物质环境

第三章 物质环境,地球上水的存在及分布 生物对水分的适应 大气组成及其生态作用 土壤的理化性质及其对生物的影响,陆地上水的分布,降雨量随纬度的变化,2 降雨量受到海陆位置，地形及季节的影响。,3 我国降水量的地域分布 基本规律：从东南往西北降水逐渐减少,1 陆地植物 陆地植物光和作用获得1mlCO2需要交换3000ml空气，因而易失水，植物需水量大。一株玉米一天需水2kg。 植物必须在得水（根吸水）和失水（叶蒸腾）之间保持平衡。,生物对水分的适应植物与水,根系吸水：在潮湿土壤中，浅根系，缺乏根毛。在干燥土壤中，发达的深根系, 侧根扩展范围很广，根毛发达。,图 骆驼刺地下部分(根)和地上部分(茎叶）比。地上部分只有几厘米，根深达到15 m，扩展的范围达623 m,气孔蒸腾：不同生境植物具有不同的调节气孔开闭的能力。 叶面蒸腾：覆盖有蜡质的、不易透水的角质层，减少蒸腾；干燥地区植物缩小叶面积以减少蒸腾量。,陆生植物随生长环境的潮湿状态分三类,湿生植物：抗旱能力小，但抗涝性强，根部通气组织和茎叶相连。 eg. 大海芋 根系极不发达 中生植物：根系更大，叶片具角质层。 eg. 大部分农作物、森林树种 旱生植物：抗旱能力极强。根据其形态、生理特征和抗旱方式，分为少浆液植物和多浆液植物。,少浆液植物 体内含水量极少，失水50%也死不了。 叶面积缩小，叶片极度退化成针刺状，或小鳞片状; 以绿色茎进行光合作用； 叶片结构改变，气孔多下陷； 根系发达，可从深的地下吸水； 细胞内有大量亲水胶体物质，使胞内渗透压高，能使根从含水量很少的土壤中吸收水分。,刺叶石竹,多浆液植物 根、茎、叶薄壁组织逐渐变为储水组织，成为肉质性器官，故能在极端干旱的荒漠地带长的很高大； 表面积与体积比减少； 大多数失去叶片，由绿色茎代行光合作用； 景天酸代谢（白天气孔关闭以减少蒸腾量，夜间气 孔张开，CO2进入细胞内被有机酸固定。）,树形仙人掌,生石花,2 水生植物 盐碱地水生植物，水倾向从植物进入环境，因此植物必须具备调节渗透压的能力。 eg. 红树林 根系和叶子中有高浓度脯氨酸、山梨醇、甘氨酸-甜菜苷等，增加渗透压 叶片有盐腺 根的半渗透膜阻止盐进入 降低叶子的蒸腾 盐碱也是一种干旱。,红树林（Conocarpus erecta）叶子的特殊盐腺分泌盐，沉淀在叶子的外表面上,水体中缺氧，水生植物具发达的通气系统。 开放式通气组织 eg. 荷花 封闭式通气组织 eg. 金鱼藻 出水通气根 eg. 丝柏树,图 丝柏树的出水通气根从侧根上长出水面来,动物与植物一样，必须保持体内的水平衡才能维持生存。 水生动物保持体内的水平衡( water balance)是依赖于水的渗透调节作用。 陆生动物则依靠水分的摄入与排出的动态平衡，从而形成了生理的、组织形态的及行为上的适应。,生物对水分的适应动物对水的适应,（一）水生动物的渗透压调节 水生动物，当他们体液溶质浓度高于环境中的溶质浓度时，水将从环境中进入动物体，而溶质将从动物体内出来进入水中，动物会涨死；当体内溶质浓度低于环境中时，水将从机体进入环境，盐将从环境进入机体，动物会出现缺水。解决这一问题的机制是靠渗透压调节。,1 淡水硬骨鱼： 淡水硬骨鱼血液渗透压高于水的渗透压，属于高渗性的。 渗透压调节机制： 肾脏发达，排出大量低浓度尿； 鳃能主动摄取盐离子,2 海洋硬骨鱼类： 海洋硬骨鱼的血液渗透压低于环境渗透压，是低渗性的。 渗透压调节机制： 经常吞海水，补充水分； 肾小球退化，排出极少的低渗尿； 鳃主动向外排盐。,3 海洋软骨鱼：等渗性。,图 海洋硬骨鱼与海洋软骨鱼渗透压比较,3 海洋软骨鱼：等渗性。 渗透压调节机制： 高渗透压的维持是依靠血液中储存大量尿素和氧化三钾胺。,尿素本是蛋白质代谢废物，但在软骨鱼进化过程中变废为宝。但尿素使蛋白质和酶不稳定，氧化三钾胺正好抵消了尿素对酶的抑制作用。抵消作用最大出现在尿素含量与氧化三钾胺含量为2:1时。这个比例数字正好通常出现在海洋软骨鱼中。,4 广盐性洄游鱼类： 渗透调节机制： 靠肾脏调节水。在淡水中排尿量大，在海水中排尿量少。 在海水中大量吞水，以补充水分。 靠鳃调节盐的代谢。鳃在海水中排出盐，在淡水中摄取盐。,水的浮力大，水生动物身体庞大且失去四肢； 具有鳔，调节鱼体密度； 肺呼吸动物海豹和鲸，能够潜泳肋骨无胸骨附着，或无肋骨，潜入深海时可把肺泡内气全部排出，血液中无溶解氮气，不得减压病。,水生动物对水密度的适应,（二） 陆生动物水平衡 有机体在陆地生存中面对的最严重问题之一是连续地失水（皮肤蒸发失水、呼吸失水与排泄失水），使有机体有可能因失水而干死，因而陆生动物在进化过程中形成了各种减少失水或保持水分的机制。 脊椎动物羊膜动物卵的产生就代表了一种机制，使脊椎动物在发育过程中能阻止水的丢失，而允许脊椎动物去开拓陆地。,生物体水分,动物减少失水的适应形式有： 1. 减少蒸发失水。 逆流交换机制（骆驼，通过逆流交换可回收呼出气全部水分的95%） 昆虫通过气孔的开放与关闭，可使失水量相差数倍 节肢动物具厚的角质层及上腊膜; 爬行动物具鳞片；鸟兽皮肤防止水分蒸发。,图 黄粉？幼虫在0-15% 相对湿度下的失水率。 “”表示加入5% CO2，使气孔开放,2. 减少排泄和粪便失水 哺乳动物肾脏的保水能力: 肾脏通过亨利氏袢和集合管的吸水作用使尿浓缩。 鸟类与爬行类的大肠和泄殖腔以及昆虫的直肠腺具重吸收水的作用。 兽类虽无泄殖腔，但大肠也能重吸收水。,3. 陆生动物排泄尿素和尿酸代替氨 鱼类排氨（排1克需水300500 ml） 两栖类、兽类排泄尿素（排1克需水50 ml） 爬行类、鸟类及昆虫排尿酸（排1克需水10 ml）,4. 行为适应：夜间活动、穴居、夏眠等。,第三章 物质环境,地球上水的存在及分布 生物对水分的适应 大气组成及其生态作用 土壤的理化性质及其对生物的影响,大气组成,氧与生物 1氧与动物能量代谢 动物生存必须依靠食物氧化产生的能量。 陆生动物耗能大于水生动物。中华鳖陆生代谢是水下代谢的5.9-8.3倍。 空气中氧气够多，保证陆生动物高的代谢率，进化成恒温动物。 空气中氧气足，陆生动物代谢率不随氧浓度改变；水中溶解氧少，水生动物代谢率随氧浓度改变。,图 在低氧浓度下，金鱼的氧耗随水中氧浓度成线性改变。,图 内温动物的耗氧量与环境温度的关系,鱼类对低氧的适应,低氧驯化的鱼类可增加血氧容量和血氧亲和力，从而增强对低氧的耐受能力。部分鱼类能忍受缺氧，靠厌氧代谢提供能量。,金鱼在缺氧12小时后，组织中产生大量乳酸，乳酸可转化成酒精，由鳃排出，减少体内的贮存。,2 内温动物对高海拔低氧的适应 动物或人从低海拔进入高海拔，产生适应性反应：表现在呼吸循环系统与血液组成成分两方面。 呼吸： 产生过度通气（呼吸深度的增加） 肺泡膜的气体弥散能力增高 低氧刺激组织内毛细血管增生， 缩短了气体弥散距离，有利于给组织供氧。,血液成分等的改变： 骨骼肌中的肌红蛋白浓度增加（肌红蛋白的携氧能力远大于血红蛋白）；血液中的红血球数量、血红蛋白浓度及血球比积升高。,人由海拔850 m进入4540 m高度后，血球比积、红细胞数和血红蛋白逐渐升高，数周后达到最大值，并维持在此高水平上。当从高海拔回到平原后，这些指标将逐渐下降，恢复到原水平。,3 植物与氧 植物是氧的主要生产者。白天，植物光合作用释放的氧气比呼吸作用所消耗的氧气大20倍。据估算，每公顷森林每日吸收1吨CO2，呼出0.73吨氧；每公顷生长良好的草坪每日可吸收0.2吨CO2，释放0.15吨O2。如果成年人每人每天消耗0.75 kg氧，释放0.9 kg CO2，则城市每人需要10 m2森林或50 m2草坪才能满足呼吸需要。因此必须绿化环境，才能为人类生存提供净化的空气。,CO2与植物 * 植物光合作用所必需。高产植物产量的90-95%取自空气中的CO2，仅有5-10%是来自土壤。CO2对植物生长发育具有重要作用。 * 各种植物利用CO2的效率不同，C3植物（水稻、小麦、大豆等）低于C4植物（甘蔗、玉米、高粱等）。 * 空气中CO2浓度虽为0.032%，但仍是高产作物的限制因素。这是因为CO2进入叶绿体内的速度慢,效率低。 * 在强光照下，作物生长盛期，CO2不足是光合作用效率的主要限制因素。增加CO2浓度能直接增加作物产量。,第三章 物质环境,地球上水的存在及分布 生物对水分的适应 大气组成及其生态作用 土壤的理化性质及其对生物的影响,一 土壤的生态意义： 1 土壤位于陆地生态系统的底部，具有营养物传递系统，再循环系统和废物处理系统，是陆地生态系统的基底或基础。在土壤中进行的两个最重要的生态过程是分解过程和固氮过程。 2 土壤为陆生植物提供了基质，是植物萌芽、支撑和腐烂的地方，又是水和营养物储存场所；土壤为陆生动物提供了栖息地。是动物和微生物藏身处，排污处；是污染物质转化的重要基地。,二 土壤的物理性质与生物的关系 土壤由固体、水份和空气组成。固相颗粒是土壤的物质基础。,1. 土壤质地与结构： 土壤由粗砂（2.00.2 mm）、细砂(0.20.02 mm)、粉砂(0.02-0.002 mm)和粘粒(0.002 mm以下)组成。这些颗粒组合的百分比，称为土壤质地。 砂土: 颗粒粗、疏松、通气性强，但蓄水、保肥性能差。壤土: 质地较均匀，通气透水，适宜农业种植。粘土: 颗粒细，湿时粘，干时硬，保水保肥能力强，透水透气性差。,土壤质地影响生物的分布与活动。如细胸金针虫多出现在粘土中,，蝼蛄喜欢在湿润的含沙质较多的土壤中，沟金针虫发生在粉砂壤土和粉砂粘土中。,土壤结构：土壤颗粒排列形式，孔隙度及团聚体的大小和数量称为土壤结构。 土壤结构可影响固、液、气相分配比例。团粒结构（腐殖质：粘结土粒形成的0.25-10mm的小团块）是土壤中最好的结构。 结构不良的土壤，土体坚实，通气透气性差，土壤肥力差，不利于植物根系伸扎和生长，土壤微生物和土壤动物的活动受到抑制。这些动物在土壤形成和有机物分解中又起重要作用。,2 土壤水分 可直接被植物根吸收利用，有利于矿物质养分的分解、溶解和转化，有利于土壤中有机物的分解与合成，增加了土壤养分。 水分过少时，植物受干旱威胁。水分过多，易引起有机质的嫌气分解，产生H2S及各种有机酸，对植物有毒害作用，根的呼吸作用和吸收作用受阻，使根系腐烂。 土壤水分影响了土壤动物的生存与分布。,3 土壤空气 特点：低O2 （ 1012%），高CO2 （ 0.1%）。 透气不良时，土壤中CO2积累过多，阻碍根系生长、种子发芽，甚至导致植物死亡。 土壤动物对土壤中低氧和高CO2的适应性： 血红蛋白的浓度增加，血红蛋白的氧结合能力增加，同时降低能量代谢，降低体温。地下兽的脑中枢对CO2的敏感性降低。 土壤通气程度影响土壤微生物的种类、数量和活动情况，进而影响分解过程。,4 土壤温度 影响植物的发育生长。 影响根系的生长、呼吸和吸收性能。 影响矿物质盐类的溶解速度、土壤气体交换、水分蒸发、土壤微生物活动以及有机质的分解，而间接影响植物的生长。 影响土壤动物的运动,三 土壤的化学性质与生物 1.土壤pH： 影响矿质盐分的溶解度，从而影响植物养分的有效性。 影响微生物活动而影响养分的有效性和植物的生长。如许多豆科植物的根瘤只能生长在中性土壤中 影响土壤动物区系及其分布。,图3-20 土壤pH对矿物养分的有效性影响。以带宽度表示（引自Begon et al., 1996）,2 土壤有机质：可分成腐殖质和非腐殖质 非腐殖质是死亡动植物组织和部分分解的组织。 腐殖质是土壤微生物分解有机质时，重新合成的具有相对稳定性的多聚体化合物。是植物营养的重要碳源和氮源。影响到土壤动物的分布与数量。 土壤有机质对土壤团粒结构的形成、保水、供水、通气、稳温也有重要作用，从而影响植物生长。,3 土壤矿质元素 植物生命活动需要9种大量元素（钾、钙、镁、硫、磷、氮、碳、氧、氢、）和7种微量元素（铁、锰、硼、锌、铜、钼和氯）。除碳、氢、氧以外，植物所需的全部元素均来自土壤矿物质和有机质的矿物分解。 土壤的无机元素影响动物的生长、分布和数量。,四 植物对土壤的适应 酸性土植物（pH7.5） 大多数植物和农作物适宜在中性土壤中生长。生活在盐碱土中的植物和沙基质中的植物，分别归为盐碱土植物和沙生植物。,1 植物对盐碱土的适应：,(1) 形态适应：矮小、干硬、叶子不发达、气孔下陷，表皮具厚的外皮，常具灰白色绒毛。细胞间隙小，栅栏组织发达。有的具有肉质性叶，有特殊的储水细胞。,聚盐性植物：原生质抗盐性特别强，能忍受高浓度的NaCl溶液。细胞液浓度特别高，根部细胞渗透压很高，能吸收高浓度土壤溶液中的水分。如盐角草、海莲子等,泌盐植物：能把根吸入的多余盐，通过茎、叶表面密布的盐腺排出来。如柽柳、各种红树植物等。,盐角草群落,(2) 生理适应：,怪柳群落,盐地风毛菊,不透盐性植物：根细胞对盐类的透过性非常小，它们几乎不吸收或很少吸收土壤中的盐类。这类植物细胞的渗透压也很高，提高了根从盐碱土中