生物 必修3 第4章单元小结.docx
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生物必修3第4章单元小结
《种群和群落——单元小结导航》学案2
【考向指南】本章讲述了种群的特征、种群数量的变化、生物群落的概念、结构和演替等内容,介绍了种群密度调查的样方法与标志重捕法,及培养液中酵母菌的种群数量变化和土壤中小动物类群丰富度的探究。
本单元是近年高考命题的重点板块之一,从能力要求分析主要强调以下几点
(1)对图表的识别和分析能力,尤其是曲线、直方块等坐标图和数据表信息题,如种间关系的数量分析和种群增长曲线分析。
(2)联系生产生活实践的运用能力,如影响蝗虫种群数量动态的因素、作物播种密度与产量关系的分析等。
(3)知识的综合能力,如种群的各种特征与物种保护,农、林、牧、渔,人口等实际问题联系。
本章重点掌握:
4.1种群的特征
1、种群的特征及相互间的关系
2、学会种群密度取样调查的方法
4.2种群数量的变化
1、理解种群增长的数学模型J型曲线和S型曲线
2、影响种群数量变化的因素
3、研究种群数量变化的意义
4.3群落的结构
1、生物群落的概念、物种丰富度和种间关系
2、生物群落的空间结构
4.4群落的演替
1、生物群落的初生演替与次生演替
2、人类活动对群落演替的影响
【要点萃聚】
1.种群密度
(1)概念:
在单位面积或单位体积中某种群的个体数。
(2)特点:
随种群的不同、环境的改变有差异。
(3)调查方法:
①总数调查:
调查分布范围较小,个体较大的种群,逐个计数。
②取样调查:
调查分布范围较大的种群,一般总数调查较难,计数种群一部分,估算种群密度。
1.1样方法
(1)取样调查中的两个概念
①样方:
样方也叫样本,从研究对象的总体中抽取出来的部分个体的集合,叫做样方。
②随机取样:
在抽样时如果总体中每一个个体被抽选的机会均等,且每一个个体被选与其他个体间无任何牵连,那么,这种既满足随机性,又满足独立性的抽样,就叫做随机取样(或叫做简单随机取样)。
随机取样不允许掺入任何主观性,否则,就难以避免调查人员想获得调查属性的心理作用,往往使调查结果偏大。
③适用范围:
植物种群密度,昆虫卵的密度,蚜虫、跳蝻的密度等。
(2)常用取样
①点状取样法
点状取样法中常用的为五点取样法,如图4—20A,当调查的总体为非长条形时,可用此法取样。
在总体中按梅花形取5个样方,每个样方的长和宽要求一致。
这种方法适用于调查植物个体分布比较均匀的情况。
②等距取样法
当调查的总体为长条形时,可用等距取样法,如图4—20B,先将调查总体分成若干等份,由抽样比率决定距离或间隔,然后按这一相等的距离或间隔抽取样方的方法,叫做等距取样法。
例如,长条形的总体为100m长,如果要等距抽取10样方,那么抽样的比率为1/10,抽样距离为10m,然后可再按需要在每10m的前1m内进行取样,样方大小要求一致。
(3)调查草地中某种双子叶植物的种群密度
①探究原理
在被调查种群的分布范围内,随机选取若干个样方,通过计数每个样方内的个体数,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计值。
②制定计划
确定调查地点和范围→确定调查时间→讨论需要携带材料用具,列出清单→讨论小组成员分工
准备→确定调查对象→确定样方的多少、大小和取样方法→计数→计算种群密度
③实施计划
④注意事项
a.植物种群密度调查地点的选择。
调查地段的选择应当大小适中,面积过大费时费力,面积过小则失去调查意义,选取平坦、开阔、被调查种群分布比较均匀的地段。
b.根据调查对象划定调查地段的大小。
植物种群密度的调查对象可以是乔木、灌木和草本,调查乔木的种群密度时,地段应该划得大一些;调查草本植物的种群密度时,地段应该划得小一些;调查灌木时,调查地段的大小则应该介于二者之间。
如乔木的样方为100m2,灌木为16m2,草本为1m2。
c.教师对调查地段的植物种类要做到心中有数。
校园内进行调查,最好提前做好标牌,并将标牌挂在植株上。
d.调查植物种群密度时,对植物种类的选择。
调查乔木和双子叶草本植物比较容易,而调查一些丛生小灌木,丛生或蔓生的草本单子叶植物,从地上部分难以辨别一株还是多株,所以初学者选择双子叶草本植物调查。
e.调查时间。
取样调查的时间最好选择在植物生长旺盛的季节,这时进行调查便于学生识别植物。
f.计数原则。
若有正好长在边界线上的,应遵循“数上线不数下线,数左线不数右线的原则,如图4—21。
同种植物无论大小都应计数。
各小组计数都要如实,不能多报或少报。
注意:
图甲为方形样方,图乙为圆形样方,实心圈示统计或测量的个体,虚线表示圆形样方的直径。
g.分工合作,进行调查。
一人专门负责记录,其他同学负责取样、调查计数。
不同小组进行取样调查时,应选取不同的样方。
⑤调查误差分析。
对调查对象认识不准,统计偏差;样方的数目、大小不统一;调查地段种群分布不均匀;计数时对各生长期的个体统计不全。
⑥调查记录样表及计算公式(表4—1)
样方
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
种群密度(株/m2)
3
4
7
15
2
4
9
8
某植物种群密度=所有样方内种群密度合计/样方数
答案:
6.5株/m2
1.2标志重捕法
(1)概念:
在被调查动物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(标志个体与未标志个体重新充分混合分布)后,进行重捕,据重捕动物中标记个体数占总个体数的比例,来估计种群密度。
(2)前提条件:
标志个体与未标志个体在重捕时被捕的概率相等。
在调查期内没有新的出生和死亡,没有迁入和迁出。
(3)适用范围:
活动能力强和范围大的动物如哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类和昆虫等动物。
(4)注意事项:
①标志不能过分醒目。
②标志物和标志方法必须对动物的身体不会产生对于寿命和行为的伤害。
③标志符号必须能够维持一定的时间,在调查研究期间不能消失。
(5)计算公式
2.出生率和死亡率
1概念:
出生率种群单位数量的个体在单位时间内新产生的个体数目。
死亡率种群单位数量的个体在单位时间内死亡的个体数目。
②意义:
决定种群大小和密度。
3.年龄组成
①概念:
一个种群中各年龄期的个体数目的比例。
②类型:
(表4—2)
类型
图例
年龄比例
出生率与死亡率大小
种群密度变化
增长型
年幼个体大于年老个体数
出生率大于死亡率
增大
稳定型
各年龄期个体比例适中
出生率等于死亡率
稳定
衰退型
年幼个体小于年老个体数
出生率小于死亡率
减小
③意义:
预测未来种群动态变化。
4.性别比例
①概念:
种群中雌雄个体数目的比例。
②类型:
一雌一雄、一雄多雌、一雌多雄。
③意义:
直接影响出生率,间接影响种群密度。
5.迁入迁出
①概念:
单位时间内迁入和迁出的个体,占该种群个体总数的比例。
②意义:
直接影响种群的数量变动,如城市人口的变化。
6.存活曲线
①概念:
反映种群个体在各年龄段的存活状况的曲线,存活
曲线以相对年龄为横坐标,以个体存活数为纵坐标,分为三种类型,
如图4—22
②类型:
Ⅰ型:
曲线凸型,接近生理寿命前只有少数个体死亡早期死亡率极低,
但当达到一定生理年龄时,短期内几乎全部死亡。
如大型兽类、人类。
Ⅱ型:
曲线对角线,各年龄期死亡率相等。
如鸟类。
Ⅲ型:
曲线凹型,幼年期死亡率很高如藤壶。
7.种群特征间的相互关系
8.种群的空间特征
①概念:
组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或布局。
②类型:
(表4—3)
项目
类型
特点
原因
模式图
实例
均匀分布
种群内的各个体的分布是等距离的。
种群个体间的激烈竞争引起。
浮游植物、森林乔木、面粉中的黄粉虫等。
随机分布
种群内每个个体在任一空间的分布概率相等。
环境资源分布均匀一致、种群个体间互不作用引起。
森林中的无脊椎动物等。
集群分布
种群的个体集中在特定的几个点上。
环境资源分布不均匀;植物传播种子以母株为扩散中心;动物的社会行为使其结合成群。
自然界中生物多为集群分布。
③意义:
了解空间分布格局对于选择种群密度的统计方法有重要意义。
9.建构种群增长模型的方法
①数学模型:
数学模型是用来描述一个系统或它的性质的数学形式。
②实例:
(以细菌为例)(表4—4)
研究方法
研究实例
提出问题
观察研究对象,提出问题
细菌每20min分裂一次
模型假设
提出合理的假设
在资源和空间无限的环境中,细菌的种群增长不会受密度影响。
建立模型
根据实验数据,用适当的数学形式对事物的性质进行表达
Nn=2nN代表细菌数量,n表示第几代。
修正检验
通过进一步实验或观察等,对模型进行检验或修正。
观察、统计细菌数量,对自己所建立的模型进行检验或修正。
数学模型
10.种群数量增长的数学模型(表4—5)
项目
J型曲线
S型曲线
条件
无限环境理想条件
有限环境自然条件
模型假设
①食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害等。
增长率不随种群密度的变化而变化。
②没有迁入迁出、没有年龄结构。
①有一个环境条件所允许的种群数量的最大环境容纳量K值,种群数量达到K时,种群将不再增长,瞬时增长率dN/dt为0)。
②环境条件对种群增长的阻滞作用,随着种群密度的增加而逐渐地按比例地增加。
建立模型
Nt=NOλt
参数含义:
NO为该种群的起始数量
t为时间
Nt表示t年后该种群的数量
λ表示该种群数量是一年前种群数量的倍数(周限增长率)
dN/dt=rN(1-N/K)(不作要求)
参数含义:
dN/dt是在某一时间、某一种群数量条件下的瞬时增长率
r为种群的最大增长潜力
K为环境的容纳量
N为某一时间的种群数量
数学模型
种群增长率
λ>1不变
λ≥1可变
说明:
①周限增长率与瞬时增长率
周限增长率λ具有开始结束时间,为隔一恒定时间后的种群数量与开始时种群数量的比率,好象银行存款一年后的本利和与本金之比,当把周限缩小到一月、一日……直到最小值一瞬间,那么本利将连续不断地增长,即为瞬时增长率,也就是某一段时间内增加的个体数与时间的比值(dN/dt),从坐标图上表示某种群瞬时增长率的大小,可用此时间内对应的曲线的斜率来表示,斜率大则瞬时增长率大。
②环境容纳量(K值)
在环境条件不受破坏的情况下,一定空间中所能维持的种群最大数量称为环境容纳量,又称K值。
③指数式增长
不受资源和空间的限制,种群的数量往往会连续增长。
以某种动物为例,假定种群的数量为N0,年增长率为λ,该种群每年的增长速率都保持不变,那么:
一年后该种群的数量应为:
N1=N0·λ
二年后该种群的数量为:
N2=N1·λ=N0·λ2
t年后该种群的数量应为:
Nt=N0·λt
据此方程绘出的曲线为“J”形。
种群的指数式增长模式在理论上是存在的,但在自然生态系统中几乎是不可能存在的,因为资源、空间和食物不可能是无限的,即使在实验条件下也无法做到。
④逻辑斯谛增长
当种群在一个有限的环境中增长时,随着种群密度的上升,个体间对有限空间、食物和其他生活条件的种内斗争必将加剧,以该种群为食的捕食者的数量也会增加,这就会使种群的出生率降低,死亡率增高,从而使种群数量的增长率下降。
种群在有限环境下的连续增长的一种最简单的形式就是逻辑斯谛增长。
种群中每增加一个个体利用了1/K的空间,若种群中有N个个体,就利用了N/K的空间,而可供种群继续增长的空间就只有(1-N/K)了。
这样,种群的逻辑斯谛增长方程为:
dN/dt=rN(1-N/K);对于方程中的1-N/K可作如下分析:
如果种群数量N接近0,那么1-N/K就接近1,种群增长就接近指数增长;如果N接近K,那么1-N/K就接近0,dN/dt就接近0,这意味着种群增长的空间已经极小。
按此方程绘出的曲线成“S”形。
在N=1/2K时,“S”形曲线有一个拐点A。
即由快速增长转入减速增长。
逻辑斯谛增长曲线(S型曲线)可分为五个时期:
a潜伏期——个体少,增长慢。
b加速期——个体增加,增长快。
c转折期——个体数达到K/2,增长速度最快。
d减速期——个体数超过K/2,增长速度减慢。
e饱和期——种群个体达到K值而饱和。
在对野生动植物资源的合理开发和利用方面,一般将种群的数量控制在环境容纳量的一半,即1/2K值,此时种群增长速度最快,可提供的资源数量也最多,而又不影响资源的再生。
当种群数量大于1/2K时,种群增长的速度将开始下降。
所以在开发动植物资源时,种群数量大于1/2K时就可以猎取一定数量的该生物资源,而且获得的量最大,当过度猎取导致种群数量小于1/2K时,种群的增长速度将减慢,获取的资源数量将减少,而且还会影响资源的再生。
种群的指数增长和逻辑斯谛增长,只能代表两种典型情况,自然界的情况是非常复杂的,,实际增长的类型是很多的。
有的增长曲线接近“J”型,有的增长曲线接近于“S”型,还有许多中间过渡类型。
种群经过逻辑斯谛增长后,种群数量稳定在K值不变,这在自然种群的研究中还没有充分的证据。
相反,有证据表明在外界条件稳定的条件下,种群数量在达到K值后仍有变动。
自然种群的数量是经常处在变动之中的,有的是不规则波动,有的是周期性波动。
11.种群数量的波动与下降
①波动的原因:
气候因子、竞争、捕食、寄生、营养、疾病等。
②周期性波动:
原因较复杂,捕食和食物是影响因素之一。
一般捕食种群数量达到高峰和低峰的时间总比资源种群(猎物者)晚,这种差异是由资源种群对捕食者影响的时滞效应所致。
③K对策:
气候条件稳定的系统中,物种的数量接近环境的最大负载量K。
个体大,寿命长,死亡率低,生殖力弱,亲代对子代有较好的保护,因此,K对策的生物竞争力较强,但r值低,因而,遭破坏后返回平衡水平的时间长而易走向灭绝。
④r对策:
气候条件多变的系统中,物种密度常处于增长状态,具有高增长率(r)。
个体小,寿命短,死亡率高,生殖时间早且生长率高,发育快。
死亡的主要原因是环境的变化。
12.探究培养液中酵母菌种群数量的变化
(1)血球计数板计数法
①血球计数板
血球计数板是由一块厚玻片特制而成,其中央有两个计数室。
每个计数室划分出9个大方格(见图4—23C),每格面积1mm2,加盖玻片后的深度为0.1mm。
因此,每大方格容积为0.1mm3。
另外,中央大方格以双线等分为25个中方格(见图4—23D)。
每个中方格又分16个小方格,供细胞计数用。
②计数公式
在计数时,通常数五个中方格的总菌数,然后求得每个中方格的平均值乘以25,就得出一个大方格中的总菌数,然后再换算成1ml菌液中的总菌数。
.设五个中方格中总菌数为A,菌液稀释倍数为B,则0.1mm3中的总菌数为(A/5)×25×B
已知:
1ml=1cm3=1000mm3
1ml菌液的总菌数=(A/5)×25×10000×B=50000A·B
③器材酿酒酵母菌悬液血球计数板显微镜盖玻片无菌毛细管
④方法
a.视待测菌悬液浓度,加无菌水适当稀释,以每小格的菌数可数为度。
b.取洁净的血球计数板一块,在计数区上盖上一块盖玻片。
c.将酵母菌悬液摇匀,用滴管吸取少许,从计数板中间平台两侧的沟槽内沿盖玻片的下边缘摘入一小滴(不宜过多),让菌悬液利用液体的表面张力充满计数区,勿使气泡产生,并用吸水纸吸去沟槽中流出的多余菌悬液。
也可以将菌悬液直接滴加在计数区上,不要使计数区两边平台沾上菌悬液,以免加盖盖玻片后,造成计数区深度的升高。
然后加盖盖玻片(勿使产生气泡)。
d.静置片刻,将血球计数板置载物台上夹稳,先在低倍镜下找到计数区后,再转换高倍镜观察并计数。
由于生活细胞的折光率和水的折光率相近,观察时应减弱光照的强度。
e.一般选取计数室内四个角及中央五个中方格计数,若细胞位于小方格的线上,应遵循“数上线不数下线,数左线不数右线”的原则,以减少误差。
f.对于出芽的酵母菌,芽体达到母细胞大小一半时,即可作为两个菌体计算。
每个样品计数应重复3次(每次数值不应相差过大,否则应重新操作),取其平均值,求出每一个小格中细胞平均数(N),按公式计算出每ml菌悬液所含酵母菌细胞数量。
g.测数完毕,取下盖玻片,用水将血球计数板冲洗干净,切勿用硬物洗刷或抹擦,以免损坏网格刻度。
洗净后自行晾干或用吹风机吹干,放入盒内保存。
(2)实验结果记录表(表4—6)
天数
次数
第一天
第二天
第三天
第四天
第五天
第六天
第七天
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
每个大方格菌数
1
2
3
4
5
稀释倍数
平均值
总均值
(3)探究过程
①提出问题:
培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的?
②作出假设:
接种到培养液中的酵母菌,适应新环境,开始数量增长缓慢,一段时间后种群数量呈对数上升,随着种群密度增大,营养物的耗尽、有害代谢产物的积累、pH变化,种内斗争加剧,种群数量达环境容纳量,活菌数最大,营养物质过度消耗,有害代谢产物大量积累、pH剧烈变化,出生率远远小于死亡率,种群密度显著下降。
③探究思路:
如何计数取样液→是否设置对照和重复实验→记录表设计→菌液是否稀释→计数规则
④制定计划:
写探究方案,确定方法步骤,小组分工,汇报方案。
⑤实施计划:
用显微镜计数,估算10ml酵母菌的初始种群数N0,然后连续观察七天,记录每天的数值。
⑥分析结果:
进行数形转换,以时间为横坐标,酵母菌数量为纵坐标,画出坐标曲线图,分析曲线走向,揭示酵母菌种群数量变化规律。
⑦得出结论:
酵母种群数量呈“S”型增长。
⑧交流表达:
汇报各小组实验数据,比较各小组种群增长曲线,找出相似性与差异性;并将全班各小组每天数据重算平均值,画出曲线图,再与各小组曲线比较,确定酵母菌种群增长总趋势。
(4)影响酵母菌增长的因素pH、溶氧、温度。
13.群落结构
(1)群落概念:
同一时间内聚集在一定区域中各种生物种群的集合。
(2)群落特征:
①物种丰富度:
群落中物种数目的多少,是群落的首要特征。
②优势种:
群落中优势度大的物种,决定着群落结构和群落环境的主要特征,其中主要层中的优势种决定群落的内部结构和特殊环境称为建群种,群落中优势度较小的物种称为附属种。
群落中的优势种会发生更替,如针、阔叶林混交,对马尾松和山毛榉的存有量逐年统计,并把马尾松存有量与山毛榉存有量的比值记作Y,a、d年份的优势种分别是马尾松和山毛榉。
(如图4—24A)
捕食者喜食的是竞争中的优势种会增加物种多样性,而捕食竞争中的劣势种,则会降低物种多样性。
如潮间带中常见的滨螺是捕食者,吃很多藻类,尤其喜食小型藻类。
图4—24B为藻类种数与滨螺密度的关系,滨螺在中等密度时,藻类多样性程度最高。
(3)群落的种间关系(表4—7)
类型
曲线图例
箭头图例
种间关系
互利
共生
两种生物生活在一起,彼此有利,相互依存,如地衣、根瘤、白蚁与鞭毛虫等。
捕食
捕食者种群的数量和猎物者种群的数量呈周期性的波动,且捕食者数量高峰变动滞后于猎物者。
竞争
C代表共同的生活条件,结局有三,一是两种群个体间形成平衡;二是A取代B;三是二者在空间、食性、活动时间上产生生态位的分离。
寄生
寄生种群A得利,宿主种群B有害,寄生物一般比宿主小如蛔虫与人。
(4)生态位及边缘效应
①概念
每个种群与群落其它种群在时间和空间上的相对位置及机能关系。
包括对群落中各种生态因子适应幅度总和及同其他生物之间相互关系的总和。
②生态位重叠与分离
当多个种群利用同一资源或共同占有其他环境变量时,就会出现生态位重叠现象,生态位重叠程度与竞争强度成正比,如完全重叠就会使两个物种无法共存,发生竞争排除作用,即一个物种迟早会被另一个物种排除,或者生态分离,即生活在同一群落内的每一个物种的生态位都同其他物种的生态位明显分开。
如图4—25所示3个共存物种的资源利用曲线,图A和图B中3个物种的资源利用状况不同,图A中3个物种的生态位狭,种内斗争激烈,图B中3个物种的生态位重叠程度大,种间竞争激烈。
③边缘效应
群落交错区是两个或多个群落之间的过渡区域,群落交错区种的数目及一些种的密度有增大的趋势,称为边缘效应,在群落交错区,一般既有两个群落的物种,也有特有种(边缘种)。
(4)群落空间结构
①垂直结构
植物群落的垂直结构表现垂直方向上的分层性。
森林的地上成层结构一般分为乔木层、灌木层、草本层和苔藓—地衣层;草本群落地上部分一般分为上(高草层)、中(中草层)和下(矮草层)三层;水生群落的层次性主要是由光的穿透性、温度和氧气的垂直分布决定的。
夏天,一个层次性较好的湖泊自上而下可以分为表水层(水的循环性比较强)、斜温层(湖水温度变化比较大)、静水层(水的密度最大,水温大约4℃)和底泥层等四层见图4—26。
表水层是浮游植物活动的主要场所,光合作用也主要在这里进行。
动物、植物残体的腐败和分解过程主要发生在底泥层。
群落的层次性越明显,分层越多,群落中的动物种类也越多。
草原的层次比较少,动物的种类也比较少;森林的层次比较多,动物的种类也比较多。
在水生群落中,生物的分布和活动性在很大程度上是由光、温度和含氧量的垂直分布所决定的,
②水平结构
在水平方向上由于光照强度地形明暗湿度等因素的影响,不同地段上分布着不同的生物种群。
群落内水平的二维空间中生态因子常常不均匀,如林冠光照的不均匀性,造成下层植物不均匀,光照强处生长阳生植物,光照弱处生长阴生植物,几乎全部郁闭的树冠下,很少有草本植物。
14.土壤动物种群丰富度的探究
(1)丰富度调查方法——取样器采集调查
用采集罐、吸虫器等取样,调查样土中小动物的种类、数量来推测某一区域内土壤动物的丰富度。
(2)丰富度的统计方法
①记名计算法:
在一定的面积的样地中,直接数出各种群的个体数。
适于个体较大数量有限的种群。
②目测估计法:
运用多度等级估计单位面积上个体数量的多少。
等级的划分的各表示方法有非常多、多、较多、较少、少、很少等。
(3)确定探究问题——调查池塘边土壤中小动物种群的丰富度
(4)制定探究计划(表4—8)
步骤
时间
地点
内容
方法
备注
第一步
2005年×月×日
校池塘
环境考察
观察与测量
带温度计、干湿计、记录本
第二步
2005年×月×日
实验室
制作取样器
见书
直径5cm易拉罐、剪切工具
第三步
2005年×
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