试验一种群的Logistic增长模式

生态学实验指导浙江大学生命科学学院生物科学系生态学课程组2012年2月目录前言……………………………………………………………………………………………………1实验一、二种群增长观测及Logistic增长模型………………………………………………………2实验三、四代谢生态-群体密度调控指数确定………………………………………………………4实验五、六环境诱导细胞钙信号对气孔开闭的调控…………………………………………………6实验七、八群落物种多样性测定与计算………………………………………………………………8实验九、十城市植被与土壤碳特征的关系………………………………………………………...10实验十一、十二城市树木年龄与生产力关系………………………………………………………15实验十三、十四植物吸收水中铵氮能力比较分析…………………………………………………16实验十五、十六植物吸收水中硝氮能力比较分析…………………………………………………181前言“工欲善其事，必先利其器”——在科学研究的构成中，方法占有极其重要的意义，甚至可以说，一部科学发展的历史就是一部科学方法不断发展的历史。生态学是生命科学的一个分支学科，同其他学科一样，实验是其最重要的内容。掌握基本方法，掌握基本技能，对于理解生态学理论，并将之运用于实践，具有重要意义。在科学方法论中，实验是狭义的。包括我们经常说到的观察和实验两个内容。科学观察是指在自然条件下，人们对自然现象进行搜集、描述和记载的一种手段。在各种科学手段十分发达的今天，观察依然是生态研究中的重要方法。目前生态学中的观察主要有野外观测（包括野外考察和定位观测）和实验室（包括试验田）观察两大类。依照研究目的，使用科学仪器和设备，有意义地去控制自然过程条件，模拟自然现象，避开次要矛盾，突出主要因素，在特定条件下去探索客观规律，认识客观世界，这种方法即实验方法。生态学中的实验方法主要有原地实验和人工控制实验两类。原地实验是在野外条件下通过某些措施获得某个因素的变化对生物的影响及生物的响应数据。例如，在牧场进行围栏可以分析出食草动物对群落结构和生产力的影响；在田间人工“小岛”上接种昆虫，以观测昆虫出现后的生态关系变化，等等。人工控制实验是在受控条件系统中研究单项或多项因子对目标的作用，如人工气候箱中的实验。在科学研究中实验只是手段，由观察、实验获得的大量第一手资料，需要经过比较与分类，进一步进行归纳、演绎、分析、综合，进行逻辑思维与抽象（经常要用到模型方法，进行逻辑思维与抽象，形成概念，提出假说，发展成理论。因此，生物科学的研究过程中不能只动手，而应该同时动脑。生态学实验不是一般的验证实验，而是探索型实验。同学们必须对实验数据进行充分的比较\综合和分析，最后得出自己的结论。这期间需要阅读科学文献，共享其他成员和实验组的数据，并按照科学论文的格式进行写作。迈开了解和参与科学研究的第一步，你的投入越多，你的收获越丰!2实验一、二种群增长观测及Logistic增长模型一、实验原理自然种群的增长总会受到食物、空间和其它资源或生物的制约，是有限的增长。在有限的环境条件下，开始时因种群基数小增长缓慢，随后逐渐加快，然后，又由于环境阻力逐渐增加，增长速度又逐渐变缓。当种群数量达到其环境资源所能维持的最大数量即环境容纳量或平衡水平时，种群停止增长并维持下去。因此，种群的个体出生率和死亡率都随着种群密度的变化而变化。由于环境对种群增长的限制作用是逐渐增加的，所以增长曲线呈S形，其数学模型可用Logistic方程来描述：)(kNkrNdtdN式中dtdN是种群的瞬时增长量，r是种群的内禀增长率，N是种群大小，k是环境容纳量，kNk代表环境阻力。当N＞k时，0kNk，种群数量下降；N＜k时，0kNk，种群数量上升；N=k时，0kNk，种群数量保持不变。Logistic方程的解析解为：rtteNkkN)1(10，N0是种群起始数量。利用此式可以求出在Logistic增长过程中任一时刻的种群数量。自然界中酵母、果蝇、草履虫、藻类等种群的增长过程比较符合Logistic增长曲线，其他高等生物的增长，包括人类，也可以应用Logistic模型研究。当然，Logistic模型表示的是一种理想化的状态，受到一些假设条件的限制，在实际运用时还需要加以改进。本实验选用培养技术环节较为简单的小球藻作为实验材料，通过测定其光密度来观察小球藻种群的增长动态。在一定的中密度范围内，单位空间的植物种群叶绿素含量与种群大小之间呈正向线性关系，而叶绿素含量与其吸光度之间也存在正向的数量关系，因而小球藻光密度的变化能够反映其种群数量的变化。3二、目的要求1．了解小球藻的培养过程和观察方法2．了解Logistic模型，掌握Logistic增长曲线绘制的一般方法。运用模型进行种群增长的分析。三、实验设备与材料光照培养箱，三角瓶，分光光度计；小球藻，小球藻培养液。四、实验准备1．小球藻培养液的配制营养成分(NH4)2SO4K2HPO4•3H2OMgSO4•7H2OCa(NO3)2NaHCO3柠檬酸柠檬酸铁土壤液(1:1)含量(g/L)0.200.100.080.020.300.0050.0055.0ml2．藻种的活化取10ml藻种转至三角瓶中，并加入100ml培养液，在25℃、12h光照条件下，培养一周；然后再按同样方法连续转接培养3-4次，即可用来测定Logistic增长动态。五、实验步骤1．取10ml藻种培养液转移至250ml三角瓶中，加入100ml培养液，振荡均匀，测定OD650值（以培养液作为空白对照），重复3次，取其平均值作为起始浓度，；2．三角瓶置于光温培养箱中，在25℃、12h光照条件下连续培养一周，每天定时观测一次（测定前振荡均匀），记录OD650值；3．根据测定的OD650值绘制小球藻种群的增长曲线。小球藻培养液观测记录表测定时间（天）OD650值123…4实验三、四代谢生态-群体密度调控指数的确定一、目的和原理1意义：代谢生态理论（Brown2004）中群体密度调控指数的数值与是否恒定是生态学的前沿热点问题之一。该自疏指数从早年（Yoda,1963）提出的-3/2到基于分支理论的-4/3，然而，大量学者的研究结果对此提出了质疑和挑战。所以，学习测定和计算密度调控指数具有重要科学意义，同时，也有广泛农（作物密度调控）、林（森林抚育）、牧（草场和畜群管理）、渔（鱼群密度控制）业应用前景。2目的：学会如何测定和计算密度调控指数。3原理：根据代谢生态理论，生物群体的平均个体生物量（w）与密度（d）的α次方成比例：wkd（1）上式中的α被称为密度调控指数。对（1）式取对数，得到：lg()lg()lg()wdk(2)所以，对达到或接近环境承载力的生物种群或群落，取样方测定群体的平均个体生物量（w）和密度（d），以lg(w)和lg(d）作图，其斜率就是密度调控指数α。二、仪器设备1样方取样绳(或皮尺)：10m×10m,5m×5m,2m×2m2钢卷尺：规格2m；3小皮尺：规格2米；4分析天平，5台秤，最大称量5公斤；6干燥箱三、试验材料自然或达到基本稳定的植物群落。四、试验步骤1分别选取草本、和木本样方；2大乔木样方：样方面积10m×10m，测定样方内高度超过1.3米的植物的数量，每个植株的胸经（DBH,根据距地面1.3米高处的树干周长换算）。对于DBH10厘米的树木，参照Brownetal.(1995)提出并被广泛使用的下列公式计算：B=0.0326*(DBH)2*H（3）对于(2.5cmdbh10cm)的幼树，则使用honzáketal.(1996)的公式计算：B=exp[-3.068+0.957ln(D2*H)]（4）对于dbh2.5cm的小苗，则直接取样标定平均个体生物量。53小苗圃样方：样方面积5m×5m或2m×2m，测量密度，每株植物的距地面0.3米高处树干的周长；4草本样方：选择多年的撂荒地，取2m×2m或1m×1m样方，从地面收割取样，计量个体数目(N)，烘干后称总生物量(W)，按WwN计算平均个体生物量，N/面积计算密度。五、结果分析将各样方的密度（d）和平均个体生物量（w）数据输入Exel表，分别取常用对数后，以lg（d）为横坐标，lg(w)为纵坐标作图，并且取直线回归线的斜率，得到密度调控指数α。对比本组得到的密度调控指数α值与其他同学数值和文献数值的差异，分析可能的原因，总结试验测定的经验和教训。六、参考文献BrownJ.B.,GilloolyJ.F.,AllenA.P.,SavageV.M.,West,G.B.2004.Towardametabolictheoryofecology.Ecology.,85:1771-1789Brown,I.F.,L.A.Martinelli,W.W.Thomas,M.Z.Moreira,C.A.C.Ferreira,andR.A.Victoria.1995.UncertaintyinthebiomassofAmazonianforests:anexamplefromRondônia,Brazil.ForestEcologyandManagement75:175–189.DengJM,WangGX*,E.MorrisC.,WeiXP,LiDX,ChenBM,ZhaoCM,LiuJandWangY.2006.Plantmass-densityrelationshipalongamoisturegradientinnorth-westChina.J.ofEcology,84:953-958EnquistBJ,BrownJH&WestGB.1998.Allometricscalingofplantenergeticsandpopulationdensity.Nature395:163-165Honzák,M.,R.M.Lucas,I.doAmaral,P.J.Curran,G.M.Foody,andS.Amaral.1996.Estimationoftheleafareaindexandtotalbiomassoftropicalregeneratingforests:acomparisonofmethodologies.InAmazonianDeforestationandClimate,ed.J.H.C.Gash,C.A.Nobre,J.M.Roberts,andR.C.Victoria,365-381.Chichester,N.Y.:JohnWileyandSons.YodaK.,KiraT.,OgawaH.&HozumiK.1963.IntraspecificcompetitionamongplantsⅪSelf-thinninginovercrowdedpurestandsundercultivationandnaturalconditions.J.Biol.OsakaCityUniversity14:107-1296实验五、六环境诱导细胞钙信号对气孔开闭的调控一、意义和目的1意义：气孔控制着地球生物圈的CO2和水分交换，从而控制着生态系统最重要的初级生产和全球气候变化过程。气孔免疫——气孔对微生物的感应性关闭是生命科学前沿研究领域之一，其对植物抗病免疫，新型生物节水技术具有重要的科学意义和应用前景。有关研究对理解生物与环境、生物与生物之间的相互作用的分子和生理生态机制具有重要科学意义，同时对提高农林植物水分利用效率具有重要生产实践意义。2目的：（1）了解并基本掌握从蚕豆叶片撕取表皮条，用于研究气孔及其保卫细胞的技术；（2）掌握气孔免疫的基本研究观测方法，对气孔免疫调控的剂量反应和时间动态规律有初步的了解。3原理：图示：气孔感应微生物关闭及致病微生物骗开气孔的过程。7二、仪器设备1显微镜400倍；最好具有摄影和计算机控制观察设备；2显微镜测微尺：2-10微米方格刻度；3载玻片；4分析天平6尖头镊子7试剂瓶20ml滴瓶、滴管每组2套；8吸水纸。9微生物悬浮溶液