动物生态学(郑成洋)第04讲动物与环境的关系

第四讲动物与环境的关系,丰富多彩的动物世界,地质史上，自寒武纪（距今5.7-5亿）以来，曾有过20亿种生物，今天99%已灭绝目前现存动物150万种，主要是无脊椎动物脊椎动物动物只有4万种动物无时不与环境发生关系,环境变迁与动物过渡类型,4.1动物对环境的适应,动物生存环境：飞翔于高空深居于地下活跃于峻岭奔驰于原野畅游于水中,生物体与环境关系生物学的环境与环境科学的环境区别动物学环境范围：主体不同，环境范围改变相对于动物个体环境相对于动物群落环境生态因子类型与分类非生物因子，生物因子气候因子，土壤因子，生物因子，人为因子密度制约因子，非密度制约因子稳定因子，变动因子,有机体与环境,环境与气候关系,气候带由经、纬度决定当地气候(Marcoclimate)与小气候(Microclimate)关系：海拔坡向植被地表颜色祼露岩石与洞穴有无水体环境,生态因子影响不同有机体对生态因子需求不同动物：食物、热、氧植物：水，CO2生态因子特点生态因子综合作用和主导作用：几个因子组合最适合分布范围不可替代性和互补性：限定性：,不同生长阶段需要不同生态因子,一个因子不能用另一个因子顶替,动物分布与非生态因子的关系,非生态因子决定现存生物分布，但不能完全解释生物在自然界的分布现象多种因子综合作用，组合在一起，形成最适合分布范围生物之间竞争，排挤物种生物地理发展史中的偶然事件,动物对生态因子的耐受调整,驯化自我调整豹蛙：不同温度条件下饲养，代谢率发生变化，酶系统也改变金鱼：长期温度适应休眠低等动物至高等动物生理适应身体各种因子适应组合：如骆驼,动物对生态因子的耐受,利比希定律（LiebigsLaw）,19世纪德国的农业化学家，最小因子定律：生物生长不受大量需要的营养限制，而决于那些少量元素,耐受性定律：生物的生存需要依赖环境中的多种条件，而且生物有机体对环境因子的耐受性有一个上限和下限，任何因子不足或过多，接近或超过了某种生物的耐受限度，该种生物的生存就会受到影响，甚至灭绝。,谢尔福德定律（ShelfordsLaw）,举例：动物与环境研究,例子1：北极熊与环境关系,北极熊分布,Regionsforanalysisofseaicedistribution,showingthelocationandboundaryoftheWesternHudsonBayPolarBearPopulation(WHBPBP)region(Stirlingetal.,1999),andthegeographicallocationoftheHudsonBaybasin.,Locationsoftwopointswherethetrendsofseaicechangewereanalysed.Eachofthepointlocationsrepresentsa1by1squarekilometrearea.,SpatialdistributionofseaiceconcentrationsinHudsonBay,(1979to1995),(1996to2010),例子2：大熊猫与生境,动物生境与人口关系介绍：卧龙保护区1975年成立。2000年有140只大熊猫生存在保护区内(占全国10%)，区内海拔在1000-6250m之间。区有内4500人口(1000户)，居住在15002000m,与耕种和养殖，电力资源比较短缺，烧柴做饭，煮猪食和冬天取暖；,DataFrom:LiAn&JianguoLiu,2010,PopulEnviron,动物生境状况冷箭竹(Bashaniafangiana)和拐棍竹(Fargesiarebusta)都生长在林下竹子分布常常不可准确获得，一般只知道分布在17003250m坡度300是潜在大熊猫栖息地近期大熊猫倾向分布在高海拔,最喜欢在22502750m,栖息地破碎化的主要威胁因素,在保护区内分布散布的农业用地上山砍伐薪柴新增建民房与道路森林破坏自然恢复力慢（需要40年以上）旅游业发展：年轻人倾向于开展旅游或与旅游相关产业（如出售草药、纪念品等给游人）.,收集资料与数据分析,资源GIS数据（植被图，土地利用图，动物分布图）竹子分布农地分布薪柴收集量人文人口增长新建房计划政策如何用电力替代薪柴？.,大熊猫分布密度图,我国在20世纪70和80年代2次大熊猫及生境调查在20世纪和21世纪过渡时期,第3次大熊猫调查保护区野外调查所有记录点,DataFrom:刘雪华,2008,生态学杂志,大熊猫栖息地分析,DataFrom:JianguoLiuetc,2010,Science,用什么数据支持这一结果？,卫片解释植被动物实际分布野外动物痕迹实地食物来源为人活动情况与土地利用人口增长与分布.,例子3：东北虎Siberiantiger(Pantheratigrisaltaica)生境分析,目前，俄罗斯远东地区分布数量少于600只；该地区保护区面积仅3.4%，老虎常分布在没有法定保护的区域中，喜欢选择栖于低海拔的沟谷。老虎生境越来越破碎化，即便是扩大保护区网络，也难于满足大活动范围,东北虎Siberiantiger(Pantheratigrisaltaica)分布区域,中部到北部沿着海岸带有面积大的保护区和未保护地带；南部受人为干扰比较大；不管是北部或是南部，区域连通是老虎生存的关键保护本物种，仅限在保护区内保护和研究，将失去保护的应有意义,DataFrom:CarlosCarroll&DaleG.Miquelle,2006,JournalofAppliedEcology,资料收集与数据分析,分区调查：平均区237km2三人一个调查小组：一位保护管理人员、一位向导、一位当地熟习动物人员专门小组采用无线电颈圈跟踪老虎行踪冬天雪地数印痕，用足迹数量比对老虎数量增长与减少所有印痕标在1:100000地形图上区域共设1795条样带，每条样带长度不少于10km记录所有相关环境信息：植被、地形（经、纬度，海拔，坡度，坡向，坡位）、人为活动（道路，人口密度）、保护状况、其它野生动物情况建立老虎知识信息库数据GIS显示与分析：建立各种图层，进行叠加分析7km缓冲带分析（7km/日平均活动范围，360km2/家域）生境适宜度分级与赋值,举例东北虎生态基本信息,DataFrom:CarlosCarroll&DaleG.Miquelle,2006,JournalofAppliedEcology,东北虎与环境之间关系的分析,DataFrom:CarlosCarroll&DaleG.Miquelle,2006,JournalofAppliedEcology,1、打猎压力2、砍伐森林（如朝鲜松林），并重新种植3、森林区管理转变：关闭道路，禁止打猎4、扩大保护区域范围5、建立生物走廊带网络6、.,4.2动物与温度,环境与温度,宇宙间最低温度（绝对零度）-273.15，最高几百万度，太阳表面6000动物的体温只有-250之间水生动物体温与水环境接近昆虫体温与环境温度呈线性关系。低温下，变迟纯，飞行前预热胸部飞行肌两栖类不能耐受高温，大多数无尾两栖类体温不超过30爬行类主要依靠适合小生境调节体温。大部分晚上则进入洞穴中，或沙土中过夜，白天吸收太阳热能，体温达到要求时，才开始寻食；太热时，选择荫凉处；改变体色鸟、兽主动式内产热，蒸发降温和局部异温相结合失去飞翔大型鸟部分体温37-40，飞翔鸟在40-43；鸟类体温有日变化和季节变化；鸟类没有汗腺，无法水分蒸发散热，加快呼吸散发或咽喉颤动，竖羽毛开窗式原始哺乳动物调节体温不完善，如针鼹和鸭嘴兽。哺乳动物体温昼夜有变化。极端条件下，采用温暖适应和细胞组织低温适应。毛发冬夏隔热作用，夏天增加毛发裸区天窗，,地球环境温度变化特点,1、不同环境温度水环境温度差范围：40-45陆地环境温度差范围：130-1502、温度规律变化季节变化昼夜变化水平变化垂直变化3、地表/土壤/水体温度梯度4、外环境与动物内环境,温度与动物类型划分,按体温及其调节能力划分动物类型：按调节体温高低划分温血动物冷血动物按体温稳定程度划分常温动物异温动物按维持体温能力划分内温动物外温动物,范霍夫定律（VanttHoffs）：指温度每升高10，化学过程的速率加快23倍。Q10Q10在生物系统中特点：Q10值本身随着温度而变化体度温度接近0，大多数新陈代谢已经停止动物体内代谢依赖酶促反应，酶对温度的失活作用的敏感性很高，最适温度与酶可利用反应时间的关系，因此，更为重要的是酶完整性和延时性酶最适温度是动物内温环境长期进化的结果,温度与动物生理的关系,K1和k2速度常数,动物与温度有关的一些定律,阿伦定律（AllensRule）：生活在寒冷地区的恒温动物，其体表的突出部分（四肢、耳朵等）趋于缩短，有利于防止热量散失，而生活在热带地区的恒温动物，其体表的突出部分相对较长，有利于热量散失。贝格曼定律（BergmasRule）：在相等的环境条件下,一切定温动物身体上每单位表面面积发散的热量相等。葛洛格定律（GiogersRule）：温血动物在温暖地区的个体黑色素增多,在干旱地区则红,黄,棕色为多,在寒冷地区色素逐渐减弱.乔丹夫定律（JordansRule）：鱼类的脊椎数目在低温水域中比在温暖水域中多。,动物对温度的耐受极根,动物耐高、低温南、北方动物适应的差别广布种动物响应不同（如黄鼬）动物发育不同时期不同,动物对温度适应,鱼类：用鳃呼吸，属于外温动物蛙：依赖于微环境温度变化爬行类：北方爬行动物夜间入洞南方爬行动物夜间出洞体型调节鸟、兽复杂内源产热系统：代谢产热生理上精准调节产、散热：神经系统，肌肉系统，消化系统，内分泌系统，循环系统，呼吸系统，腺体等隔热与散热：毛皮，脂肪，喘气，咽颤（鸟）,温度与动物适应,躲避不利的温度，选择合适的空间选择温度适度的活动时间昼夜活动规律活动规律的季节变化动物迁移鱼洄游动物迁徙动物垂直迁徙动物自行建立隐蔽所巢、窝、洞穴集群集群提高温度（企鹅）,动物特殊结构对温度的适应,动物高温适应动物低温适应,山羊、绵羊和猫头部血循环,鸟类脚血循环,逆流热换机制：热、冷血管并行,鼻腔蒸发冷却器,动物对高温度适应,日升高体温，夜间散热（骆驼，大羚羊，大角斑羚）日周期性升高体温（白尾黄鼠）地表浅“穴”，日深“穴”，夜出（黑尾兔）夜出+穴式生活（啮齿动物）颈脑部“热交换器”，颈小动脉网，鼻粘膜区“蒸发区”局部异温夏眠（黄鼠属）,大角斑羚,夏蜇（夏眠）例子,狐猴：一种生活在马达加斯加的狐猴会在炎热的环境中夏蜇7个月，这远远超过了一些在北半球生活的动物冬眠的时间。这也是科学家迄今发现的第一种夏眠的热带动物。蜂鸟：体重只有2.53克，单位体重的代谢率非常高，降低和恢复体温都可以在短时间内完成，因此一般仅发生数小时，持续时间不超过12小时。,动物对低温度适应,体表外型的变化动物个体大小变化体内贮能与低温产热调节逆流热交换局部异温性冬眠,动物的低温适应例子,极地海鸥和企鹅刚出生是变温，如北极海鸦肢端逆流系统身体浅层到体核形成一种温度梯度皮下丰富的脂肪层低温神经传导：肢端可以在0-1正常传导腹下皮褶覆较高温（39）孵卵，经常翻面集聚大群,动物与低温实验,低温研究热点原因：谋求抑制代谢，保存恢复活力冷冻实验：摇蚊幼虫冷冻实验：可反复-25冻结。南极鱼类：防冻液（糖蛋白）一些成功例子：早期胚胎保存冷藏器官组织低温手术动物整体冷藏,增温对橡树影响成熟的橡树生长有益，小树生长不利芽蕾开放提早叶含氮降低叶子粗糙度加大增温对蛾影响蛾产卵推迟孵化成幼虫提早增温对小雀影响虽孵化提早，但喂小鸟未能赶上幼虫高峰期爆发期,DataFrom:A.Buse,1999.FunctionalEcology.,温度对生态系统的影响例子：Effectsofelevatedtemperatureonmulti-speciesinteractions:thecaseofPedunculateOak,WinterMothandTits,（续）升温条件下冬蛾发育个体大小、数量和生物量变化,春天增温3，蛾幼虫个体变大；幼虫数量持续时间变短；生物量爆发期短且数量多,温度变化对动物影响研究举例：Status,trends,andpatternsofcovariationofbreedingseabirdsatStLazariaIsland,SoutheastAlaska,19942006,在增温条件下研究食鱼鸟类和食浮游植物鸟类食物网变化和海洋生态系统的变化调查8种鸟类营巢时间孵化成功率种类数量变化种群增加：海燕，小海雀，海鸥种群没有变化：鸬鹚类种群下降：海鸠，角嘴海雀温度升高，食物网产生相应的变化。对食鱼鸟类，提早营巢，而植食鸟类却相反,LeslieSlateandG.VernonByrd,2006,Journalofbiogeography,2009,36,（续）鸟类数量下降的类型,小海雀,海鸠,角嘴海雀,4.3动物与水,4.3动物与水,陆地环境水分布不均低纬湿润带（南纬200-北纬200）中纬度信风带（副热带）（200-400）中纬湿润带（400-600）高纬度干燥带（600-两极地）季风性气候夏季冬季,动物获得水的方式,消化道吸收水分外皮吸水两栖类表皮吸水代谢水100脂肪代谢可产生110g水，100g碳水化合物产生55g水减少排泄失水减少体表失水,降水对动物的影响,降水与食物关系动物大迁徏：如非洲野牛，欧洲驯鹿降水对动物种群数量的影响昆虫数量的影响：高降水和低降水昆虫数量均少鸟类数量的影响：鸟巢数和孵卵的出生率兽类数量的影响：水位对动物巢穴，如：小型啮齿,动物与水环境,水环境类型海水、半咸水水域、内陆淡水、内陆盐湖海水盐度稳定，内陆盐湖盐度波动大水环境对动物影响渗透压差：水环境与体液，等渗、生理缺水及被动吸水水环境物理性质,水物理性质对水生动物影响,水密度：10米深水为1个大气压（=101.3kPa）；40005000m鱼类，相当承受400500个大气压（500kg/cm2）鱼类适应：鱼鳔（正常能上、下游300400m）。体重适应：海洋动物最大可达100T；陆生动物最大支撑结构不超过6-7T。速度适应：水生远慢于陆生动物。最高游速为旗鱼Sailfish110km/hr（与猎豹最高速度113km/hr；绿头鸭288km/hr）,动物对水环境生存适应,动物类型广盐性动物海水生活淡水生活狭盐性动物鱼类洄游生殖洄游索饵洄游越冬洄游,动物对水适应,骆驼举子：骆驼是否有贮水的“水囊”？人们一直认为瘤胃里有许多肌肉带，可以把瘤胃分分隔成几个部分。其实瘤胃难于与其它胃隔开，没有贮水功能。驼峰是否贮水功能？驼峰重40kg，1g脂肪氧化可产生1.07g水，但水依赖驼峰分解水分，脂肪氧化耗氧大体温变化减少失水？脱水体温达40，升高体温，减少水分散失夜间体温只有34，温差6，相当2500千卡的热，夜间辐射散热，清晨较低温条件下，补充部分水分骆驼是否耐受脱水？可耐受体重2530%的脱水，但血浆容积保持比较恒定脱水状态下，炊水后10分钟恢复水亏空,动物对水环境适应,按渗透压，鱼类分：高渗透压：淡水硬骨鱼低渗透压：海水硬骨鱼等渗透压：海水软骨鱼（血液中高尿素和氧化三钾胺）可调渗透压：广盐性洄游鱼类,高,低,低,高,广盐性动物：（1）体表渗透性很低（2）肾脏活跃（3）鳃双重性,高盐环境的脊椎动物适应,排盐腺体黑背鸥：盐腺海鬣蜥：鼻腺和侧鼻腺海蛇：舌下腺海龟：围眶腺高浓度尿鲸海豹,水流对动物影响,江河水流狭氧鱼类：喜氧动物有吸盘：鱼类（华吸鳅）、蛙类（湍蛙）消化道：上游鱼类消化道长，中、下游短海洋洋流,海洋洋流的作用鱼类迁徒扩大鱼类分布范围：被动洄游形成鱼场：暖、冷水交汇，水温、盐度和浮游生物变化，暖水鱼和冷水鱼交汇水流垂直运动：深层营养物质运送到上层鱼类生理适应：吸盘，蛇形，扁平等,冰和雪对动物影响,永久性冰覆盖进化适应：海豹、海狗、鲸、北极熊、企鹅雪被作用隔热增温增加水份,哺乳动物肾脏的水保持,哺乳动物肾脏的水保存能力表现出关键的陆生适应性。尿离开肾脏之前，水在亨利氏袢中被回收。适应于荒漠的哺乳动物，如更格卢鼠，排泄高浓度的高渗尿，它们有极长的亨利氏袢。相反，河狸大部分时间是在淡水中渡过的，它们的肾单位具有很短的袢，产生低浓度的尿。爬行动物的肾脏结构较简单，产生的尿最多也就是与体液等渗。这意味着，尿的溶质浓度与体液的溶质浓度是相等的。,两栖类的水平衡,两栖类的肾功能很像淡水鱼的肾功能。然而在陆地上，脱水对渗透调节是最重要的问题，蛙保存体液是通过膀胱上皮细胞的重吸收水。,动物水的保持,动物对水影响例子：Theaffectsofartificialwateravailabilityonlargeherbivorerangingpatternsinsavannahabitatsanewapproachbasedonmodellingelephantpathdistributions,人工水源对Savanna生态系统中稳定种群数量直接对草料压力和生境破坏大象在保护区内分布十分不均，靠近水源是大象常出没的地方通过减少人工水源，能改变大象活动模式,DataFrom:GraemeShannon,2009,15,DiversityDistrib.,（续）动物与水源分布的关系,常用道路离水源最近的（Grade124hr；（3）0L:24D，活动周期24hr阿朔夫定律（AschoffsRule）:对夜出动物，恒黑使其似昼夜周期缩短，恒光使其周期延长。,动物昼行与夜行,哺乳动物：全世界已知4237种蝙蝠类：981种，全为夜行有袋类：250种，约80%为夜行食内类：252种，约60%为夜行有蹄类：210种，约30%为夜行啮齿类：1729种，约40%为夜行灵长类：只有20%为夜行有一大部分动物为什么要夜行？,2.4大气与动物,陆生动物：陆地上大气是十分稳定海拔升高与动物关系：海拔6000m与大气压只有海平面的一半高原动物反应：（1）增加呼吸频率（2）加快血液循环（3）增加血蛋白和红血球数量（4）减小肌体组织耗氧水生动物：重要限制因素陆地1单位氧4单位空气；水1单位氧100,000单位水温度升高，氧下降。水温0上升到30，氧减少1/2。,水体中氧对动物影响,水体含氧特点不同类型水域含氧不同水体中含氧量季节变化例子1：西伯利亚的鄂毕河冬天鱼灾例子2：南方夏季鱼灾水体氧量昼夜变化鱼类拂晓浮头不同水生动物类型需氧不同如：山溪急流与底栖动物,低气压与动物,昆虫、两栖类和爬行类对低气压没有影响对恒温动物产生影响,4.5土壤与动物的关系,土壤是陆地生态系统“基底”，形成三因素，“母岩，生物和气候”，生物在土壤形取重要作用。动物对土壤作用：土壤有缊藏着巨大动物综合体，原生动物、细菌、真菌、轮虫、线虫、环节动物、软体动物、节肢动物、及脊椎动物等。有机物分解和转化，元素的地化环循影响土壤性质和肥力,土壤