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1、基 础 生 态 学,天津师范大学生命科学学院,第一部分 有机体与环境,1 生物与环境,2 能量环境,3 物质环境,第一部分 有机体与环境,环境与生态因子 生物与环境的相互作用 生物与环境关系的基本原理,环境的变化决定了生物的分布与多度，生物的生存又影响了环境，生物与环境是相互作用、相互依存的。,1 生物与环境,环境：是指某一特定生物体或生物群体周围一切的总和，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。,1.1 环境与生态因子,1 生物与环境,其它鱼类,非生物 因 素,虾, 水蚤 水草 等 异种生物,一条鲤鱼,鲤鱼种群,池塘群落,研 究 主 体,1 生物与环境环境与生态因子,小环
2、境,大环境,大环境：指地区环境、地球环境和宇宙环境。大环境中的气候称为大气候。,1 生物与环境环境与生态因子,大气候： 指离地面1.5米以上的气候，是由大范围因素所决定，如大气环流、地理纬度、距海洋距离、大面积地形 等。,大环境，如不同气候的地理区域，影响生物的生存与分布，产生不同的生物群系。,1 生物与环境环境与生态因子,反之，根据这些生物群系的特征，可以区分各个不同的气候区域。,1 生物与环境环境与生态因子,小环境：指对生物有着直接影响的邻接环境，小环境中的气候称为小气候。（地面大气层中1.5米以内的气候）,洞穴环境，树荫下环境,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
3、量损失（Calder,1973）,1 生物与环境环境与生态因子,1 生物与环境,生态因子：指环境要素中对生物起作用的因子，如温度、湿度、食物、氧气、二氧气碳以及其他相关生物等。,1.1 环境与生态因子,在生态因子中，对生物生存不能缺少的环境要素也称为生存条件 植物：二氧化碳和水 动物：食物、热能和氧气,1 生物与环境环境与生态因子,生境：所有生态因子构成生物的生态环境，特定生物体或群体的栖息地的生态环境。 生物个体、种群或群落，在其生长发育和分布的具体地段上，各种具体因子的综合作用，叫生境,生态因子的分类,（1）按其性质分为： 气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子 （2）按有无生命
4、特征分为： 生物因子和非生物因子 （3）按生态因子的稳定性及作用分为： 稳定因子和变动因子 （4）按生态因子对种群数量变动的作用分为： 密度制约因子和非密度制约因子,1 生物与环境环境与生态因子,类型有正负两类，在密度增加的状态下，正者作用导致生物的密度进一步增长；负者导致密度的反馈性降低，有调节种群密度的作用。一般生物因子常为密度制约因子。,种群出生率变化,种群密度梯度,密度制约,非密度制约,逆密度制约,导致种群出生率变化的环境因子作用于种群的强度随种群密度梯度变化而改变；具有调节种群密度作用,密度制约因子与非密度制约性因子比较,种群死亡率变化,种群密度梯度,密度制约,非密度制约,逆密度制约
5、,导致种群死亡率变化的环境因子作用于种群的强度，随种群密度梯度变化而改变,密度制约因子与非密度制约性因子比较,生态因子作用的几个特征,1 生物与环境环境与生态因子,生态因子作用的几个特征综合性作用,1 生物与环境环境与生态因子,生态因子作用的几个特征主导因子（非等价性）,1 生物与环境环境与生态因子,春化作用：低温对越冬植物成花的诱导和促进作用,冬小麦,生态因子作用的几个特征阶段性作用,1 生物与环境环境与生态因子,生态因子作用的几个特征不可代替性和互补性,1 生物与环境环境与生态因子,生态因子作用的几个特征直接作用和间接作用,1 生物与环境环境与生态因子,环境对生物的作用 （）影响生物的生长
6、、发育、繁殖和行为；导致种群数量的改变；能够限制生物的分布区域。 （）生物通过对自身的形态、生理、行为等不断调整，以适应环境中生态因子的变化。,1 生物与环境,1.2 生物与环境的相互作用,生物对环境的反作用 （）可以改变生态因子的状况； 森林 形成小气候 土壤微生物 土壤养分发生变化 （）生物与生物之间的相互作用，形成协同进化。,1 生物与环境,1.2 生物与环境的相互作用,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 moths,1960 1
7、970 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,1 生物与环境,1、最小因子定律,利比希最小因子定律(Liebigs Law of the mini-mum): 植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素，即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。 进一步研究表明，这个理论也适用于其他生物种类或生态因子。,1 生物与环境,1.3 生物与环境关系的基本原理,利比希(Justus Liebig)是19世纪德国的农业化学家，他发现作物产量常不受其需要量最大的营养物质限制，而是取决于在土壤中稀少的又为植物需要
8、的元素。,限制因子(Limiting factor): 生物的生存和繁衍依赖于各种生态因子的综合作用，但是其中必有一种或少数几种因子是限制生物生存和繁衍的关键性因子，这些关键因子就是限制因子。 限制因子可以是因为最小量，也可以是过量。 由于众多的生态因子的重要性（作用）不同，限制因子作用可能最强大，因此，在生态学研究中，环境分析要集中在可能是限制因子的生态因素上。那些耐受范围窄、在自然界变化幅度大的生态因子，最可能成为限制因子。,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,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,耐受性定律(Law of
9、 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是会使该种生物衰退或不能生存。,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,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,生理受抑制,生理受抑制,不能耐受区,最适区,环境梯度,高,低,耐受性下限,耐受性上限,生物种的耐受性限度图解,最适范围,亚适范围,亚适范围,不适范围,不适范围,不能生存,因子梯度,渐增,生命活动或数量,生物对环境因子的耐受曲线,Shelford 耐受性定律,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
10、线的实际表现,亚适范围,亚适范围,不适范围,Shelford 耐受性定律,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,每一种生物对不同生态因子的耐受范围不同； 同一生物在不同发育阶段,对同一生态因子的耐受范围不同； 不同生物对同一生态因子的耐受范围不同； 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。,不同学者对耐受性定律的发展：,生态幅(ecological amplitude)：生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上限和下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围，称为生态幅。,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,广生态幅度,狭生态幅度,生命活动或数量,环境因子
11、变化梯度,生态幅度的宽狭比较,广温性生物,狭温喜热生物,生命活动或数量,温度变化梯度 低高,狭温喜冷生物,生物对温度的耐受,温度、湿度结合考虑，在中湿和中温条件下，生物耐受限度最高。,P.A.Haefner(1970)研究含盐量、温度因子在决定褐虾最适耐受范围时的相互作用。用死亡百分数确定褐虾的忍受限度。 褐虾的最大适合度在两个因子的中值处,在自然界，生物种往往并不处于其最适生境下，因为生物间的相互作用，常常妨碍它们去利用最适宜的环境条件，因此生理最适点与生态最适点往往是不一致的,4种草本植物在野外竞争作用条件下 (生态最适) 与在实验室内控制无竞争作用条件下(生理最适)的不同分布状况比较(考
12、查的生态因子为表层土壤的pH值),羊茅,曲芒发草,蓝盆花,酸模,驯化(Acclimation)：一种生物长期生活在它最适生存范围偏一侧的环境条件下，久而久之就会导致该种生物耐受曲线的位置移动，并可产生一个新的最适生存范围，而生存范围的上、下限也会发生移动。,生物的内稳态（homeostatic organism)：通过控制自身的体内环境，使其保持相对稳定，减少对环境的依赖，从而扩大生物对生态因子的耐受范围。,休眠(dormancy): 生命处于不活动状态。,生物对耐受限度的调整,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,不同温度下驯化导致耗氧量的差异,200 160 120 80 40 0,10
13、 20 30,温度 ,耗氧量 （mlg-1h-1 ）,5 驯化,25 驯化,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,驯化在5 和25 的蛙在不同温度下的氧消耗,金鱼在两种不同温度下的锻炼结果,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,内稳态和非内稳态生物,内稳态生物(homeostatic organism)是广生态幅、广适应性物种。对于温度因子，内稳态生物保持体内恒温，对于湿度因子，表现为光湿性。 非内稳态生物则表现为体内环境随外界环境而变化。,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,蜥蜴的行为适应,早上身体的侧面迎向阳光，身体紧贴在温暖的岩石 中午面向阳光，在高处吹风；或是移动至较荫凉的地方
14、 木偶跳舞 潛在沙中,1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,休眠分长期、短期和各种中间状态： 冬眠 (hibernation) 夏眠 (aestivation) 蛰伏 (torpor)：恒温动物的半休眠状态 滞育(diapause)：昆虫的休眠 植物种子的后熟(after-ripening),1 生物与环境生物与环境关系的基本原理,1 生物与环境,2 能量环境,3 物质环境,第一部分 有机体与环境,光的生态作用及生物对光的适应 生物对温度的适应 风对生物的作用及防风林 火作为生态因子对于生物的影响及管理,环境与生态因子 生物与环境的相互作用 生物与环境关系的基本原理,太阳辐射为地球上所有生命
15、系统提供了能量，太阳辐射又温暖了地球表面，使生物能够生长、发育和繁衍，并对生物的分布起了重要的作用。光和温度组成了地球上的能量环境。,光的生态作用及生物对光的适应 生物对温度的适应 风对生物的作用及防风林 火作为生态因子对于生物的影响及管理,2 能量环境,问题：生物可以利用那些能量？,太阳辐射光谱： UV-C UV-B UV-A 可见光 红外光 150-200-280-320-380-760-4000(nm) 占总能量： 9% 45% 46%,地球上光的分布,2 能量环境,2.1 光的生态作用及生物对光的适应,可 见 光,红 外 线,紫 外 线,波长nm,500 1000 2000 3000 4000,能 流 强 度,影响太阳辐射的主要因素： 经大气圈各种成分的吸收、反射和散射，到达地表的仅是总太阳辐射的47%； 太阳高度角影响太阳辐射强度，高度角越小，太阳辐射穿过大气层路程越长，辐射强度越弱； 地球公转和自转的影响，导致季节和昼夜，使太阳辐射呈周期性的
