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1、生物多样性理论与实践Principle and Practice of Biodiversity,授课教师 徐正会,本课程讲授以下章节：,第一章 生物多样性的概念与层次第二章 生物多样性的价值第三章 生物多样性的形成与演化第四章 生物多样性的丧失第五章 外来物种对生物多样性的影响第六章 遗传多样性的扩展与安全第七章 生物多样性的现状第八章 生物多样性的保护,建议教材：田兴军主编，2005，生物多样性及其保护生物学，化学工业出版社，311页。,参考书目：中国科学院生物多样性委员会，1992，生物多样性译丛（一），中国科学技术出版社，272页。世界资源研究所等，1992，全球生物多样性策略，中国标
2、准出版社，177页。陈灵芝主编，1993，中国的生物多样性现状及其保护对策，科学出版社，243页。中国科学院生物多样性委员会，1994，生物多样性研究的原理与方法，中国科学技术出版社，237页。,王献溥,刘玉凯，1994，生物多样性的理论与实践，中国环境科学出版社，257页。胡志昂，张亚平主编，1997，中国动植物的遗传多样性，浙江科学技术出版社，198页。季维智，宿兵主编，1999，遗传多样性研究的原理与方法，浙江科学技术出版社，218页。Primack,R.，季维智主编，2000，保护生物学基础，中国林业出版社，267页。Krishnamurthy,K.V.著，张正旺主译，2006，生物多
3、样性教程，化学工业出版社，225页。,第一章 生物多样性的概念与层次,1 什么是生物多样性Biodiversity？,1.1 生物多样性的概念1987年联合国环境规划署正式引用“生物多样性Biodiversity”这一概念。1995年联合国环境规划署发表了全球生物多样性评估，并将生物多样性作了定义：生物多样性是所有生物物种、种内遗传变异和它们与生存环境构成的生态系统的总和。,简单来说，生物多样性是一个地区内基因、物种和生态系统多样性的总和。包括所有植物、动物、微生物的物种；包括生物圈的各类生态系统及其形成过程；包括各类生物物种基因的数量和频率。,生物多样性分为3个层次：遗传多样性物种多样性生态
4、系统多样性,1.2 生物多样性的研究历史概况,生物多样性概念最初由Fisher和Williams（1943）在研究昆虫物种多度关系时提出；Preston（1948）在研究鸟类群落相对多度时，提出了对数正态分布模型；MacArthur（1957）提出了鸟类物种多度分布的分割线段模型；Whittker（1972）在研究植物群落演替过程时提出了生态位有限占领假说；,20世纪80年代以前，生物多样性的概念更多局限于群落的组织水平；20世纪80年代中后期，生物多样性逐渐成为生态学、保护生物学，乃至整个生物学领域的重要概念，成为人们关注和研究的热点。,1.3 生物多样性的研究领域,包括5个核心领域和4个交
5、叉领域。,5 个核心领域：生物多样性的起源、维持和丧失的机理；生物多样性的生态系统功能；生物多样性的编目和分类；生物多样性的评价和监测；生物多样性的保存和恢复。,4 个交叉领域：人类活动对生物多样性的影响；土壤及沉积物的生物多样性；海洋生物多样性；微生物多样性。,2 遗传多样性genetic diversity,2.1 遗传多样性的概念遗传多样性是指种内基因的变化。遗传多样性是遗传信息的总和，蕴藏在地球上植物、动物和微生物个体的基因中。广义的遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和。,狭义的遗传多样性指生物种内不同群体或同一群体内不同个体遗传变异的总和。这包括了同种的显著不同的种群（
6、如水稻有几千个品种）或同一种群内的遗传变异（如印度犀牛有很多变异，而猎豹则很少）。所有的遗传多样性都发生在分子水平。自然界中存在的变异源于突变的积累，在自然选择作用下，一些中性突变通过随机过程整合到基因组中，形成了丰富的遗传多样性。,遗传多样性具有重要的理论和实践意义：首先，遗传多样性是长期进化的产物，是物种生存适应和发展进化的前提；其次，遗传多样性是保护生物学研究的核心内容；第三，遗传多样性是生物学各分支学科重要的背景资料。,2.2 遗传多样性的研究方法,检测遗传多样性的方法随着生物学、遗传学和分子生物学的发展而不断完善，包括下列各种方法：,2.2.1 形态学方法：依据形态学或表型性状来检测
7、遗传变异是古老而简便的方法；2.2.2 核型分析方法：染色体水平上的分析方法，20世纪中后期应用较多，包括染色体数目、形态特征、染色体带纹（C带、Q带、G带、R带、T带等）；,2.2.3 同工酶分析方法：据报道，乳酸脱氢酶在不同组织、不同个体以及不同种内以不同的形式存在，这就导致了同工酶isozyme概念的产生；2.2.4 分子分析方法：DNA是遗传物质的载体，遗传信息反映在DNA的碱基排列顺序上。直接对DNA碱基序列进行分析和比较是揭示遗传多样性最理想的方法。,分子标记方法包括以下具体方法：（1）限制性片段长度多态性技（RFLP）（2）聚合酶链式反应（PCR）（3）随机扩增多态性技术（RAP
8、D）（4）DNA扩增指纹分析（DAF）,（5）任意引物PCR技术（AP-PCR）（6）特定序列位点标记技术（STS）（7）扩增片段长度多态性技术（AFLP）,3 物种多样性species diversity,3.1 物种多样性的概念 物种多样性是指一个地区物种的变化。物种多样性是指生命有机体动物、植物、微生物等物种的多样性。,物种多样性是生物多样性最直观的体现，是生物多样性概念的核心。物种多样性是指地球上生物有机体的复杂多样性，估计大约有5005000万种，已经记述的仅有140万种。,3.2 物种多样性的研究方法,（1）样方法：是物种多样性调查中最常用的方法，以一定面积的样地作为整个研究区域的
9、代表，详细调查这个面积中动物、植物或微生物的种类、个体数目。,（2）样带法：采用一个长方形的条状样地来代表群落种类分布的调查方法。（3）路线调查法（4）陷阱法,3.3 物种多样性的主要指标,3.3.1 物种丰富度：指群落内的物种数目。一般用物种密度（单位面积的物种数目）和数量丰度（一定数量个体或一定生物量中的物种数目）来测定。3.3.2 物种相对多度：指物种对群落总多度的贡献大小。,3.3.3 Simpson优势度指数,式中：Pi=Ni/N，Ni是第i个物种的个体数，N是S个物种的个体总数。,3.3.4 Shannon-Wiener多样性指数,式中：Pi=Ni/N，Ni是第i个物种的个体数，N
10、是S个物种的个体总数。,3.3.5 Pielou均匀度指数,E=H/lnS 式中：H是Shannon-Wiener多样性指数，S是物种数目。,3.3.6 Jaccard群落相似性系数,q=c/(a+b-c）式中：c为两个群落的共同物种数，a 和 b分别为群落A和群落B 的物种数。根据Jaccard 相似性原理，当q值为 0.000.25时为极不相似，当q值为0.250.50时为中等不相似，当q值为0.500.75时为中等相似，当q值为0.751.00时为极相似。,3.3 地球的物种多样性,（1）病毒：估计地球上生存的病毒在4050万种之间，已知45千种。（2）细菌：估计全球有40万种，已经记载
11、约4千种。（3）真菌和地衣：估计全球的真菌有150万种，地衣有2.5万种。目前已知真菌7万种，已知地衣1.7万种。（4）藻类：估计全球有36万种，已经记载4万种。,（5）苔藓：估计全球有3万种，已经记载1.6万种。（6）蕨类：估计全球有1.5万种。（7）裸子植物：全球已经记载750种。（8）被子植物：估计全球有30万种，已经记载25万种。,西双版纳不同植被亚型雨季和旱季蚂蚁物种数目比较,植被亚型 雨季 旱季半常绿季雨林 61 45山地雨林 52 32季节性雨林 50 28季风常绿阔叶林 48 30热性竹林 42 33,植被亚型 雨季 旱季落叶季雨林 41 30暖热性松林 33 33轮休旱地 3
12、3 31石灰岩季雨林 33 17禾草草丛 32 19,植被亚型 雨季 旱季暖温性落叶阔叶林 31 21橡胶林 28 25苔藓常绿阔叶林 18 19茶园 10 3,4 生态系统多样性 ecosystem diversity,生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样性。生境又称栖息地，主要指无机环境，包括地貌、气候、土壤、水文等，生境的多样性是生物多样性形成的基本条件。,生态系统使营养物质从生产、消费到分解得以循环，营养物质包括水、氧、甲烷、二氧化碳、硫、氮、碳及其它所有化学物质。景观多样性landscape diversity属于生态系统多样性的范畴，是生态系统多样性更高的等级单
13、位。,4.1 生态系统的组成,生态系统由生境和生物群落两个部分组成。生境是非生物部分，指无生命的无机环境，包括土壤、岩石、砂砾、水分、阳光、空气等理化因素，这些因素构成生物生长、发育、繁衍、活动的空间环境，提供了生物新陈代谢的物质和能量。,有生命的各种生物物种通过物质和能量的传递而相互依存，组合成各类生物群落。依据它们取得物质和能量的方式，以及它们在物质和能量循环中所发挥的作用，可以分为3大类：,第一类是具有光合作用能力，自养型的绿色植物和具有化能合成能力的细菌，称为生产者；,第二类是异养型的草食动物和肉食动物，称为消费者；,第三类是异养型的微生物、某些原生动物和一些小型土壤动物，它们专门分解
14、植物和动物的尸体，称为分解者或还原者。,4.2 生态系统的主要类型,生态系统是一个富有弹性的概念，任何生物群落与其环境组成的自然体均可称为生态系统。一块草地，一片森林是生态系统；一片沙漠，一个水池也是生态系统。,小的生态系统组成大的生态系统，简单的生态系统构成复杂的生态系统。因此，生态系统具有丰富的层次性。生物圈本身就是一个巨大无比而又及其精密的生态系统。,地球上的主要生态系统包括以下主要类型：,（1）森林生态系统：有森林覆盖的生态系统。包括针叶林、针阔混交林、阔叶林等。针叶林包括寒带针叶林、温带针叶林、亚热带针叶林、热带针叶林等。阔叶林包括落叶阔叶林、常绿阔叶林、热带季雨林、热带雨林等。,（
15、2）草原生态系统：由多年生旱生草本植物为主体构成的生态系统。,（3）荒漠生态系统：发育在降水稀少、蒸发强烈、极端干旱生境下的植物稀疏的生态系统。包括沙漠、戈壁、干热河谷等。,（4）沼泽生态系统：在多水和过湿条件下形成的以沼生植物占优势的生态系统。,（5）淡水生态系统：以淡水为主体形成的生态系统。包括河流、湖泊两大类。,（6）红树林生态系统：以红树科植物为主体，在热带海岸潮滩上形成的生态系统。范围有限，但价值很大。,（7）珊瑚礁生态系统：在热带和亚热带海域，以石珊瑚类骸骨为主体形成的生态系统。,（8）海洋生态系统：以咸水海洋为主体形成的生态系统。在地球上范围最大，面积最广。,4.3 生态系统多样
16、性的主要研究内容,包括下列主要问题：（1）生物群落或生态系统的关键种：如果某些生物的活动能决定其所在生态系统的结构与动态，这些生物就被称为关键种。,（2）生物多样性关键地区：不同生态系统对全球生物多样性的贡献和价值是不尽相同的。判断关键地区的标准也不单是物种多样性水平，应当在不同地理带中具有代表性，还应该包括那些具有较大进化潜力的地区。,（3）生态系统持续性：主要研究人类干扰对生物群落组成的影响，人为过度利用或关键种灭绝对生态系统结构和生态过程的影响，具有不同系统发育的生态系统对人类干扰的敏感程度等。,（4）恢复受害生态系统的生态学研究：即恢复生态学，主要内容包括生态系统退化性演替，植被的重建及其影响因素等。,（5）生态系统多样性保护策略与保护途径：这是生态系统多样性保护的应用性课题。在开展上述基础研究工作的同时，需要依据现有的知识、经验和初步的基础研究结果，积极开展保护策略与途经的研究与探索，以便适应保护生态系统的迫切需要。,4.4 景观水平上的生态系统保护,主要包括以下方面：（1）建立绝对保护的栖息地核心区（2）建立缓冲带（3）在栖息地之间建立廊道（4）增加景观的异质性（5）在关键部位引入或恢复乡土景观斑块,
