第1章种群及其动态

高中生物人教版选择性必修2第一章：种群密度：意义：濒危动物保护、农田杂草状况调查、农林害虫的监测预报、渔业上捕捞强度的确定等，都需要对种群密度进行调查研究。

第1章种群及其动态

• 种群数量的变化
  • 建构种群增长模型的方法
    • 物理模型：以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征
    • 概念模型：用线条和文字直观而形象地表示出某些概念之间的关系
    • 数学模型：以数学关系或坐标曲线图表示生物学规律
  • 科学方法----建立数学模型
    • 数学模型概念：用来描述一个系统或它的性质的数学形式
    • 建构数学模型的步骤
      • 观察研究对象，提出问题
      • 提出合理的假设
      • 根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达，即建立数学模型
      • 通过进一步实验或观察等，对模型进行检验或修正
    • 表现形式
      • 曲线图：直观，但不够精确
      • 数学方程式：精确，但不够直观
  • 种群的“J”形增长
    • 概念：自然界确有类似的细菌在理想条件下种群数量增长的形式，如果以时间为横坐标，种群数量为纵坐标画出曲线来表示，曲线大致呈“J”型
    • 模型假设：条件（理想条件）
      • ①食物和空间条件充裕
      • ②气候适宜
      • ③没有天敌
      • ④没有其他竞争物种
    • 建立模型：种群数量每年以一定的倍数增长，第二年是第一年的λ倍。若起始数量为N₀，则：
      • 数学公式
        • 一年后种群的数量为：N₁=N₀λ¹
        • 两年后种群的数量为：N₂=N₀λ²
        • 三年后种群的数量为：N₃=N₀λ³
        • t年后种群的数量为：Nt=N₀λt
      • 曲线图
    • 对公式中“λ”的理解
    • 增长率和增长速率
    • 实例
      • 实验室条件下
      • 一个种群刚迁入到一个新的适宜环境时(外来入侵物种)
  • 种群的“S”形增长
    • 概念：种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定，增长曲线呈“S”形
    • 模型假设
      • 条件
        • ①食物（资源）和空间有限
        • ②种内竞争加剧
        • ③存在天敌
        • ④其他竞争的物种。（气候）
        • 当出生率=死亡率时，达到K值
      • 增长特点：数量变化、增长速率、增长率
        • 种群经过一段开始期后，呈加速增长，数量达到K/2时增长最快，此后开始减速增长，到K值时停止增长
      • 增长率和增长速率
    • 环境容纳量：一定的环境条件所能维持的种群最大数量称为环境容纳量,又称K值
      • （1）K值分析
      • （2）K值、K/2的四种不同表示方法
      • （3）K值和K/2运用
        • 应用1——野生生物的保护
        • 应用2——有害生物的防治
          • 降低K值
          • 在K/2之前就进行防治，严防种群数量达到K/2
        • 应用3——对野生资源的开发和利用
          • 中等强度的捕捞（捕捞量在K/2左右）有利于持续获得较大鱼产量
          • 应在大于K/2时开始捕捞，捕捞后种群的剩余量维持在K/2左右。此时种群具有最大增长速率，可以在最短时间恢复种群数量，有利于人类持续获得较大收获量
    • “J”形曲线与“S”形曲线比较
  • 种群数量的波动
    • 在自然界，有的种群能够在一段时期内维持数量的相对稳定
    • 但对于大多数生物，种群数量总是在波动中
      • （1）处在波动状态的种群，在某些特定条件下可能出现种群爆发。 如蝗灾、鼠灾、赤潮等就是种群数量爆发增长的结果。——易成灾
      • （2）当种群长久处于不利条件下，如遭遇人类乱捕滥杀和栖息地破坏，种群数量会出现持续性的或急剧的下降。——易消亡
        • 注意：当一个种群的数量过少，种群可能会由于近亲繁殖等原因而衰退、消亡。种群的延续需要有一定的个体数量为基础。 ——低于种群延续所需最小种群数量的物种需要进行保护
  • 实验探究：培养液中酵母菌种群数量的变化
    • 实验目的：探究培养液中酵母菌种群数量的变化
      • 自：时间
      • 因：酵母菌数量
      • 无关：培养液的体积等
    • 实验原理
      • （1）酵母菌是单细胞真核生物，生长周期短，增殖速度快，可以用液体培养基来培养
        • 代谢类型：异养兼性厌氧型
      • （2）种群数量增长原理
        • 理想环境：“J”形曲线
        • 有限的环境条件：“S”形曲线
        • 恒定培养液中：当酵母菌种群数量达到K值后，还会转而下降直至死亡
    • 实验方法
      • 方法：抽样检测法
      • 用具：血细胞计数板、试管、滴管、显微镜等
        • 是一种专门用于计算较大单细胞微生物的一种仪器
          • 通常是一块特制的厚载玻片，中间被一短横槽而隔成两半，上下各刻有一个方格网
      • 计数
    • 实验过程：液体培养基，无菌条件,培养酵母菌
      • 盖
      • 摇
      • 滴
      • 沉
    • 误差分析
      • （1）为什么不能先加培养液再盖盖玻片？
        • ①盖玻片可能由于已加入液滴的表面张力而不能严密地盖到计数板表面，使计数室内液体增多，导致结果偏高。——计数室高度
        • ②直接滴加培养液时，在计数室内会产生气泡，导致计数室相对体积减小而造成误差。——气泡使计数室体积减小
      • （2）从试管中吸出培养液进行计数之前,建议你将试管轻轻振荡几次。这是为什么？
        • 使培养液中酵母菌分布均匀，以保证估算准确，减少误差
      • （3）为什么要待酵母细胞全部沉到底部后再计数？
        • 减少实验误差。 如果酵母菌未能全部沉降到计数室底部，通过显微镜观察时就可能出现以下现象：要么能看清酵母菌但看不清方格线，要么能看清方格线但看不清酵母菌。
      • （4）怎么分辨死亡细胞和有活性的细胞？
        • 死亡细胞多集结成团
        • 可以借助台盼蓝染色（死亡细胞呈蓝色）
        • 加入的台盼蓝的体积应折算在稀释倍数中。 如果没有染色，计数出来的数据会比真实值偏大
      • （5）本实验需要设置对照吗?如果需要，请讨论对照组应怎样设计和操作；如果不需要，请说明理由
        • 不需要, 因为本实验在时间上形成自身前后对照
      • （6）需要做重复实验吗?
        • 需要做分组重复实验获得取平均值，以减少偶然性
    • 其他注意事项
      • （1）取样时间需一致，且应做到随机取样（每天同一时间取样，或者每隔相同一段时间取样
      • （2）血细胞计数板使用完毕后，用水冲洗干净或浸泡在酒精溶液中，切勿用硬物洗刷或抹擦，以免损坏网格刻度
    • 分析结果，得出结论：培养液中酵母菌种群的数量前期呈“S”型增长，后期数量下降
      • （1）开始培养时，营养、空间相对充足，条件适宜，酵母菌大量繁殖种群数量呈“S” 形增长
      • （2）随酵母菌数量不断增加，营养不断消耗，代谢产物积累、pH变化，空间不足等种群数量下降
• 影响种群数量变化的因素
  • 非生物因素
    • 在自然界,种群的数量变化受到阳光、温度、水等非生物因素的影响
      • （1）阳光：森林中林下植物的种群密度主要取决于林冠层的郁闭度，即主要取决于林下植物受到的光照强度
        • 林冠层郁闭度低： 林下光照强度高 林下植物种群密度高 林冠层郁闭度高 林下光照强度低， 林下植物种群密度低
      • （2）温度（影响酶活性）：许多植物的种子在春季萌发为新的植株，主要是受气温气温升高的影响； 蚊类等昆虫在寒冷季节到来时一般会全部死亡，主要是受气温降低的影响
      • （3）水：干旱缺水会使许多植物种群死亡率升高，动物缺水可导致个体的死亡，气候干旱会使东亚飞蝗呈爆发式增长
    • 各因素之间的关系：非生物因素对种群数量变化的影响往往是综合性的
      • 如春夏时节动植物种群普遍迅速增长，除气温升高外，日照延长、降水增多也是重要原因
      • 对于动物来说，食物日益充足也是导致种群增长的重要因素，这就涉及生物因素了
  • 生物因素
    • 种群内部的生物因素（同种生物之间）
      • 随着种群的增长，种内竞争会加剧，从而使种群的增长受到限制，这说明种群数量的变化受到种群内部生物因素的影响
      • 种群增长→种内竞争加剧→出生率减小、死亡率增大→种群增长受到限制
    • 种群外部的生物因素（不同种生物之间）
      • （1）捕食：除顶级捕食者外，每种动植物都可能是其他某种生物的捕食对象，每种动物都需要以其他生物为食。如果食物匮乏，动物种群会出现出生率降低、死亡率升高的现象
      • （2）种间竞争：森林中不同植物竞争阳光和养分，草原上非洲狮与猎豹竞争猎物，这也会导致种群数量的变化
      • （3）寄生：作为宿主的动物被寄生虫寄生，细菌或病毒引起传染病，也会影响种群的出生率和死亡率等特征，进而影响种群的数量变化
    • 制约因素的类型
      • （1）密度制约因素
        • ①概念: 一般来说，食物和天敌等生物因素对种群数量的作用强度与该种群密度是相关的
        • ②举例: 同样是缺少食物，种群密度越高，该种群受食物短缺的影响就越大
      • (2)非密度制约因素
        • ①概念: 气温和干旱等气候因素以及地震、火灾等自然灾害，对种群的作用强度与种群密度无关
        • ②举例: 在遭遇寒流时，有些昆虫种群不论其密度高低，所有个体都会死亡
  • 种群研究的应用
    • 濒危动物的保护
    • 生物资源的利用----指导渔业捕捞
    • 有害生物的防治
    • 研究种群的特征和数量变化的规律，在野生生物资源的合理利用和保护、有害生物的防治等方面都有重要意义
• 种群的数量特征
  • 知识回顾
    • 种群是指生活在一定区域的同种生物的全部个体
    • 种群既是生物繁殖的基本单位
    • 种群也是生物进化的基本单位
    • 种群研究的中心问题是：种群的数量特征及其变化规律
  • 种群密度及其调查方法
    • 种群密度
      • 概念：种群在单位面积或单位体积中的个体数就是种群密度
        • 种群密度是种群最基本的数量特征
      • 意义：濒危动物保护、农田杂草状况调查、农林害虫的监测预报、渔业上捕捞强度的确定等，都需要对种群密度进行调查研究
    • 种群密度调查方法
      • 逐个计数法：分布范围较小，个体较大的种群
      • 估算法：分布范围较大，个体较小的种群
        • ①黑光灯诱捕法
          • 适用范围：对于有趋光性的昆虫，可以用黑光灯诱捕法的方法来估算它们的种群密度
          • 黑光灯：黑光灯是一种发射人眼看不见的、波长在365 nm左右的紫外线的电光源。 黑光灯具有很强的诱虫作用，是杀虫用灯的理想光源
        • ②样方法
          • 适用范围：植物；活动能力弱、活动范围小的动物（e.g.昆虫卵，蚜虫、跳蝻，蚯蚓、蜗牛等）
          • 方法：在被调查种群的分布范围内，随机选取若干个样方，通过计数每个样方的个体数，求得每个样方的种群密度，以所有样方种群密度的平均值作为该种群的种群密度估算值
          • 探究实践：调查草地中某种双子叶植物的种群密度
            • 选材
              • -为什么选双子叶草本植物？
              • -因单子叶草本植物常常是丛生或蔓生，难以辨认
            • 确定样方
              • ①样方大小：草本1 m×1 m；灌木4m×4 m；乔木10 m×10 m
              • ②样方多少：与被调查地段的总面积呈正相关； 一般来说，选取的样方越少，误差越大； 选取的样方越多，求得的种群密度越接近实际值.
              • ③取样方法：随机取样，不能掺入主观因素（为了使调查结果不受主观因素的影响，保证调查结果的准确性）
                • a.五点取样法：调查总体为非长条形时
                • b.等距取样法：调查总体为长条形时
                • -所选样方位置上有块大石头，需要换个位置取样吗？-不需要
            • 计数原则：方框内＋相邻两边及其夹角(计上不计下,计左不计右)
            • 计算：取样→计数→求平均值
        • ③标记重捕法
          • 适用范围：活动能力强、活动范围大的动物
          • 方法：在被调查种群的活动范围内，捕获一部分个体，做上标记后再放回原来的环境，经过一段时间后进行重捕，根据重捕到的动物中标记个体数占总个体数的比例，来估算种群密度
          • 计算：
          • 误差分析：主要取决于重捕中标记个体数（m）偏大或偏小
          • 注意事项
            • 1.标记不易脱落
            • 2.标记不会对动物造成行为和寿命上的伤害
            • 3.标记不能过分醒目
            • 4.标记后充分混合（一定时间）
            • 5.所有个体在重捕时的捕获概率相等
            • ……
    • 3.调查种群数量的其它方法
      • ①红外触发相机
      • ②动物粪便—微卫星DNA分子标记
      • ③动物声音监测仪
      • ④无人机航拍
  • 种群其他数量特征
    • 出生率和死亡率
      • 定义：在单位时间内新产生（或死亡）的个体数目占该种群个体总数的比值
      • 意义：是决定种群数量和种群密度的直接原因之一
    • 迁入率和迁出率
      • 定义：在单位时间内迁入（迁出）的个体数目占该种群个体总数的比值
      • 意义：也是决定种群密度和数量的直接因素
    • 年龄结构
      • 定义：一个种群中各年龄期的个体数目比例
      • 类型：增长型、稳定型、衰退型
    • 性别比例
      • 定义：指种群中雌雄个体数目的比例
      • 类型
        • 雌雄相当型（多见于高等动物，e.g.象）
        • 雌多雄少型（多见于人工控制的种群，e.g.鸡）
        • 雌少雄多型（多见于营社会生活的昆虫，e.g.蜂）
        • 注意: 不是所有种群都有性别比例，如某些雌雄同株的植物
      • 意义：性别比例通过影响出生率，间接影响种群密度
      • 应用：利用人工合成的性诱捕剂（信息素）诱杀某种害虫的雄性个体，改变了害虫种群正常的性别比例，就会使很多雌性个体不能完成交配，从而使该种害虫的种群密度明显降低
• 总结