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1、1 第3章 能量环境 3.1 地球上光及温度的分布 3.2 生物对光的适应 3.3 生物对温度的适应 3.4 风对生物的作用及防风林 3.5火作为生态因子对生物的影响及管理 2 地球上的能量类型 太阳能（光能）: 植物可利用的能量 地热能 风能 化学能：少数低等生物可利用的能量 有机物中包含的化学能：高等生物可利用的能量 其他能量 3 3.1 地球上光的分布 （1）太阳辐射及其光谱组成 1/20亿，1/1000 （2） 地球上光的分布规律 4 500 1000 2000 3000 4000 可 见 光 红 外 线 紫 外 线 波长nm 能 流 强 度 （1 1）太阳辐射及其光谱组成）太阳辐射及
2、其光谱组成 n紫外光：波长760nm， 46% 5 （2）影响太阳辐射的因素和光的分布规律 n影响地表太阳辐射的因素（） n1、大气圈：到达地球表面占，直接辐射 为，散射。 n、太阳高度角：平行光束向地表的太阳辐射 与地面交角。（角小光弱） n、纬度和季节：地球公转时，轴心以倾斜的 位置，接受太阳的辐射，导致不同纬度在不同 季节每天光照时间呈周期性的变化。 n、海拔、坡度和坡向 6 N S W E N W E S 2327 冬至2327 夏至 地球自转时，赤道附近照射的时间长（日周期） 地球公转时，夏天北半球照射的时间长；冬天南半球照射的 时间长（季节周期） 低纬度地区有较为恒定的热量，高纬度
3、比低纬度地区接受的 能量更少 太阳辐射的变化规律太阳辐射的变化规律 7 8 地球表面的太阳辐射地球表面的太阳辐射 9 n光质(光谱成分) n低海拔、高纬度长波光多，高海拔、低纬 度短波光多 n夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光 多 不同光质对植物的光合作用、色素形 成、向光性及光的形态建成等均有不同的 影响。如高海拔地方，植物较矮（高山紫 外光多有关） 10 n日照时间 n夏季昼长夜短、冬季昼短夜长 n纬度升高、变化加大，两极有极昼、极夜 11 n光照强度 n低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬度光照 强度大 n夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强度弱 n(北半球)南坡光照强度大，北坡光
4、照强度弱 n水体中太阳辐射的减弱比大气中更强，光质变化更 大P16图2-4。 12 春 秋 夏 冬 秋 春 冬 夏 The seasons in the Northern and Southern Hemispheres 13 3.2 生物对光的适应 3.2.1 光质的生态作用和生物的适应 （1）光质的生态作用 （2）生物对光质的适应 3.2.2 光照强度的生态作用和生物的适应 （1）光照强度的生态作用 （2）植物对光照强度的适应 （3）动物对光照强度的适应 3.2.3 生物对光周期的适应 （1）生物的昼夜节律 （1）生物的光周期现象 14 3.2.1 光质的生态作用和生物的适应 （1）光质的
5、生态作用 n叶绿素的吸收光谱 n蓝紫光：430450nm 红光：640660nm n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 15 蓝 紫 绿 橙 紅 红外线 400 500 600 700 波长nm 相 对 吸 收 叶绿素的吸收光谱 16 17 n植物的叶绿素是绿色的，它主要吸收红光和蓝光 ，所以在可见光谱中，波长为760620nm的红光 和波长为490435nm的蓝光对光合作用最为重要 。 n 长波红外线是地表热量的基本来源对变温动 物的体温调节和
6、能量代谢起决定作用。 n 光合有效辐射或生理有效辐射，能被光合作 用利用的太阳辐射，380710nm，各光谱有效性 红橙光蓝紫光黄光绿光。 n 生理无效光：主指绿光。 18 （2）生物对光质的适应 n动物 不同动物发展不同的色觉：太阳鱼视 力的灵敏峰值为500530nm（有利于捕食） n高山植物 对紫外光作用的适应，发展了 特殊的莲座状叶丛。高山植物含花青素、叶 面缩小、毛绒发达（适应较多的紫外线）等 19 绿色植物和绿藻、红藻(藻红蛋白、藻蓝蛋白) 、褐藻和硅藻（叶黄素）光合色素的差异 海洋植物 光合作用色素对光谱变化具有明 显的适应性: 海水表层植物色素吸收蓝、红光； 深水植物光合色素有效
7、地利用绿光。 20 各种各样的海洋植物各种各样的海洋植物 21 3.2.2 光照强度的生态作用和生物的适应 （1）光照强度的生态作用 n、影响动物的生长发育 n如蛙卵在有光下孵化快，海洋深处的 浮游生物在黑暗中生长较快等 n、影响动物的体色 n蛱蝶在光下生长色淡，暗下生长色深 22 n、影响植物叶绿素的形成 n黄化现象（etiolation phenomenon)：缺乏足 够的光照，植物发芽后生长为黄色植株。茎 细长软弱，生物产量下降，影响开花结实。 （实质影响了叶绿素的合成） 、影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的 生长和分化 n、影响植物花果的数量和质量 n 23 黄化现象 24 叶绿素空
8、 间结构示 意图 25 （2）植物对光照强度的适应 n、植物的向光性 n向性运动：向性运动是由外界因素单方向的 刺激而产生的生长性运动。可分向光性、向 重力性、向化性、向水性等。 n向光性（Phototropism）：植物随光的方向 而弯曲的能力。有正向光性（茎）、负向光 性（根）、横向光性（叶片）。 26 Phototropism 向光性 27 A：生长素分布不均导致向光性弯曲(20 世纪20 年代提出) 光受体：向光素(含黄素蛋白 B：向光侧生长抑制物质多于背光一侧 抑制剂：萝卜下胚轴：萝卜宁、萝卜酰胺 ；向日 葵：黄质醛。 但不是ABA 28 （2）植物对光照强度的适应 n、植物秋季落叶
9、 n 对、光照的适应（） n、C3植物和C4植物 n光合能力不同， C4植物可利用较低，光 合效率一般较C3植物高,但耗能较大,热带 、亚热带较多. 29 30 n总的反应式： n 6CO212NADPH2+18ATP- - n G+12NADP+18ADP+18Pi 31 n只具有C3途径的植物称C3植物。 n如水稻、棉花、菠菜、青菜， n木本植物大多为C3植物。 n除C3途径外还存在C4途径。 32 n C4途径 (C4photosynthetic pathway) n 1960s甘蔗初产物C4二羧酸 nHatch和Slack证实甘蔗固定CO2后的初产物 是OAA四碳二羧酸,故称C4途径，
10、又名 Hatch-Slack pathway。具有C4固定CO2途径 加C3途径的植物叫C4植物。7500种，占陆生 植物的3%。大多为禾本科杂草,农作物中只 有玉米、高粱、甘蔗、黍与粟等数种。 33 玉米 34 甘蔗 35 高梁 36 苋菜 粟-谷子-小米 37 PEP CO2HCO3- OAAOAAMal NADPH NADP Pyr PyrPPDK Mal NADP NADPH CO2 RuBP 3PGA C3途径 AMP ATP ATP 2ADP 叶肉细胞 维管束鞘细胞 Pi PEPC 38 39 n 结构特征 nC4和C3植物在解剖结构上有明显区别 nC4植物叶子叶脉密集，每一条叶脉
11、都被 一层鞘细胞包围。鞘细胞又被大量叶肉 细胞包围，气隙很小。花环状结构。C3 植物则具明显气隙。 nC4植物维管束鞘细胞含大量细胞器和大 而绿的叶绿体。C3植物维管束鞘细胞只 很少的细胞器和非常小的叶绿体。 40 C3 - Wheat has no chloroplasts in bundle sheath cells C4 - Maize has chloroplasts in bundle sheath cells 维 管 束 鞘 细 胞 41 （2）植物对光照强度的适应 n、阳性植物和阴性植物、耐阴植物 n生理差异 n形态差异 42 阳性植物(sun plant) 适应于强光照地区生
12、活的植物称阳性植物，这 类植物补偿点的位置较高 ，光合速率和呼吸速率都 比较高，常见种类有蒲公 英、杨树、柳树、白桦、 槐树、马尾松和栎树等， 草原、荒漠、阳坡上的森 林植物以及一般的农作物 都是喜阳的植物。它们多 生长在旷野、路边和阳坡 ，其生境没有任何遮阴。 在水分、温度适合的情况 下，喜光照。 43 阳性植物蒲公英 44 阳性植物马尾松 45 阳性植物柳树 46 阴性植物(shade plant) 适应于弱光照地区生活 的植物。这类植物的光补偿 点位置较低，其光合速率和 呼吸速率都比较低与阳性植 物相反，它们在弱光下才能 正常生长发育。如铁杉、红 豆杉、云杉、冷杉和人参、 三七、黄连、半
13、夏、贝母以 及某些蕨类、苔藓和地衣等 。某些石隙植物、水生植物 都属于阴性植物。 47 阴 性 植 物 黄 连 48 49 阴 性 植 物 人 参 50 耐阴植物：介 于阳生和阴生植物之 间.在全光照下生长最 好,但是也能忍耐适度 的荫蔽，或是在生育 期间需要较为轻度的 遮荫。 如青冈属、山毛 榉、红松、云杉、侧 柏、胡桃等，药用植 物如桔梗、党参、沙 参、黄精、肉桂、金 鸡纳等。 51 耐阴植物肉桂 52 耐 阴 植 物 侧 柏 53 耐阴植物桔梗 54 （2）植物对光照强度的适应 n补充:外界条件对光合速率的 影响及植物对强光的适应. 55 n 光合作用指标 n光合速率 (molCO2 (
14、 O2 ) /m2s) n净光合速率(net photosynthetic rate,Pn) n=总(真)光合速率(Pt)呼吸速率(Pr)。 n测定方法：改良半叶法、氧极谱法、红外 线二氧化碳测定法、测压法（微量呼吸检 压仪）等 56 光照条件对光合速率的影响 n光能量来源，叶绿体发育和叶绿素合成，调节 光合碳循环某些酶活性，影响气孔开度，强光导致 光抑制。 n 光强度： n单位：PAR (molm-2s-1)太阳辐射中能被绿 色植物用来进行光合作用的那部分能量成为 光合有效辐射 (photosynthetically active radiation, 光合有效辐射) nPPF(D) (mo
15、lm-2s-1),每秒每平方米光子的摩 尔数 光合光子通量。 57 n 当其他生态因子不变时，光合速率 随光照强度增加而升高。 n光补偿点：光照强度低到一定程度时， 光合速率合呼吸速率相等，此光强为该 植物的光补偿点（light compensation point）。即净光合速率等于零时的光强. n 光饱和点:光照强度增加到一定程度，光 合速率却不再增加时的光照强度为该植 物的光饱和点.即净光合速率达到最大时 的光强,叫光饱和点。 58 阴性植物与阳性植物对光照强度的适应 59 C4 C3 Shade plant(C3) Pn ( molm-2s-1) PPF(molm-2s-1) Photoinhibition 光抑制 60 植物避免光抑制机制 nA、光能吸收的调节
