生态学 第2章 生物与环境ppt课件

第二章生物与环境\n§1生物种的概念17世纪，J.Ray形态相似的个体之集合1753年，C.Linna创立了种的双命名法1963年，E.Mayr“能实际地或潜在地彼此杂交的种群的集合”物种是由内在因素（生殖、生理、生态和行为）联系起来的个体的集合，是自然界中的一个基本进化单位和功能单位。\n\n§2、环境的概念及其类型1、环境的概念（1）环境（Environment）:主体以外、围绕主体，构成主体生存条件的各种要素的总和，包括自然的、社会的要素。（大小范围、具体、相对）（2）环境因子(Environmentfactors):构成环境的各种要素。生物有机体的存活需要不断地与其周围环境进行物质与能量的交换。一方面环境向生物有机体提供生长、发育和繁殖所必需的物质和能量，使生物有机体不断受到环境的作用；而另一方面，生物又通过各种途径不断地影响和改造环境。生物与环境的这种相互作用，使得生物不可能脱离环境而存在。\n2、环境类型（1）按主体：人——人类环境：环境科学生物——生物环境：生态科学（生物体以外）（2）按性质：自然环境、半自然环境、社会环境（3）按范围：宇宙环境space~:大气层以外的宇宙空间。太阳辐射、黑子、月、日引力等。地球环境global~：大气圈中对流层、水圈、土壤圈、岩石圈、生物圈。区域环境regional~：占有某一特定地域空间的自然环境、陆地、海洋。微环境micro-environment:区域环境中，由于某一个或几个圈层的细微变化而产生的环境差异所形成的小环境，如群落的镶嵌。内环境interenvironment：生物体内组织或细胞间的环境。\n3、环境因子分类（1）R.F.Daubenmire19473大类：气候、土壤、生物7小类：土壤、水分、温度、光照、大气、火、生物因子（2）Dajoz,1972按生物有机体对环境的反应和适应性分：第一性周期因子、次生性周期因子及非周期因子。（3）Gill1975第一层：植物生长所必需（光、水分）第二层：不以植被是否存在而发生（风暴）第三层：存在与发生受植被所影响，又反作用与植被（放牧、火烧等）\n1、生态因子生态因子（EcologicalFactors）:环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素。是环境因子的一部分。所有生态因子构成生态环境。特定的生物——特定的生态因子组合2、生活因子生活因子（lifefactors）：生物生存不可缺少的生态因子。所有生活因子构成生存条件。生境habitat：具体生物个体或群落生活地段上的生态环境。§3生态因子作用分析\n3、生态因子分类（1）非生物因子、生物因子（2）气候、地形、土壤、生物、人为、火（3）Smith,1935：密度制约因子、非密度制约因子（4）蒙恬斯基1958：稳定因子、变动因子（周期性变动、非周期性变动）（5）直接生态因子、间接生态因子\n4、生态因子作用的一般规律综合作用主导因子作用生活因子的不可替代性和可补偿性生态因子作用的阶段性直接和间接作用限制性作用\n（1）综合作用自然不存在孤立的生态因子，也不存在单一因子构成的生态环境。生态因子间总是互相促进、相互制约，任何单一因子的变化必将引起其它因子的变化，如光强——土壤温度、空气湿度、水分平衡、气温等——植物生长。（2）主导因子作用生态环境中各因子地位不同，一般情况下，其中有一个或几个因子对其它因子的变化起主导作用，该因子即为主导因子。主导因子是随时间、空间变化而变化的。如沼泽——水分林地生产力——粘磐层\n（3）生活因子的不可替代性和可补偿性生活因子同等重要，不可或缺，具不可替代性或同等重要性。同时，在一定条件下，某一因子量的不足，可由其它因子的增加或增强而得到补偿，仍可获得相同的生态效应。即为可补偿性。（4）生态因子作用的阶段性不同年龄阶段或发育阶段有不同需求，不同阶段同样生态因子或期组合的生态作用不同。（5）直接性与间接性间接因子通过直接因子体现，如地形因子属间接因子\n5、生态因子的限制作用1840年农业化学家J.Liebig在研究营养元素与植物生长的关系时发现，植物生长并非经常受到大量需要的自然界中丰富的营养物质如水和CO2的限制，而是受到一些需要量小的微量元素如硼的影响。因此他提出“植物的生长取决于那些处于最少量因素的营养元素”，后人称之为Liebig最小因子定律。（1）限制因子limitingfactors：限制生物生长和生存繁殖的任何因子，称为生态因子。（2）Liebig’slawofminimum(1840)：植物的生长取决于处于最小量状况的食物的量。E.P.Odum（1973）建议做两点补充：a.只适用于稳定状态，能量、物质处于平衡态时才适用；b.要考虑生态因子的可补偿性。\n（3）Shelford’slawoftolerance(1913)1）Shelford’slawoftolerance(1913):生态因子的量的过多或过少都会限制生物的生长、发育。即为耐性定律。2）生态幅ecologicalamplitude：每一个物种对环境因子适应范围的大小。fitness,optimum,minimum,maximum广适eury-、窄适steno-:stenophagic,euryphagic,stenothermal,eurythermal…低窄、高窄：如冷窄适、热窄适\n耐受下限生理紧张带不能耐受带最适值适宜范围生理紧张带不能耐受带耐受上限\n\n3）关于耐性定律的补充说明：I)生物可能对某一因子耐受范围很宽，而对另一生态因子又很窄。II）对很多生态因子耐受范围都很广，分布一般很广。III）当某一生态因子不是处于最适状态时，对其它因子的适应性可能随之下降。IV）在自然界生物并不在某一特定生态因子最适合的地方生活，而往往在很不适合的地方生活，在这种情况下，一定有其它的生态因子起决定作用。V）繁殖期往往是临界期。\n4）生物内稳态及耐性限度的调整内稳态homeostasis：生物控制体内环境使其保持相对稳定的机制，它能减少生物对外界条件的依赖性，从而大大提高生物对外界环境的适应能力。内稳态通过生理或行为的调整来实现的。如恒温动物、合欢的昼开夜合。内稳态是提高耐性限度的一种重要机制，但不能完全摆脱环境制约。\n根据生物体内状态对外界环境的反应可分为内稳态生物和非内稳态生物。（体内酶系统作用的条件）内稳态生物homeostasisspecies非内稳态生物Non-homeostasisspecies体内体外耐性限度的驯化：内稳态机制外另一种调整生物耐性限度的方法。驯化过程是通过酶系统的调整来实现的，因为酶系统只能在特定的环境范围内起作用，并决定着生物的代谢速率与耐性限度，驯化即体内酶系统的改变过程。\n\n适应适应(adapatation)：生物对环境压力的调整过程。分基因型适应和表型适应两类，后者又包括可逆适应和不可逆适应。如桦尺蠖在污染地区的色型变化。适应方式（形态、生理、行为的适应）：形态适应：保护、保护色、警戒色与拟态行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防御和抗敌生理适应：生物钟、休眠、生理生化变化营养适应：食性的泛化与特化适应组合(adaptivesuites):生物对非生物环境条件表现出一整套协同的适应特性，称适应组合。如骆驼和仙人掌对炎热干旱环境的适应。趋同适应和趋异适应胁迫适应\n动物的保护色、警戒色与拟态A树皮纺织娘(Barkkatydid)B枭蝶(Owlbutterfly)C枯叶蝶(Leaflikeinsect(Anaea))D捕食花螳螂(Predatoryflowermantis)E蛙鱼(Frogfish)ABDEC\n趋同适应和趋异适应趋同适应：亲缘关系很远甚至完全不同的类型，长期生活在相似的环境中，表现出相似的外部特征，具有相同或相近的生态位。趋异适应：同种类的生物在相同或相似的环境条件下，通过变异选择形成不同的形态或生理特征及不同的适应方式或途径趋同适应和趋异适应表明生物与环境协同进化。\n趋同适应和趋异适应生活型：不同种类的植物之间或动物之间由于趋同适应而在形态、生理及适应方式等方面表现出相似的类型。生态型：同种生物由于趋异适应而在形态、生理及适应方式等方面表现出不同的类型。\n生态位生态位(niche)与栖息地(habitat)生态位－－有机体在环境中占据的地位；栖息地－－有机体所处的物理环境。超体积生态位(hypovolume)生态位的每一个环境变量称一维，生态位空间的环境变量可以是多个，超过3个维度的生态位空间称超体积生态位。基础生态位(fundamentalniche)和实际生态位(realizedniche)物种理论上占据的生态位空间称基础生态位；实际占有的生态位空间称实际生态位。\n第四节生态因子的生态作用及生物的适应一、光的生态作用及生物的适应光是最基本的能量来源。光强、光质、周期性对生物的生长发育、地理分布有深刻的影响，生物对光也有极其多样的适应性。\n1、光强的生态作用及生物的适应（1）光强对生物的生长发育和形态建成有重要的作用种子萌发、茎的生长等：抑制、促进，不同植物反应不同。干形、冠形、叶片结构等。如阳生叶、阴生叶的形态差异。林中树木与光照条件…蚜虫：连续无光照则多无翅个体。（2）光照强度与水生植物补偿点—透光带动植物的垂直分布。\n（3）植物对光强的适应植物耐荫性shadetolerance：植物对环境郁闭度的敏感程度。用植物在低上方光照和剧烈竞争上的生存能力来衡量。阳性植物sunplant:全光照阴性植物scioplant:1/10-1/50耐荫植物shadeplant:<1/50呼吸光合光饱和点光补偿点判别：更新能力、外部形态（分枝、叶片、林分密度、幼年期高生长、林分密度、树冠密度）、对环境要求（水、肥）、定量测定（遮荫试验、感光器材法、光饱合点、光补偿点测定）。耐荫性与气候、海拔伴生性,与土壤条件相关性,随年龄增加而递减。Lambertbeer’slaw：T=e-KF(K:消光系数,F:叶面积系数,T:透光率）Kfagus=0.65,K米槠=0.50光能利用率、光合面积、光合产量（CO2、光强）\n光合作用率光合作用率光强度光强度净生产力光合作用呼吸作用ABABACP光补偿点CPCPabspsp光饱和点B光补偿点(compensationpoint)光饱和点(saturatepoint)：光合作用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到一定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光饱和点。植物的光补偿点示意图(Emberlin,1983)\n2、光质的生态作用及生物的适应植物的生长发育：生理有效辐射(PAR)：红、橙、兰、紫生理无效辐射：绿对动物生殖、体色、羽毛更换、生长、发育等都有影响。可见光、红外、紫外3、生物对光周期的适应光周期photoperiod：在陆地上不同地理区域和季节里，昼夜长短的周期性变化即为~。光周期反应photoperiodicreaction：生物的生长发育对于不同昼夜长短交替的反应。根据植物的光周期反应可分为：长日植物、短日植物、中性植物动物的光周期反应在鸟类中表现明显，很多鸟类的迁徙者是由日照长短变化所引起的。\n1、生态作用（1）温度与生物生长三基点：Tmax,Tmin,Toptimum.年轮（2）温度与生物发育需温性：生物由于长期生活在一定的温度范围内，在其生长、发育过程中，需要一定的温度量和温度变辐，即~。广温性、狭温性积温accumulativetemperature有效积温：(Temperate:3-5℃,Subtropical:10℃,Tropical:18℃)活动积温：K=nT(T:temperatein℃，n：days)积温意义：林业引种，安排农事活动，研究物种分布（一种重要的限制因子）二、温度因子的生态作用及生物的适应\n有效积温法则及其意义有效积温法则植物在生长发育过程中必须从环境摄取一定的热量才能完成某一发育阶段的发育过程，而且各个发育阶段所需的总热量是一个常数，称总积温或有效积温。有效积温法则的意义预测生物发生的世代数；预测生物地理分布的北界；预测害虫来年的发生程历；制定农业气候区划，合理安排作物；应用积温预报农时。\n2、生物对极端温度的适应（1）生物对低温的适应形态、生理、行为植物生活型lifeform：植物对不良气候条件适应而形成的生活形态。Raunkier(1907)生活型系统：根据对恶劣环境的适应方式作为分类基础，以休眠芽或复苏芽所处位置的高低和保护方式为依据，分为5类：高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物、隐芽植物、一年生草本。生活型谱动物：Bergman规律：高纬度地区的恒温动物，其身体比生活在低纬度地区的动物大。Allen规律：恒温动物身体的突出部分在低温环境中有变小变短的趋势。生理上：水分、糖类、脂肪、色素调节冰点，提高抗寒能力。动物：体内产热，热中性区宽，恒温动物下临界点以下的曲线斜率小。（2）生物对高温的适应植物：形态、蒸腾；动物：行为、适当放松恒温性等。\n3、温度与生物的地理分布控制生物的分布与数量年均温、最冷、最热月均温；活动积温；极端温度植物引种上注意气候相似性原则。4、昼夜变温与温周期现象温周期现象thermoperiodicity：植物生长与昼夜温度变化同步的现象。主要影响：a.变温促使种子萌发,b.促进干物质积,c.对开花结实有影响。\n5、季节变温与物候（1）物候：生物（植物）在生长期适应一年中气候的节律性变化形成相应的生长发育节律。物候学(phenology)：研究生物的季节性节律变化与环境季节变化关系的科学。（2）物候期：植物在不同季节里在形态上形成上所显示的各种变化现象。（3）生长期：从叶芽萌动到落叶为止的这段时期，称为~或生长日数。（4）生长季：一年中适于树木生长的时期。近于无霜期。6、休眠\n1、生态作用（1）水分形态降水（垂直降水、水平降水、降水量precipitation）空气湿度（相对湿度：relativehumidity）土壤水分soilmoisture（2）水分条件年降水量：>400mm森林、<400mm草原、荒漠。湿润系数：年降水量/年蒸发量>=1森林<1稀树草原、荒漠干燥度：可能蒸发量与降水量之比:K=0.16sum(t)/rsum(t):>=10℃积温，r:同期降水量。(0.16：淮河流域=1）K<1湿润（森林）1-1.5半湿润，>1.5干旱、半干旱。（3）生态作用生存条件、生长发育、数量分布地理替代现象：树种对水分需求不同，水条件不同的相邻地区，常可见到一些地理替代种。米槠——滇栲等。三、水因子的生态作用及生物的适应\n2、植物对水因子的适应（1）植物对水分的需要：植物在维持正常生理活动过程中，所吸收和消耗的水分数量。主要用于蒸腾作用。蒸腾强度不能反映水分利用程度。植物需水量（蒸腾系数）：生产1g干物质所需的水量。栽培植物：300-700g水，乔木：170-340g水。（2）植物对水分的要求：植物对土壤湿度或水分状况的生态适应性。适应类型：水生植物（沉水、浮水、挺水）陆生植物（湿生、中生、旱生）\n3、动物对水因子的适应形态适应：两栖类（皮肤）、昆虫（几丁质体壁）行为适应：沙漠动物昼伏夜出生理适应：骆驼4、森林与水分条件森林有重要的涵养水源、保持水土作用（1）减少地表径流；（2）减少洪枯比；（3）减少雨水冲击力；（4）改善土壤结构，提高蓄水力。\n1、生态作用（1）母岩、土层厚度的影响母岩—土壤性质：砂、页岩：酸性；石灰岩：中碱性；流纹岩：强酸性土层厚度：水分、养分含量、根系分布（2）物理性质的影响质地：土壤矿质颗粒的相对含量。粘粒对土壤养分有重要影响。结构：土壤颗粒的排列状况。团粒状、片状、粒状、块状、柱状等。水分、养分、空气——根系发育及呼吸作用。（3）化学性质营养元素：大量元素C、N、O、P等；微量元素Be、Mn、Zn、Mo等。土壤肥力：土壤及时满足生物对水、肥、气、热要求的生力。（阳离子含量、盐基饱和度等）；耐瘠土树种、喜肥土树种、中等土树种。土壤酸碱度（pH）：土壤溶液的反应（森林土壤多呈酸性）。影响种子萌发、幼苗生长；矿质养分有效性（酸性：Ca、P少，Fe、Al多）；微生物及生化过程；（4）土壤微生物：有机质矿化、腐殖质化、有机碳、生长素、维生素、氨基酸；毒害物质、反硝化作用、生物固氮（根瘤、菌根）四、土壤因子的生态作用及生物的适应\n2、植物对土壤因子的适应形成各种以土壤为主导因子的植物生态类型。PH：酸性土、盐碱土（盐土植物、碱土植物）、中性土；钙质土、嫌钙土；沙生植物；酸性土植物：PH<6.5：茶树、油茶、柃木、杜鹃、马尾松、桃金娘等，在碱性或钙质土上生长不良可不能生长；钙质土植物：PH>7.5：柏木、枧木、南天竺、金丝李、乌桕、棕竹等；中性土植物：PH6.5—7.5，多数乔木树种；盐碱土植物：柽柳、盐爪爪、碱蓬、盐蒿等；盐土植物碱土植物聚盐植物：滨藜、白刺、碱蓬、枸杞（真盐生植物）泌盐植物：柽柳、大米草、补血草不透盐植物：蒿属、田菁、獐茅等；\n思考题(一)试述光因子的生态作用及生物的适应性。你熟悉的生物节律与同期现象有哪些？其机制是什么?温度对生物作用的“三基点”和积温在农业生产和虫害预报上有何意义?简述植被对水环境状况的影响机制，植树造林对于改善区域水文条件有何影响。举例分析生物适应逆境的机制。\n思考题(二)生态因子的作用规律有哪些？生物如何适应多变的生态环境？简述生物内稳态及驯化的生态机制。在自然界特定生境条件下生存的生物，其生存环境是否为该物种的最适生境？如何理解生活因子的不可替代性？举例说明。生态因子的变动性有何意义？