实验教学

学 时：36学时

学 分：2学分

适用专业：生态学、生物科学/生物科学基地

课程类别：专业必修课

先修课程：植物学、动物学、生物统计学、普通生态学等

一、课程的任务与目的

生态学实验是生物科学专业的专业必修课程。目的是培养学生掌握生态学领域的基本研究方法、手段，熟悉生态学研究的常规技术，提高学生分析和解决具体生态问题的能力和素质。该课程的设计以方法、技术为核心，旨在要求学生较好地把握书本上的理论知识如何在现实世界中通过生态学的方法和技术去获得，进而理解如何综合性地利用这些基本方法和技术开展综合性研究、创造性地获得新的知识。让学生理解理论与实际的关联性，更重要的是培养学生在生态学方面的实践技能和实验动手能力，启发学生认识自然界的生态现象、加深对生物与环境的关系的理解，提高生态学的专业素养。

本大纲是根据普通生态学领域的共性技术和技能入手设计实验内容。把个体生态、种群生态、群落生态、生态系统生态学等不同层次的共性技术进行整合,按以下几个模块进行设计：一、生态因子的测定方法（包括光、温、水、气、热等环境因子的测定与综合分析）及其对生物的影响；二、样方技术（包括样方的形式的选择、拉样方、样方调查与记录、样方数据的统计分析等）；三、综合设计性实验（根据学生前期所学的技术与方法，在教师的指导下完成综合性、设计性和验证性实验部分的内容）

二、课程内容与基本要求

实验1（4学时） 生态环境中综合生态因子的测定

实验目的：使学生了解和掌握生态环境中主要生态因子的观测和测定方法及一些常见的测定仪器的使用方法，并比较不同生态环境中主要生态因子的变化规律。

实验原理：生态学是研究生物与生物之间，生物与环境之间相互关系和相互作用的科学。任何一种生物都生活在错综复杂的生态环境中，不仅受到各生态因子的制约和束缚，同时也能明显地改变各生态因子。本实验通过对不同生态环境中的主要生态因子的观测与测定，使学生掌握几种主要生态因子的观测和测定方法，并通过不同生态环境及同一生态环境中不同位置的比较，了解生态因子的变化规律，认识生物与环境的相互作用和相互关系。

实验设备与材料：太阳辐射仪（或照度计）、温湿度自记仪、便携式土壤水分、温度速测仪、GPS、罗盘、皮尺、卷尺、记录笔、记录纸等

实验2（4学时） 生物对生态因子的响应

实验目的：掌握植物光合速率及其气体交换参数的测定方法；深刻理解“Shelford的耐受定律”及生态学实验设计的基本原理和方法。

实验原理：生态因子是指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。生物生活所不可缺少的各种生态因子，统称为生存条件。生态因子对生物的塑造作用包括对系统的结构、过程、行为、功能、寿命和分布等的影响。可选因子：不同的光强光质、温度、盐分、水分、重金属等生态因子是指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。任何一个生态因子在数量或者质量上的不足或者过多，即当其接近或者达到某种生物的耐受限度时便会影响生物的正常生理代谢，这就是耐受性定理或者“Shelford的耐受定律”。

光合作用是植物体内最为重要的同化过程，光合速率的测定是研究植物生理机能运作、研究环境因素对植物光合作用影响的重要方法。因此，本研究选择通过改变光照强度测定植物叶片的光合速率，使学生掌握植物光合速率及其气体交换参数的测定方法的同时了解植物对生态因子的响应。

实验设备与材料：便携式光合测定系统（教学型）、新鲜植物叶片

实验3 （2学时） 种群生命表的编制与分析

实验目的：了解生命表的类型及结构；通过给定种群各年龄时期的存活个体数，计算生命表各特征值，理解种群生命期望的含义，领会生命表的生态学意义。

实验原理：生命表（life table）是描述种群存活和死亡过程的一种统计表格，记录了生物发育的不同年龄阶段的出生率和死亡率，以及由此计算出的种群生命期望值等特征值。

生命表分为动态生命表和静态生命表两种类型。静态生态表（Static Life table）是根据某一特定时间对种群作一个年龄结构调查，并根据调查结果而编制的生命表，常用于有世代重叠，且生命周期较长的生物；动态生命表（dynamic Life Cycle）就是跟踪观察同一时间出生的生物的死亡或动态过程而获得的数据所做的生命表，可用于世代不重叠的生物（如一化性昆虫），它在记录种群各年龄或各发育阶段死亡数量、死亡原因和生殖力的同时，还可以查明和记录死亡原因，从而可以分析种群发展的薄弱环节，找出造成种群数量下降的关键因素，并根据死亡和出生的数据估计下一世代种群消长的趋势。

实验设备与材料：某种群的原始调查资料

实验4 （4学时） 种群在有限环境中的逻辑斯蒂增长

实验目的：了解种群增长是受环境条件限制的；学习典型的生态学实验方法、种群的数量统计及数学处理与分析方法，使用计算机拟合曲线的技术。

实验原理：世代重叠的种群在无限环境中的增长方式为无限增长，表现为指数式增长过程。当瞬时增长率保持恒定时，其数学模型可描述为  dN /dt = r N 。

但在现实生态环境中，种群不可能长期而连续的按集合级数增长，往往受到幻觉资源和其它必要的生活条件限制，至一定时候，种群增长率随着密度的上升而下降。增长的数值，如以图表示则呈现为S 型曲线。 种群在有限环境条件下的连续增长的表现形式很多，其中最简单的形式为逻辑斯蒂增长（logistic growth）。 数学模型为：  dN / dt = r N * (K – N) / K 其积分式为：Nt = K / (1 + ea-rt)

logistic 增长模型基于以下两点假设：

1 ）、设想有一个环境条件所允许的最大种群值，称为环境容纳量或负荷量（carrying

capacity），通常以 K 表示。当种群大小达到K 值时，将不再增长，即  dN / dt = 0;

2 ）、设想使种群增长率降低的影响是最简单的，即其影响随着密度上升而逐渐地、按比例地增加。

草履虫在18－20℃环境中，每天分裂一次。实验种群在培养液有限时，其个体的分裂即受到限制，种群增长趋缓，最终达到密度饱和状态。如果不补充培养液，种群密度即下降。 活的草履虫在显微镜下计数比较困难，因此需要先将其固定。

实验设备与材料：纯培养的草履虫； 波氏固定液； 稻草提取液

实验5 （4学时） 生物群落物种多样性的测定

实验目的：熟悉和掌握最常用的物种多样性指数的计算方法及其生态学意义；掌握最小样方面积的确定原则。

实验原理：1. 最小样方面积的确定原则

在植物群落调查中，通常采用最小面积的方法来统计一个群落或一个地区的生物种类名录。通过绘制种—面积曲线来确定最小面积的大小。具体作法是：逐渐扩大样地面积，随着样地面积的增大，样地内植物的种数也在增加，但当物种增加到一定程度时，曲线则有明显变缓的趋势，通常把曲线陡度开始变缓处所对应的面积，作为最小面积。组成群落的种类越丰富，其最小面积越大。如我国云南西双版纳的热带雨林，最小面积为2500m2，北方针叶林为400 m2，落叶阔叶林为100 m2，草原灌丛为25～100 m2，草原为1～4 m2。

2. 群落物种多样性

物种多样性是群落生物组成结构的重要指标，既可以反映群落组织化水平、又可以通过结构与功能的关系简介反映群落功能的特征。自20 世纪初开始，越来越多的生态学家在实践中摸索着物种多样性的测度和表示方法。先后提出了诸多的测度指数。迄今为止，物种多样性指数可以大致分为三类：α-多样性指数、β-多样性指数和γ-多样性指数。本实验将采用被较广泛地接受的两个α-多样性指数来指导和分析天然植物群落中的植物物种多样性测定：

实验设备与材料：植物群落，皮尺、测绳、铅笔、野外记录表格、GPS等。

实验6 （4学时） 生物的种内与种间竞争

实验目的：认识生物种内和种间的相互作用过程，进一步理解生态位和密度制约效应相关的概念体系，验证高斯原理、恒定终产物定律。

实验原理：种内竞争是个体之间通过负反馈方式进行的个体大小与存活密度的调节。种间竞争是指两个或者两个以上种在所需的环境资源或能量不足的情况下而发生的相互排斥关系。竞争结果主要体现于竞争种群的个体数量和生长状况两个方面，在这种相互关系中，对竞争中的个体生长和种群数量的增长都有抑制作用。

高斯假说(竞争排斥原理 competitive exclusion principle):由于竞争的结果，两个相似的物种不能占有相同的生态位（niche），而是以某种方式彼此取代，每种各具食性或其它生活方式上的特点。

最终产量恒定定律 law of constant finalyield 在相同的生境条件下，不论最初的密度大小，经过充分时间的生长，单位面积的同龄植物种群的生物量是恒定的，此称为最终产量恒定定律。但对叶层尚未郁闭的低密度或不进行自然稀疏而引起共同死亡的极端的高密度，或在对生长极端不利的生境条件下，此定律不能成立。另外所谓生物量是指整个植物体而言，而对于植物的特定部分，除去叶重（或叶面积）一般则不成立。

植物的竞争能力决定于物种的生态习性、生态幅、物种的生长速率、个体大小、抗逆性、叶子和根系的数目，以及环境特征，竞争结果最终体现在植物种的存活率、形态特征以及生物量积累。因此，如将两种植物的种子按不同比例播种，统计其出苗率、观察记录不同发育时期各植物种个体的生长状况、死亡率、实验结束时测定植株的鲜重、干重等，经对比分析，并在坐标纸上绘图，便可得出两个种的种间竞争强度。

实验设备与材料：两种植物的种子、花盆、培养箱、剪刀、烘箱、天平

实验7 （4学时） 植物群落取样与结构特征分析

实验目的：了解和熟悉植物群落调查的一些基本方法及其操作；对植物群落的种类组成、垂直结构、水平结构等有基本的认识，并能做出简单的分析；学会植物群落命名方法，了解群落物种组成的数量特征。

实验原理：1. 取样方法

植物群落常见的调查方法有：样地法、样线法、距离抽样法、点样法等。

样方法：在被调查种群的生存环境内随机选取若干个样方，通过计数每个样方内的个体数来研究群落结构特征的方法；样线法：在某个植物群落内或者穿过几个群落取一直线（用测绳、卷尺等），沿线记录此线所遇到的植物并分析群落结构的方法；

2.结构特征分析

群落的结构包括群落的外貌和生活型、群落的空间格局（群落的垂直结构、水平结构、群落交错区等）及时间格局等内容。

群落的外貌（physiognomy）是指生物群落的外部形态或表相。为群落中生物与生物之间、生物与环境之间相互作用的综合反映。陆地生物群落的外貌是由组成群落的植物种类形态及其生活型（life form）所决定的。

植物的生活型有多种不同的定义和分类方法，其中丹麦植物学家 Raunkiaer 按休眠芽和复苏芽所处的位置高低和保护方式将高等植物划分为 5 个生活型：1）高位芽植物（phanerophytes）; 2)  地上芽植物（chamaephytes）；3）地面芽植物（hemicryptophytes）；4）隐芽植物（cryptophytes）; 5）一年生植物（therophytes）。

群落的垂直结构主要指群落的分层现象。陆地群落的分层与光的利用有关，层林群落从上到下一次可划分位乔木层、灌木层、草本层和地被层等层次。

群落的水平结构的形成主要与构成群落的成员的分布状况有关。大多数群落的物种多呈现出不均匀的斑块状分布。这主要决定于生境条件的异质性。

群落的时间格局指的是群落的外貌、物种组成等在时间尺度上的动态变化特征。主要受限于光、温度、湿度等生态因子的明显的时间节律性（昼夜、季节性、年际、地球大周期等）。

群落交错区（ecotone）是两个和多个群落之间的过渡地带。由于交错区没有明显的优势种，物种多样性往往比邻近的群落为高。

3 物种组成的数量特征

（1）多度（abundance）与密度（density）：对植物群落中物种个体数目多少的一种估测指标；相对多度（relative abundance）：是指样地内某一种植物的个体数占全部植物种个体数的百分比。

（2）盖度（Coverage）：盖度是指植物体地上部分的垂直投影面积占样地面积的百分比；相对盖度（relative coverage）：群落中某一物种的分盖度占所有分盖度之和的百分比。

（3）频度（frequency）：频度是指群落中某种植物出现的样方数占整个样方数的百分比；相对频度（relative frequency）：某一物种的频度占所有物种频度和的百分比.

（4）显著度（又称优势度）: 指一个种全部植株树杆胸高（l.3m处）断面积总和除以样地面积;相对显著度（优势度）：每种乔木的显著度所占全部树种总显著度的百分数。

（5）重要值：是某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标。

乔木重要值=相对密度+相对频度+相对优势度（相对基盖度）

灌草重要值=相对密度+相对频度+相对盖度

实验设备与材料：样方框，测绳，卷尺，野外记录表格、铅笔、计算机

实验8 （4学时） 微生物群落异养演替过程的观察和检测

实验目的：通过生牛乳自然发酵过程的观察和检测，进一步学习相关微生物类群的形态分类，了解这些微生物对生存环境的需求； 了解牛乳酸败过程中微生物群落生态演替规律，加深对演替是生物群落与环境相互作用过程的理解。

实验原理：群落演替指生物群落随时间的质变过程，突出表现为物种组成连续变化、最终导致一种群落类型被另一种群落类型所替代。演替是生态系统最重要的一个过程，在这个过程中突出表现了生物与生物、生物与非生物环境间的强烈的相互作用及其对群落和生态系统结构与功能的明显影响。对自然界动植物群落演替的观察往往需要很长的时间，但微生物群落的演替则可能在较短的时间完成，本实验中将分别出现乳链球菌、乳酸杆菌、酵母、假单胞菌为优势的演替系列群落。

实验设备与材料：牛奶、恒温培养箱，冰箱，光学显微镜，试管架，酒精灯，培养皿，三角烧瓶，试管，吸管，载玻片等。

实验9 （2学时） 群落相似性的测定及聚类分析

实验目的：了解植物群落数量分类的基本思想和基本原理；熟悉群落相似性与聚类分析的基本方法，掌握相似性及聚类分析的技术要点；初步认识群落的连续或者间断性特征及其与环境的关系。

实验原理：对植物群落进行分类，不是为分类而分类，而是为了揭示生态关系，即分类的

结果要反映一定的生态规律。因为群落类型的形成、发展与其周围的环境有较密切

的关系，分类就是要在一定程度上揭示这些关系，从而为植被的管理、利用和改造

以及农林牧的发展提供科学依据。

植被数量分类是用数学方法来完成分类过程。数量分类是基于实体或属性间相似关系之上的。因此，大部分类方法首先要求计算出实体间或属性间的相似（或相异）系数，再以此为基础把实体或属性归并为组，使得组内成员尽量相似，而不同组的成员则尽量相异。不同的分类方法只是进行此项工作的不同实现过程。

1.相似性分析

群落相似性分析是通过对样地调查所得原始数据进行处理，并根据处理结果判断两个群落之间相似程度。群落相似程度的指标有两类：一类是相似系数；一类是相异系数。表征两个群落间相似程度的指标虽多，但再数据上一致：根据两个群落共有种的数量数据，计算其相似或相异程度。

Jaccard相似系数             S=a/(a+b+c)

其中S为两个样方的相似系数，a为两个样方共有物种数，b、c分别为仅出现在其中一个样方中的物种数。

2.聚类分析

群落的聚类分析是根据各群落（样方）间的相似关系，将群落归纳为若干组，使组内的群落尽量相似，而组间群落尽量相异，从而在客观上达到对群落分类的目的。聚类分析的方法有很多种，常见的有组平均法、最短距离法等。

分类结果一般用分类图来表示，比较直观，可使结果一目了然。分类图一般有三种类型：一是树状图（Dendrogram）, 二是星座图（Constellation diagram）, 三是双向分类矩阵（Two-way classification matrix）。树状图（有的译作树谱图）适合于等级分类方法；星座图是用于表示非等级分类的结果，它不管分类过程如何，只是将最后结果表示成星座图；双向分类矩阵对等级分类和非等级分类方法都适用，但它需要样方分类结果，同时也需要种类分类结果。

实验设备与材料：生物群落调查数据

实验10（4学时） 以浮游植物评价水体质量

实验目的：了解利用水生生物评价水体质量的原理和意义；学习利用指示生物法、生物指数法和物种多样性指数法等评价水体质量的基本方法。学习浮游植物的常用调查方法，认识一些常见种类，找出优势种和污染指示种，通过对不同浮游植物群落组成变化的分析，探讨影响浮游植物群落的主要因素。

实验原理：指示生物法是一类经典的生物监测方法，是在对被调查水体水生生物进行系统调查和鉴定的基础上，根据物种的组成来评价水体的污染程度。

生物指数法是根据物种的特性和出现的情况，用不同类群生物的简单比例关系来反映水体污染的程度。常用的浮游植物的生物指数包括两类，即污水生物指数和硅藻指数。

物种多样性指数法是根据水体中浮游植物的种类多样性及其数量特征来反应水质情况的。常用的多样性指数有Margalef 多样性指数和Shannon-Wiener指数。

实验设备与材料：25号浮游生物网、有机玻璃采样器、显微镜、测微尺、计数器、计数框。

四、考核方式

平时表现占20%，实验报告占80%。

五、教材与参考书

付必谦主编，《生态学实验原理与方法》，科学出版社，2006。

杨持主编，《生态学实验与实习》，高等教育出版社，2007.

六、教学手段

室内实验和室外调查测量相结合。