生态学实验指导秋冬.docx

1、生态学实验指导秋冬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18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

2、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

3、，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

4、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!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

5、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：式中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，代表环境阻力。当Nk时，种群数量下降；Nk时，种群数量上升；N=k时，种群数量保持不变。Logistic方程的解析解为：，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Logist

6、ic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。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

7、养液。四、实验准备1小球藻培养液的配制营养成分(NH4)2SO4K2HPO43H2OMgSO47H2OCa(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10 ml藻种转至三角瓶中，并加入100 ml培养液，在25、12 h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250 ml三角瓶中，加入100 ml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，；

8、2三角瓶置于光温培养箱中，在25、12 h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（Brown 2004）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

9、（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（）与密度（d）的次方成比例： （1）上式中的被称为密度调控指数。对（1）式取对数，得到： (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（）和密度（d），以lg()和lg (d）作图，其斜率就是密度调控指数。二、仪器设备1 样方取样绳(或皮尺)：10m10m, 5m5m, 2m2m2 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

10、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10m10m， 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Brown et al. (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 (2.5 cm dbh 10 cm)的幼树，则使用honzk et al. (1996)的公式计算： B = exp-3.068 + 0.957 ln (D2 * H) （4）对于dbh 2.5 cm 的小苗，则直接取样标定平均个体生物

11、量。3 小苗圃样方：样方面积5m5m或2m2m，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2m2m或1m1m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（）数据输入Exel表，分别取常用对数后，以lg（d）为横坐标，lg()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。对比本组得到的密度调控指数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Brown J. B., Gillooly J. F.

12、, Allen A. P., Savage V. M., West, G. B. 2004. Toward a metabolic theory of ecology. Ecology., 85:1771-1789Brown, I. F., L. A. Martinelli, W. W. Thomas, M. Z. Moreira, C. A. C. Ferreira, and R. A. Victoria. 1995. Uncertainty in the biomass of Amazonian forests: an example from Rondnia, Brazil. Fores

13、t Ecology and Management 75:175189.Deng JM, Wang GX*, E. Morris C., Wei XP, Li DX, Chen BM, Zhao CM, Liu J and WangY.2006. Plant mass-density relationship along a moisture gradient innorth-westChina. J. of Ecology, 84: 953-958Enquist BJ, Brown JH &West GB. 1998. Allometric scaling of plant energetic

14、s and population density. Nature 395:163-165Honzk, M., R. M. Lucas, I. do Amaral, P. J. Curran, G. M. Foody, and S. Amaral. 1996. Estimation of the leaf area index and total biomass of tropical regenerating forests: a comparison of methodologies. In Amazonian Deforestation and Climate, ed. J. H. C.

15、Gash, C. A. Nobre, J. M. Roberts, and R. C. Victoria, 365-381. Chichester, N.Y.: John Wiley and Sons.Yoda K.,Kira T.,Ogawa H.&Hozumi K. 1963. Intraspecific competition among plants Self-thinning in overcrowded pure stands under cultivation and natural conditions. J. Biol. Osaka City University 14:10

16、7-129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

17、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。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（丁香假单胞杆菌溶液、酵母菌溶液、小球藻溶液）三、试剂MES缓冲液：10mM MES 50mM Kcl（pH6.15）四、试验材料正常生长的蚕豆（Vicia faba L.）植株，取新鲜完全展开叶片。五、试验步骤1 取4个直径5cm的培养皿,分别加入10ml试剂MES缓冲液、丁香假单胞杆菌溶液、酵母菌溶

18、液和小球藻溶液 标记备用。2首先取蚕豆新鲜完全展开叶片，使用尖头镊子在叶片下表面轻轻撕取表皮条。撕取表皮条是需要反复练习的技术，以得到透明的仅带气孔复合体的角质层薄膜为佳。3 将达到要求的表皮条12-24条浸入盛有MES缓冲液的培养皿中，光照1个小时。4分别取3-6条经过以上处理的表皮条放入盛有丁香假单胞杆菌溶液、酵母菌溶液和小球藻溶液的培养皿中，MES缓冲液中剩余的表皮条作为对照，仍放在光下处理，每隔半小时后取不同处理的表皮条观察气孔的开张情况（分别测量气孔长度（L）和张开宽度（W），记录气孔开度，熟悉观察气孔的技术，掌握利用W/L的比值定量气孔开度的方法。六、结果分析（1） 以不同处理为横

19、坐标，气孔开度为纵坐标，绘制不同微生物对气孔开度的影响；（2） 以时间为横坐标，气孔开度为纵坐标，绘制不同微生物对气孔开度影响的动态变化；（3） 讨论结果，总结经验体会。七、参考文献Melotto M, Underwood W, Koczan J, Nomura K, and He S.Y. (2006) Plant Stomata Function in InnateImmunity against Bacterial Invasion. Cell 126, 969980实验七、八 群落物种多样性测定与计算一、实验原理物种多样性是衡量一个群落中物种的数目及其相对多度的指标，代表群落的组织水平

20、和功能特性，通常用多样性指数表示。常用的多样性指数有：Simpson指数、Shannon-Wiener指数、种间相遇机率(PIE)等。（1）Simpson指数：；（2）Shannon-Wiener指数：；（3）种间相遇机率(PIE)，或称群落组织水平相互关系指数：，式中，N为所有种的个体总数，ni为第i个种的个体数，Pi=ni/N，s为种的数目。二、目的1掌握物种多样性测定的取样方法；2. 掌握物种多样性的计算方法；3通过对不同地区生物种类及其个体数量的分析，比较这些地区物种多样性的差异，并能够解释原因。三、实验设备卷尺或直尺，植物标本采集箱，（毒瓶），计算器。四、实验步骤1选择样方在同一块林

21、地、草地、山的阳坡与阴坡、不同生物群落交错地带或者其他生境选取一些大小相同的样方，样方大小根据样地生物组成特性确定；2统计生物种类及其个体数记录各样方内的物种名称和每一物种的个体数量，对不认识的生物，可采样带回实验室检索；3. 计算比较物种的多样性指数表1 物种多样性观测及指数比较样地描述(地点、环境群落特征等)样方面积(m2)种数个体总数Simpson指数Shannon-Wiener指数种间相遇机率实验九、十 城市植被与土壤碳特征关系一、城市不同绿化形式土壤呼吸的比较（一）、实验原理和目的土壤呼吸包括CO2在土壤中的产生及向大气传输两个过程。其中土壤CO2的产生主要分为土壤微生物、土壤动物分

22、解有机物的异养呼吸和植物根系的自养呼吸两个部分。一般我们把地面枯落物分解所释放的CO2也算作土壤呼吸。研究表明土壤呼吸受土壤的温度和湿度、地形、根系密度和生物量、土壤有机物的质量和数量、地面枯落物的量、植被特征、微生物数量、小环境气候等多种因素调控，其中温度和湿度对土壤呼吸的影响研究最多。由于不同生境的温度和湿度经常存在差异，因此本实验选择城市不同绿化形式的区块作为研究对象，测定土壤呼吸的差异并分析原因。二、仪器红外线分析仪；温度计；土壤环刀；铝盒。三、实验内容行道树、片状林地、灌丛、草坪的土壤呼吸强度。土壤温度、土壤湿度。四、实验步骤1 每组选择实验样地，每一样地设3个重复。草坪要在前一天剪

23、去地上部分。2. 红外线气体分析仪： （1）在样点上装好气室，向土中切入5mm，保证气室不与外界大气相通。（2）打开红外线气体分析仪电源，预热35分钟；调整好气路系统 （3）记录气室内CO2浓度变化，在10分钟内每15秒记录一次，或5分钟后数字三个以上不变后停止；绘制土壤呼吸和测量时间的关系曲线草图，进行判断；3. 在测定土壤呼吸的同时在气室旁4个点用温度计测量土壤0，5，10 cm深处的温度。4. 土壤含水率：用环刀和铝盒取土，回实验室，用烧灼法测定。五、结果计算与分析（1）计算结果。计算公式为： C 1 273 1 1 R = V (1) t 22.4 273+T L 6式中，R为呼吸速率

24、（mol m-2 s-1），C为CO2 浓度差（ppm），t为时间（min），T为气室内气温（），L为地面积（86.5 cm2)，V为气室体积（991 cm3)。（2）比较不同绿化形式的土壤呼吸有何差异，为什么？（3）此外对于同一样点不同次测量值和土壤温度有何关系？（二）土壤容重的测定一、目的和要求土壤容量又叫土壤的假比重，是指田间自然状态下，每单位体积土壤的干重，通常用克/厘米3表示。土壤容重除用来计算土壤总孔隙度外，还可用于估计土壤的松紧和结构状况。本实验要求学生学习土壤容重的测定方法，掌握环刀法测定土壤容重的原理及操作步骤，掌握用容重数值计算土壤孔隙度的方法。二、内容与原理用一定容积的钢

25、制环刀，切割自然状态下的土壤，使土壤恰好充满环刀容积，然后称量并根据土壤自然含水量计算每单位体积的烘干土重即土壤容重。三、主要仪器设备 1、容积为100厘米3的钢制环刀。 2、削土刀及小铁铲各一把。 3、感量为0.1及0.01的粗天平各一架。 4、烘箱、干燥器及小铝盒等四、操作方法与实验步骤1、在室内先称量环刀（连同底盘、垫底滤纸和顶盖）的重量，环刀容积一般为100厘米3。2、将已称量的环刀带至田间采样。采样前，将采样点土面铲平，去除环刀两端的盖子，再将环刀（刀口端向下）平稳压入土中，切忌左右摆动，在土柱冒出环刀上端后，用铁铲挖周围土壤，取出充满土壤的环刀，用锋利的削土刀削去环刀两端多余的土壤

26、，使环刀内的土壤体积恰为环刀的容积。在环刀刀口一端垫上滤纸，并盖上底盖，环刀上端盖上顶盖。擦去环刀外的泥土，立即带回室内称重。3、在紧靠环刀采样处，再采土10-15克，装入铝盒带回室内测定土壤含水量。五、作业根据以下公式计算土壤容重 100 1、环刀内干土重(克) 环刀内湿土重（克） 100+土壤含水量（%） 环刀内干土重（克） 2、土壤容重（克厘米3） 环刀容积（100厘米3）土壤容重是土壤在为破坏自然结构的情况下，单位容积中的重量，通常以克/立方厘米表示。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，一般耕作层土壤容重11.3克/立方厘米，土层越深则容重越大，可达1.41.

27、6克/立方厘米，土壤容重越小说明土壤结构、透气透水性能越好。果园深翻改土，增施有机肥等措施非常显著的降低土壤容重。测定土壤容重的方法很多，着重介绍环刀法：1、仪器：环刀（容积为100立方厘米）、天平（感量0.1克和0.01克）、烘箱、环刀托、削小刀、小铁铲、铝盒、钢丝锯、干燥器等。2、操作步骤：1) 先在田间选择挖掘土壤剖面的位置，然后挖掘土壤剖面，观察面向阳。挖出的土放在土坑两边。挖的深度一般是1米，如只测定耕作层土壤容重，则不必挖土壤剖面。2) 用修土刀修平土壤剖面，并记录剖面的形态特征，按剖面层次分层采样，每层重复3个。3) 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

28、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。4) 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。同时在同层采样处用铝盒采样，测定自然含水量。5) 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。6) 将装有样品的铝盒烘干称重（精确到0.01克），测定土壤含水量。或者直接从环刀筒中取出样品测定土壤含水量。3、结果计算：环刀容积按下式计算：V= r 2 h式中：V环刀容积（立方厘米）；r环刀内半径（厘米）；h环刀高度（厘米）；圆周率（3.1416）。按下式计算土壤容

29、重：rs=g.100/v.(100+W)式中：rs土壤容重（克/立方厘米）；G环刀内湿样重（克）；V环刀容积（立方厘米）；W样品含水量（%）。此法允许平行绝对误差0.03克/立方厘米，取算术平均值。（三）土壤有机质计算一、目的意义土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源，且含有刺激植物生长的胡敏酸类等物质，又是土壤中异养型微生物的必不可少的碳源和能源物质。由于它具有胶体特性，能吸附较多的阳离子，因而使土壤具有保肥力和缓冲性，它还能使土壤疏松和形成团粒结构，从而改善土壤的物理性。一般来说，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力高低的一个重要指标，所以测定有机质含量对于了解土壤肥力状况有着重要的意义。二、方法原理本法是在外加热源的条件下，用一定量的标准重铬酸钾-硫酸溶液来氧化土壤有机质（碳），剩余的重铬酸钾用标准硫酸亚铁来滴定。由消耗的重铬酸钾量计算有机碳的含量，再间接计算有机质的含量。一般来说，土