How do you set up a quadrat for measuring biodiversity in the field?

A quadrat is a circular sampling area marked by a hula hoop. After randomly selecting a location by throwing a tennis ball, place the hula hoop around the flag marking that spot. Identify and record all plant species within the hula hoop boundaries. This standardized method ensures consistent sampling across multiple sites when measuring biodiversity different areas.

What is the purpose of using a transect in biodiversity studies?

A transect tests for edge effects—changes in species diversity from ecosystem edges to core habitats. A tape measure extends perpendicular from the field edge into the habitat center, with quadrats placed at 0, 10, 20, 30, and 40 meters. This reveals whether species diversity increases closer to ecosystem boundaries or remains constant toward the core.

How do soil pH and nutrient levels differ between disturbed and undisturbed habitats?

Soil samples from each site are tested for pH using color-comparison kits and for nitrogen, phosphorus, and potassium using chemical comparators. A t-test analyzes whether differences between sites are statistically significant. Results indicate how disturbance regimes affect soil composition, which influences community diversity and species establishment.

What does the Shannon-Weiner Diversity Index measure?

The Shannon-Weiner Index quantifies species diversity by calculating the proportion of each species and its natural logarithm. Higher index values indicate greater species diversity. The formula combines species counts and proportions to produce a single number comparing biodiversity between sites, with areas having greater index values considered more diverse.

Why is random sampling important when collecting biodiversity data?

Random sampling eliminates observer bias and ensures representative data collection. By throwing a tennis ball to select quadrat locations rather than choosing manually, you avoid unconsciously selecting areas with more visible species. This unbiased approach produces reliable comparisons between disturbed and undisturbed habitats.

How do you determine if disturbance significantly affects biodiversity?

Calculate Shannon-Weiner Diversity values for each site and use regression analysis to test for correlations between distance and diversity along transects. For soil data, perform t-tests comparing pH and nutrient levels. A p-value less than 0.05 indicates statistically significant differences, supporting the hypothesis that disturbance regimes affect community composition.

What soil variables are tested to assess habitat disturbance effects?

Soil pH and three key nutrients—nitrogen, phosphorus, and potassium—are measured from samples collected at each quadrat. These variables indicate soil quality and nutrient availability, which directly influence plant growth and species establishment. Comparing these measurements between disturbed and undisturbed sites reveals how disturbance alters soil conditions supporting different communities.

Różnorodność społeczności

Koncepcje Przygotowanie instruktora Protokół studencki

0 wyświetleń05:49 min

Ekosystem to społeczność żywych i nieożywionych elementów, które oddziałują na siebie na danym obszarze. Może to być tak duże jak sama ziemia lub las pełen roślin i zwierząt, lub tak małe, jak żołądek z szeregiem mikrobiologicznych mieszkańców. Zdrowie ekosystemów można mierzyć na różne sposoby, ale jednym z dobrych wskaźników jest różnorodność biologiczna, miara różnorodności gatunków biologicznych w ekosystemie.

Możemy ocenić różnorodność biologiczną za pomocą miary zwanej indeksem Shannona-Wienera, zaproponowanej przez Claude'a Shannona i Norberta Wienera w latach czterdziestych XX wieku. Indeks Shannona-Wienera jest miarą niemianowaną, obliczaną jako H. Indeks wykorzystuje dwie zmienne: bogactwo gatunkowe, czyli liczbę obecnych gatunków, wskazywaną przez K, oraz równość gatunków, czyli proporcję każdego gatunku, wskazywaną przez PI. Bogactwo gatunkowe to liczba unikalnych gatunków w ekosystemie. W tym przykładzie jest ich siedem. Równość gatunków mierzy, w jaki sposób gatunki w ekosystemie są rozmieszczone. Oznacza to, że ekosystem, w którym różne gatunki mają podobną liczebność, jest bardziej równomierny niż taki, w którym jeden lub dwa gatunki stanowią większość organizmów, takich jak ten, stosunkowo opanowany przez zające.

Teraz, gdy już wiemy, co mierzyć, nauczmy się mierzyć bioróżnorodność. Ponieważ ekosystemy mogą być ogromne, ekolodzy musieli znaleźć sposób na szybkie losowe pobieranie próbek z dużych obszarów. Najprostszym z nich jest kwadrat, który jest ramką o stałym rozmiarze, zwykle umieszczaną losowo w miejscu pobierania próbek. Naukowcy badają obszar wewnątrz kwadratu, rejestrując bogactwo gatunków, a także ich równomierność. Korzystając z tych małych okienek umieszczonych w wielu miejscach w ekosystemie, mogą ekstrapolować swoje wyniki, aby oszacować różnorodność dla całego badanego obszaru. Ale chociaż ta technika pozwala na łatwą do opanowania ocenę dużego obszaru, nie jest idealna. Losowe rozmieszczenie kwadrantów może powodować pominięcie osobników, co skutkuje niedostateczną reprezentacją gatunków i nieprawidłowo niskimi szacunkami różnorodności biologicznej.

To ograniczenie oznacza, że niektóre społeczności, zwłaszcza te niejednolite lub niejednolite, są lepiej próbkowane przy użyciu bardziej ustrukturyzowanego podejścia. Tutaj nasza łąka graniczy z lasem i w rzeczywistości składa się z różnych płatów siedlisk. Aby sprawiedliwie objąć tę społeczność, możemy podzielić krajobraz na siedliska podstawowe i, co ważne, siedliska brzegowe. Często obszary przybrzeżne mają większą różnorodność biologiczną, ponieważ mogą tam żyć gatunki z obu typów siedlisk. Ale może to zostać pominięte w tradycyjnym losowym próbkowaniu. Zamiast tego, aby zmierzyć różnorodność biologiczną w społeczności takiej jak ta, dobrą strategią może być najpierw losowe pobieranie próbek z kluczowych obszarów za pomocą kwadratów. Zebrane dane można następnie wykorzystać do obliczenia wartości H dla każdego siedliska podstawowego. Następnie w poprzek każdego głównego siedliska można ułożyć transekt lub linię pobierania próbek, rozciągającą się na obszar krawędziowy. Bogactwo i równomierność gatunków można następnie rejestrować za pomocą kwadratów umieszczonych w ustalonych punktach wzdłuż tych linii. Teraz, korzystając ze wzoru Shannona-Wienera, wskaźnik różnorodności można obliczyć dla każdej odległości wzdłuż transektu i można je porównać. Obszar o większej wartości H jest na ogół bardziej zróżnicowany niż obszar o niższej wartości H. Ta połączona technika losowego kwadratu i transektu daje wszechstronną i bardziej sprawiedliwą ocenę tego, jak różne siedliska w tej samej społeczności wypadają w porównaniu pod względem różnorodności.

Oprócz pomiarów gatunków, naukowcy mogą również dokonywać pomiarów składników chemicznych ekosystemu, aby ocenić jego zdrowie. Na przykład mogą sprawdzać, czy nie ma zanieczyszczeń lub badać jakość gleby, mierząc obecne w niej składniki odżywcze. Informacje te mogą być również przydatne do wyjaśnienia zmian we wzorcach różnorodności biologicznej w różnych regionach społeczności. Tak więc, w naszym przykładzie, jeśli łąka ma glebę gorszej jakości niż las i obrzeża, może wspierać mniej gatunków.

W tym laboratorium zmierzysz różnorodność biologiczną i jakość gleby w dwóch różnych głównych regionach, a następnie zbadasz, w jaki sposób wpływa to na różnorodność biologiczną wzdłuż siedliska brzegowego.

Print Procedure Steps

Pomiar różnorodności biologicznej na obszarach o różnych reżimach zakłóceń
- UWAGA: W tym eksperymencie porównasz różnorodność biologiczną na obszarze mniej zakłóconym z obszarem bardziej zaburzonym. HIPOTEZY: Hipoteza eksperymentalna może być taka, że obszar mniej zaburzony będzie zawierał większą różnorodność gatunków niż obszar silnie zaburzony. Hipoteza zerowa może zakładać, że nie będzie różnicy w różnorodności między obszarami mniej zaburzonymi i silnie zaburzonymi.
- Na początek podziel się na grupy po 2-4 osoby i zbierz hula-hoop, piłkę, taśmę mierniczą, zestaw wydrukowanych stołów, 10 flag użytkowych i przewodnik po identyfikatorach z przodu klasy.
- Dodatkowo zbierz łopatę i 10 butelek do pobierania próbek gleby.
- Po dotarciu w teren instruktor pokaże Ci dwa siedliska, które będziesz badać - wybierz jedno siedlisko, aby rozpocząć.
- Umieść po jednej fladze w każdym z czterech rogów, aby utworzyć prostokątny obszar próbkowania.
- Zmierz długość i szerokość obszaru pobierania próbek w metrach, a następnie pomnóż dwie liczby, aby określić obszar.
- Stojąc na środku obszaru pobierania próbek, rzuć piłkę tenisową w powietrze, a następnie zaznacz flagą miejsce, w którym wyląduje.
- Powtórz ten losowy rzut jeszcze cztery razy, aby określić wszystkie pięć losowych punktów próbkowania.
- Trzymając flagę na środku, umieść wokół niej hula-hoop. Obszar w obrębie hula-hoop to kwadrat.
- Zidentyfikuj wszystkie różne gatunki w kwadracie i zapisz je jako gatunki A, B i tak dalej w Tabeli 1, dostarczonej przez twojego instruktora.
- Gdy wszystkie rośliny zostaną zarejestrowane, użyj łopaty, aby zebrać po jednym kubku ziemi z każdego z miejsc i umieść butelki z próbkami oznaczone swoimi imionami oraz nazwą miejsca i numerem kwadratu.
- Powtórz identyfikację roślin i pobieranie próbek gleby dla pozostałych czterech czworokątów w pierwszym siedlisku, zapisując swoje obserwacje w Tabeli 1.
- Po zakończeniu nagrywania w pierwszym siedlisku, przejdź do drugiego pola, ponownie wyznaczając prostokątny obszar pobierania próbek.
- Powtórz losowe rozmieszczenie czworokątów za pomocą piłki tenisowej, a następnie zapisz gatunki obecne w każdym kwadracie w Tabeli 2.
- Na koniec zbierz po jednej filiżance ziemi z każdego z zakłóconych siedlisk, co daje w sumie pięć filiżanek od zakłóconych siedlisk i pięć filiżanek od niezakłóconych siedlisk.
Pomiar różnorodności biologicznej wzdłuż transektu
- UWAGA: Następna część badania będzie testować efekty krawędziowe, czyli zmianę wzdłuż gradientu od miejsca, w którym jeden typ ekosystemu spotyka się z drugim, do głównego siedliska ekosystemu. HIPOTEZY: Hipoteza eksperymentalna jest taka, że różnorodność gatunków będzie istniała bliżej krawędzi ekosystemu niż w centrum lub rdzeniu ekosystemu. Hipoteza zerowa mówi, że nie ma zmian w różnorodności wzdłuż transektu od brzegu do rdzenia siedliska.
- Umieść flagę na obrzeżach pola, gdzie styka się z innym siedliskiem, takim jak las lub parking.
- Wyciągnij taśmę mierniczą w kierunku środka pola, prostopadle do krawędzi pola. To będzie transekt.
- Umieść flagę na zerowym metrze transektu (na krawędzi drugiego siedliska), a następnie umieść dodatkowe flagi na 10 m, 20 m, 30 m i 40 m w centrum siedliska, w sumie pięć oznaczonych lokalizacji.
- Zaczynając od punktu 0 m wzdłuż transektu, umieść hula-hop w oznaczonym miejscu. Odnotowuje się gatunki występujące w kwadracie w tabeli 4.
- Teraz powtórz umiejscowienie kwadrantu i zapis gatunku na znakach 10 m, 20 m, 30 m i 40 m.
- Następnie umieść dwa kolejne transekty z różnych punktów początkowych na obwodzie pola rozciągającego się do obszaru rdzenia.
- Zaznacz 10-metrowe punkty wzdłuż tych transektów i ponownie użyj ich jako znaczników do umieszczenia kwadratów. Gatunki występujące w każdym z tych czworokątów należy odnotować w tabeli 4.
Przetwarzanie próbek gleby
- HIPOTEZY: Hipoteza eksperymentalna mówi, że te dwa krajobrazy w różnych reżimach zakłóceń będą się różnić składem gleby i pH. Hipoteza zerowa mówi, że nie będzie różnicy w składzie gleby ani pH między tymi dwoma miejscami.
- Aby rozpocząć, usuń ziemię z jednej butelki z pierwszego miejsca, w którym pobrano próbkę i wypełnij przedział koloru pH zestawu próbek gleby do linii wypełnienia gleby.
- Wlej kapsułkę do testu pH do komory testowej, a następnie napełnij kapsułkę wodą destylowaną, aż dotrze do linii napełnienia wodą.
- Umieść nakrętkę na komorze i potrząśnij nią.
- Pozwól, aby kolor rozwinął się przez około minutę, a następnie porównaj glebę z wykresem kolorów, aby określić pH.
- Powtórz analizę pH dla drugiego miejsca, w którym pobrano próbkę, wypełniając tabelę 3 dla zarejestrowanego pH.
- Aby przetworzyć próbki gleby pod kątem azotu, fosforu i potasu, usuń 20 ml gleby z butelki pierwszego miejsca, w którym pobrano próbki.
- Umieść ziemię w czystym pojemniku ze 100 ml wody destylowanej.
- Powtórz ten proces dla drugiego miejsca, oznaczając każdy pojemnik, a następnie pozwól mu siedzieć przez godzinę.
- Po godzinie użyj zakraplacza, aby napełnić każdy z komparatorów azotu, fosforu i potasu do linii napełniania roztworem z pierwszego miejsca, w którym pobrano próbki.
- Dodaj odpowiednią kapsułkę do każdego z komparatorów dla każdego testu chemicznego.
- Dokładnie zakręć i potrząśnij komparatorami, a następnie porównaj roztwór w komorze testowej z kolorowym wykresem, zapisując wyniki jako odpowiednią liczbę na skali w Tabeli 3.
- Powtórz testy azotu, fosforu i potasu dla każdego z pobranych próbek. UWAGA: Dokładnie przepłukać komparator między próbkami
Wyniki
- Aby obliczyć różnorodność Shannona-Weinera dla każdego z obserwowanych miejsc, najpierw otwórz nowy arkusz kalkulacyjny Excel.
- Oznacz komórkę A1 jako 'nazwę gatunku', a komórkę B1 jako 'całkowita liczba'.
- Zaczynając od drugiego rzędu i w kolumnie A, wypełnij arkusz dla każdego gatunku znalezionego na pierwszym stanowisku, korzystając z danych zapisanych w Tabeli 1.
- Oblicz całkowitą liczbę każdego gatunku znalezionego w całym wysiłku pobierania próbek i zapisz to w kolumnie B arkusza kalkulacyjnego Excel.
- Teraz oznacz komórkę G1 jako 'całkowita liczba wszystkich gatunków', a w komórce H1 napisz formułę lub zaznacz odpowiednie komórki, aby zsumować wszystkie wartości zliczania wprowadzone w kolumnie B: = SUM(B2: BX)
- Oznacz komórkę C1 'proporcja każdego gatunku', a w komórce C2 wpisz wzór na proporcję całkowitej populacji każdego gatunku w danym miejscu. = B2/H$1
- Przeciągnij tę formułę w dół dla każdego wiersza danych reprezentowanego w kolumnie B.
- Oznacz komórkę D1 'naturalna logarytmiczna proporcja gatunków', a w komórce D2 wpisz wzór na logarytm naturalny proporcji gatunków w miejscu. =LN(C2)
- Przeciągnij tę formułę w dół dla każdego wiersza danych reprezentowanych w kolumnie C.
- Dodaj wzór do komórki E1, aby uzyskać proporcję gatunków pomnożoną przez logarytm naturalny proporcji gatunków: ps* ln ps
- W komórce E2 wpisz formułę mnożącą proporcję gatunków przez logarytm naturalny proporcji gatunków w każdym miejscu, a następnie przeciągnij tę formułę w dół dla każdego wiersza danych reprezentowanego w kolumnie D. = C2 * D2
- Oznacz komórkę G2 jako 'suma ps * ln ps', a następnie w komórce H2 wpisz formułę sumującą wszystkie wartości w kolumnie E. = SUM(E3 - EX)
- Oznacz komórkę G3 jako 'Indeks Shannona-Weiner', a w komórce H3 wprowadź wzór na Indeks Różnorodności Shannona-Weiner'a. = (EXP - 1 * H2) UWAGA: Jest to obliczony wskaźnik różnorodności Shannona-Weinera dla pierwszego badanego miejsca i zostanie użyty do porównania między tymi dwoma miejscami.
- Powtórz analizę danych w nowym arkuszu, korzystając z danych zebranych dla drugiego miejsca, które zostały zapisane w Tabeli 2. UWAGA: Uważa się, że obszary o wyższych wartościach indeksów mają większą różnorodność gatunkową. Zwróć uwagę, czy widzisz różnice między swoimi witrynami.
- Powtórz obliczenia różnorodności Shannona-Weinera, używając całkowitej liczby wszystkich gatunków w każdej odległości wzdłuż transektu, a następnie utwórz tabelę wszystkich tych wartości w nowym arkuszu Excela.
- Kliknij kartę Dane w Excelu, a następnie przycisk "Analiza danych".
- Wybierz 'Regresja' i kliknij 'Okay'.
- Dla zakresu wejściowego Y zaznacz wartości różnorodności Shannona-Weinera, a dla zakresu wejściowego X podświetl wartości odległości.
- Wybierz lokalizację wyjściową dla wyników regresji i kliknij 'Okay'.
- Zaznacz pole Wartość P w wierszu przecięcia, aby zobaczyć, czy istnieje istotna korelacja między odległością od krawędzi do głównego siedliska a różnorodnością biologiczną. UWAGA: Wartość mniejsza niż 0,05 odrzuca hipotezę zerową o braku zmian różnorodności wzdłuż transektu, natomiast wartość większa niż 0,05 nie odrzuca hipotezy zerowej.
- Następnie, aby przeprowadzić testy t w celu określenia różnic w składzie gleby między miejscami, otwórz nowy arkusz kalkulacyjny Excel.
- W komórce A1 wpisz 'Miejsce 1:pH', a w komórce B1 wpisz 'Miejsce 2:pH'.
- Wypełnij komórki od A2 do A6 i komórki od B2 do B6 pH gleby zebrane odpowiednio w miejscach zakłóconych i niezakłóconych.
- Kliknij kartę Dane w Excelu, a następnie wybierz "Analiza danych".
- Teraz przewiń w dół i wybierz 't-Test: Dwie próby przy założeniu równych wariancji' i wybierz 'Dobrze'.
- Kliknij menu rozwijane obok opcji Zakres zmiennej 1 i zaznacz komórki od A2 do A6 w arkuszu kalkulacyjnym, a następnie kliknij menu rozwijane obok opcji Zakres zmiennej 2 i zaznacz komórki od B2 do B6 w arkuszu kalkulacyjnym.
- W polu dla hipotetycznej średniej różnicy wpisz zero jako naszą hipotezę zerową. Oznacza to, że nie ma różnicy między tymi dwoma reżimami zakłóceń.
- Pozostaw pole Etykiety niezaznaczone i ustaw wartość alfa na 0,05.
- Wybierz 'Zakres wyjściowy', a następnie w polu kliknij puste miejsce w arkuszu kalkulacyjnym.
- Kliknij 'Okay'. W arkuszu kalkulacyjnym powinna zostać wyświetlona tabela wyników testu t.
- Odpowiednie dane to średnie dla każdego z miejsc i wartość alfa. Jeśli ta druga wartość jest mniejsza niż nasza wartość alfa wynosząca 0,05, możemy odrzucić hipotezę zerową, że nie ma różnicy w pH między tymi dwoma miejscami, a hipoteza, że miejsca zakłócone i niezakłócone różnią się wartością pH, zyska poparcie. Jeśli jednak wartość ta jest większa niż 0,05, nie możemy odrzucić naszej hipotezy zerowej.
- Powtórz tę analizę dla każdej z pozostałych trzech zmiennych glebowych, tworząc nowy arkusz kalkulacyjny dla każdego z pierwiastków fosforu, potasu i azotu.
- Zwróć uwagę, czy twoje wyniki pH i poziomu składników odżywczych były różne w każdym stanie, i przedyskutuj ze swoją grupą, jak może to wpłynąć na społeczność i różnorodność w różnych miejscach.