生物多样性指标测度模拟实验设计:生物多样性测度
时间：2019-01-30 03:33:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：在生物学、生态学等课程的教学中，加强学生的生物多样性指数计算的训练是非常有必要的，而这些项目往往很难进行实际实验。通过模拟实验，以精心设计的标签代替“物种”，简化了生物分类学的过程，可以促进了学生对于生物多样性指数中物种丰富度、优势度、均匀度和香农维纳等α水平多样性指数以及相似性等β多样性指数的掌握。
关键词：教学；生物多样性；模拟实验
生物多样性是地球上生命经过几十亿年发展进化的结果，是人类赖以生存的物质基础。然而，随着人口的迅速增长，人类经济活动的不断加剧，物种灭绝的速度不断加快，现在物种灭绝的速度是自然灭绝速度的1000倍，作为人类生存最为重要的基础的生物多样性受到了严重的威胁。
为了定量描述某一物种或群落多样性，可以用多样性指数来测定，一般多样性指数分为3类：用以测度群落内的物种多样性的α多样性指数、用以测度群落的物种多样性沿环境梯度变化速率的β多样性指数和用以测度一定区域内总的物种多样性的γ多样性指数。
在生物学、生态学等课程的教学中，常常会涉及到这些指数的计算，因此加强学生的生物多样性指数的计算能力的训练是非常有必要的。但是，有些科学实验由于受到一些特殊因素的制约，不能直接对研究对象进行实际实验。在这种情况下，为了获得对研究对象的认识，以揭示其本质和规律，我们可以通过模拟的方法制成研究对象的模型，然后模拟研究对象的实际情况，在模型上进行实验。生物多样性指数的计算往往建立在分类学的基础上，而分类学常是一个综合性学科，需要大量的知识储备和丰富的经验，学生在较短的时间内往往难以达到分类学的要求。因此，笔者在教学过程中通过利用精心设计的标签代替“物种”进行实验模拟，简化生物分类的过程，重点强化学生对于生物多样性指数的认识，促进学生熟练掌握生物多样性指数的测度。
1．模拟对象
主要针对物种多样性的测度常用的以下指标进行模拟实验：
1.1 α多样性指数
1．1.1物种丰富度指数：
dMa=（S-1）/lnN （Margalef，1958）其中：S为物种数目；N为样地内所有类群的个体数之和。
1．1.2优势度指数：
D=1-∑Ni（Ni-1）/N（N-1） （Greenberg，1956）其中:Ni为样地内第i个类群的个体数量，N为样地内所有类群的个体数之和。
1．1.3多样性指数:
H=-∑（Ni/N）ln（Ni/N） （马克平、刘玉明，1994）其中:Ni为样地内第i个类群的个体数量，N为样地内所有类群的个体数之和。
1．1.4均匀度指数:
J=H/lnS（Pielou，1969）其中:H为多样性指数，S为样地内的物种数；
1．2β多样性指数
相似性指数：
q=c/（a+b-c） （马克平、刘玉明，1994）其中c为两群落的共有类群数，a和b分别为群落A和群落B的类群数。q值为0～0.25时极不相似，0.25～0.5时中等不相似，0.5～0.75时中等相似，0.75～1时极相似。
2．模拟实验的准备
2.1标签的设计
当前关于生物多样性的研究，多集中于某些“目”这一分类阶元，例如：对鞘翅目、鳞翅目、蜻蜓目等昆虫多样性的研究，对鸟类和土壤动物的研究等。本实验针对不同群落内某一“目”的生物多样性进行模拟实验，以精心设计的标签代替“物种”来简化生物分类的过程。标签由三部分组成，分别为加了下划线的罗马数字（如IX）代表某一“物种”所属的“科名”；带圈的阿拉伯数字（如⑨）代表某一“物种”所属的“属名”；普通大写字母或字母组合（如A、BR等）代表某一“物种”的“种名”。如将标签设计如下：
■:代表IV科（科名）③属（属名）F种（种名），实验中只有三部分完全相同才被视为同一物种。
在Microsoft Office Excel电子表格中进行标签设计。设计过程中，根据种数>属数>科数的生物分类学中的一般数量原则设计“物种”的数量，可将科数控制在I～X（10个）之间，将每科下的属数控制在20个之间，将每属下的种控制在A～ZZ之间（52个）。教师可根据需要，在电子表格中适当复制其中的某些“物种”，以其增加其数量，也可以设计一页完整的“物种”组合打印后再行复印以增加“物种”的个体数量，数量视学生人数和小组数而定，如每组5人，则物种数以每组500个为宜。在复制的过程中，注意“物种”的“均匀度”不能过高。
2．2其他材料：
直尺、剪刀、大培养皿、塑料小桶、笔、记录本、计算器等
3．实验步骤
３．1用剪刀和直尺将实验所用的标签裁开。
３．2将所有标签放混匀后，随机盛放于四个已经编号（群落1、群落2、群落3和群落4）的塑料小桶中，此时每个塑料小桶即为由多个“物种”构成的“群落”。学生以小组为单位在四个“群落”中随机采样（抓取部分标签），并将采集的“物种”用不同培养皿盛放（培养皿编号应与塑料小桶办好相同），基本保证每组在每个“群落”中采样200个左右。
3．３各组根据标签上的信息对采集的“物种”进行科、属、种的分类，分别记录科、属、种的数目。
３．４根据所得到的“物种”数目分别计算每个“群落”中的“物种”丰富度指数、均匀度指数、香农维纳指数、辛普森指数等α水平指标；
３．5通过相邻的“群落”中的“物种”数目和共有“物种”数目，分别计算四个“群落”之间的Jaccard相似性指数。
4．实验结果：
详细记录实验过程，并将数据进行计算，计算出各个物种多样性指数，填写表1、表2，并完成实验报告。
表1 各群落α多样性指数计算结果
表２ 不同群落的物种相似性结果
5．注意事项
在标签裁剪时尽量去掉标签纸的边缘，并且裁剪过程中尽量保持标签的形状一致，以使每一“物种”或“个体”被选中的机会均等，避免人为误差。
选择存放材料的容器最好采用小桶或圆柱形容器，不要采用方形容器，以便摇动材料时能充分混合均匀。
取样时应随机采样，采样前后要充分搅拌，以增大其随机性。
在进行“分类”的过程中，尽量关闭门窗，减少学生和教师的走动，以避免因为人员走动或微风标将标签纸吹散而影响实验结果。
6.讨论
利用模拟进行实验实践教学既是探索生命现象的奥秘，揭示生物体生命活动规律、生态分布的一种重要方法，又是对生物学、生态学进行研究的重要手段之一。同直接实验相比，模拟实验具有显著特点，首先模拟实验直接作用于模型而非实际的研究对象（原型）；其次，模型和研究对象之间具有相似性，模型所处的实验条件与研究对象所处的实际条件也是相似的；再次，要运用类比推理的方法，将模拟实验的结果类推到原型上去，以揭示研究对象的本质和规律。正是由于这3个特点，决定了模拟实验的实验不同于一般的直接实验。
在生物学和生态学教学中，精确地掌握每个种群的真实密度，在实践中是不可能、也是没有必要的，因此利用模型和模拟实验替代研究对象进行研究已经较为广泛。在本模拟实验过程中通过“物种” 的模拟，在使加深学生对分类学知识的同时，简化了生物分类学的过程，并且促进了学生对生物多样性指数的掌握。通过“物种”的模拟，科学地估算，省时省力，在严肃对待、科学实验、认真分析的前提下，使学生充分掌握生物多样性指数的计算方和，并使其理解科学工作者的艰辛。
参考文献:
［1］中国科学院生物多样性委员会.生物多样性研究的原理与方法.北京：中国科学技术出版社，1994:1-13.
［2］刘水明.2005. 模拟实验及其在生物教学中的应用.中学生物教学，Z1:46-47.
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［4］许海云，单信洪.种群密度调查――标志重捕法的模拟实验.生物学通报,２００９，44（6）:54.
［5］申丽娜，陈云杰.“性状分离比的模拟实验”教学设计.生物学教学，2010，35（7）:31-32.
（作者单位 亓东明：四川省西昌学院动物科学学院 吕纪霞：山东省淄博沂源县悦庄镇中心小学）
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