有机体与环境

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1、单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *1 生态学有机体与环境 唐 璐 璐 生物科学与技术学院 lltangmail.csu.edu.c n 第一部分 有机体与环境 生物与环境 能量环境 物质环境 1.1 生物与环境 生态因子 生物与环境的相互作用 最小因子、限制因子与耐受限度 1.1.1 环境（environment） 某一特定生物体或生物群体周围一 切的总合，包括空间及直接或间接影响 该生物体或生物群体生存的各种因素。 太阳与地球构成了生物生存的宇宙环境与地 球环境，二者奠定了生态学上的宏观概念。 1，大气圈（atmosphere） 对流层厚度约为10km，占全部大气质量的

2、7080%。 对流层中，空气组成的主要成分保持不变。3-4km以上高度 内，CO2要比下层少。O2总含量近108kg。 2，水圈hydrosphere 全球估计有15亿km3的水。其中海水占97%，淡水3%。 3，岩石圈与土壤圈(lithosphere and pedosphere) 岩石圈是指地球表面3040km厚的地壳层。它是组成生 物体的各种化学元素的仓库。 4，生物圈(biosphere) E. Suess(休斯奥地利地质学家)于1875年首先创造 了生物圈这一术语。 生物圈是指地球上全部生物及其赖以生存的环境的总 体。其范围为海平面以上10km，海平面以下12km。其间最 活跃的是生

3、物，地球上总的生物生产量中，植被占99%。 O22000年再循环一次；生物的呼吸作用释放的CO2，约 300年再循环一次；整个水圈的水分经过生物的吸收、蒸发 、 蒸腾、排泄等，约需20万万年再循环一次。 大环境与小环境 大环境（macroenviroment） 地区环境、地球环境和宇宙环境。 小环境（microenviroment） 对生物有直接影响的邻接环境，即指 小范围内的特定栖息地。 大环境 小环境 小气候 大气候 离地面1.5m以上的 气候。 地面大气层中 1.5m以内的气候 。 小气候（小环境） 蜂鸟巢小气 候黎明前时的温 度，巢上方的树 枝减少了孵卵雌 鸟的热量损失（ Calder

4、,1973） 1.1.2 生态因子（ecological factor） 环境要素中对生物起作用的因子。 如光照、温度、水分、氧气、二氧化碳 、食物和其他生物等。 生态因子的相关概念 生存条件：生态因子中生物生存不能缺少的 环境要素。 生态环境：一定区域所有生态因子的总和。 生境（Habitat）：特定生物体或群体的栖 息地的生态环境。 生态因子的分类 气候因子、土壤因子、地形 因子、生物因子、人为因子 按性质 按生态因子对动物种 群数量变动的作用 按有无生命特征 生物因子和非生物因子 稳定因子和变动因子 按生态因子的稳 定性及其作用 密度制约因子和 非密度制约因子 生态因子作用特征 综合作用

5、 主导因子作用 阶段性作用 不可替代性和补偿性作用 直接作用和间接作用 1.2 生物与环境的相互作用 环境对生物的作用 表现在对生物生存、生长、发育、 形态结构、遗传、繁殖、分布、种群数 量、种内关系以及种间关系的影响 稀树草原&热带雨林 北美草原上的狼与非洲草原上的豺 莫斯科工业污染导致畸形 重大环境污染导致痛痛病 生物对环境的适应 形态的适应 生理的适应 行为的适应 对环境的适应有助于生物生存 胡椒蛾 黑化胡椒蛾个体 胡椒蛾黑化 100 80 60 300 200 100 Winter smoke, ug/m3 Percent frequency of melanic peppered m

6、oths 1960 1970 1980 烟尘实测值 烟尘变化趋势 黑化蛾变化趋势 随着污染减轻，黑化蛾在群体中的频率逐渐下降 夜间降低代谢率 有花蜜供给，没有休眠，要消耗大量能量 食物与代谢 生物对环境的反作用 1.2 生物与环境的相互作用 森林吸收太阳辐射、降低风速、保持水分 、防治土壤冻结 土壤微生物和土壤动物改变土壤的结构和 性质 过度放牧导致草场退化 人类活动导致全球环境变化 1.3 1.3 生物对环境的生态效应生物对环境的生态效应 不同生物对环境有不同的生态效应。现以森林植物为例： 涵养水源保持水土 调节气候增加降水 防风固沙保护农田 净化空气防治污染 1.3.1 利比希最小因子定律

7、 低于某种生物需要的最小量的任何 特定因子，是决定该种生物生存和分布 的根本因素。 严格稳定状态下适用 考虑因子的替代作用 1.3.2 限制因子（Limiting factor） 任何生态因子，当接近或超过某种 生物的耐受性极限而阻止其生存、生长 、繁殖或扩散时，这个因素称为限制因 子。 曳尾鹱的孵化成功很大程度上取决于 热环境 南北较高纬度地区的 低温是影响非洲蜂进 一步向高纬度范围扩 散的限制因子。 高纬度地区低温对生物分布的限制 1.3.3 耐受性定律（Law of tolerance） 任何一个生态因子在数量上或质量 上的不足或过多，即当其接近或达到某 种生物的耐受限度时会使该种生物衰

8、退 或不能生存（Shelford 1913） 。 耐受性定律的发展 每一种生物对不同生态因子的耐受范围存在 差异 生物在整个发育过程中，对环境因子的耐受 限度是不同的 不同的生物种，对同一生态因子的耐受性是 不同的 生物对某一生态因子处于非最适状态下时， 对其他生态因子的耐受限度也下降 近缘种的生态耐受度可能不同 生态幅（ecological amplitude） 每一种生物对每一种生态因子都有 一个耐受范围，即有一个生态上的最低 点和最高点。在最低点和最高点之间的 范围，称为生态幅或生态价。 生物种的耐受限度图解 种 群 数 量 数量很低种群消失种群消失数量很低数量最高 不能耐受区 生理受抑

9、制生理受抑制 不能耐受区最适区 环境梯度低 耐受性下限耐受性上限 最适范围 不适范围 不能生存 因子梯度 渐增 生命活动强度或数量 生物对环境因子耐受曲线的实际表现 亚适范围 亚适范围 不适范围 广温性生物与狭温性生物的生态幅 比较 耐受限度的调整 生物耐受范围的上下限是可以被调整的 耐受性的变化直接与生物化学的、生理 的、形态的及行为的特征等相关 提高适应能力 驯化:自然驯化和人工驯化 生理变化和遗传变化 驯化可能：生物特性差异，诱导条件差异 生物学意义：适应环境变化能力 内稳态 (Homeostasis) 生物通过控制体内环境(体温、糖、氧浓度 、体液等)，使其保持相对稳定性 扩大了生物的

10、生态幅与适应范围，但并不能 完全摆脱环境的限制 生物的耐受限度是可以调整的 不同温度下驯化导致耗氧量的差异 200 160 120 80 40 0 10 20 30 温度 耗氧量 （mlg-1h-1 ） 5 驯化 25 驯化 能量环境 光 温度 2.1 光的生态作用及生物对光的适应 2.1.1 地球上光的分布 影响太阳辐射的因素和光的分布规律 影响地表太阳辐射的因素 大气圈，太阳高度角，纬度和季节，海拔、 坡度和坡向 光质(光谱成分) 低海拔、高纬度长波光多，高海拔、低纬度 短波光多 夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多 日照时间 夏季昼长夜短、冬季昼短夜长 纬度升高、变化加大，两极有极昼、

11、极夜 光照强度 低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬 度光照强度大 夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强 度弱 (北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱 地球表面的太阳辐射 春 秋 夏 冬 秋 春 冬 夏 The seasons in the Northern and Southern Hemispheres 10 20 30 35 40 45 50 10 20 30 35 40 45 50 50 45 40 35 30 20 10 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 光 期 hr 暗 期 hr 2 4 6 8 10

12、 12M 不同季节各纬度的日照长度 各种波长的光穿过蒸馏水时的强度变化 水生藻类的光合色素与光谱的变化相似 2.1.2 光质的生态作用及生物的适应 叶绿素的吸收光谱 蓝紫光：430 450nm 红光：640 660nm 光质的生态作用 不同光质的作用 蓝紫光：促进蛋白质的合成 红光：促进糖的合成 青光、蓝紫光和紫外线等短波光抑制植物的 伸长生长，使植物向光性更敏感 紫外线能杀菌，对生物体造成损伤，促进维 生素D的合成 红外线是地表的基本热源，对外温动物的体 温调节和能量代谢有决定性作用 生物对光质的适应 太阳鱼视力的灵敏峰值为500530nm 绿色植物和绿藻、红藻、褐藻和硅藻光合 色素的差异

13、高山植物含花青素、叶面缩小、毛绒发达 2.1.3 光照强度的生态作用及生物的 适应 光照强度对生物的生长、发育和形态建 成的作用 植物对光照强度的适应性 动物对光照强度的适应 光照强度的生态作用 影响动物的生长发育 影响动物的体色 影响植物叶绿素的形成 黄化现象 影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的 生长和分化 影响植物花果的数量和质量 植物对光照强度的适应 光合能力：当传入的辐射能是饱和的、温度 适宜、相对湿度高、大气中CO2和O2的浓度正 常时的光合作用速率。C4和C3植物光合能力 对光照强度的反应不同。 植物物种间对光强度表现出的适应性差异， 表现在阳地种和阴地种上。 C3和C4植物在最

14、适温度和正常CO2 浓度时，光合作用对光强度的反应 特 征阳地植物叶阴地植物叶 形 态 特 征 枝叶 叶片 角质层 气孔 栅栏组织 稀疏 较小 发达 较多 发达 茂 盛 较大、薄 不发达 较 少 不发达 生 理 特 征 细胞汁液浓度 蒸腾作用 CO2补偿点的光强度 光合作用的光饱和点 RvDP羧化酶 以干重计的叶绿素 可溶性蛋白（=酶） + + + + 高 高 + + + + + + + + 低 低 + + + + 阴地植物与阳地植物叶的比较 光照强度使动物在视觉器官的形态上产生了 遗传的适应性变化； 动物的活动行为与光照强度有密切关系； 自然条件下，动物每天开始活动的时间常常 是由光照强度决

15、定的。 动物对光照强度的适应 2.1.4 生物对光照周期的适应 生物的昼夜节律 生物的光周期现象 光周期现象：对日照长短的规律性 变化。 小时 植物光合作用的昼夜变化 植物的光周期现象 长日照植物、短日照植物、中日照 植物和日中性植物 动物的光周期现象 繁殖的光周期现象 昆虫滞育的光周期现象 换毛与换羽的光周期现象 动物迁徙的光周期现象 植物开花对日照长度的反应 长日照植物：萝卜、菠菜、小麦、凤仙花、牛蒡等 短日照植物：玉米、高粱、水稻、棉花、牵牛等 中日照植物：甘蔗等少数热带植物 日中性植物：蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄 2.2 生物对温度的适应 主要取决于太阳辐射量和地球表面水陆 分布。 2.2.1 地球上温度的分布 2.2.1.1 地表大气温度的分布与变化 温度的空间分布与变化 随纬度增加，地表气温下降 水体对气温有调节作用 地形影响气温 温度的时间变化 日变化&年变化 2.2.1.2 土壤温度的变化 土壤表层的温度变化较气温剧烈，随土壤深 度加深，土壤温度的变化幅减小。 随土壤深度增加，土壤最高温和最低温出现 的时间后延，其后延落后于气温的时间与土 壤深度成正比。 土壤温度的短周期变化主要出现在土壤上