# 生物多样性及其测量

> 生物学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-biodiversity-and-measurement/

本子主题探讨栖息地、物种和遗传层面的生物多样性定义，调查野生种群的常用采样技术，以及如何计算和解释辛普森多样性指数以比较不同地点的生物多样性。

**先修:** [基础生态采样技术](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u18-ecological-sampling/); [物种概念](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-classification-of-species/)

## 学习目标

- 从遗传、物种和栖息地层面定义生物多样性
- 针对不同生物多样性研究目标比较合适的采样方法
- 计算并解释辛普森多样性指数
- 解释为什么测量生物多样性对生态研究很重要

## 生物多样性的层次

**生物多样性** — 某一区域内现存生物有机体的多样性，在生物组织的三个嵌套层次上进行测量

*例:* 热带雨林的生物多样性远高于单一物种的松木种植园

每个层次描述不同尺度的变异：遗传生物多样性指同一物种内的等位基因变异，物种生物多样性描述某一区域内的物种多样性，栖息地生物多样性统计更大区域内不同栖息地或生态系统的数量。

> **info**
>
> 高生物多样性通常对应更稳定、健康的生态系统，而低生物多样性通常意味着环境受到干扰或退化。

**例题:** 说出以下每个例子描述的是哪个层次的生物多样性：(a) 野生小麦种群中株高等位基因的变异，(b) 一片森林中不同树种的数量，(c) 沿海保护区内湿地、沙丘和石南栖息地的数量

1. 回忆每个生物多样性层次的定义：
2. - 遗传生物多样性：同一物种内的变异
- 物种生物多样性：不同物种的数量
- 栖息地生物多样性：不同栖息地类型的数量
3. 将每个例子匹配到正确层次：
4. (a) 遗传生物多样性：描述野生小麦种内的等位基因变异
(b) 物种生物多样性：统计树种的数量
(c) 栖息地生物多样性：统计保护区内不同栖息地类型的数量

> **考试提示:** 如果题目要求定义生物多样性，一定要提到全部三个层次才能拿到满分

## 生物多样性采样方法

在大型研究区域内统计每一个生物个体几乎总是不现实的，因此生态学家使用采样从较小的代表性子集来估计生物多样性。采样方法的选择取决于所研究的问题。

**随机采样** — 研究区域内每个位置都有相等概率被选中的采样方法，可消除选择偏差

- **系统采样**：沿着样线在固定间隔采样，用于研究生物多样性如何随环境梯度变化（例如海拔、距离污染源的距离）
- **分层采样**：将研究区域划分为不同的栖息地层，按比例从每个层采样，避免对小型栖息地采样不足
- 机会采样：仅对容易到达的区域采样，由于存在严重偏差，很少用于正式测量

**例题:** 生态学家想要估计大型、相对均匀的石南生境地的整体生物多样性。他们应该使用哪种采样方法，为什么？

1. 明确研究目标：得到整个石南生境地整体生物多样性的无偏估计，不需要研究梯度变化
2. 简单随机采样是这里最合适的方法
3. 随机采样消除了选择偏差，能为均匀区域的整体多样性提供最佳无偏估计。这里不需要系统采样，因为没有需要测量的梯度。

> **考试提示:** 题目经常要求你证明采样方法选择的合理性，因此要将方法和研究问题关联起来

## 辛普森多样性指数的计算

辛普森多样性指数（$D$）是CIE A-Level生物学中使用的标准生物多样性定量测量指标。与仅用物种丰富度相比，它同时考虑了丰富度（物种数量）和均匀度（各物种的相对丰度），能更准确地测量整体多样性。

$$D = 1 - 
Left( \sum \left( \frac{n}{N} \right)^2 \right)$$

其中 $n$ = 单个物种的个体总数，$N$ = 样本中所有物种的个体总数，对所有物种求和。$D$ 范围从 0 到 1，越接近 1 代表多样性越高。

**例题:** 一名学生从池塘中采样得到50个个体，计数结果为：物种A 24个，物种B 16个，物种C 8个，物种D 2个。计算该池塘的辛普森多样性指数。

1. 步骤 1：计算个体总数 $N$
2. $$N = 24 + 16 + 8 + 2 = 50$$
3. 步骤 2：计算每个物种的 $(n/N)^2$
4. $$\left(\frac{24}{50}\right)^2 = 0.2304, \quad \left(\frac{16}{50}\right)^2 = 0.1024, \quad \left(\frac{8}{50}\right)^2 = 0.0256, \quad \left(\frac{2}{50}\right)^2 = 0.0016$$
5. 步骤 3：对所有平方值求和
6. $$\sum (n/N)^2 = 0.2304 + 0.1024 + 0.0256 + 0.0016 = 0.36$$
7. 步骤 4：用公式计算 $D$
8. $$D = 1 - 0.36 = 0.64$$
9. 步骤 5：解释结果：0.64 的值表明该池塘的生物多样性为中等水平。

> **tip**
>
> 辛普森指数计算一定要写出所有步骤。即使你犯了算术错误，只要方法正确，仍然可以拿到大部分分数。

## 常见错误

- **错误做法:** 仅用物种丰富度比较生物多样性
  - 原因: 丰富度忽略了物种的相对丰度，因此两个丰富度相同的地点实际多样性可能差异很大
  - 正确做法: 始终使用辛普森指数比较不同地点的生物多样性，因为它同时考虑了丰富度和均匀度
- **错误做法:** 将较低的辛普森D值解释为高多样性
  - 原因: 学生经常混淆辛普森指数的尺度，其范围是 0（低）到 1（高）
  - 正确做法: 记住：D 值越高 = 多样性越高，越接近 1 代表生态系统多样性越高
- **错误做法:** 计算时忘记对每个 $(n/N)$ 项平方
  - 原因: 这是常见的算术错误，会导致最终 D 值错误
  - 正确做法: 求和前检查每个项都已经平方，写出所有步骤来获得方法分
- **错误做法:** 使用系统采样估计整个地点的整体多样性
  - 原因: 系统采样是为了检测梯度变化设计的，无法得到整个地点多样性的无偏估计
  - 正确做法: 估计整体多样性使用随机采样，仅在研究环境梯度的变化时使用系统采样

## 速查表

| 概念 | 关键信息 | 考试提示 |
| --- | --- | --- |
| 生物多样性层次 | 遗传 = 种内变异；物种 = 物种数量；栖息地 = 栖息地数量 | 要求定义时一定要列出全部三个层次 |
| 随机采样 | 无偏地点选择 | 最适合估计整个地点的整体多样性 |
| 系统采样 | 固定间隔沿样线采样 | 最适合测量环境梯度上的变化 |
| 辛普森D公式 | $D = 1 - \sum (n/N)^2$ | 0 = 低多样性，1 = 高多样性 |
| 物种丰富度 | 某一区域内不同物种的数量 | 不考虑相对丰度 |
| 物种均匀度 | 各物种的相对丰度 | 是准确测量多样性的必要条件 |

## 下一步

测量生物多样性是本单元保护和分类剩余所有主题的基础。准确测量生物多样性能让生态学家评估人类活动对生态系统的影响，监测干扰后生态系统的恢复，并优先划分需要保护的区域。掌握这里介绍的采样和计算技术能帮助你应对期末考试中常见的数据分析题，这类题通常要求你比较不同地点的多样性并解释结果。接下来，你将学习物种如何分类，降低全球生物多样性的威胁，以及保护脆弱生态系统使用的保护策略。

- [生物分类](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-classification/)
- [濒危物种保护](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-conservation-of-endangered-species/)
- [基因技术原理](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u19-principles-of-gene-technology/)

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