null生态学研究方法
(硕士生学位课)生态学研究方法
(硕士生学位课)
陈 欣
浙江大学生命科学学院农业生态研究所
联系电话:86971154(O)
87997840 (H)第八讲 生态学研究方法的发展第八讲 生态学研究方法的发展 近二、三十年来,随着各学科的研究方法和技术的发展及其它的生态存研究上的应用,生态学中的新技术的日新月异层出不穷,从微观到宏观,主要有以下几大方面。null一、分子生物学技术的应用
二、稳定同位素技术的应用
三、 RS技术及其在生态学上应用
四、 GIS技术及其在生态学上应用
五、GPS技术及其在生态学上应用
null(一) 分子生态学的技术
分子生态学技术由Burke 1992提出,他认为分子生态学技术主要包括探针、序列和引物,即人类检测生物自然种群DNA序列多态性的方法,现简单介绍如下:一、分子生物学技术在生态学研究中的应用null1 RFLP:
利用探针显示限制性内切酶认别专一DNA序列的特性,显示限制性片段长度多态性,RFLP的全称为(Restriction Fragment Length Polymorphism)。
目的是用于检测DNA多态性。null 经典的RFLP研究含southern 转移、探针标记、杂交及检测等实验步骤,PCR技术诞生后,形成PCR-RFLP技术,得到广泛的应用。
例如:Tsumura等(1995)运用PCR-RFLP方法对45种松柏类植物的6个cpDNA基因进行了研究 ,揭示它们之间的进化关系null2、RAPD
全称为Random Amplified Polymorphic DNA 技术 (随机扩增多态性DNA技术)
RAPD 技术与RFLP一样,也是以检测DNA多态性为目的,但检测的不是限制性内切酶片段的多态性,而是PCR特异扩增片段的多态性。
null RAPD的主要操作程序是PCR反应,与常规PCR不同的是,RAPD在每次反应中所用的引物为单个随机引物,引物的长度一般是10个核苷酸。
nullRAPD的局限性:
显隐性问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
稳定性问题
不同属种的RAPD产物难以做同源性分析null3 、DNA序列分析
最充分提示DNA多样性的方法是DNA序列分析,生态学上用的最多的是“通用”引物扩增mtDNA、cpDNA或 DNA某些基因、DNA片段,随后还用通用引物直接测序null二)分子生物学技术在生态学的应用方面
1 在种群遗传和种群进化的研究上的应用
种群遗传和进化的研究,通常是用数学模型和实验来研究繁育系统突变。选择随机演变对种群基因频率的影响。分子标记(DNA)标记更能准确地放出种群遗传、变异的过程和关系,即使是原先认为遗传变异很少的大熊猫和野生大豆,使用灵敏的方法,也能检测到DNA的多样性。null2、生物系统分类
传统的生物分类是根据形态特征,通过分子生物学的方法可以在核酸和蛋白质等生物大分子组成上的差异来建立其亲缘关系和分类系统。null3 在行为生态研究上的应用
行为生态学主要研究动物的行为,如迁移、栖息地、繁殖等。DNA标记可以校正野外观察的错误。例如,张亚平等(1997)等用微卫星DNA进行圈养大熊猫的亲子鉴定,发现动物圈养一雌多雄多次交配中,只有个别雄性是有效的,称为有效雄体,该研究结合基因型鉴定,有助于制定繁殖
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
,防止近交衰退。null4 在保育生物学研究上的应用
例如Wagne(1996)对热带雨林与热带稀树草原之间生态过渡带的分子遗传研究发现。过渡带的隔离小种群为雨林斑块种群提供新的遗传变异。因此,对现在的热带雨林保护没有包括过渡带提出质疑。null热带稀树草原热带雨林过度null胡志昂(1998)、周永刚(1997)等研究过渡带的优势中柠条种群的DNA多样性表明,环境恶劣的隔离小种群由于部分近交更容易固定新突变。说明生态过渡带保育的重要性。
null4 在种群生态学和基因流研究上的应用
高等动物完全异交,没有自交,生境片段化往往会影响基因流,导致近交(相同或相近基因型之间的交配),降低个体生活力,尤其威胁濒危物种的生存。例如佛罗里达仅存约50只黑豹,为防止近交衰退,计划从德克萨斯引进个体以增加当地的种群遗传多样性。null 例如,黄石公园也曾考虑从北美以外其他地方将浪引入黄石公园,但对mt DNA的分析后,发现入黄石公园,但对mtDNA的分析证明,整个北方狼群有高速基因流,没有近交问题。所以没有必要花费大量的基金引进个体。
null5 在遗传分化和生理适应研究的应用(即分子适应)
例如通过对比生理特性与遗传组成和环境的关系,可以探讨生理适应的分子基础,种间高遗传分化,符合近交特点,基因频率与生境无关。李军等(1995)等证实,同工酶组成与所在环境没有相关性。null6 在遗传分化和形态分化研究上的应用
种是按形态特征区分的,对比研究占据不同生境的近缘物种DNA变异可望了解形态分化的分子基础与环境的关系。
null 例如,胡志昂等(1998)对典型的辽东栎、典型的蒙古栋和北京的辽东栎进行了研究,RAPD和RFLP的分析表明,绝大多数扩增产物是2 个种3 个地区共有的,种间DNA多样性仅占两个总DNA多样性的15%。有的扩增带如DPDO8434是辽东栎专一的。北京种群只是部分个体有,而蒙古栎没有。有些扩增带的频率有显著的地理梯度(cline).null二、稳定同位素技术在生态学研究中的应用
一)有关概念
元素:构成物质基本单位的原子的总称为元素。
同位素:同一种元素中所有原子均具有相同数目的质子和原子序数,但原子之间常有不同数目的中子及原子质量,这些质量不同的原子即互为同位素,如12C和13C互为同位素。
null 放射性同位素(非稳定同位素):质子和中子是形态不同的同种粒子,两者之间可以相互转化,如果这种转化在一些原子中间瞬间发生变化,那么它们就是放射性同位素(非稳定同位素)。反之,则为稳定同位素。null(二)稳定同位素应用的原理
如果某物质在参与反应前后,其分子的重同位素(X*)与轻同位素(X)之比产生差异即为同位素效应(lsotope Effect)。当该反应平衡之后,产物中较重同位素产生累集的现象,即为平衡同位素效应(Equilibrium lsotope Effect)。自然界稳定的重同位素与轻同位素相比,含量极低(表3-9)。 null五种元素的稳定同位素及其丰度平均值
元素 同位素 丰度
氢 1H 99.984
2H 0.015
碳 12C 98.890
13C 1.110
氮 14N 99.340
15N 0.366
氧 16O 99.760
18O 0.100
硫 32S 95.020
33S 4.21null因此,在实际工作中,以绝对量表达同位素之差异,十分不便,因而使用相对量来表达同位素累集的程度并给与下列定义
式中:X*为元素的重同位素,Rsam为样品的重(X*)与轻同位素(X)之比。 Rstd为
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
物质的X*/X之比。
null碳、氢、氧和硫稳定性同位素成分之比的标准值
标准物 稳定同位素 标准值×106(误差)
海水平均 D/H 155.70 (0.1)
SMOW 18O/16O 2005.20 (0.43)
石灰岩 13C/12C 11237.2 (9.0)
PDB 18O/16O 2067.1 (2.1)
大气 15N/14N 3676.5 (8.1)
硫化铁 34S/32S 45004.5null(三)同位素测定的基本方法步骤
稳定同位素的测定大致需三个步骤:样品收集和制备将材料转化成具有所测元素的纯合体(如H2、CO2、N2等)用质谱仪(Mass Spectrometer)测定同位素之比。null(四)稳定同位素技术在生态学研究中的应用
1 在植物光合途径起源和分布研究的应用
大量研究发现,植物的13C值波动于7‰与-35‰之间,其中C4植物从-7‰到-15‰,C3植物从-20‰到-35‰,而CAM植物介于C3植物与C4植物之间,从―10‰到―22‰。null 根据这一特点,自70年代以来利用碳同位素组成(13C)区分植物的C3和C4,确定了C3和C4植物的多源分布(Polygenetic Distribution)和生态分布(Ecological Distribution)。
nullnull 与此同时,碳同位素比率被用于指示植物光合途径随温度、海拔及降雨量等环境梯度的变化,从而说明环境条件的变化很可能导致植物光合途径的变化。
null2 在植物对环境胁迫的反差研究上的应用
同种植物之间碳同位素比率的差异可达3-5‰,这些差异主要与环境梯度(如光强度、温度、海拔、土壤盐度以及水分状况密切的关系。因此,植物碳同位素比率的分析可以提示出不同环境条件下植物代谢功能的显著变化及植物对环境胁迫的反应。null 如Ehlringer(1986)发现植物的13C值随着光强的提高而增大;Tisezen(1979)发现植物的13C值随海拔的提高而下降,表明植物成分由C4植物为主逐渐过度到以C3植物为主。生长于低养分条件下的C4植物也具有较低的碳同位素比率;CAM植物中,13C值还随水分胁迫程度的增大而提高。null3 在食物链研究上的应用
生态系统中生物通过取食和被取食的关系联结在一起,植物是食物链的基础不同植物因光合代谢途径不同具有不同的稳定同位素比率(特别是碳同位素比率),而动物组织或粪便的同位素组成主要取决于它们食物的同位素组成。例如多数动物及微生物的13C值与它们食物的13C值之间的差异不超过2%.null(1)陆地生态系统
对于大多数陆地生态系统,主要的初级生产者为C3和C4植物,因而通过分析食草动物的13C值就可以确定出消费者食谱中C3植物和C4植物的相对比例。如研究发现,南非地区不同动物有极为不同的食谱,有的只啃食嫩枝叶植物(C3)如象、长劲鹿等;有的主要利用C4草本植物如非 野牛等。null(2)淡水生态系统
在大多数湖泊里,要确定水生动物的食物来源较为困难,如果利用稳定同位素技术则容易得多。通过测定水溶解的CO2同位素组成和流入湖泊中的陆地植物凋落物的13C值,动物的食物来源就可以很容易地根据它们的13C值与那些利用流入湖泊中的陆地植物凋落物的动物相区别。null5、在环境污染研究中的应用
在环境污染研究中,特别是大气污染和金属污染研究中,稳定同位素技术也日益显示其作用。如硫同位素技术可以为大气污染研究提供独特的方法分析大气污染物的来源、分布及监 测植物对这些污染物的反应。
null6、在土壤生态系统物质转化研究
由于不同碳同位素的组成不同,因而土壤有机质13C值所反映出它们的来源。如果知道植被的历史和结构以及特定13C值的时间,就能估测出土壤有机质的转化率及演替系列各植物成分在土壤有机质中所占的相对比率。这种方法特别适用于演替过程中具有C3植物和C4植物相互替代的植被中土壤有机物转化的研究。null一)基本概念
遥感(Remote Sensing)就是在不与物体直接接触的情况下,通过某种仪器在较远距离以外,接收物体反射的电磁波来取得有关物体特征和状况的信息。
遥感技术,主要是通过航空或航天设备,如飞机、人造卫星等,携带各种传感器,如光谱控测仪、多波段摄相机、雷达发射接收器等,
记录
混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载
地物光谱特征的技术。四、RS技术及其在生态学上应用null(二)原理
遥感的基本原理是根据不同的地面物体,由于其物理性质、化学组成或结构的不同,所反射、吸收和发射的电磁波的波长、强度、能量之组合情况也很不一样。这就使得人们可以通过遥感技术,接收和辨别不同地物发射和反射的不同光谱,来识别地物的特征。null(三)遥感方式
可见光遥感
传感器接收的光谱范围 红外遥感
微波遥感
被动传感
传感器功能
遥感方式 主动传感
航空传感
飞行高度
航天传感
胶片
信息的输出数字null(四)遥感技术的基本工作程序
遥感最佳波段的选择
视判读或数字图形的处理
基本工作程序 结果分析
专题应用。
null1、遥感最佳波段的选择
波段选择的原则一般考虑选择在大气透过率高的波段,而且波段不宜过窄,使之保证有足够的辐射能量通过,光谱段不交叉重叠等。自然资源遥感的最佳波段为:0.42-0.5、0.52-0.59、0.64-0.69、0.71-0.84微米。null2、目视判断
航空相片判读所用的仪器为一台立体镜,能够对航片进行放大2-3倍,对地形提供了很好的立体图像,航空相片判读的原理是由于地球表面物体映像的不同,引起相片从黑色到白色之间深浅不同的灰色。null 遥感影像判读有两大类方法。一类方法是以人眼的分辨能力为基础,以大脑的综合分析为后盾;另一类方法是以计算机数字图像处理和自动分类为基础,以数据库为后盾。遥感影像的目视判读是分析影像特征入手的,其影响特征可以归纳为8类,即形态、大小、纹理、图形、色调、阴影、位置和关联,这些特征就是目视判读的直接解释标志。null 卫星最明显的地类是水域,水域具有浅的色调,比周围农田、森林、草地的居民点都亮一些。
森林是一片红色,有红和暗红之分,尤其在山区,深红的颜色是林区的显著标志。
草地的颜色因长势而不同,长势好的草地呈紫色,长势中等的草地呈黄色,长得较差的草地呈淡黄色。null 在作物生长季节,绿油油的稻田呈紫红色,由于稻田的长势不同,红色的深浅不一,有红色、粉红色等区别。旱地和稀疏的草地色调较浅。
null(五)遥感在生态学研究上的应用方面
1、植被分类与生态系统分类
2、 森林覆盖率变化监测
3、水土流失面积监测
4、沙漠化进程
5、海洋赤潮
6、农作物病虫害发生null三、GIS技术及其在生态学上应用
(一)基本概念
地理信息系统(Geographic Information Systems, GIS),是借助于计算机存储、分析和展示数字化的地理信息的计算机硬件和软件系统。
null 地理信息系统既是一个地理数据库,其数据具有空间定位的待征;地理信息系统又是一个分析系统,可以对其中的地理数据进行各种处理、分析、统计、模拟;地理信息系统还是一个计算机制图系统,其贮存的数据,分析的结果,都可以输出成各种地图及辅助说明文件。
null(二)使用过程
1、首先,用户应明确要利用地理信息系统解决什么样的问题。比如说,要规划一个自然保护区,必须掌握这一地区的自然地理条件、物种组成和种群特性、用地现状和人为活动规律等等。
2、决定收集哪些资料,以及资料的形式和来源,如航空像片、卫星像片、地形图、统计数表、调查报告等;null3、是将有关数据输入到数据库中,所在这些数据都应该是有确定的地理位置或地理范围的;
4、然后,根据建立自然保护区的具体要求,利用地理信息系统软件,或连接其他有关模型,分析处理数据库中的数据;分析的结果就可为自然保护区的规划提供决策性的信息。
null(三)地理信息系统的功能
1、数字化的功能
绝大多数地理信息系统可以将地图信息通过数字化仪(Digitizer)转化为向量式数据结构的计算机数据文件,这一过程就是数字化过程(Digitizing)。
null2、查找和更新数据的功能
地理信息系统的重要组成部分就是地理数据库。它具有基本的数据库管理功能,即查找和更新数据的功能。这对于随时间变化的数据因素和时间性强的研究项目尤为重要。
null3、分析地理数据的功能
分析功能是地理信息系统核心。不同的地理信息系统功能不尽相同,这里仅介绍基本的,通用的功能。
(1)叠加处理(Overlay Operation)。这是地理信息系统最基本的分析功能。图3.6解释了叠加的含意。图中第一层数据代表两类树种a和b,第二层数据代表两种土类c和d,第三层数据是利用叠加法求得的ac,ad,bc,bd四种数据组合,每一种组合代表一类树种和一土类的结合。从中研究者可以比较,哪一种组合结果的绿化效果最佳。靠迭加处理产生新图,其信息的可靠性与处理过程的设计密切相关。nullnull(2)邻区比较(Neighborhood Operation)。地理信息系统可以从任意按定点,向任意指定方向,作延伸对比,辨别邻区数值的相同与不同,增加或减少。比如,根据海拔高度值,地理信息系统可以靠邻区比较功能作坡向、坡度的判断,自动产生坡向图和坡度图。地理信息系统还可以通过比较有限数值(点或线)的分布,根据用户选定的插值公式,按一定密度计算插值,或把点连成线,把线连成面。null(3)网络分析(Network Operation)
对于具有网络结构的信息,如道路,河流等,地理信息系统还可以通过网络分析功能,判断给定各点之间的连接状况,选择最佳通道,计算其通量等等。地理信息系统还可以根据用户的要求,在指定的地物周围,划出一定宽度的缓冲带等。null(4)测量统计(Measurement Operation)
地理信息系统可以对每一层地图数据文件(Layer, Coverage)中的各种空间因素进行分类,测量其位置,长度,或面积,统计其数量,比例等等。结果以
表格
关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载
或文字的形式显示、储存、输出。null4、输出可读数据的功能
地理信息系统分析结果,必须通过清晰易读的表达方式显示出来,如地图、表格等,才能为用户所理解和使用。地理信息系统可以把地图、表格等很快显示在屏幕上,也可以连接打印机或制图仪来打印或绘制图、表、文字。屏幕显示的功能使研究者很方便地观察和比较中间结果,随时改进分析过程。图、表、文字等最终结果的打印和绘制,可以直接应用,在生态学,尤其是景观生态学研究中非常重要。因为在多数景观生态学研究中,原始数据和结果常常都是用图来表示的。null(四)地理信息系统的应用
1、在景观生态学上的应用
主要分析景观的空间格局和时间变化
2、在行为生态学上的应用
分析野生动物的栖息地和迁徙特性
3、在种群生态学上的应用
分析种群的分布范围和动态规律
4、在植被分布研究上的应用
5、在资源管理上的应用
6、在生态学长期定位研究的应用null三、全球卫星定位系统(Global Positioning System)
(一)全球定位系统的基本原理
GPS技术的基本原理是,通过首先发射24颗专用卫星进入地球轨道,每颗GPS卫星每天绕地球两周,卫星上载有天文电子钟、微波无线电。GPS卫星一天两次通过地面监测站上空,由地面监测站精确测量它的高度、位置和速度,并调整相应的信号处理系统。null 而在地球任何部位、任何时间启动GPS仪,可以同时与GPS卫星中的4颗卫星发生联系,精确测量GPS仪现在与这4颗卫星的实际距离。最后由GPS系统内的计算机软件计算出该GPS仪当前的准确方位以及与参照坐标系的关系。null 当前GPS已经有多个应用系列,包括有运动器件(如飞机、船只、车辆)的导航、大地测绘,运动器件跟踪监测等。定位精度由100m到0.5cm各种精度等级,每一点采点时间只需5秒钟。GPS已经有商品化的便携式仪器系列,最轻重量仅370g,可以手持。null(二)全球定位系统的应用
全球定位系统(GPS)技术可为研究区域准确定位,遥感技术(RS)为区域资源研究提供大量、详细、及时、有规律的信息,而地理信息系统(GIS)则为自然资源研究提供了一个信息容量大、分析灵活多样、运行速度快、结果输出标准化的研究手段,三者结合将为宏观生态学的研究提供有力的手段。 null1、迁飞动物的跟踪
2、动物的行为
3、“精确农作”(Precision Farming)null第九讲 生态学文献分析第九讲 生态学文献分析一、国内主要生态学期刊
1、生态学报(Acta Ecological Sinica)
2、应用生态学报(Chinese Journal of Applied Ecology)
3、生态学杂志(Chinese Journal of Ecology)
4、植物生态学(Acta Phytoecology Sinica)
5、生物多样性(Chinese Biodiversity)
5、生态经济(Ecological Economy)
6、生态农业学报(Eco-agriculture)
7、农村生态环境(Rural Eco-Environment)null二、《SCI》收录的重要生态学期刊
1、Annual Review of Ecology & systematics(生态学与分类学年评)IP=3.64(1998,下同),1970年创刊,每年1期
** IP(Impact Factor)=A/B (A是一个刊物在一定时间内发表的论文总数, B是同一时期引用这一刊物所发表的论文的总引用次数。
2、Ecological Monographs (生态学论丛)IP=4.583,1931年创刊,每年4期。
3、Trends in Ecology and Evolution ( 生态学与进化趋势),IP=6.252,1986年创刊,每年13期。null4、Evolution (进化),IP=3.203,1947年创刊,全年6期。
5、Ecology(生态学),IP=3.438,1931年创刊,每年4期
6、American Naturalist(美国博物生物学),IP=3.525,1867年创刊,每年12期.
7、Microbial Ecology(微生物生态学),IP=1.822, 1974年创刊,每年6期.
8、Journal of Animal Ecology(动物生态学杂志),IP=3.253,1932年创刊,每年3期.
9、Ecological Application(生态应用),IP=2.189,1941年创刊,全年4期.null10、Marine Ecology Progress Series (海洋生态学进展丛刊),IP=2.124,1979年创刊,全年36期。
11、Oecologia(生态学),IP=1.496,全年16期。
12、Journal of Evolutionary Biology(进化生物学杂志),IP=1.418,1987年创刊,全年16期。
13、Journal of Chemical Ecology(化学生态学杂志),IP=1.350,1975年创刊,全年4期。
14、Evolutionary Ecology(进化生态学),IP=1.295,1986年创刊,全年6期。
15、Functional Ecology(机能生态学),IP=1.259,1987年创刊,全年6期。
null16、Conservation Bilogical(保护生物学),IP=1.224, 1987年,全年4期。
17、Theoretical Population Biology(理论群体生物学),IP=1.188,1970年创刊,全年6期。
18、Molecular Ecology(分子生态学),IP=2.7991992年创刊,每年4期.
19、Journal of Experimental Marine Biologyand Ecology(实验海洋生物学与生态学杂志),IP=1.075,1967年创刊,全年20期。
20、Global Ecology and Biogeography letter(全球生态学与生物地理学快报),IP=1.050,1974年创刊,全年6期。null21、Behavie Ecology(行为生态学),IP=2.124
22、Oikos(生态学),IP=2.028
23、Global Change Biology(全球变化生物学),IP=2.171
24、Journal of Ecology, IP=2.291
25、Ecological Letter ,