1、种群的数量特征教学建议及补充资料一教学建议本节教学建议安排 2 课时，第 1 课时完成“种群的数量特征”理论部分的学习，第 2 课时完成“调查草地中某种双子叶植物的种群密度”的探究活动。（一）创设真实问题情境，明确本节学习的内容和意义策略一利用教材中的 “问题探讨” 导入新课， 提出本节教学的主要内容。本节的“问题探讨”以章引言提到的东北豹种群数量现状作为情境素材，提出了两个问题让学生进行讨论。在学生讨论得出初步结论后，可以进一步利用情境素材，设置以下两个问题，引出本节学习的内容和意义。（1）像东北豹如此强壮的捕猎能手，为什么会濒危呢？而鼠、蝗虫的数量为什么却很难控制呢？（2）东北豹的种群数量
2、可以通过长期的野外观测获得，那么一片农田中的水稻或蝗虫的种群数量又是通过什么方法获得的策略二通过对本地某种生物的种群数量特征的调查研究引入新课。 教师可提前带领兴趣小组的学生调查本地某种生物的种群数量特征，形成研究报告。在教学时以此作为情境贯穿本节的课堂教学，引导学生完成对种群数量特征和调查种群密度的方法的学习。（二）设计模拟实验，突破“利用样方法和标记重捕法调查种群密度”的教学难点利用样方法和标记重捕法调查种群密度是本节教学中的难点之一。 为了使学生深入掌握这两种抽样调查方法，教师可尝试利用模拟实验帮助学生更好地理解这两种调查方法的操作要领。样方法的模拟实验 教师先在 A4 纸上打印出若干小
3、点， 再以此为调查对象进行模拟实验。可提出如下问题让学生思考：在何处取样？合适的样方应取多大？需要多少个样方？对样方边线上的点，应当如何计数？通过教师的引导，学生经交流和讨论后形成比较一致的答案，然后依据相关原则设计方案进行模拟实验；实验完成后，统计、汇总、比较各组的数据。教师可继续提出问题让学生思考。例如，为什么各组数据之间存在差异？怎样减少误差？样方法适用于估算哪些生物的种群密度？标记重捕法的模拟实验 利用黑白围棋子（或红豆、绿豆等材料）和黑色塑料袋进行模拟实验。在实验过程中，教师可以适时提问：为什么要晃动塑料袋？如果被标记的动物放回后大量死亡，调查结果与真实数值相比，偏大还是偏小？怎样减
4、少误差？以问题促进学生对标记重捕法的理解。另外，教师应强调使用标记重捕法的注意事项。例如，标记不能过分醒目；标记物和标记方法对动物没有伤害；尽可能多地捕获和标记动物以减少误差；标记符号必须能够维持一定的时间；两次捕获期间，种群内未出现大量个体的出生或死亡、大规模的迁入或迁出；等等。（三）引导学生制作概念图，明辨种群各个数量特征之间的关系本节概念多，概念之间存在很强的内在联系。教师可以引导学生列出关键概念，并根据自己的理解绘制概念图，促进学生将所学知识结构化。（四）组织探究实践，提高探究与实践能力“调查草地中某种双子叶植物的种群密度” 是高中生物学课程中为数不多的实地调查活动既是本节的重要教学内
5、容，也是难点。教材在活动中并未提供具体的实验步骤，教师可指导学生结合本地实际情况确定调查方案。在调查前，需要提前做好准备工作。例如，鉴定样地内的植物种类；强调野外调查的注意事项；将学生进行分组，并指导学生提前制订好调查计划；根据样方的特点，确定取样地点、样方数量、样方大小，并设计好记录表格等。在调查中，要强调小组成员间要注意分工协作，确保按时完成调查任务。在调查后，要求学生及时汇总调查结果，进行数据分析，完成调查报告，并组织交流和讨论。二补充资料（一）种群密度的调查方法种群密度是指种群在单位面积（或体积）中的个体数，它是一个随环境条件和调查时间而变化的变量。调查所得的种群密度为特定时间和特定空
6、间的密度，它反映了生物与环境的相互关系。密度可分为绝对密度（absolutedensity）和相对密度（relativedensity）两种。绝对密度是指种群在单位面积（或体积）中的个体数。相对密度是指在一定空间范围内，某一物种的个体数占全部物种个体数的百分比，它只是衡量种群数量多少的相对指标。种群的绝对密度可用公式 d-NIS（d 为密度，N 为样地内某个种群的个体数量，S 为样地面积）来计算。样方法和标记重捕法是调查种群密度（绝对密度）常用的方法。1，样方法（quadratmethod）样方法的具体操作方法有多种， 依生物种类、 具体环境不同而有所不同。样方的面积有大有小，样方形状也有正方
7、形、长方形、圆形、条带状等多种，但是各种方法的原理却是相同的。首先，在要调查的地区，确定一个或数个范围相对较大的区域作为样地；再在样地中随机选取若干个样方；其次，计数各样方中某种生物的全部个体数量；最后，计算全部样方中某种生物个体数量的平均数，通过数理统计，对种群总体数量进行估计。假设随机抽取样方 n 个，每个样方的生物个体数为 X1，X2，X3，.，Xn，则样方内生物个体数的平均数 X=Xn/n；接着，计算标准差 SD 和标准误差SE 标准差表示每个变量 Xn离开平均数的范围，即变异范围，SD2=（Xn-X）2/（n-1）标准误差是指样本平均数与总体平均数估计值的差异范围， SE2=SD2/
8、n有了 SE 以后，就能够计算出样本平均数作为总体平均数的估计值的可信程度。在 95%可置信条件下，总体平均数估计值=Xt0.05，dfSE；同样的，在 99%可置信条件下，=Xt0.01，dfSE，当 df 30（df=n-1），查表可得 t0.051.96，t0.012.58，由此可以对总体数量进行估计。2，标记重捕法（mark-recapturemethod）标记重捕法是指在某个调查区域内， 捕捉某种生物一部分个体进行标记，然后放回，经过一段适当时期（标记个体与未标记个体重新充分混合分布后），再进行重捕；根据重捕样本中标记个体的比例，估计该区域中该生物的种群数量。这种方法一般适用于哺乳类
9、、鸟类、鱼类、昆虫和腹足类等动物种群数量的绝对估计。假定在调查区域中， 捕获 M 个个体进行标记， 然后放回原来的自然环境，经过一段时间后进行重捕，重捕的个体数为 n，其中已标记的个体数为 m，根据总数 N 中标记比例与重捕取样中标记比例相等的原则，即 N：M=n：m，可得调查区域种群数量 N=Mn/m 。N 只是种群总数的估计值，因此，与样方法一样，必须测定该估计值的可置信程度。其中（SE/N）2=（N-M）（N-n）/Mn（N-1）。有了 SE 以后，就可以求得在 95%或 99%可置信条件下的种群总数估计值。（二）种群的数量特征之间的关系种群具有个体所不具备的总体特征，这些指标多为统计指
10、标，大体分为三类：（1）种群密度，它是种群最基本的数量特征；（2）初级种群参数，包括出生率、死亡率、迁入率和迁出率，其中出生和迁入是使种群数量增加的因素，死亡和迁出是使种群数量减少的因素；（3）次级种群参数，包括性别比例、年龄结构和种群增长率等。种群的数量是不断变化的，造成其变化的因素是多方面的，但从个体数量上的变动来看，则表现为由出生、死亡、迁入和迁出四个基本参数所决定。这样，种群在某个特定时间内的数量变化可以用下式表示：Nt+1=Nt+（B-D）+（1-E）（Nt是时间/时的种群数量，B，D、I、E 分别是出生、死亡、迁入、迁出的个体数，Nt+1是一段时期后、时间 t+1 时的种群数量，则
11、有出生率=B/Nt；死亡率=D/Nt；迁入率=l/Nt；迁出率=E/Nt）一个种群中不同年龄级的个体可分为幼年阶段、成年阶段和衰老阶段。各年龄级个体数量分布对出生率和死亡率有直接的影响。种群的年龄结构决定着种群数量的变化趋势。因此，研究种群的年龄结构有助于了解种群的发展趋势，预测种群的兴衰。种群的性别比例也影响着种群的出生率，因此也是影响种群数量变化的因素之一。（三）种群的空间特征概述组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或空间布局叫作种群的空间特征或分布型。种群的空间分布一般可概括为三种基本类型：随机分布、均匀分布和集群分布。随机分布（randomdistribution）指的是每个个体在种
12、群分布领域中各个点出现的机会是相等的，并且某一个体的存在不影响其他个体的分布。随机分布比较少见，只有在环境资源分布均匀一致、种群内个体间没有彼此吸引或排斥时才容易产生，如森林地被层中一些蜘蛛的分布和面粉中黄粉虫的分布，以种子繁殖的植物在自然散布于新的地区时也经常表现为随机分布。均匀分布（uniformdistribution）的特征是，种群的个体等距分布，或个体间保持一定的均匀的距离。均匀分布形成的原因主要是种群内个体之间的竞争。例如，森林中植物为竞争阳光（树冠）和土壤中营养（根际） ，沙漠中植物为竞争水分，都能导致均匀分布。虫害或种内竞争发生时也可造成种群个体的均匀分布。地形或土壤物理性状呈
13、均匀分布等客观因素或人为的作用，都能导致种群的均匀分布。均匀分布在自然种群中极其罕见，而人工栽培形成的种群（如农田、人工林），由于人为保持其株距和行距一定则常呈均匀分布。集群分布（clumpeddistribution）的特征是，种群个体的分布很不均匀，常成群、成簇、成块或成斑块地密集分布，各群的大小、群间的距离、群内个体的密度等都不相等，但各群大都是随机分布的。其形成原因包括：（1）环境资源分布不均匀，丰富与贫乏镶嵌；（2）植物传播种子的方式使其以母株为中心扩散；（3）动物的社会行为使其结合成群。集群分布是最广泛存在的一种分布格局，在大多数自然情况下，种群个体常是成群分布的，如放牧中的羊群，
14、培养基上微生物菌落的分布，另外，人类的分布也符合这一特性。（四）我国人口的年龄结构及人口老龄化的影响与应对人口老龄化是全球性的社会现象，我国也不例外。2000 年，我国 65 岁及以上人口比例达到 7.0%，0-14 岁人口比例为 22.9%，老年型年龄结构初步形成，我国开始步入老龄化社会。2018 年，我国 65 岁及以上人口比例达到 11.9%，0-14 岁人口比例降至 16.9%，人口老龄化程度持续加深。我国人口年龄结构已从稳定型转换为衰退型。人口老龄化是社会发展的重要趋势，是人类文明进步的体现，也是今后较长一段时期我国的基本国情。人口老龄化对经济、社会、文化乃至国家综合实力和国际竞争力
15、，都有深远影响。我们可以从以下几个方面辩证地看待人口老龄化的影响。1，劳动力数量下降，而人口素质逐步提升。2011 年我国劳动年龄人口达到峰值，此后开始下降，预计到 2035 年，我国劳动年龄人口将降至 8 亿人左右。劳动力绝对数量降低会给经济潜在增长率带来不利影响。人口老龄化也会对社会活力、创新动力有所影响。与此同时，我国劳动年龄人口平均受教育年限正在提高。随着预期寿命的延长，年龄相对较低的老年人也会补充劳动力市场。2，社会保障压力不断增大，而资本市场迎来发展机遇。随着人口老龄化的发展，某些省份的基本养老保险基金可能会出现收不抵支。但同时，人口老龄化也增加了人们对商业保险的需求。全国结余的基
16、本养老保险基金入市运作，客观上能推动资本市场的发展。3，公共服务压力不断增大，加速推进公共服务进步。随着老年人的增多，社会对养老服务和卫生服务的需求会大幅增长，对家政、康复、无障碍设施等公共服务也提出了新的要求。2019 年，中共中央、国务院印发了国家积极应对人口老龄化中长期规划。该文件从 5 个方面部署了应对人口老龄化的具体工作任务。一是夯实应对人口老龄化的社会财富储备。二是改善人口老龄化背景下的劳动力有效供给。三是打造高质量的为老服务和产品供给体系。四是强化应对人口老龄化的科技创新能力。五是构建养老、孝老、敬老的社会环境。注： 上述人口统计未包括香港、 澳门特别行政区和台湾地区的人口数量，
17、以及海外华侨的人数。（五）性别比例不是 1：1 的生物举例大多数动物种群的性别比例（性比）接近 1：1，有些种群以具有生殖能力的雌性个体为主，如轮虫、枝角类等可进行孤雌生殖的动物种群。还有一种情况是雄性多于雌性，常见于营社会生活的昆虫种群。同一种群中性比有可能随环境条件的改变而变化。例如，在很多爬行动物中，往往是卵的孵化温度决定后代的性别。就龟来说，低温会导致从卵中孵出雄龟，而较高的温度则会导致从卵中孵出雌龟。另外，有些动物有性转变的特点，例如，黄鳝幼年都是雌性，繁殖后多数转为雄性。在自然生物种群中，性比会随着年龄段变化而发生一定程度的变化。例如，大部分哺乳动物的种群（包括人类），在幼年个体中
18、雄性会多一些，而在老年个体中雌性会多一些。这是由于生理和行为上的差异导致雄性的寿命通常比雌性略短。对雌雄异株植物而言，可以用堆、雄个体的相对数表示性比。对两性花植物或雕雄同株植物而言，不存在性比，但也有学者采用花粉数和胚珠数的比值作为性比。雌雄异株植物的性比近于 1：1，但也常见偏离这一比例的现象。出现性比偏离，有的是花粉竞争引起的，但多数情况是由各种因素导致的死亡率不同造成的。例如，宽叶麦瓶草因雄性突变、性连锁致死因子等而导致雌株的死亡率与雄株的不同，进而造成雌性所占比例偏高。另外，在分析植物性比的偏离时也应注意性转变。（六）东北豹档案名称：学名为Pantherapardus orienta
19、lis，中文名为东北豹、远东豹。分类：隶属于脊椎动物门、哺乳纲、食肉目、猫科、豹属、豹种。东北豹是目前世界上确认的 9 个豹亚种之一。分布：20 世纪之前，东北豹广泛分布于亚洲东北部地区，包括中国东北的东部地区，以及毗邻的俄罗斯远东地区、朝鲜半岛。进入 20 世纪，由于人类活动的影响，东北豹的分布范围急剧缩减。到 20 世纪末和 21 世纪初，东北豹仅剩一个孤立的野生种群，分布于由中国吉林省东部、黑龙江省东南角，以及俄罗斯滨海边疆区西南地区组成的一个狭小的中俄跨境区域内，是世界上最濒危的大型猫科动物之一。东北豹距离灭绝仅一步之遥。栖息地和习性：东北豹主要栖息在温带针阔叶混交林中。东北豹是典型的
20、领地型动物，一只雄豹的领地通常与数只雌豹的领地重叠。除交配期外，成年个体通常独居。成年个体占领自己的领地后进行繁殖，每胎通常产 2-3只幼息。东北豹主要捕食中小体形的猎物，如梅花鹿、孢、野猪、兔、雉鸡以及其他小型食肉动物等几十个物种。保护等级：东北豹被中国政府列为国家一级重点保护野生动物；被中国濒危动物红皮书列为极度濒危（CR）；被世界自然保护联盟濒危物种红色名录列为极度濒危（CR）；被列入濒危野生动植物种国际贸易公约（CITES）附录 1。保护行动：俄罗斯联邦政府于 2012 年建立了豹地国家公园（LandofLeopard National Park）；中国政府于 2017 年开展东北虎豹
21、国家公园体制试点，并于 2020 年正式设立东北虎豹国家公园种群调查历史：东北豹的种群密度及动态，可以通过总数量调查（totalcount）和取样调查 sampling）等方法来测定。开展野外调查时，雪地踪迹追踪（snow track）、红外触发相机拍摄 camera trapping）等是常见的调查技术。1，雪地踪迹追踪调查（20 世纪 70 年代-20 世纪末）动物在雪地上会留下清晰的足迹，根据足迹的大小、形状，再结合相关行为，可以对动物个体进行鉴定。中国东北的冬季常年被雪覆盖，足迹会保留一段时间，比较容易被观察到（雪地中东北豹的足迹如图 1-1 所示）。但由于东北豹不同个体的足迹的大小和
22、形状的差异较小，而且在不同雪被条件下，足迹也会有所变化，因此该方法有一定的局限性。同时，利用该方法进行调查需要在整个调查区域内同步进行，调查队伍必须由富有经验的科研人员或经过严格培训的人员组成，调查人员需要对调查区域内的虎豹个体、领地、行为等信息非常熟悉，否则会导致调查结果的误差较大。20 世纪 70 年代以前，人们对东北豹缺乏系统的调查。自 1972 年起，俄罗斯的野生动物科研人员大约每隔 10 年，对其境内东北豹的分布和种群数量开展一次系统调查，主要的调查方法为雪地踪迹追踪和对猎人进行访问。历次调查结果显示，从 20 世纪 70 年代到 2000 年前后，俄罗斯的东北豹种群数量稳定在 20
23、-30 只。其中，1998 年俄罗斯的东北豹数量为 22-27只。中国在 20 世纪 90 年代末进行的全国第一次野生动物调查中， 开展了东北豹种群的首次实际的野外调查。1998-1999 年的冬季，由中俄美三国的调查人员组成的联合调查队伍使用雪地踪迹追踪的方法，估算出当时中国境内东北豹的数量为 7-12 只。2，红外触发相机调查（20022018 年）进入 21 世纪，在野生动物的调查中，红外感应触发技术得到了广泛的应用，尤其适用于调查身体带有天然印记的动物，如虎、豹等。每只虎或豹身体表面的条纹或斑纹都是独一无二的，如同人类的指纹，是它们天然的个体标记（图 1-2），以此为依据可以准确无误地
24、鉴定个体，从而对虎或豹进行准确的种群数量统计。俄罗斯科研人员从 2002 年冬季开始尝试在部分区域使用红外触发相机对东北豹开展调查，至 2013 年，实现对在俄境内东北豹分布区全域范围的覆盖。北京师范大学虎豹研究团队于 2010 年拍摄到中国首张东北豹野外影像，证实了东北豹存活于中国，2012 年实现红外触发相机监测网络对中国境内东北豹分布区全域范围的覆盖。2015 年，北京师范大学虎豹研究团队和俄罗斯豹地国家公园的科学家合作，首次实现中俄两国东北豹红外触发相机调查数据的共享，并获得了东北豹准确的全球种群数量，研究结果显示：2015 年东北豹全球种群数量为 84（70-108，95%CI，CI
25、 表示置信区间）只。这意味着在中俄两国的共同努力下，十余年间，这个世界上最濒危的大型猫科动物的数量增长为原来的 2 倍。中俄两国科学家的合作也为世界濒危物种保护科研跨境合作提供了成功范例。利用红外触发相机调查技术， 可以采用总数量调查法和标记重捕法两种方法获得准确的种群数量。总数量调查法的前提是相机的密度足够大、记录时间足够长，能够把全部个体记录在案。中国的东北豹调查中，北京师范大学虎豹研究团队首先将东北豹的分布区划为连续的规则网格，每个网格至少选择 1 个东北豹最可能经过的点架设相机，在每个架设点放置 2 台红外触发相机，相机相对放置。每个豹领地内设置 10-24 个相机架设点，每个相机架设
26、点连续工作多年，确保获得分布区内足够多的东北豹的个体影像。最终，通过总数量调查法查明 2015 年中国境内东北豹的种群数量为42 只。由于东北豹个体的花纹可被视为天然的标记，因此如果取样时间短，可以利用标记重捕法，推算出种群的总数量。例如，根据 2014 年 7-10 月拍摄的东北豹影像数据，最终推算出该时段中国境内东北豹的种群数量为44.24（30.69-63.77，95%C1）只。3，实时监测和人工智能（2018 年至今）通信、互联网技术的突飞猛进和人工智能等技术的出现，为东北豹等濒危物种的调查与保护提供了新途径。北京师范大学虎豹研究团队创新性地研发了“天地空”一体化监测体系，该监测体系可实时地传输野生动物影像，通过人工智能进行物种和个体识别，结合同步采集的环境因子数据，不仅能够实时调查东北虎和东北豹的种群数量，还能对物种的繁殖、捕食等行为，人类活动的干扰等进行精准的监测。新技术的出现将极大地促进东北豹种群的恢复，有利于加强对东北豹的保护。
