生态学实验技术第五讲 生态化学计量学实验技术
生态学实验讲义2013doc
实验一 物种多样性测定１ 实验目的通过对不同地区植物（动物：与植物方法相同）种类及个体数量的分析，比较各地区物种多样性的差异；了解各物种多样性指数的特点和生态学意义；熟悉和掌握最常用的指数：Shannon-Wiener 指数的计算方法。
２ 实验器材米尺、计算器、植物采集箱、笔等３ 实验方法与步骤 3.1 野外调查（1）每两个学生为一组，确定调查的生境（如草地、树林、农田等），并选择合适的样地位置。
（2）样地面积应根据最小面积法确定，一般在植物中，草本植物可用1⨯1m 2样地，灌木可用5⨯5m 2样地，乔木则可根据具体情况，适当加大尺度，如可考虑20⨯20m 2样地。
（3）统计样方内动植物的种类及其个体数，记录到表格中（见附表1）。
3.2 数据处理按野外调查数据，分别计算出物种丰富度指数（D ）、Shannon-Wiener 指数（H ）和Simpson 指数（D ）。
（1）物种丰富度指数（D ），计算公式如下：N S D lg )1(-=式中：D ——物种丰富度指数；S ——物种数目；N ——所有物种个体数之总和。
（2）Shannon-Wiener 指数（H ），计算公式如下：i si i p p H 21log ∑=-=式中：H ——物种多样性指数；S ——物种数目；Pi ——第i 物种的个体在全部个体中的比例。
式中对数的底可取2、e 和10，但单位分别为：nit, bit 和dit 。
（3）Simpson 指数（D ），计算公式如下：∑=-=si iP D 121式中：D ——Simpson 多样性指数；S ——物种数目；Pi ——第i 物种的个体在全部个体中的比例。
４ 思考题1. 不同环境中物种多样性的差异程度及其形成原因分析。
2. 各类多样性指数计算结果的差异及分析。
3. 样方面积的大小对多样性指数的影响。
表1物种多样性调查记录表实验二生态因子的测定1实验目的本实验通过对光的照度、气温、土壤温度以及空气湿度等生态因子的测定，使学生掌握几种常见的生态测定仪器的工作原理及使用方法，并通过不同生境生态因子的比较，认识植物与环境之间的相互关系。
生态学研究和实验方法
生态学研究和实验方法生态学研究是一门研究生物和环境之间相互作用的学科，通过观察、实验、建模等方法来揭示生态系统的结构、功能和演化方式。
在生态学研究中，实验方法是一种重要的手段，可以帮助我们理解和解决生态问题。
下面将介绍几种常见的生态学实验方法。
一、实地观察方法实地观察方法是生态学研究中最直接、最常用的方法之一、通过在自然环境中观察和记录物种组成、数量分布、行为习性等信息，可以了解生物群落和生态系统的结构和功能。
实地观察方法通常需要长时间的观察和大量的数据收集，可以借助于无人机、遥感等技术手段进行辅助，同时也需要充分考虑数据的可比性和验证性。
二、野外实验方法野外实验是在自然环境中设置控制和处理组，通过对照组的比较来研究环境因子对物种群落和生态系统的影响。
野外实验方法可以通过调整环境因子如光照、温度、湿度等的强度和频率，来模拟不同的环境条件，并观察物种的适应性和生存策略。
野外实验通常需要长期的观察和监测，要注意实验设置的可行性和考虑各种可能的干扰因素。
三、室内实验方法室内实验可以在受控的实验室环境中进行，通过对实验条件的精确控制，来研究生物对环境因子的反应和适应机制。
室内实验方法可以用于研究物种的生理生态特性、生物化学反应、种子发芽等过程。
室内实验方法可以通过控制温度、湿度、光照等因子，创建虚拟环境来揭示生物对环境变化的响应。
四、实验模拟方法实验模拟是在实验室中通过模拟自然环境、生物群落和生态系统的过程和功能，来探究环境变化对生物的影响。
实验模拟方法可以通过模拟气候变化、土壤污染、废物处理等情景，来研究物种的适应性、竞争和共生关系等生态过程。
实验模拟方法可以使用温室、生态箱、草地模型等设备和模型来实现。
总结起来，生态学研究和实验方法包括实地观察方法、野外实验方法、室内实验方法和实验模拟方法等。
不同的方法在实践中有着各自的优势和限制。
生态学研究需要根据问题的特性和研究目的选择合适的方法，并注意数据的可靠性、结果的解读和推广的可行性。
1.生态学实验技术--土壤呼吸测定方法研究进展17
地表释放CO2的过程
Air CO2
生物学 化学
浓度梯度
Soil CO2
物理 扩散
最早可追溯到19 世纪末 主要针对于耕作土壤 自然土壤测定:20世纪60 年代国 际生物学计划(IBP)以来。
A: soil area inside the collar
Ct Cx C0 Cx eat
Initial rate = slope at C = C0
dC dt
t0 a(Cx C0 )
FCO 2
10V
Po
(1
Wo ) 1000
RS(To 273.15)
C t
-0.08% lower for R2
我们把土壤呼吸定义为土壤中有机体和植物体地下部分产生二氧化碳的过程buscot2005土壤呼吸有时也称为地下部分呼吸虽然枯枝落叶层不属于地下部分但凋落物分解的呼吸产生的co2也包括在土壤呼吸里面luo2006土壤呼吸是指未经扰动的土壤中产生co2的所有代谢作用主要包括根系呼吸自养呼吸的一部分以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸方精云2007最早可追溯到19世纪末主要针对于耕作土壤自然土壤测定
-12.8% lower for flux
室内气体混合完全Good mixing
Since only a small volume of air inside a chamber is pumped into the IRGA for determining dC/dt, air inside the chamber needs a good mixing.
生态学实验——精选推荐
生态学实验惠州学院实验五、植物群落数量特征的调查植物群落的基本特征:主要指其种类组成、种类的数量特征、外貌和结构等一、目的和意义1. 学习利用样方法进行植物群落数量特征的野外调查。
2. 掌握对群落中物种的相对重要性进行综合评价的方法。
3. 加深对调查地区植物群落的种类组成特征、分布规律及其环境的相互关系的认识。
4. 提高从事生态学野外调查工作的能力。
二、一般原理（一）取样方法群落调查是群落生态学研究的一项重要的基础工作。
在进行群落调查时，由于人力、物力和时间的限制，一般只能抽取其中的一部分作为样本来获取数据并进行分析，进而推断群落总体的特征，这个过程称为“取样(sampling)”。
为了既保证取样研究的结果能够反映群落总体的特征，又使取样所花费的人力，物力和时间尽可能少，选择合适的取样方法是至关重要的。
1. 取样方法类型依据样地设置方式的不同，可将取样方法分为两大类型：（1）主观取样法即根据调查者的主观判断，认为选择能代表群落特征的“典型”样地进行调查。
其优点是简便迅速、省时省力，对于有经验的调查者有时可获得很有价值的结果，尤其在大范围路线调查中常常被采用。
但是，该方法不能对调查得到的估计量进行显著性测验，无法确定其置信区间和预测可靠程度，因此受到统计学家的质疑。
（2）客观取样法（随机取样法）包括简单随机取样、系统取样和分层取样。
在利用本方法时，每个样地被抽取的概率是已知的，因此可以计算估计量的置信区间,明确知道样本代表性的可靠程度。
客观取样是生态学研究中普遍采用的方法。
当具体进行野外调查时，可根据研究目的和研究对象的特点选择不同的取样方法。
当对研究对象的性质不了解时，最好能比较几种取样方法的效果，然后确定最佳方法。
样地确定后，还需要进一步确定在样地中获取数据的方法。
有若干技术可以用于定量研究陆生植物群落的组成和结构特征，其中样方法应用最为广泛。
2. 样方法样方法是依据一定的样地设置方式，在所需研究的群落类型中确定若干一定面积的样地作为整个研究区域的代表，然后对各个样地进行详细调查，以样地调查结果估算群落总体。
生态学实验内容(教案)
实验一、大气环境污染物含量的测定一、大气中总悬浮颗粒物的测定（重量法）（一）实验原理通过空气采样器，以恒速抽取定量体积的空气，空气中粒径小于100 μm的悬浮颗粒物，被截留在已恒重的滤膜上。
根据采样前、后滤膜重量之差及采样体积，计算空气中总悬浮颗粒物的浓度。
（二）仪器和材料中流量采样器（流量50～150 L min-1），滤膜（超细玻璃纤维滤膜或聚氯乙烯滤膜），镊子，恒温恒湿箱，精密电子天平。
（三）实验步骤1. 采样（1）每张滤膜使用前需用光照检查，不得使用有针孔或任何缺陷的滤膜采样。
（2）将选好的滤膜放在恒温恒湿箱中平衡24 h，取出滤膜，30 s内称完，记下滤膜重量W0（g）（精确到0.1 mg）。
（3）在选定的样点，安装好空气采样器，打开采样头顶盖，取出滤膜夹，擦去灰尘。
将滤膜“毛”面向上，放在滤膜支持网上，放上滤膜夹。
对正，拧紧，使不漏气。
（4）仪器设定标准时间的设定：仪器使用说明书5.3.9。
采样开始时间：仪器使用说明书5.3.10。
采样持续时间：仪器使用说明书5.3.11。
流量：仪器使用说明书5.3.13。
（5）测定日平均浓度一般从8：00开始采样至第二天8：00结束。
记录采样流量和采样时间，同时读取现场气温和气压。
将有关参数记录在表1中。
数据记录方法查询：当仪器处于采样状态，按查询键，可查出各采样参数；采样结束，停机，按查询键，可查出各采样参数。
打印：仪器可连接打印机，输出和打印数据。
（6）样品采完后，打开采样头，用镊子轻轻取下滤膜，采样面向里，将滤膜对折，放入表面光滑的纸袋中。
2. 样品测定将采样后的滤膜放入恒温恒湿箱中平衡24 h，然后称重，30 s内称完，记录下滤膜重量W1 （g）（精确到0.l mg）。
有关参数及结果记录在表1中。
（四）结果计算(W1－W0)×1000总悬浮颗粒物含量（TSP，mg m-3）= -------------------------V r式中：W1为采样后的滤膜重量（g）；W0为空白滤膜的重量（g）；V r为换算为参比状态下的累计采样体积（m3）。
试验大纲-地理科学学院-福建师范大学
《生态学实验与技术》实验教学大纲课程名称：生态学实验与技术课程总学时：70学时课程总学分：4学分实验学时：70学时适用专业及年级：生态学专业，三年级开设实验项目数：15个本大纲执笔人：仝川等审核人：高人一、实验目的与基本要求生态学研究既需要大量的野外观测和试验，同时也需要开展实验室分析与实验，因此说，生态学是一门野外测定与室内分析相结合的学科。
《生态学实验与技术》课程是福建师范大学地理科学学院生态学本科专业必修课程之一，是培养生态学基础研究人才和生态保护应用人才的一门专业基础课。
通过《生态学实验与技术》课程的开设，目标是培养生态学专业学生的生态学，特别是现代实验生态学的基本实验技能和方法，掌握目前常见的先进生态学野外测定与室内分析仪器设备，并结合本专业学科优势，开设若干生态学综合性和设计性实验，培养学生的科学研究与创新素质。
在该课程之前，学生必须要先学习《化学》、《土壤学》、《气象学》、《生理学》《基础生态学》等基础课程，在此基础上，才能更好地理解和掌握该课程的内容与方法。
二、实验项目内容与学时分配三、实验成绩考核办法实验成绩主要由二部分组成，第一：演示和验证型实验报告，第二：综合型和设计型实验研究报告。
演示和验证型实验报告占45%，综合型和设计型实验研究报告55%。
四、实验教材杨玉盛，等. 《生态学实验与技术教程》，福建教育出版社，2008五、主要使用的仪器设备烘箱、电子天平、碱吸收箱、土壤原位pH计、便携式电导测定仪、TDR300土壤水分测定仪、自动气象观测站、Licor-6400光合作用测定系统、便携式叶绿素荧光仪（PAM2100）、包裹式茎流测量系统（Flow4）、WP4露点土壤/植物水势仪、LAI-2000植物冠层分析仪、植物地下根系动态观测系统、Licor-8100土壤碳通量测量系统、GC-2010气相色谱仪、全自动凯氏定氮系统（BUCHI）、CN元素分析仪。
大四选修实验课生态学实验教学重点解析
大四选修实验课生态学实验教学重点解析随着环境问题的日益凸显，人们对生态学的关注也逐渐加深。
作为大学生态学专业的学生，大四选修实验课是一个重要的环节。
本文将对大四选修实验课生态学实验的教学重点进行解析，帮助同学们更好地理解和掌握这门课程。
一、实验目的与意义大四选修实验课生态学实验的主要目的是通过实际操作，让学生深入了解生态学的研究方法和实验技巧，提高他们的实践能力和综合素质。
同时，实验还能增加学生对生态学理论知识的理解和应用，培养他们的科学思维和创新能力。
二、实验内容与步骤1. 实验内容大四选修实验课生态学实验的内容主要包括生态调查、数据处理和实验报告撰写。
生态调查是实验的核心内容，学生需要选择合适的实地调查点，进行生物多样性调查、生态系统结构与功能调查等，采集样本并进行记录和分类。
数据处理是实验的重要环节，学生需要对采集到的样本数据进行整理、统计和分析，运用生态学相关的统计方法和模型，获取科学且可靠的结论。
实验报告撰写是对实验结果和结论进行总结和归纳的过程，学生需要按照科学论文的格式，清晰地描述实验过程、结果和讨论。
2. 实验步骤生态学实验的具体步骤如下：（1）选择实地调查点：根据实验设计和实验目的，选择合适的生态系统进行调查。
（2）采集样本：使用合适的工具和方法，采集目标生物种类的样本，并记录相关信息。
（3）数据整理与分析：对采集到的样本数据进行整理、统计和分析，使用适当的统计方法和模型。
（4）结果展示与讨论：根据数据处理结果，撰写实验报告，做出科学且可靠的结论，并与已有研究结果进行比较和讨论。
（5）实验报告提交与评分：按照要求撰写实验报告，并按时提交给指导教师进行评分。
三、教学重点与难点大四选修实验课生态学实验的教学重点主要包括实验设计、数据处理和报告撰写。
1. 实验设计合理的实验设计是保证实验结果准确性和可靠性的关键。
学生需要根据实验目的和资料调研，设计出科学且可行的实验方案，确定实地调查点和采集方法，合理安排实验过程。
生态学实验讲义
生态学实验讲义生命科学学院生态实验分室2013年3月目录一、气候因子测定（3学时）二、土壤因子测定（3学时）三、种间关系分析（3学时）四、校园景观格局定量分析（6学时）五、取样方法（3学时）六、种群空间结构分析（3学时）七、植物种间联结分析（3学时）八、植物群落物种多样性测定（6学时）实验目的：学会使用和掌握生态因子的观测仪器及其使用方法。
实验原理：不同的环境由于其地形、基质等的不同，导致其热量、水分等循环有其自身的特征。
尤其在野外，地形等条件变化较多，生态因子变化较快，能够及时准确地测定相关因子是野外调查需要掌握的一个基本技术。
实验指标：土壤温度、空气温度、空气湿度和太阳辐射。
实验步骤：分别采用土温计、温湿度计和照度计测定阳光直射裸地和灌丛群落两种环境下的土壤温度、空气温度、空气湿度和太阳辐射，每个因子连续观测三个小时，每隔20分钟记录一次数据，做出生态因子随时间的变化曲线。
空气温度为里地面1.5米处的气温。
讨论：①对数据进行分析，提出自己对数据规律的解释。
②对仪器操作时和测定时需要注意的地方进行讨论。
实验目的：掌握土壤因子的测定方法实验原理：土壤水分含量的多少，直接影响土壤的固、液、气三相比例，以及土壤的适耕性和作物的生长发育。
在栽培作物时，需经常了解田间含水量等土壤水分状况，以便适时灌排，利于耕作，保证作物生长对水分的需求，达到高产丰收。
土壤水分大致分为化学结合水、吸湿水和自由水三类。
自由水是可供作物利用的；吸湿水是土粒表面分子力所吸附的单分子水层，只有在转变为气态时才能摆脱土粒表面分子力的吸附；而化学结合水却要在600-700℃下才能脱离土粒。
在进行理化分析时，需要在105℃下烘干，测定烘干的土样的土壤吸湿水含量，并以烘干样品重为相对统一的计算基础。
这是因为土壤理化常规分析常按烘干样品重计算分析结果，这样就可使整个分析结果有一合理的相对性数值。
土壤容重是土壤在未破坏自然结构的情况下，单位容积中的重量，通常以克/厘米3表示。
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（1）区域C:N:P化学计量学格局及其驱动因素
代表性的研究包括:
Elser等对全球陆生植物及无脊椎食草动物的研究, 表明 尽管陆生环境和淡水湖泊环境有着巨大的差异， 但是陆生 植物和无脊椎食草动物具有相近的N:P比率。
Reich对全球1 280种陆生植物的研究发现， 随着纬度的 降低和年平均气温的增加， 叶片的N和P含量降低, 而N:P则 升高。
Han等研究了中国753种陆生植物的N:P比率，发现和 全球相比，中国植物的P含量相对较低，这可能导致了叶片 N:P高于全球平均水平。
He等对内蒙古温带草地、青藏高原高寒草地, 以 及新疆山地草地199个取样地点213个物种的化学计量 学分析发现：植物叶片N:P比率主要受P含量的影响； 中国草地植物的P含量相对较低，而N:P高于其他地区 草地生态系统，并且在草地生物群区之内，N、P及 N:P不随温度和降水发生明显变化。这些研究还发现 ，草本植物叶片的N、P含量通常高于木本植物。
由于植物具有贮存物质的功能以及RNA中的P占植 物全磷的比例较低，高等植物是否符合生长率假说仍具 不确定性。
生态化学计量学主要研究内容：
（1）区域C:N:P化学计量学格局及其驱动因素 （2）C:N:P计量关系与植物个体生长发育、种群增长、群落动
态和生态系统过程的联系 （3）不同营养级之间对C:N:P化学计量学的调节 （4）环境要素和生物组成元素之间的计量关系
生物学科不同层次的研究在元素水平可统一起来
生态化学计量学主要研究生态过程中化学元素的比例 关系，将复杂的生命现象简化为元素之间的配比和动态平 衡，使生物体（分子、细胞器、细胞和有机体）能够根据 它们的元素组成加以明显区分。
生态化学计量学能够将生物学科不同层次（分子、细 胞、有机体、种群、生态系统和全球尺度）的研究理论在 元素水平上统一起来，成为近年来新兴的一个生态学研究 领域。
养分的供应状况和光强、施肥、物种、器官、生长发育 阶段等都会影响到植物的生态化学计量内稳性。
生长速率理论
生物体的C∶N∶P与生长率有很强的关系。生物体 的快速生长需要大量的核糖体RNA合成蛋白质，由于核 糖体RNA中含有大量的P，从而使得生长率高的生物具 有较低的C∶P和N∶P。
已在浮游动物、节肢动物和细菌研究中得到验证。
元素与环境等因素相联系
环境对有机体元素间比值的影响很大，不同的地质、气候和 生物等因素都会影响比值。
有机体根据自身元素比值从环境中摄取所需元素，并通过消 耗和释放不同于环境元素比值的元素，对周围环境的元素比值产 生影响。
环境和有机体的的元素化学计量比值之间形成复杂的反馈关 系，一旦两者的化学计量比值不相匹配，就会引发有机体种群行 为和进化的改变，影响生物的生长发育过程和形态的改变。
背景
生物科学研究方向出现窄化现象，阻碍了把整个生物 界作为一个功能整体来进行研究，使得不同领域的联系变 得更加困难。
窄化现象主要体现在两个方面： 1、 在生物组织的不同水平生物范围内（如线虫、水蚤、拟南芥、 果蝇）或特定的生境中（如湖泊、森林、海洋和草地）。
植被根、茎和叶中的养分含量取决于土壤养分供 应和植被养分需求间的动态平衡，因此植物的养分比 率常常会趋向一固定的比值，这种模式最先在海洋中 被观察到，后来发现在陆地生态系统也是如此。
1958年, 哈佛大学的Redfield首次证明: 海洋浮游 生物的C、N、P有特定的组成(摩尔比106:16:1，该比 率后被称为Redfield比率)。
生态化学计量学主要研究元素
陆地生态系统中的生态化学计量学主要关注碳、氮 、磷三种元素的比率关系 。
N、P作为植物生长的必需矿质营养元素和生态系统 常见的限制性元素，一般植物蛋白质的16%是N， 核酸 的9.5%是P， 这两个比例在不同来源的生物中相对稳定 。因而氮磷含量的差异可以反映生物体中蛋白质和核酸 含量的差异。C约占植物有机体干物质的50%左右, 这一 比例在生物的不同类群中随细胞的结构组成发生变化。
化学计量学的主要原理：
动态平衡理论
有机体与其环境保持一种相对稳定的平衡状态。正 常有机体的养分元素组成比较稳定，即使外界环境不断 变化也不会发生很大变化。
生物在长期进化过程中, 形成了一定的内稳态机制， 即生物在变化的环境(包括食物)中具有保持其自身化学组 成相对恒定的能力，它是生态化学计量学存在的前提。
McGroddy等研究了全球森林生态系统的C:N:P计量学 关系，发现尽管从全球来看，植物叶片的C:N:P存在较大变 化，但在生物群区的水平上相对稳定，并且叶片凋落物的 C:N相对稳定。
Yan等研究了全球220个地点的433种水生草本植物的N 、P含量和N:P比值，发现水生草本植物比陆生植物具有更 高的P含量和更低的N:P比值，而N含量相近。蕨类植物的 N、P含量高于种子植物；禾草类植物的N、P含量低于杂 草类植物；单子叶植物N、P含量低于杂草类植物；浮叶植 物和浮水植物的N、P含量高于挺水植物。
第五讲 生态化学计量学实验技术
生态化学计量学是研究生物系统能量平衡和多种 化学元素（主要是C、N、P）平衡的科学。
生态化学计量学结合了生物学、化学和物理学等 基本原理，通过研究生态过程中化学元素的比例关系， 将复杂的生命现象简化为元素之间的配比和动态平衡， 为研究C、N、P等元素在生态系统过程中的耦合关系 提供了一种综合方法。
生态化学计量内稳性
一般群落水平上生态化学计量学内稳性与生态系统功能
和稳定性 正相关，化学计量学稳定的物种具有较高而稳定的 生物量，而由较多这类物种（优势 种）组成的生态系统具有 较高生产力和较大稳定性 。
从早期的原核生物到后期的原核生物，再到单细胞真核 生物和多细胞真核生物，内稳性是逐渐增强的。如 藻类和真 菌的内稳性低于其它低等植物，低等植物低于高等植物，植 物低于动物。
在植物个体水平， C、N、P的组成及分配是相互 联系、不可分割的一个整体， 它们的相互作用及与外 界环境的关系共同决定着植物的营养水平和生长发育 过程。
如植物要获得 C 首先需要投资N到同化器官。同 样, 为了获得N， 植物要投资同化的有机物到根系。
近年来由于人类活动的强烈影响，这三种元素的循 环在速度和规模上都发生了前所未有的改变，导致一 系列环境问题的出现。