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生态大作业——生物对环境的适应

花匠小妙招
2024-10-03 04:20

1、北京香山植物园生态调查& 动物种群的数量统计模拟实验个人报告作者：王亚飞单位：中国石油大学(北京)环境科学专业14级大作业时间：2015.10.9 2015.10.23大作业地点：北京香山学校植物对环境的适应性调查1序言 2015年10月10日，我们环境科学专业的同学在王新伟老师的带领下，于北京植物园完成了生态调查，此次生态调查主要包括热带雨林群落特征调查、植物群落的生态因子作用分析、植物对环境的适应性观测、植物群落垂直分布观测四项内容。本报告主要是对植物对环境的适应性的调查。1.1生态学大作业生态学大作业是一门独立的课程，大作业期间是环境科学专业学生大学四年第一次真正意

2、义上走进生态、进行实践。1.1.1目的设置这门课程的目的是为了让学生将理论与实践相结合，在学生有了一定理论的基础的时候进行野外实习，既加深了对知识的感性理解，形成对生态学的客观认识，又加强了学生的环境责任感，同时培养了学生收集资料、采集信息、整理分析的能力。在野外考察期间，使学生熟悉了调查方法和测量仪器。室内实验时，是学生对标志重捕法有更深一步的理解。1.1.2主要内容此次生态学大作业包括两方面内容，一为野外调查，即北京植物园考察，二为室内实验，即动物种群的数量统计模拟实验。北京植物园考察主要包括热带雨林群落特征调查、植物群落的生态因子作用分析、植物对环境的适应性观测、植物群落垂直分布观测

3、四项内容。动物种群的数量统计主要运用了标志重捕法，分为封闭种群的数量统计和开放种群的数量统计。1.2北京植物园北京植物园位于京西香山脚下，隶属于北京市公园管理中心。距市中心23公里。有多条公交可达。北京植物园是一个集科普、科研、游览等功能于一体的综合性植物园，是国家重点建设的植物园之一。图1 北京植物园1.2.1地理位置北京植物园位于北京的西北郊，东经116 °28 ，北纬40 °，海拔61.6584.6米。北京植物园地处北京五环路之外，在海淀区香山公园和玉泉山（西山卧佛寺附近）之间，坐落在寿安山南麓，西山脚下。1.2.2气候北京植物园的气候为典型的北温带半湿润大陆性季风

4、气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。1.2.3植被北京植物园截至2014年拥有各类植物3000多种，主要参观点是温室展览区，内有13个展区，植物1500多种。园内引种栽培植物10000余种（含品种）近150万株。占地900亩左右。植物园栽培了6000多种植物，包括2000种乔木和灌木，1620种热带和亚热带植物，500种花卉以及1900种果树，水生植物，中草药等。收集栽种植物3000余种。全园以植物展览温室为中心，共13个展室，栽有1500多种热带、亚热带植物，其中有石头花、光棍树、舞蹈兰等珍贵植物。植物园栽培的植物包括水杉等许多稀有物

5、种。2生物对环境的适应性调查2.1生物对环境的适应性简介生物对环境适应的普遍性生物对环境的适应是普遍存在的.现在生存的每一种生物,都具有与环境相适应的形态结构、生理特征或行为. 植物的根、茎、叶、花、果实和种子等器官都有明显的适应性特征.例如,虫媒花一般都是颜色鲜艳,气味芳香,适于昆虫传粉；风媒花的花粉粒小而数量多,容易随风飘散,适于风媒传粉.借助风来传播果实或种子的植物,如蒲公英、柳等,果实或种子上生有毛绒绒的白色纤维,这样可以随风飞扬.靠动物传播果实的植物,如窃衣、鬼针草、苍耳等,在果实的表面上有刺毛或倒钩,容易附着在动物身上,被动物带到其他地方去. 动物在形态、结构、生理和行为等方面也

6、有许多适应性特征.例如,鱼的身体呈流线型,用鳃呼吸,用鳍游泳,这些都是与水生环境相适应的.蜥蜴和家兔等陆生动物用肺呼吸,用四肢行走,体内受精,这些都是与陆生环境相适应的.猛兽和猛禽都具有锐利的牙齿(或喙)和尖锐的爪,有利于捕食其他动物；被捕食的动物又能够以各种适应方式来防御敌害,例如,鹿、兔、羚羊等动物奔跑速度很快,豪猪、刺猬身上长满尖刺,黄鼬在遇到敌害时能分泌臭液等等. 很多生物在外形上都具有明显的适应环境的特征,在这方面有很多生动有趣的现象,如保护色、警戒色、拟态等. 保护色动物适应栖息环境而具有的与环境色彩相似的体色,叫做保护色.具有保护色的动物不容易被其他动物发现,这对它躲避敌害或捕

7、猎动物都是有利的.昆虫的体色往往与它们所处环境中的枯叶、绿叶、树皮、土壤等物体的色彩非常相似.生活在草地、池塘中的青蛙是绿色的,活动在山间溪流石块上的棘胸蛙却是深褐色的,而树蛙则随着它所栖息的不同树种而具有不同的体色.生活在北极地区的北极狐和白熊,毛是纯白色的,与冰天雪地的环境色彩协调一致,这有利于它们捕猎动物. 有些动物在不同的季节具有不同的保护色.例如,生活在寒带的雷鸟,在白雪皑皑的冬天,体表的羽毛是纯白色的,一到夏天就换上棕褐色的羽毛,与夏季苔原的斑驳色彩很相近.有些蝗虫在夏天草木繁盛时体色是绿色的,到了秋末则变为黄褐色. 警戒色某些有恶臭或毒刺的动物所具有的鲜艳色彩和斑纹,叫做警戒色

8、.例如,黄蜂腹部黑黄相间的条纹就是一种警戒色.据有人研究,鸟类被黄蜂螫一次,会记忆几个月,当它们再见到黄蜂时就会很快地避开.有些蛾类幼虫具有鲜艳的色彩和斑纹,身上长着毒毛,如果被鸟类吞食,这些毒毛就会刺伤鸟的口腔黏膜,吃过这种苦头的鸟再见到这些幼虫就不敢吃了.再比如蝮蛇体表的斑纹,瓢虫体表的斑点,等等,都是警戒色.警戒色的特点是色彩鲜艳,容易识别,能够对敌害起到预先示警的作用,因而有利于动物的自我保护. 拟态某些生物在进化过程中形成的外表形状或色泽斑,与其他生物或非生物异常相似的状态,叫做拟态.例如,竹节虫的形状像竹枝,尺蠖的形状像树枝,枯叶蝶停息在树枝上的模样像枯叶(翅的背面颜色鲜艳.在停

9、息的时候,两翅合拢起来,翅的腹面向外,现出枯叶的模样). 保护色、警戒色和拟态等,都是生物在进化过程中,通过长期的自然选择而逐渐形成的适应性特征. 生物对环境适应的相对性生物对环境的适应只是在一定程度上的适应,并不是绝对的、完全的适应,更不是永久性的适应.例如,毛虫的体表毛茸茸的,色彩鲜艳.毛虫的这种警戒色可以使许多种食虫鸟望而生畏,但是,并不是对所有的食虫鸟都有效.一只杜鹃一天就可以吃掉上百条毛虫.环境条件的不断变化对生物的适应性也有影响.比如说,池塘里的生物对于水生生活是适应的,如果由于气候的变化或地势的改变,池塘逐渐干涸了,生活在那里的大部分生物就会死亡. 生物与环境的相互关系维持生

10、物的生命活动所需要的物质和能量,都要从环境中取得.环境对生物有着多方面的影响.生物只有适应环境才能够生存下去.生物在适应环境的同时,也能够影响环境.例如,森林的蒸腾作用,可以增加空气的湿度,进而影响降雨量；柳杉等植物可以吸收有毒气体,从而能够净化空气；鼠对农作物、森林和草原都有破坏作用；蚯蚓在土壤中活动,可以使土壤疏松,提高土壤的通气和吸水能力,它的排泄物还可以增加土壤的肥力.由此可见,生物与环境之间是相互影响的,它们是一个不可分割的统一整体. 2.2植物园植物对环境的适应性分析2.2.1仙人掌类仙人掌，虽然千姿百态，多达千种，但有一个共同的特点，那就是茎和叶都发生了巨大的变态。仙人掌植物株体

11、变化和长期生活在沙漠环境里有着密切的关系。为了生存，仙人掌练就一身抗恶劣环境的本领。它们把原来的叶退化成了针状或刺,这样可以减少水分的蒸发；它们的茎变得粗大肥厚，而且，表面都覆盖有厚厚的角质层，里面还有几层厚壁组织。这样的茎，既可以有效的防止无谓的水分损失，又可以贮存大量的水分；它们的根系特别发达，可以扎到地下很深的地方，吸收到其它植物难以吸收到的水分。一旦有水，仙人掌就大量地吸水，将水分贮存在粗大肥厚的肉质茎中。株高10米的仙人掌，可贮藏1000千克的水分，到了干旱的季节，贮存的水分再慢慢地供应出来。仙人掌植物，长期生长在沙漠地区，使它形成了消耗水分较少的特点。研究人员做过试验：把一株39

12、6千克的仙人掌放在室内，一直不给它浇水，6年以后它仍然活着，体内消耗的水分只有11千克。而一株玉米，在一个生长季节里，要消耗掉200千克的水分。仙人掌的刺具有吸收水分的特异功能。据德国两位学者研究发现，刺不但能吸收雨水，而且，还可以从空气中直接吸收份。在5倍的显微镜下，可以观察到刺的这一十分有趣的奇特本领。仙人掌的气孔也很特别，它少而下陷，而且，白天关闭，只有到晚上才微微张开。它的这种构造，既可减少白天水分的损失，又有利于夜间收收二氧化碳，为光合作用准备原料。 2.2.2荆条荆条通过叶片的可塑性来适应不同的光照环境，低光下提高叶片对光的吸收效率而高光下提高叶片对光的利用效率。首先， SLA

13、对光照条件的变化非常敏感，高的 SLA 可以用来适应低光环境因为将生物量分布在较大的叶面积上有利于叶片捕光 1， 3， 5， 8-9， 25-26 ，这可以从三方面的优势来解释:首先是降低了二氧化碳的扩散阻力27 ;其次降低了叶片的建成和维持成本 3 ;三是减少了对叶背面叶绿体的自遮荫 28 。前两点优势结合低光下较低的光补偿点(LCP)和暗呼吸速率(R d )保证了荆条个体在光照有限条件下保持碳获取，从而维持正常的生长。除了 SLA 的增加，叶绿素在氮素中分配比例的上升也是物种常见的适应低光的策略 4， 9， 29 ，荆条叶片在生境 15 中 Chl/N 值分别为 0 096， 0

14、 106， 0 118， 0 094， 0 098，随光照变化的趋势并不十分明显。但是，荆条叶片中叶绿素 a、 b 的比值随着光照的降低而减小，体现了氮素在叶绿体内的优化分配 30 。大部分的叶绿素 b 存在于捕光色素复合体(LHCII)中，因此低的叶绿素 a、 b 比值有利于叶片对光照的吸收，同时低的叶绿素 a、 b 比值可以提高植物对蓝紫光的利用效率(因为叶绿素 a 在红光部分的吸收带偏向长光波方面，叶绿素 b 则在蓝紫光部分的吸收带较宽)，维持光系统 I 和光系统 II 之间的能量平衡2， 25， 31 ，对其它物种的研究3， 5， 10， 25 也具有相似的结论。荆条叶

15、片中单位面积的最大光合速率随着光强的升高而增大，这与其他的研究结果 4， 6， 9， 11， 23 一致。A max 在高光下的升高并不是由于叶绿素含量的不同引起的(图 4)，与表观量子效率也无关(表 2)，更多的与SLA 的变化有关(图 2g)。高光下低的 SLA，部分是由于栅栏组织细胞层的增加或者栅栏组织细胞的伸长造成的，从而造成了 RuBP 羧化酶等蛋白和细胞色素 f 等光合电子传递体的积累，刺激了暗反应的进行，进而提高了单位面积的光合作用能力 8-9 ，还有的研究认为光合作用提高的原因是，高光下低的 SLA 增加了叶片单位面积叶绿体或叶肉细胞与胞间空气的接触面积 29

16、。相对而言，荆条叶片在高光下的光饱和点较高，说明其能较好的适应高光照环境，然而 F v /F m 的下降说明荆条叶片在高光下还是发生了光抑制 30 ，但是 F o 并没有随之上升，也就是说荆条叶片在高光下以光保护为主，通过光保护机制来耗散过多的能量，并没有发生光32-33 合碳同化的量子效率指的是光合机构每吸收一个光量子所固定的 CO 2 或释放的 O 2 分子数 34 。耐荫植物具有较高的表观量子效率，正常情况下在 0 020 05 之间10， 31 ，而荆条叶片光合的表观量子效率在0. 0360 047 之间，并且随光照环境的变化波动不大，说明荆条叶片的耐荫程度较高

17、。叶片对光能的吸收中，叶绿素起着主要的作用。荆条叶片中单位质量的叶绿素含量随着光强的升高而降低，而单位面积的叶绿素含量不受光照的影响，这与 Grassi 和 Bagnaresi 3 、冯玉龙等 25 、刘悦秋等 31 人的研究结果一致。较低的光照强度可以促进叶绿素的合成 2 ，单位质量的叶绿素含量上升，可以提高光量子的利用效率8 ，另外叶绿素含量在高光下降低可以维持植物对光能吸收和利用的平衡，避免光破坏的发生 2 。低光下高的单位质量的叶绿素含量一般来说适用于耐荫物种 3 。单位质量的叶氮含量同样随着光强的升高而降低26 ，但是也有的研究 3， 9 认为单位质量的氮含量与光

18、照无关。SLA 的变化是影响叶氮含量随光强变化方式的主要因素26 ， Nmass 随 SLA 的减小而降低(图 2a)，降低的原因可能是高光下叶片内干物质的积累对氮含量产生了稀释35 ，另外，强光下细胞内的储藏物质增多，细胞壁次生加厚，叶片同化组织对输导组织和结构组织的相对比例降低 26， 36 ，也是导致 N mass 下降的重要原因。参考文献1 牛翠娟，孙儒泳，娄安如等. 基础生态学. 北京：高等教育出版社.2杜宁，张秀茹，王炜.荆条叶性状对野外不同光环境的表型可塑性生态学报， 2011， 31(20):6049-60593任寅.生物与环境 J1306 动物种群的数量统计模拟

19、实验种群动态研究种群数量在时间上和空间上的变动规律。研究种群动态规律，首先要进行种群的数量统计。对于植物来说，最常用的统计方法是样方法；对于不断移动位置的动物，可以应用标志重捕法。标志重捕法是通过对部分动物的取样来推算某地区全部的动物数量。该方法适用于各种陆地生态系统的各类动物；分为封闭种群统计法和开放种群统计法两大类。标志重捕法使用的用具有：动物活捕工具如鸟网、鼠笼等，标记用具如脚环、耳标、颈圈、颜料、指剪、放射性同位素标记物等。统计学的进展对于生态学研究的影响很大。近几十年来统计学中取样技术和数据分析问的进展，使标志重捕法得到重大发展和应用。标志重捕的方法很多，连续的大量标志重捕工作，不但

20、能估计种群的数量，而且还能估计种群的“出生率”和“死亡率”等等。实验目的掌握进行种群数量统计的两种最常用的方法：一次标记一次重捕法与乔利西贝尔统计法。实验用具围棋子、布袋、彩笔（或口取纸）等。1. 封闭种群的数量统计封闭种群的数量统计：一次标记一次重捕法（林肯指数法、彼特森指数法）一次标记一次重捕法适用于封闭种群的数量统计。该法用于鸟兽类时叫做林肯指数（Lincoln-index）法；用于鱼类时称为彼特森指数（Petersen-index）法。一次标记一次重捕法，即在调查样地上捕获一部分个体进行标志后释放，经一定期限进行重捕。根据重捕取样中标志比例与样地总数中标志比例相等的假定，来估计样地中

21、被调查动物的总数。即， N ：Mn ：m N (M ×n) m式中： M标志数； n重捕个体数； m重捕中标记数； N样地上个体总数。此法有以下假定：调查期间，种群是封闭的（个体数一定，无迁入、迁出和新的出生、死亡发生）；对动物捕获的机率都相同；标记对动物无影响（受标记的动物，有时变得更易重捕，或相反，更不易重捕），而且标记物不会消失或脱落。例如，本实验可假定是在一个湖中的小岛上调查野兔的种群数量，小岛隔离，不可能有迁入和迁出，冬天也不繁殖。方法步骤将布袋中的围棋子取出一部分进行标记并统计数量后放回布袋，把袋中的围棋子充分混合后，再取出一部分统计数量并统计其中被标记过的围棋子数量，将

22、所得数据代入上述公式进行计算。实验结果表2 封闭种群一次标记一次重捕法记录次数标志数M重捕个体数n重捕中标记数m计算样地上个体总数N样地上实际个体总数N120284140200220334165320306100 根据上表可知，计算样地上个体总数N=（140+165+100）/3=135，与实际的200误差较大。2. 开放种群的数量统计开放种群的数量统计：乔利西贝尔（Jolly-Seber）统计法大多数自然种群是开放性的。开放种群是指有死亡、出生和迁入、迁出，种群数量处于不断变化之中。乔利西贝尔（Jolly-Seber）法是开放种群数量统计的常用方法。数据收集的方法如下：连续多次地取样、标志和

23、释放。一般来说，各次取样之间的间隔期要比取样期长。在每次取样时，不仅要记录各次重捕中已标记的动物数和未标记的动物数，并且要求对每个动物的重捕历史进行了解：这个动物在以前的最后一次被重捕是哪一次？然后再加上新的标记，再释放出去。这就是说，我们一定要能分清各次的标记。例如，我们可以用不同颜色的标记物，标上时间1、2、3等，或者对所标记动物进行编号，在每次取样中，记录其被重捕的历史该方法有以下的假定：所有标记和未标记的动物在i次取样时的捕获率相同；从i次到i+1次时，动物具相同的生存率；取样时间短，可忽略不计；无标记的消失或脱落。本实验可假设在一个秋天湖泊的半岛上调查野兔的种群数量，半岛与陆地相连，

24、兔子已繁殖出小兔，即有迁入和迁出以及新出生的。此法要求对i次捕获的所有动物尽可能都做标记，并且对每个个体标记都给以不同的记号，以了解每个动物的标记史。其基本计算公式为： Ni（Mi×ni）mi Mi(Si×Zi)Rimi式中：Ni 第i次取样时种群大小估计值（只）；ni 第i 次第取样时捕获动物的数（只）；Mi 第i次取样前，野外种群中全部已标记动物总数的估计值（只）；mi 第i次取样捕获数中已标记的动物数（只）；Si 第i次取样时释放的动物总数包括过去标记和新标记的（只）；Zi 第i次取样前标记的，在第i次取样中未重捕到的，但在以后取样中又重捕到的总数（只）；Ri 在第i

25、次取样时释放的动物总数（即Si）中，以后被陆续捕到的动物总数（只）。在采用此法进行调查时，以表3-1进行记录、表3-2求Z值。方法步骤下面以Jolly(1965) 对果园盲蝽的研究为例，说明计算方法和过程。果园中盲蝽种群的Jolly-Seber法数量统计Jolly-Seber法把标志重捕过程中所获得的全部信息综合于两个表中（表-1、表-2）。表中的数据是对苹果园中的一种盲蝽连续进行13次取样调查所获得的结果。每次取样后间隔34天，再次取样。在调查过程中新“添加”的盲蝽，包括迁入的和新羽化的。调查前已经证明，盲蝽几次重捕并不影响其存活率。表-1中每行数字，代表各次取样。第1列是取样序号i，第2列

26、ni代表各次取样中捕获的动物数。第3列Si则是各次取样中释放的总数，它是已标志动物数mi和新标志并释放的动物数之和。Si常常不等于ni，它说明由于操作技术而造成的死亡。例如以第4行（i4）为例：这次取样中共捕获209个动物（n4209），其中已标志动物56个（m456），未标志的动物153个；但释放动物总数是202个（S4202），而不是全部捕获的209个，差数说明有7个动物由于技术原因而死了。表-1右侧的数字，是把已标志动物按其以前最后一次被重捕的时间进行分类。例如在m456个已标志动物中，检查其以前最后一次重捕时间，属于第一次的有5个，属于第二次的有18个，属于第三次的有33个。其余各行的

27、数值依次类推。表-1最下面一行的Ri值，表示在第i次取样时释放的动物中，以后陆续重捕到的累积数，其计算方法是把各竖列的数字相累加而得。例如，R430201032211271，余此类推。至于Zi的计算，要使用第二个表格（表-2）。表-2是根据表-1历次重捕动物数而得到的重捕动物累计数统计表。其方法是把表3-1各行的历次标志的动物重捕数自左至右地累加。例如，第4行（当i4时）是第四次取样的结果，其中属第一次取样时标志的5个动物，成为表-2的第4行的第1个数字；第二次取样时标志的18个，与前5个累加，共23个，成为第二次数字；再累加第三次取样时标志的33个，共56个，成为第三个数字。实际上，56就是

28、m4值，余此类推。其中mi数值用括号括起来表示。表-2中最下面一行的Zi值，表示在第i次以前标志的，在第i次取样中未重捕到，但在以后取样中又被重捕到的动物累积数。它是通过把表-2各竖列括号以下的数值累加而得。例如，Z5342273375384。余此类推。根据这两个表所整理的数据，我们就可以估计出各次取样时的种群大小，其基本公式还是：Ni（Mi×ni）mi 但其中各次取样时，种群中已标志动物总数Mi的估计应根据下一公式： Mi(Si×Zi)Rimi现以i4，5，6三次取样中的数据进行估计。重捕中已标志动物的比例： aimini a4562090.2679 a5532200.

29、2409 a6772090.3684 种群中已标志动物的数量估计值： Mi(Si×Zi)Rimi M4(202×71)7156258.00 M5 (214×89)10953227.73 M6 (207×121)10177324.90 种群大小估计值： NiMiai N4258.000.2679963.0 N5227.730.2409945.3 N6324.900.3684882.2实验结果表3-1多次重捕种群按Jolly-Seber方法计算的ni，Si，Ri值取样序号（捕获日期）i捕获数ni释放数si捕获数中最后一次重捕的日期未标志数已标志数mi1202

30、0200123129283323252317817342622101657445403523171448562020911412226 724207171122747 88192061302133229252591611112235911101715413100021333101125255201121412143121920712100003103131213202041600104101123313Ri2417172414111011663表3-2 按Jolly-Seber法计算Zi值捕获日期i2345678910111213(38)12552221210(16)974334411(17)96644511(11)13966915(17)11871546(13)11101756(16)131857(13)2288(20)910(12)13(16)16Z232Z336Z436Z549Z651Z750Z843Z938Z1019Z1113Z12根据这两个表所整理的数据，我们就可以估计出各次取样时的种群大小，其基