Ý nghÝ nghĩĩa ca cáác chc chỉỉ ssốố trong trongđa dđa dạạng sinh hng sinh họọcc

TS. Viên Ngọc Nam

Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh

Ý nghĩaNhiều 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 thời gian và không gian dựa trên các mẫu thu 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 vàsử 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 ĐDSHCách tốt nhất là phải thử nghiệm với những con sốmà chúng ta đo đếmTốt nhất là chọn những chỉ số nào được cho là căn bản với đầy đủ chức năng tiêu chí và khả năng nào đó để hiểu biết giữa các nơi, phụ thuộc vào kích cởmẫu, thành phần nào trong DDSH được đo đếm, chỉsố nào được sử dụng rộng rãi và hiểu rõ.

Các tính chất của quần xãLàm thế nào để so sánh các quần xã?Chúng ta so sánh bằng cách liệt kê các tính chất phổ biếnNhư 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.

ThThàành phnh phầần cn củủa qua quầần xãn xãChúng ta không thể chỉ lên danh sách các loài. Bởi vì sau đóchúng ta chỉ có thể so sánh các quần xã với vài loài phổ biến. Tuy vậy, tất cả các quần xã sẽ có các loài, mặc dầu số lượng và mức độ phong phú thì biến động. 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 xãĐộ tương đồng

CCáác đc độộng thng tháái ci củủa qua quầần xãn xãĐa 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 hệsinh 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 tháiGlobal 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 đóKý 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 mẫuα : 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 )NS αα

= +

Độ tương đồng (Evenness)Độ tương đồng (Evenness) so sánh sựgiống nhau của kích thước quần thể củaloài hiện diện, là đo đếm độ phong phú tương đối của các loài khác nhau tạo nên độ giàu có của một vùngE biến động 0 ≤ E ≤ 1, khi E = 1 đồng đều cao nhấtMột quần xã mà có 1 hoặc 2 loài ưu thế thì được xem như là kém đa dạng hơn một quần xã khác mà vài loài có độ phong phúgiống nhau

10001000Tổng

931365Buttercup

49335Dandelion

20300Daisy

Mẫu 2Mẫu 1Loài hoa

Số cá thể

Species richness & Evenness

Khi đKhi độộ gigiààu cu cóó ccủủa loa loààii vvàà tương đtương đồồng caong cao ththìì mmứức đc độộ đa dđa dạạng tăngng tăng

S= 3 N = 1.000S= 3 N = 1.000

Trường hợp (a) mức bình quân là tối thiểu, tính ưu thếlà tối đa, có loài ưu thế,

Trường hợp (b) mức bình quân là tối đa, không có loài ưu thế.

Sự biến động của các loài trong quần thể càng ít thì E càng cao

Các chỉ số ưu thế, hầu hết các loài thông thường có đóng góp lớn và khi thêm vài loài hiếm sẽ không tăng giá trịcác chỉ số

10101010101010101010B

11111111191A

jihgfedcbaQXã/Loài

Chỉ số Margalef

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

haysdN

= 1lgsd

N−

=

Trong đó :d : chỉ số đa dạng MargalefS : tổng số loài trong mẫuN : 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 thểhiện là 1 - D, với 0 ≤ D ≤ 1 D lớn thì ĐDSH lớn

Chỉ số đa dạng Simpson nghịch đảo hay 1/DGiá 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)

6415Tổng (N)

63Khế

01Na

01Ổi

568Xoài

22Cóc

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 phúnhất trong mẫu, trong khi đó thì ít nhạy cảm với độgiàu 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 thấpD 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 giátác động môi trườngSimpson's Diversity Index là chỉ số đo về mức độ đa dạng mà xem xét cả độ giàu có và đồng đều

Chỉ số ShannonChỉ số này thuận lợi là xem xét số loài và mức độđồng 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 phúcủa mỗi loài. S Số loài. Được gọi là độ giàu có của loài. N Tổng số các cá thể

pi = Mức độ phong phú tương đối của mỗi loài,

tức là tổng số cá thể của một loài nào đó trên tổng sốcá thể của các loài trong quần xã

Ví dụ

• Chỉ số ĐD Simpson biến đổi khi số loài hiếm tăng vàsố cá thể thay đổi.

• Chỉ số Berger-Parker tăng không đáng kể khi loài hiếm tăng

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

Độ đồng đều EH

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 làmột công cụ quan trọng cho các nhà sinh học cố gắng để hiểu biết cấu trúc của quần xã.Chỉ số đồng đều Shannon's (EH) 0 ≤ EH ≤ 1, khi EH = 1 là độ đồng đều cao nhất.

(EH = H /Hmax, with Hmax = lnS)

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

Chỉ số Berger-Parker

Chỉ số Berger-Parker index được tính toán dễdàng 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 sốShannon có khuynh hướng thiên về độ giàu có). Chỉsố nghịch đảo 1/d là 1 chỉ số của đa dạng. Chỉ sốSimpson có giá trị cao nhất khi số lượng loài giống nhau là S

N= Tổng số cá thể của các loàiNmax: 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 thểso 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

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6

species rank

% c

umul

ativ

e ab

unda

nce

Series1Series2Series3Series4

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 phúChỉ 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 sốShannon, 1/D Simpson (theo tỉ lệ ln) và1/Berger-Parker (theo tỉ lệ ln). Quần xã có đa dạng lớn nhất sẽ hoàn toàn nằm trên đường cong của quần xã với mức đa dạng thấp nhất.Quần xã phân bố hoàn toàn nằm ngang. Trong trường hợp các đường cong giao nhau có nghĩa là hai quần xã không thểxếp 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 sốShannon 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

SHE analysisXác định các mối quan hệ giữa độ giàu có của loài S (species richness), chỉ số Shannon H (information) và chỉ số tương đồng E (eveness) trong các mẫu. Điều này có lợi cho việc kiểm tra nếu số liệu giống với hàm log-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 thước khác nhau.

Nhớ rằngN = Tổng kích cở mẫuS = Số loài n = Kích thước mẫu tiêu chuẩn được dùng để so sánhNi = Số cá thể trong loài thứ i Thường thì tổng số Ni phải bằng N

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 In = 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 sốJaccard, tính theo công thức:

cKa b c

=+ +Chỉ số Jaccard

daLoài không xuất hiện

bcLoài xuất hiện

Loài khôngxuất hiện

Loài xuất hiện Khu B

Khu A

Chỉ số Brillouin

Dùng khi nghi ngờ lấy mẫu bừa bãiGiống như H', nhưng trên cơ sở số lượng thay vì tỉ lệ. Chỉ số Brillouin sẽ gia tăng khi tổng sốcá 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 phúTrục 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 thấyKhi 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

Cách tính cũng tương tự chỉ số Margalef và Menhinick Càng phong phú thì loài phân bố càng không đồng đềuTrục Y là số loài trong mỗi cấpTrục 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 DStress > 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 đóở 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 3Part 3 Habitat Classification and Mapping, UNESCO-CSI

Đa dạng sinh học theoThành phần loài thực vật theo dạng sống

Thực vật thân gỗ (Gỗ lớn và gỗ nhỏ) Thực vật cây bụi, tiểu mộc Thực vật thảm tươi, caây cỏThực vật ngoại tầng (Daây leo, kí sinh, phụ sinh)Khuyết thực vật

Thành phần loài theo ngành thực vật Thành phần loài theo các họ thực vậtThành phần loài hoặc chi thực vật

Xem xét bảo tồn loàiNhững 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 phủThực vật đặc hữu được hiểu là những loài chỉphân 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

Chọn lựa để bảo tồnĐại diện sinh họcĐộc đáo về sinh họcTự nhiên Đặc hữuCó ý nghĩa cho các vùng có giá trị ĐDSH cao

Nhập lượng thường xuyên: Chứa nước…Có ý nghĩa theo chu kỳ: làm tổ, vùng đất trú đông, dừng chân trên đường di trúNhập vào theo thởi kỳ: Nơi trú ngụ khi lụt

Loài có giá trị hay quan trọngTiềm năng có giá trị ĐDSH cao Hỗ trợ chức năng cho các lập địa và cho các loàiGiá trị kinh tế xã hộiGiá trị tiềm năng của khu nơi có tiềm năng về ĐDSH nhưng giá trị ĐDSH chưa được nghiên cứuGiá trị khả thi bảo tồn

Hiện trạng bảo tồnMức độ đe doạNăng lực quản lý Kích thước và thương tổn sinh thái

Tài liệu tham khảo

http://www.tnstate.edu/ganter/B412%20Extra%20Diversity.htmlhttp://www.tnstate.edu/ganter/B412%20Ch%2015&16%20CommMetric.html#BIO412Ch15Anchor02K. R. Clarke & R. M. Warwick, 2001. Change in Marine Communities: An Approach to Statistical Analysis and Interpretation, 2nd Edition