Bài giảng Ý nghĩa các chỉ số trong đa dạng sinh học - TS. Viên Ngọc Nam

Bài giảng Ý nghĩa các chỉ số trong đa dạng sinh học - TS. Viên Ngọc Nam

Ý nghĩa

„ Nhiều chỉ số đa dạng khác nhau để đánh giá hiện trạng đa dạng sinh học và quan trắc biến động quần xã, so sánh, đối chiếu tính đa dạng theo

ngẫu nhiên từ quần xã

„ Các chỉ số đa dạng này phụ thuộc vào hai khuynh hướng khác nhau:

„ Phân bố thống kê về mật độ tương đối của các loài và

sử dụng lý thuyết thông tin để phân tích tổ chức bậc quần xã Những chỉ số thường được sử dụng là chỉ số

đa dạng Fisher và chỉ số phong phú Margalef (thuộc

phân bố thống kê);

„ Chỉ số Shannon-Weiner và chỉ số Simpson (thuộc lý

thuyết thông tin).

Chỉ số đa dạng sinh học

(Biodiversity Index)

„ Nhiều chỉ số nên thường khó khăn trong việc chọn phương pháp và chỉ số nào là tốt nhất để tính toán ĐDSH

„ Cách tốt nhất là phải thử nghiệm với những con số

Các tính chất của quần xã

„ Làm thế nào để so sánh các quần xã?

„ Chúng ta so sánh bằng cách liệt kê các tính chất phổ biến

„ Như thế những tính chất nào của quần xã có được? Các tính chất nào nỗi bật?

„ Chúng ta muốn vài tính chất tìm thấy trong các quần xã.

„ Đa dạng loài là đo đếm số lượng (richness) và phong phú (với ý

nghĩa số lượng cá thể/loài) của loài trong một quần xã

„ Độ tương đồng

„ Các động thái của quần xã

„ Đa dạng của quần xã thay đổi như thế nào qua thời gian?

„ Vài quần xã có đa dạng lớn, vài quần xã ổn định (ít thay đổi)

„ Quần xã ổn định là đo mức độ thay đổi trong quần xã phản ứng lại

với vài xáo trộn

Đo đếm sự đa dạng

„ Alpha diversity (α-diversity) là đa dạng sinh học trong một vùng nào đó, quần xã hay hệ sinh thái, đo đếm số taxa trong một hệ sinh thái thường là loài.

„ Beta diversity – đa dạng loài giữa các hệ sinh thái, so sánh số taxa mà nó độc đáo đối với từng hệ sinh thái

„ Gamma diversity – đa dạng về mặt phân loại của một vùng với vài hệ sinh thái

„ Global diversity – ĐDSH trên trái đất

Chỉ số giàu có của loài

( Species richness )

Chỉ số giàu có (S) của loài là số loài có trong một hệ sinh thái Chỉ số này không sử dụng

độ phong phú tương đối.

„ Độ giàu có (Richness) là đo đếm số loài sinh vật khác nhau mà hiện diện trong vùng nào đó

Ký hiệu S (Species)

Chỉ số đa dạng sinh học của Fisher

„ Một đặc điểm rất đặc trưng của quần xã là chúng có tương đối ít loài phổ biến nhưng lại gồm một số lượng khá lớn các loài hiếm Trên cơ sở phân tích một khối lượng lớn các sốliệu về số lượng loài và số lượng cá thể ở các quần xã khác nhau, Fisher cho thấy rằng các số liệu loại này phù hợp tốt nhất bởi chuỗi logarit

Trong đó : S : Tổng số loài trong mẫu

N : Tổng số lượng cá thể trong mẫu

α : Chỉ số đa dạng loài trong quần xã

„ α thấp khi đa dạng loài thấp và ngược lại; chỉ số α không phụ thuộc

vào kích thước mẫu.

„ Các nhà sinh thái học cho rằng, có thể sử dụng chỉ số α để so sánh sự

đa dạng ở các khu vực và thời gian khác nhau Chỉ số α chỉ phụ thuộc vào số loài và số lượng cá thể có trong mẫu.

ln(1 N )

α

Độ tương đồng (Evenness)

„ Độ tương đồng (Evenness) so sánh sự

giống nhau của kích thước quần thể của

loài hiện diện, là đo đếm độ phong phú

tương đối của các loài khác nhau tạo nên

1000 1000

Tổng

931 365

Buttercup

49 335

Dandelion

20 300

Daisy

Mẫu 2 Mẫu 1

Loài hoa

Số cá thể

Species richness & Evenness

Khi độ giàu có của loài và tương đồng cao thì mức độ đa dạng tăng

S= 3 N = 1.000

„ Trường hợp (a) mức bình quân là tối thiểu, tính ưu thế

là tối đa , có loài ưu thế,

„ Trường hợp (b) mức bình quân là tối đa, không có loài

1010

1010

1010

1010

1010

B

11

11

11

11

191

A

j i

h g

f e

d c

b a

QXã/

Loài

Chỉ số Margalef

„ Chỉ số này được sử dụng để xác định tính đa dạng hay độ phong phú về loài.

S : tổng số loài trong mẫu

N : tổng số lượng cá thể trong mẫu.

Chỉ số Simpson (Simpson Index)

„ Cho biết khả năng của hai cá thể bất kỳ một cách ngẫu nhiên trong

một quần xã lớn vô hạn thuộc các loài khác nhau.

„ Chỉ số Simpson D (Simpson Index)

với 0 ≤ D ≤ 1, D càng nhỏ thì đa dạng sinh học càng cao.

„ Chỉ số đa dạng Simpson (Simpson Biodiversity Index) thường được thể hiện là 1 - D, với 0 ≤ D ≤ 1 D lớn thì ĐDSH lớn

„ Chỉ số đa dạng Simpson nghịch đảo hay 1/D

Giá trị tối đa chính là số loài có trong mẫu

Chỉ số Simpson sử dụng thông tin từng loài, không giống chỉ số Berger Parker và như thế nó chính xác hơn nhưng rất khó thay đổi khi thêm vài vài loài hiếm trong mẫu.

hay

Chỉ số Simpson (Simpson Index)

64 15

Tổng (N)

6 3

Khế

0 1

Na

0 1

Ổi

56 8

Xoài

2 2

Cóc

n(n-1)

Số cá thể (n) Loài

Simpson's Index D= 64/15(14) = 64/210 = 0.3

Simpson's Index of Diversity 1 - D = 0.7

Simpson's Reciprocal Index 1 / D = 3.3

Chỉ số Simpson (Simpson Index)

„ Các chỉ số Simpson thể hiện mức độ loài phong phú

nhất trong mẫu, trong khi đó thì ít nhạy cảm với độ

giàu có của loài

„ Khi số loài gia tăng trên 10 thì chú ý đến những loài

có phân bố phong phú về loài thì có giá trị trong việc xác định chỉ số có giá trị cao hoặc thấp

„ D đại diện cho loài ưu thế được sử dụng trong việc

theo dõi nghiên cứu môi trường, khi D tăng thì đa

dạng giảm vì thế nó có hiệu quả trong việc đánh giá

tác động môi trường

„ Simpson's Diversity Index là chỉ số đo về mức độ đa dạng mà xem xét cả độ giàu có và đồng đều

Chỉ số Shannon

„ Chỉ số này thuận lợi là xem xét số loài và mức độ

đồng đều của các loài Chỉ số này tăng khi có nhiều loài độc đáo hay có độ giàu có của loài (S) lớn

„ ni số cá thể có trong mỗi loài; mức độ phong phú

của mỗi loài

„ S Số loài Được gọi là độ giàu có của loài

• Chỉ số ĐD Shannon biến đổi khi số loài hiếm tăng

Độ đồng đều E H

„ Các chỉ số đa dạng cung cấp thông tin về loài hiếm, loài phổ biến trong một quần xã Khả

năng định lượng đa dạng theo cách này là

một công cụ quan trọng cho các nhà sinh học

cố gắng để hiểu biết cấu trúc của quần xã.

(ED = D /Dmax, with Dmax = S) (EH = H /Hmax, with Hmax = lnS)

Chỉ số Berger-Parker

„ Chỉ số Berger-Parker index được tính toán dễ

dàng khi có tỉ lệ loài lớn nhất của tất cả các loài trong một quần xã

„ Đây là chỉ số mà ảnh hưởng mạnh nhất bở sự đồng đều của các chỉ số đã được đề cập ở trên (Chỉ số

Shannon có khuynh hướng thiên về độ giàu có) Chỉ

số nghịch đảo 1/d là 1 chỉ số của đa dạng Chỉ số

Simpson có giá trị cao nhất khi số lượng loài giống

nhau là S

N= Tổng số cá thể của các loài

Nmax: Số cá thể của loài phổ biến nhất

Accumulation curves ( Đường cong tích lũy )

Để so sánh từ những nghiên cứu khác nhau, đường cong tích lũy loài được tính toán để các kết quả có thể

so sánh kết quả với kích thước mẫu

Đường cong k- dominance

„ Tỉ lệ % mức phong phú tích lũy của ô mẫu với log xếp hạng của loài

„ Đường càng thấp đa dạng càng cao Đường cong k-dominance

đo mức độ đa dạng bên trong.

Abundance plot

Đường cong K-dominance

Đa dạng sinh học cao nhất

„ Mức phong phú của ô với log xếp hạng của loài, hệ thống đồ thị để so sánh đa dạng

Abundance plot: Rank

Được tính từ tỉ lệ phong phú

Chỉ số biến động từ 0 đến vô cực, thường thể hiện giá trị 0, 1, 2 và ∞ thường giống nhau theo thứ loài giàu có như chỉ số

Shannon, 1/D Simpson (theo tỉ lệ ln) và

xếp thứ tự đa dạng từ thấp đến cao.

Hình dưới cho thấy 2 QX trên được phân tích cho thấy một QX thì rất giàu nhưng phân bố không đều Đồ thị cho thấy chỉ số Shannon của 2 QX bằng nhau nhưng không

đủ thông tin để quyết định thát các QX này

có đa dạng giống nhau.

Rényi diversity series

Kích thước mẫu phụ thuộc vào nhiều chỉ số ĐDSH

Soetaert et al 1990

normal, chuỗi log (log-series) hay broken stick

„ Điều này chắc chắn cho phương pháp thực

hành hiệu quả nhất để kiểm tra sự phù hợp

'goodness-of-fit' to của các mô hình Nó

thường được dùng để tìm kiếm các vùng

chuyển tiếp (ecotones).

Rarefaction

„ Thuật ngữ rarefaction trong sinh thái học đề cập như

là một kỹ thuật, cách tiêu chuẩn hoá và so sánh độgiàu có của loài (S) được tính từ các mẫu có kích

Chỉnh lại xu hướng trong số loài do kích thước mẫu bằng tiêu chuẩn hoá đến số loài được mong đợi trong một mẫu Nếu

chúng có cùng tổng kích thước khi mẫu nhỏ nhất

Ex: Có 2 mẫu, mẫu A có 100 cá thể và 100 cá thể đó xuất hiện trong 9 loài Mẫu B có 25 cá thể trong 4 loài

Rarefaction trả lời câu hỏi “Bao nhiêu loài được mong đợi trong mẫu A nếu tôi chỉ lấy 25 cá thể thay vì 100 cá thể ?

N = Tổng số cá thể trong mẫu riêng biệt (100 cá thể trong mẫu A)

Ni = Số cá thể trong loài thứ I

n = Kích thước của mẫu nhỏ hơn (25 cá thể trong mẫu B)

Chúng ta tính E(S), số loài được mong đợi trong mẫu NẾU MẪU CÓ KÍCH THƯỚC NHỎ HƠN (n).

Rarefaction

Đường cong này là phân bố số loài như là một hàm số của số cá thể lấy

từ mẫu

Nếu đường cong dốc thì đa dạng loài càng cao , nếu một phần của dường cong bằng phẳng thì một số cá thể vừa phải và lấy mẫu thêm sẽ cần thiết chỉ một số nhỏ loài thêm vào

Rarefaction curves

Để so sánh mức độ khác nhau của hai

quần xã, người ta thường sử dụng chỉ số Jaccard, tính theo công thức:

c K

Loài không

xuất hiện

b c

Loài xuất hiện

Loài không xuất hiện

Loài xuất hiện

Khu B

Khu A

Chỉ số Brillouin

„ Dùng khi nghi ngờ lấy mẫu bừa bãi

„ Giống như H', nhưng trên cơ sở số

lượng thay vì tỉ lệ

„ Chỉ số Brillouin sẽ gia tăng khi tổng số

cá thể trong mẫu tăng, ngay cả số loài

Chỉ số Brillouin tăng khi tổng số cá thể trong mẫu tăng, ngay cả khi số loài tăng

Abundance model: Broken Stick model

„ Giả thuyết không trên cơ sở không có mối quan hệ giữa các loài

„ Trục nguồn (các que) được chia giữa các loài một cách ngẫu nhiên và đồng thời

„ Trục x là phong phú của một loài

„ Trục này cụ thể là chia số cá thể thành các lớp phong phú

„ Trục y là số loài trong mỗi lớp (cấp)

„ Khi số lượng lớn các yếu tố ảnh hưởng đến số lượng loài hiện có thì dạng đường cong sẽ nhô lên và cao ởgiữa, thường thì đường cong không có rơi sát trục x Khi đường cong rơi sát trục x có nghĩa là ở chỗ đó cóloài hiếm tìm thấy

„ Khi dung lượng mẫu càng lớn thì đường cong sẽ

hướng về phía bên mặt

„ Hình dạng đồ thị giống đường cong chuẩn mà gọi làlog chuẩn "log-normal"

Abundance model: log series a

ƒ Cách tính cũng tương tự chỉ số Margalef và Menhinick

ƒ Càng phong phú thì loài phân bố càng không đồng đều

ƒ Trục Y là số loài trong mỗi cấp

ƒ Trục X là chia số cá thể thành nhiều cấp phong phú

log series a

Bảng tổng hợp

Chỉ số Stress

„ Stress < 0.05 cho thấy đại diện rất tốt, nhưng khi stress < 0.01 sự lập lại chấm dứt ở trị số này

„ Stress <0.1 tương ứng với sự sắp xếp tốt

„ Stress <0.2 vẫn cho thấy tiềm năng sử dụng hình ảnh 2 D

„ Stress > 0.3 cho thấy các điểm gần nhau một cách tùy tiện trong 2 D Thực tế cho thấy vị trí ngẫu nhiên được dùng khi bắt đầu cấu hình cho sự lặp lại thường thì chỉ số strees 0.35–0.45

„ Giá trị stress 0.2–0.3 thường thì hồ nghi và bỏ phần nào đó

ở phía nửa trên của chuổi, đặc biệt cho một số ít điểm

(khoảng < 50)

Chỉ số stress chỉ cho thấy các mối quan hệ về kích thước

trong các mẫu được đại diện thứ tự trong 2D

Coastal management Sourcebooks 3

Part 3 Habitat Classification and Mapping, UNESCO-CSI

Đa dạng sinh học theo

Xem xét bảo tồn loài

„ Những loài thực vật trong sách đỏ của VN và của IUCN

„ Những loài thực vật quý hiếm và đặc hữu, loài thực vật quý hiếm theo Nghị định 18/HĐBT ngày 17-1-1992 của Hội Đồng Bộ Trưởng và Nghị định 48/2002/NĐ-CP ngày 24-4-2002 của Chính phủ

„ Thực vật đặc hữu được hiểu là những loài chỉ

phân bố trong phạm vi không gian của một địa phương, của một vùng hay một miền nào đó,

ngoài ra không gặp ở bất kỳ nơi nào khác

„ Có ý nghĩa cho các vùng có giá trị ĐDSH cao

„ Loài có giá trị hay quan trọng

„ Tiềm năng có giá trị ĐDSH cao

„ Hỗ trợ chức năng cho các lập địa và cho các loài

„ Giá trị kinh tế xã hội

„ Giá trị tiềm năng của khu nơi có tiềm năng về ĐDSH nhưng giá trị ĐDSH chưa được nghiên cứu

„ Giá trị khả thi bảo tồn

Tài liệu tham khảo

„ http://www.tnstate.edu/ganter/B412%20Extra%20Diversity.html

„ http://www.tnstate.edu/ganter/B412%20Ch%2015&16%20CommM etric.html#BIO412Ch15Anchor02

„ K R Clarke & R M Warwick, 2001 Change in Marine Communities: