Phương pháp đánh giá và so sánh sự đa dạng của các bộ mẫu côn trùng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Phương pháp đánh giá và so sánh sự đa dạng của các bộ mẫu côn trùng đánh giá tiến bộ về sự đa dạng loài so với phương pháp đánh giá truyền thống trước đây như ở Việt Nam chỉ sử dụng chỉ số của Sørensen (chỉ dựa vào một mặt đó là thành phần loài để đánh giá và so sánh giữa các bộ mẫu hoặc giữa các quần xã).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp đánh giá và so sánh sự đa dạng của các bộ mẫu côn trùng

BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ 5 DOI: 10.15625/vap.2022.0037 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH SỰ ĐA DẠNG CỦA CÁC BỘ MẪU CÔN TRÙNG Bùi Thị Chính1, Nguyễn Thị Kim Cơ1, Trần Văn Giang1, Trần Quốc Dung1, Nguyễn Văn Thuận1, Ngô Văn Bình1,* Tóm tắt. Cách nhận biết và phân loại các nhóm côn trùng đến taxon bậc Bộ đối với sinh viên ngành Sư phạm Sinh học là cần thiết khi học thực hành Động vật không xương sống. Phương pháp thu mẫu, bảo quản mẫu và phân tích mẫu được hướng dẫn chi tiết. Bằng cách sử dụng các chỉ số đa dạng tiến bộ để đánh giá và so sánh sự đa dạng giữa các bộ mẫu, sử dụng phương pháp Rarefaction để đánh giá nhanh bộ mẫu dưới dạng các đường cong phân bố. Các kết quả cho thấy nhiều ưu điểm của chỉ số Simpson và Shannon khi xem xét và đánh giá bộ mẫu một cách toàn diện, những hạn chế khi sử dụng chỉ số Srensen, những tiến bộ khi giải quyết các vấn đề có liên quan đến kiến thức sinh thái học quần xã như sự ảnh hưởng của các taxon quý hiếm (taxon chỉ thu được một vài cá thể trong bộ mẫu) và các taxon phổ biến (taxon có số lượng cá thể lớn trong bộ mẫu) thông qua các đường cong phân bố. Từ khóa: Chỉ số đa dạng, côn trùng, Insecta, phương pháp đánh giá, Shannon, Simpson. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chương trình đào tạo cử nhân ngành Sư phạm Sinh học của Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế có học phần Thực hành Động vật học động vật không xương sống. Việc chọn đối tượng là côn trùng để dạy một bài thực hành về phương pháp nhận biết, phân loại học và đánh giá sự đa dạng của một bộ mẫu là cần thiết. Bên cạnh danh lục thành phần loài của mỗi bộ mẫu, khi đánh giá sự đa dạng của một bộ mẫu hoặc so sánh tính đa dạng loài giữa các bộ mẫu (hoặc giữa các quần xã), người đánh giá cần quan tâm đến số lượng cá thể tương ứng với mỗi loài (hoặc mỗi taxon) và mức độ phân bố số lượng cá thể giữa các loài hoặc giữa các taxon. Đây là một phương pháp đánh giá tiến bộ về sự đa dạng loài so với phương pháp đánh giá truyền thống trước đây như ở Việt Nam chỉ sử dụng chỉ số của Sørensen (chỉ dựa vào một mặt đó là thành phần loài để đánh giá và so sánh giữa các bộ mẫu hoặc giữa các quần xã). Giả định một quần xã A có 10 loài và mỗi loài có 10 cá thể tương ứng (tổng số là 100 cá thể). Ngược lại một quần xã B cũng có 10 loài với 100 cá thể, nhưng có một loài (loài ưu thế) chiếm đến 91 % số lượng cá thể trong quần xã B, 9 % số lượng cá thể còn lại chia đều cho 9 loài khác. Một câu hỏi đặt ra là liệu hai quần xã A và B này có sự đa dạng giống nhau hay không? Simpson (1949) đã trả lời “No” tức là sự đa dạng loài giữa hai quần xã này không bằng nhau. Ngược lại, nếu chúng ta sử dụng chỉ số của Sørensen (1948) thì hai quần xã này hoàn toàn bằng nhau và chỉ số sẽ bằng 1 (đây là một nhược 1 Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế * Email: ngovanbinh@dhsphue.edu.vn
PHẦN 1. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 335 điểm của chỉ số Sørensen khi đánh giá và so sánh sự đa dạng loài giữa các quần xã). Mặc dù chỉ số đa dạng của Simpson chỉ công bố sau một năm so với chỉ số Sørensen nhưng được các nhà sinh thái học hàng đầu thế giới chấp nhận và sử dụng cho đến nay do chỉ số này quan tâm đánh giá trên cả hai mặt là định tính và định lượng. Bài báo này sử dụng hai bộ mẫu côn trùng đã được thu thập trước đó ở vùng lõi và vùng đệm của Vườn quốc gia Bạch Mã tỉnh Thừa Thiên Huế để hướng dẫn sinh viên cách đánh giá và so sánh, cách thu mẫu và nhận biết các nhóm côn trùng đến taxon bậc Bộ. Sử dụng chỉ số đa dạng của Simpson (1949) và chỉ số đồng đều “Evenness Index” của Shannon (1949) để đánh giá và so sánh sự đa dạng của mỗi bộ mẫu. Sử dụng phương pháp “Rarefaction” (sự ảnh hưởng của các loài phổ biến và loài quý hiếm) để đánh giá tính đa dạng loài dưới dạng các đường cong sinh trưởng. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp để thu mẫu Hiện có khá nhiều phương pháp để thu mẫu côn trùng như thu mẫu trực tiếp bằng tay hoặc kẹp, sử dụng các loại vợt, lưới đánh bắt hay bẫy côn trùng, dùng ống hút, bả côn trùng, bẫy đèn, bẫy hố, bẫy màn treo, lưới quét… Nhìn chung, phương pháp thu mẫu được tham khảo từ Ngô Đắc Chứng và Nguyễn Quảng Trường (2015). Để có cơ sở so sánh giữa các bộ mẫu (giữa các quần xã), người dạy cần chú ý đến cường độ thu mẫu của sinh viên giữa các nhóm như phương pháp đã sử dụng, số lượng sinh viên của mỗi nhóm, thời gian thu mẫu… sao cho có sự tương đồng. Thường thì mỗi nhóm khoảng 5 đến 10 sinh viên thu mẫu theo tuyến ở những vùng có điều kiện sinh thái khác nhau như vùng lõi và vùng đệm của Vườn quốc gia Bạch Mã. Mẫu sau khi thu được bảo quản trong các chai lọ có chứa cồn 70 độ với các nhãn ký hiệu mẫu, sau đó vận chuyển về phòng thí nghiệm để phân tích và định loại. Trong phòng thí nghiệm, người dạy cần hướng dẫn sinh viên cách sử dụng khóa phân loại côn trùng của Brusca và cộng sự (2016), Triplehorn và Johnson (2005), Thái Trần Bái (2001)…để nhận biết và phân loại các nhóm đến taxon bậc Bộ. Mỗi taxon bậc Bộ cần xác định chính xác số lượng cá thể tương ứng với mỗi Bộ, dữ liệu này sẽ được nhập vào chương trình Excel hoặc phần mềm Sigma Plot để tiện tính toán và so sánh. 2.2. Phương pháp phân tích dữ liệu Hướng dẫn sinh viên sử dụng chỉ số của Simpson (1949) để đánh giá sự đa dạng của mỗi quần xã theo công thức sau: D = Σ[ni(ni – 1)/N(N – 1)] Trong đó: D là giá trị của chỉ số; ni là số lượng cá thể của taxon bậc Bộ thứ i; N là số lượng cá thể tổng số của một bộ mẫu (một quần xã). Trong phân tích này chúng tôi đã sử dụng giá trị chỉ số là 1 – D (0 < D < 1). Sử dụng chỉ số đồng đều “Evenness Index” của Shannon (1949) để đánh giá mỗi bộ mẫu theo công thức sau: J’ = H’/Hmax = H’/ln S
336 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Trong đó: J’ là giá trị của chỉ số; S là số lượng tổng số của các taxa; H’ là chỉ số đa dạng của Shannon và được tính theo công thức: H’ = –Σ(pi × ln pi) Trong đó: pi là tỷ lệ số lượng cá thể tương ứng với bậc taxon bậc Bộ thứ i trong bộ mẫu. Sử dụng phương pháp “Rarefaction” với mức tin cậy 95 % (Hurlbert 171; Simberloff 1972; Krebs 1999) để đánh giá tính đa dạng của mỗi quần xã dưới dạng các đường cong sinh trưởng theo công thức sau: Trong đó: E(Sn) là số lượng taxon bậc Bộ kỳ vọng; S là tổng số các bậc taxon bậc Bộ; Ni là số lượng cá thể của taxon bậc Bộ thứ i; N là số lượng cá thể tổng số của bộ mẫu; n là số lượng cá thể được chọn ngẫu nhiên từ sự chuẩn hóa (n ≤ N). Kết quả này được phân tích thông qua phần mềm ECOLOGICAL METHODOLOGY (Krebs 1999). 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Sau khi chia sinh viên thành các nhóm thực hành, mỗi nhóm tiến hành thu mẫu côn trùng như đã mô tả trong phần phương pháp, bảo quản mẫu và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm dưới sự hướng dẫn của người dạy. Việc nhận biết và phân loại côn trùng chỉ cần đến taxon bậc Bộ như Bảng 1 bằng cách sử dụng khóa phân loại của Triplehorn và Johnson (2005). Sau khi hoàn thành việc phân loại, tiến hành đánh giá sự đa dạng của bộ mẫu và so sánh giữa các nhóm. Trong bài báo này sử dụng sô liệu của côn trùng đã thu thập trước đó ở vùng đệm và vùng lõi của Vườn quốc gia Bạch Mã (dữ liệu chưa công bố như Bảng 1) để minh họa chi tiết phương pháp đánh giá, so sánh và thảo luận. Bảng 1. Các bộ thuộc lớp Côn trùng (Insecta) và số lượng cá thể tương ứng với mỗi bộ đã thu thập được ở Vườn quốc gia Bạch Mã Số lượng cá thể STT Các taxon bậc Bộ Vùng lõi Vùng đệm 1 Ephemeroptera 57 45 2 Odonata 147 23 3 Orthoptera 410 312 4 Phasmatodea 2 – 5 Grylloblattodea – 5 6 Mantophasmatodea* 1 – 7 Dermaptera 7 1 8 Pelcoptera 12 2 9 Embiidina – 5 10 Zoraptera 1 – 11 Isoptera 435 122 12 Mantodea 2 –
PHẦN 1. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 337 13 Blattodea 60 45 14 Hemiptera 35 11 15 Thysanoptera 1 – 16 Psocoptera 25 7 17 Phthiraptera 17 2 18 Coleoptera 230 80 19 Neuroptera 1 1 20 Hymenoptera 455 255 21 Trichoptera 38 12 22 Lepidoptera 189 108 23 Siphonaptera 1 2 24 Mecoptera 2 – 25 Strepiptera 1 – 26 Diptera 211 83 Tổng số taxon (S) 24 19 Tổng số cá thể (N) 2.340 1.121 Ghi chú: *Bộ mới được mô tả gần đây bởi Klaus-Dieter Klass và Christin Grossmann (Vincent Resh và Ring Cardé, 2009). Trong bài báo này, tất cả các loài thuộc Bộ Homoptera trước đây nay được xếp vào Bộ Hemiptera trên cơ sở dữ liệu phân tử DNA ty thể (Triplehorn & Johnson, 2005; Brusca et al., 2016). Số liệu thu được từ vùng lõi của Vườn quốc gia Bạch Mã được sử dụng để minh họa chi tiết phương pháp đánh giá thông qua chỉ số đa dạng của Simpson (1949) được trình bày trong Bảng 2. Bảng 2. Phương pháp tính toán chỉ số đa dạng của Simpson thông qua một bộ mẫu côn trùng được thu thập từ vùng lõi của Vườn quốc gia Bạch Mã. STT Các taxon bậc Bộ ni ni-1 ni*(ni-1) ni*(ni-1)/N*(N-1) 1 Ephemeroptera 57 56 3.192 0,0006 2 Odonata 147 146 21.462 0,0039 3 Orthoptera 410 409 167.690 0,0306 4 Phasmatodea 2 1 2 0,0000 1 5 Mantophasmatodea 1 0 0 0,0000 6 Dermaptera 7 6 42 0,0000 7 Pelcoptera 12 11 132 0,0000 8 Zoraptera 1 0 0 0,0000 9 Isoptera 435 434 188.790 0,0345 10 Mantodea 2 1 2 0,0000
338 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 11 Blattodea 60 59 3.540 0,0006 12 Hemiptera 35 34 1.190 0,0002 13 Thysanoptera 1 0 0 0,0000 14 Psocoptera 25 24 600 0,0001 15 Phthiraptera 17 16 272 0,0000 16 Coleoptera 230 229 52.670 0,0096 17 Neuroptera 1 0 0 0,0000 18 Hymenoptera 455 454 206.570 0,0377 19 Trichoptera 38 37 1406 0,0003 20 Lepidoptera 189 188 35.532 0,0065 21 Siphonaptera 1 0 0 0,0000 22 Mecoptera 2 1 2 0,0000 23 Strepiptera 1 0 0 0,0000 24 Diptera 211 210 44.310 0,0081 Tổng số ni*(ni-1)/N*(N-1) 0,13 Tổng số cá thể N 2.364 N*(N-1) 5.475.599 Giá trị chỉ số (1 – D) 0,87 Từ kết quả được trình bày trong Bảng 2 cho thấy chỉ số đa dạng của Simpson ở vùng lõi là 0,87 (với một chỉ số Evenness của Shannon là 0,705); kết quả này là cao hơn vùng đệm (chỉ số Simpson là 0,84 với một chỉ số Evenness của Shannon là 0,713). Nói cách khác, sự đa dạng của bộ mẫu côn trùng ở vùng lõi là cao hơn vùng đệm. Bên cạnh số Bộ ở vùng lõi là 24 bộ và vùng đệm là 19 bộ, kết quả này được giải thích thông qua các bậc taxon quý hiếm được trình bày trong Bảng 1 (các bậc taxon chỉ có một vài cá thể và các bậc taxon phổ biến (các taxon có số lượng cá thể lớn như Orthoptera, Isoptera, Hymenoptera, Coleoptera, và Diptera). Như một hệ quả, sự đóng góp của những bậc taxon này thấp hơn so với sự đa dạng Alpha (α-diversity). Một vấn đền thường xuất hiện khi so sánh sự đa dạng của các bộ mẫu giữa các quần xã khác nhau là sự khác nhau về kích thước của mỗi bộ mẫu. Giả sử nếu người điều tra thu được 125 loài với 2.200 cá thể ở quần xã A, trong khi ở quần xã B chỉ thu được 75 loài với 750 cá thể tương ứng (Krebs, 1999). Nhìn vào hai bộ mẫu này người điều tra không thể biết ngay lập tức quần xã nào có sự phong phú loài cao hơn. Để giải quyết vấn đề này, người điều tra nên sử dụng phương pháp Rarefaction để đánh giá và so sánh hai bộ mẫu (hoặc nhiều hơn) dưới dạng các đường cong phân bố trên hệ trực tọa độ. Bài báo này đã sử dụng hai bộ mẫu côn trùng như đã trình bày ở Bảng 1 để so sánh thông qua phương pháp Rarefaction như Hình 1.
PHẦN 1. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 339 Hình 1. So sánh đường cong tích lũy kỳ vọng số lượng các taxon bậc Bộ của hai bộ mẫu côn trùng được thu thập từ vùng lõi và vùng đệm của Vườn quốc gia Bạch Mã thông qua phương pháp Rarefaction Kết quả phân tích Rarefaction cho thấy, đường cong tích lũy kỳ vọng số lượng các taxon ở vùng lõi là cao hơn vùng đệm, đặc biệt ở giai đoạn bộ mẫu có kích thước lớn (n ≥ 700). Tuy nhiên, khi bộ mẫu có kích thước nhỏ (n < 200) thì đường cong tích lũy kỳ vọng số lượng các taxon của hai vùng có xu hướng ngang nhau. Sự sai khác giữ hai đường cong phân bố của hai quần xã là có ý nghĩa thống kê (P < 0,001). Từ các kết quả phân tích ở trên cho thấy, khi đánh giá sự đa dạng của một bộ mẫu hoặc so sánh giữa các bộ mẫu với nhau cần căn cứ trên ba mặt: thành phần loài (các taxon), số lượng cá thể tương ứng với mỗi loài, và mức độ phân bố số lượng cá thể giữa các loài hoặc các taxon. Việc đơn độc sử dụng một trong ba tiêu chí (ví dụ chỉ số Sørensen) để đánh giá sự đa dạng của bộ mẫu là “không khôn ngoan”. Đây là lý do tại sao đông đảo các nhà sinh thái học hàng đầu thế giới chấp nhận và sử dụng các chỉ số này để phân tích dữ liệu. Bài báo này không chỉ giúp sinh viên nhận biết các nhóm côn trùng và đánh giá bộ mẫu khi thực hành mà còn áp dụng được cho các bài thực hành khác như phân loại cá, phân loại lưỡng cư và bò sát, thậm chí dạy bài thực hành chuỗi và lưới thức ăn trong học phần Sinh thái học cho sinh viên ngành Sư phạm Sinh học. 4. KẾT LUẬN Bài báo này đã hướng dẫn chi tiết cho sinh viên khi thực hành bài phân loại học côn trùng và cách sử dụng các chỉ số đa dạng tiến bộ để đánh giá và so sánh các bộ mẫu thông qua taxon bậc Bộ. Việc sử dụng các phương pháp này sẽ cho các kết quả đáng tin cậy, có độ chính xác cao và dễ so sánh giữa các bộ mẫu với nhau. Những phương pháp này không chỉ áp dụng cho một bài thực hành đối với sinh viên mà còn ứng dụng tốt cho lĩnh vực sinh thái dinh dưỡng khi các học viên sau đại học làm luận văn thạc sĩ hoặc luận án tiến sĩ. Mặc dù các chỉ số đa dạng này chỉ công bố sau một vài năm so với chỉ số Sørensen (1948) nhưng có nhiều ưu điểm, xem xét và đánh giá bộ mẫu một cách toàn diện nên được
340 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM nhiều nhà sinh thái học hàng đầu thế giới chấp nhận thay vì sử dụng chỉ số Sørensen như ở Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO Brusca R. C., Moore W., and Stephen M. Shuster S.M., 2016. Invertebrates. Sinauer Associates Inc., Sunderland, USA. Thái Trần Bái, 2001. Động vật học động vật không xương sống. Nxb. Giáo dục, Hà Nội. Ngô Đắc Chứng, Nguyễn Quảng Trường, 2015. Điều tra và giám sát đa dạng sinh học động vật. Nxb. Đại học Huế. Hurlbert, 1971. The nonconcept of species diversity: a critique and alternative parameters. Ecology 52:577-586. Krebs C.J., 1999. Ecological Methodology. Addison Wesley Longman, California, USA. Pechenik J.A. 2015. Biology of the Invertebrates. McGraw-Hill Education. New York, USA. Shannon C.E. and Weaver W., 1949. The Mathematical Theory of Communication. The University of Illinois Press, Urbana, USA. Simberloff D., 1972. Properties of the rarefaction diversity measurement. The American Naturalist 106:414-418. Simpson E.H., 1949. Measurement of diversity. Nature 163:688. Triplehorn C.A. and Johnson N.F., 2005. Borror and DeLong's Introduction to the Study of Insects. Thomson Brooks/Cole, California, USA. Vincent H. Resh, Ring T. Cardé, 2009. Encyclopedia of Insects. Academic Press, USA.
PHẦN 1. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 341 METHODS TO ASSESS AND COMPARE SPECIES DIVERSITY AMONG INSECT COMMUNITIES Bui Thi Chinh1, Nguyen Thi Kim Co1, Tran Van Giang1, Tran Quoc Dung1, Nguyen Van Thuan1, Ngo Van Binh1,* Abstract. How to identify and classify insect groups for students belonging to the branch of biological pedagogy, Hue University of Education is necessary when learning the invertebrate practice. The methods of sample collection, preservation, and specimen analysis were guided in detail. We used the advanced diversity indexes to evaluate and compare diversity among the insect collections, using the Rarefaction method to quickly evaluate the collections as distributed curves. The results show many advantages of Simpson’s index and Shannon's index when looking at a comprehensive method and limitations of Sorensen’s index, advances in addressing rare species or taxa (species only had several individuals in the collection) and common species (species with large numbers of individuals) through distribution curves. Keywords: Assessment method, diversity index, insects, Insecta, Shannon, Simpson. 1 Hue University of Education, Hue University * Email: ngovanbinh@dhsphue.edu.vn