能比较真实地反映植物种个体分布情况。但也不能使样地过多和过小。图 附3 频度与样方大小的关系频度随样方大小而变化，A和B是两个面积不同的样方，以它们测得的频度差异很大 通常将频度划分为五个等级：A级频度为120；B级频度为2140；C级频度为4160；D级频度为6180；E级频度为81100。把一个群落内所有的种都归到各自的等级中，这样就可得出群落内种的频度分布。相对频度是指一个群落中在已算好的各个种的频度的基础上，再进一步求算各个种的频度相对值。其计算公式如下：相对频度；图 附4 频度测定与样方分布的关系（a）25个频度样方的规则分布；（b）25个频度样方的随机分布5重要值指数（DFD和IVI）的求算重要值是一种植被研究的指标。DFD和IVI都表示重要值，但二者在求算技术上稍有不同。（1）DFD指数：或叫“密度、频度、优势度指数”，其计算公式：DFD指数=相对密度+频度+相对显著度 在上式中，由于直接采用“频度”，而不是“相对频度”，故其理论上最大值可以等于300。（2）IVI指数：即重要值指数（Important value index），其计算公式：IVI=相对密度+相对频度+相对显著度 在上式中，由于采用相对频度，其和不超过100，故理论上的最大重要值为100。以上两个公式中的相对密度均可用相对多度代替，因为相对多度是由一定样方面积中的株数求得，其重要性是相对的。当然，相对显著度也就是相对优势度。6树高和干高的测量树高指一棵树从平地到树梢的自然高度（弯曲的树干不能沿曲线测量）。通常在做样方的时候，先用简易的测高仪（例如魏氏测高仪）实测群落中的一株标准树木，其他各树则估测。估测时均与此标准相比较。目测树高的两种简易方法，可任选一种。其一为积累法，即树下站一人，举手为2，然后2、4、6、8，往上积累至树梢；其二为分割法，即测者站在距树远处，把树分割成1/2、1/4、1/8、1/16，如果分割至1/16处为1.5，则1.516=24，即为此树高度。干高即为枝下高，是指此树干上最大分枝处的高度，这一高度大致与树冠的下缘接近，干高的估测与树高相同。7胸径和茎径的测量胸径指树木的胸高直径，大约为距地面1.3处的树干直径。严格的测量要用特别的轮齿（即大卡尺），在树干上交叉测两个数，取其平均值，因为树干有圆有扁，对于扁形的树干尤其要测两个数。在林地植物学调查中，一般采用钢卷尺测量。如果碰到扁树干，测后估一个平均数就可以了，但必须要株株实地测量，不能仅在远处望一望，任意估计一个数值。如果碰到一株从根边萌发的大树，一个基干有3个萌干，则必须测量3个胸径，在记录时用括号划在一个植株上。胸径2.5以下的小乔木，一般乔木层调查中都不必测量，应在灌木层中调查。基径是指树干基部的直径，是计算显著度时必须要用的数据，测量时，也要用轮尺或钢尺测两个数值后取其平均值。一般树干直径的测量位置是距地面30处。同样必须实测，不要任意估计。8冠幅、冠径和丛茎的测量冠幅指树冠的幅度，专用于乔木调查时树木的测量。用皮尺通过树干在树下量树冠投影的长度，然后再量树下与长度垂直投影的宽度。例如长度为4，宽度为2，则记录下此株的冠幅为42。 然而在地植物学调查中多用目测估计，估测时必须在树冠下来回走动，用手臂或脚步帮忙测量。特别是那些树冠垂直的树，更要小心估测。冠径和丛径均用于灌木层和草本层的调查，因为调查样方面积不大，所以进行起来不会太困难。测量冠径和丛径的目的在于了解群落中各种灌木和草本植物的固化面积。冠径指植冠的直径，用于不成丛单株散生的植物种类，测量时以植物种为单位，选测一个平均大小（即中等大小）的植冠直径，记一个数字即可，然后再选一株植冠最大的植株测量直径记下数字。丛径指植物成丛生长的植冠直径，在矮小灌木和草本植物中各种丛生的情况较常见，故可以丛为单位，测量共同种各丛的一般丛茎和最大丛茎。9物候期的记录这是全年连续定时观察的指标，群落物候反映季相和外貌，故在一次性调查中记录群落中各种植物的物候期仍有意义。在草本群落调查中，则更显得重要。物候期的划分和记录方法各种各样，有分5个物候期的，如营养期、花蕾期、开花期、结实期、休眠期。我们经过多年实践，发现以分为以下6个物候期记录为好： 营养期：或者不记； 花蕾期或抽穗期：； 开花期或孢子期：（可再分：初花；盛