生态学1有机体与环境

1、第一部分 有机体与环境,我们把自然界分为两大类：生物与非生物。 这两大类几乎总是可区别、可分开的，但它们又不能彼此孤立地存在。生物依赖于环境，它们必需与环境连续地交换物质和能量，需适应子环境才能生存； 生物又影响环境，改变了环境的条件，生物与环境在相互作用中形成统一的整体。,1 . 生物与环境,生态学涉及生物与其存在的环境。 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。 因此我们首先应该了解和掌握生物与环境的生态作用规律和机理。,1.1 生态因子,1.1.1 环境 1.1.2 生态因子,1.1.1 环境,环境(environment)是指某一特

2、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。 因此，环境依主体而定，有大小之分，大到整个宇宙，小到基本粒子。,1.1.1 环境,生物环境一般可分为大环境(macroenvironment)和小环境(microenviroment)。 大环境是指地区环境、地球环境和宇宙环境。大环境中的气候称为大气候(macroclimate)，是指离地面1.5m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。 小环境是指对生物有直接影响的邻接环境，即指小范围内的特定栖息地。大环境直接影响着小环境，对生物体也有直接或间接影响。,1.

3、1.1 环境,小环境对生物的影响也更为重要，它的存在，为生物提供选择自身所需要的生活条件。小环境中的气候称小气候(microclimate)，是指近地面大气层中1.5 m以内的气候。小气候变化大，受局部地形、植被和土壤类型的调节，与大气候有极大的差别。,1.1.2生态因子,生态因子(ecological factor)是指环境要素中对生物起作用的因子，如光照、温度、水分、氧气、二氧化碳、食物和其他生物等。 在生态因子中，对生物生存不能缺少的环境要素，有时也称生存条件，如二氧化碳和水是植物的生存条件，对于动物是食物、热能和氧气。 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

4、称生境(habitat)。,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、生物因子和人为因子等5类。 2、按有无生命的特征分为生物因子和非生物因子两大类。 3、按生态因子对动物种群数量变动的作用，将其分为密度制约因子和非密度制约因子。 4、按生态因子的稳定性及其作用特点，分稳定因子和变动因子两大类。,生态因子作用特征,1、综合作用 2、主导因子作用 3、阶段性作用 4、不可替代性和补偿性作用 5、直接作用和间接作用 生态因子与生物之间的相互作用是复杂的，只有掌握了生态因子作用特征，才有利于解决生产实践中出现的问题。,1、综合作用,环境中的每个生态因子不是孤立的、单独的存在，总是

5、与其他因子相互联系、相互影响、相互制约的。因此任何一个因子的变化，都会不同程度地引起其他因子的变化，导致生态因子的综合作用。 例如山脉阳坡和阴坡景观的差异，是光照、温度、湿度和风速的综合作用结果。 动植物的物侯变化是气象变化影响的结果。 生物能够生长发育，是依赖于气候、地形、土壤和生物等多种因素的综合作用。 温度与湿度可共同作用于有机体生命周期的任何一个阶段(存活、繁殖、幼体发育等)，通过影响某一阶段而限制物种的分布。,2、主导因子作用,对生物起作用的众多因子并非等价的，其中有一个是起决定性作用的，它的改变会引起其他生态因子发生变化，使生物的生长发育发生变化，这个因子称主导因子。 如植物春化阶

6、段的低温因子；若以水分为主导因子，植物可分为水生、中生和旱生生态类型。,3、阶段性作用,由于生态因子规律性变化导致生物生长发育出现阶段性，在不同发育阶段，生物需要不同的生态因子或生态因子的不同强度，因此生态因子对生物的作用也具有阶段性。 例如低温在植物的春化阶段是必不可少的，但在其后的生长阶段则是有害的；水是多数无尾两栖类幼体的生存条件，但成体对水的依耐性就降低了。,4、不可替代性和补偿性作用,对生物作用的诸多生态因子虽然非等价，但都很重要，一个都不能缺少，不能由另一个因子来替代。但在一定条件下，当某一因子的数量不足，可依靠相近生态因子的加强得以补偿，而获得相似的生态效应。 例如软体动物壳生长

7、需要钙，环境中大量锶的存在可补偿钙不足对壳生长的限制作用。又如光照强度减弱时，植物光合作用下降可依靠C02浓度的增加得到补偿。,5、直接作用和间接作用,生态因子对生物的行为、生长、繁殖和分布的作用可以是直接的，也可以是间接的，有时还要经过几个中间因子。 直接作用于生物的，如光照、温度、水分；二氧化碳、氧等；间接作用是通过影响直接因子而间接影响生物，如山脉的坡向、坡度和高度通过对光照、温度、风速及土壤质地的影响，对生物发生作用；又如冬季苔原土壤中虽然有水，但由于土壤温度低，植物不能获得水，而叶子蒸发继续失水，产生植物冬天干旱，即冬天干旱是由寒冷的间接作用产生的。,1.2 生物与环境的相互作用,1

8、.2.1 环境对生物的作用 1.2.2 生物对环境的反作用 生物与环境的关系是相互的和辩证的。环境作用于生物，生物又反作用于环境，两者相辅相成。,1.2.1 环境对生物的作用,环境的非生物因子对生物的影响，一般称为作用。环境对生物的作用是多方面的，可影响生物的生长、发育、繁殖和行为；影响生物生育力和死亡率，导致种群数量的改变；某些生态因子能够限制生物的分布区域。,1.2.2 生物对环境的反作用,生物对环境的影响，一般称为反作用。生物对环境的反作用表现在改变了生态因子的状况。,1.3 最小因子、限制因子与耐受限度,1.3.1 利比希最小因子定律 1.3.2 限制因子 1.3.3 耐受限度与生态幅

9、,1.3.1 利比希最小因子定律,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。 作物的产量往往不是受其需要量最大的营养物的限制，例如不受C02和水的限制，而是取决于在土壤中稀少的又为植物所需要的元素，例如硼、镁、铁等。,1.3.2 限制因子,任何生态因子，当接近或超过某种生物的耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散时，这个因素称为限制因子(Limiting factor)。,1.3.3 耐受限度与生态幅,1耐受性定律 2生态幅 3耐受限度的调整,1耐受性定律(Law of tolerance),任何一个生态因子在数量上或质量上的不足或者过多，即当接近或达到某种

10、生物的耐受限度时会使该物种生物衰退或不能生存。,(1)每一种生物对不同生态因子的耐受范围存在着差异，可能对某一生态因子耐受性很宽，对另一个因子耐受性很窄，而耐受性还会因年龄、季节、栖息地区等的不同而有差异。对很多生态因子耐受范围都很宽的生物，其分布区一般很广。,(2)生物在整个个体发育过程中，对环境因子的耐受限度是不同的。在动物的繁殖期、卵、胚胎期和幼体、种子的萌发期，其耐受性限度一般比较低。,(3)不同的生物种，对同一生态因子的耐受性是不同的。 如鲑鱼对水温的耐受范围为012，最适温度为4；豹蛙的耐受范围为030，最适温度为22。,(4)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

11、耐受限度也下降。 例如，陆地生物对温度的耐受性往往与它们的湿度耐受性密切相关。当生物所处的湿度很低或很高时，该生物所能耐受的温度范围较窄；所处湿度适度时，生物耐受的温度范围比较宽。反之也一样，表明影响生物的各因子间存在明显的相互关联。,2生态幅,每一种生物对每一种生态因子都有一个耐受范围，即有一个生态上的最低点和最高点。在最低点和最高点(或称耐受性的上限和下限)之间的范围，称为生态幅(ecological amplitude)或生态价(ecological valence),生态幅的比较,生态学中常用“广” 和“狭” 表示生态幅的宽度，宽与狭作为字首与不同因子配合，就表示某物种对某一生态因子的

12、适应范围。 例如：广温性 、 狭温性 ；广水性 、 狭水性 ；广盐性、狭盐性 ；广食性 、狭食性 等,3耐受限度的调整,生物对环境生态因子的耐受范围并不是固定不变的，通过自然驯化或人为驯化可改变生物的耐受范围，使适宜生存范围的上下限发生移动，形成一个新的最适度，去适应环境的变化。这种耐受性的变化是直接与生物化学的、生理的、形态的及行为的特征等相关。,思考题,1概念与术语：环境、生态因子、生态幅、大环境、小环境、大气候、小气候、生境、密度制约因子、非密度制约因子、限制因子、广温性、狭温性 2什么是最小因子定律?什么是耐受性定律? 3生态因子相互联系表现在哪些方面?,2 能量环境,太阳表面以电磁波

13、的形式不断释放的能量称为太阳辐射或太阳光。绿色植物将太阳能转化成化学能贮存于植物体内，这一过程是生物圈与太阳能发生联系的唯一环节，也是生物圈赖以生存的基础。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。因此，光和温度组成了地球上的能量环境。,2.1 地球上光及温度的分布,地球截取的太阳能约为太阳输出总能量的20亿分之一。 地球上绿色植物光合作用所固定的太阳能，只占从太阳接受的总能量的千分之一。 太阳辐射的强度、时间(代表辐射的量)和光谱成分(代表辐射的光质)对生物的生长发育和地理分布产生重要的影响。,2.1.1 地球上光的分布,太阳辐射光谱主要由短波(紫外

14、线、波长小于380 nm)、可见光(波长380760 nm之间)和红外线(波长大于760nm)组成。三者分别占太阳辐射总能量的9、45和46。 大约辐射能的一半是在可见光谱范围内。,2.1.1 地球上光的分布,第一，大气圈的反射和散射，最后到达地球表面的仅是总太阳辐射的47，其中直接辐射为24，散射为23； 第二，太阳高度角影响了太阳辐射强度。 第三，地球公转时，轴心以倾斜的位置导致地球表面不同纬度，在不同季节，每天接受太阳辐射的时间呈周期性变化； 第四，地面的海拔高度、朝向和坡度，也引起太阳辐射强度和日照时间的变化。,2.1.1 地球上光的分布,水体中太阳辐射的减弱更为强烈，光质也有更大变化

15、。红外线和紫外线在水的上层被吸收，红光在4m深水中光强度降到1，只有500nm波长范围内的辐射能达到较深的深度，使海洋深处显示为蓝绿光,2.1.2 地球上温度的分布,太阳辐射是地球表面的热能来源。一切物体吸收太阳辐射后温度升高，同时又释放出热能，成为地表大气层的主要热源。地球表面大气温度变化很大，它主要取决于太阳辐射量和地球表面水陆分布。,2.1.2 地球上温度的分布,2.1.2.1 地表大气温度的分布与变化 2.1.2.2 土壤温度的变化 2.1.2.3 水体温度的变化,2.1.2.1 地表大气温度的分布与变化,1、空间变化： 大约纬度每增加1，年平均气温降低0.5。因此，从赤道到北极形成了

16、热带、亚热带、北温带和寒带。 2、时间变化： 日变化、年变化,2.1.2.2 土壤温度的变化,1土壤表层的温度变化远较气温剧烈，随土壤深度加深，土壤温度的变化幅减小。 2随土壤深度增加，土壤最高温和最低温出现的时间后延，其后延落后于气温的时间与土壤深度成正比。 3土壤温度的短周期变化主要出现在土壤上层，长周期变化出现在较深的位置。 4土壤温度的年变化在不同地区差异很大。,2.1.2.3 水体温度的变化,水体温度随时间的变化 水体由于热容量较大，因而水温的变化幅较大气小。海洋水温昼夜变化不超过4，随深度增加变化幅减小。15m以下深度，海水温度无昼夜变化，140 m以下，无季节性变化。赤道及两极地

17、带海洋的温度年较差不超过5，而温带海洋水温年较差为1015，有时可达23。,2.2 生物对光的适应,2.2.1 光质的生态作用及生物的适应 2.2.2 光照强度的生态作用及生物的适应 2.2.3 生物对光照周期的适应,2.2.1 光质的生态作用及生物的适应,380710nm之间波长的辐射能，称为光合有效辐射 叶绿素吸收最强的光谱部分是640660nm波长的红光和430450nm波长的蓝紫光，吸收最少的是绿光 光质不同对植物形态建成、向光性及色素形成的影响也不同。,2.2.2 光照强度的生态作用及生物的适应,2.2.2.1 光照强度对生物的生长、发育和形态建成的作用 2.2.2.2 植物对光照强

18、度的适应性 2.2.2.3 动物对光照强度的适应,2.2.2.1 光照强度对生物的生长、发育和形态建成的作用,光照强度影响发育、成长、繁殖等,2.2.2.2 植物对光照强度的适应性,很多种植物叶子的每日运动反映了光强度和光方向的日变化，而温带落叶树叶子的脱落是对光强度的年周期变化的反映。,2.2.2.3 动物对光照强度的适应,光照强度使动物在视觉器官的形态上产生了遗传的适应性变化 动物的活动行为与光照强度有密切关系。 动物每天开始活动的时间常常是由光照强度决定的,2.2.3 生物对光照周期的适应,植物的开花结果、落叶及休眠，动物的繁殖、冬眠、迁徙和换毛换羽等，是对日照长短的规律性变化的反应，称

19、为光周期现象 。 长日照植物、短日照植物 、中日照植物 、日中性植物,2.2.3 生物对光照周期的适应,(1)繁殖的光周期现象 (2)昆虫滞育的光周期现象 (3)换毛与换羽的光周期现象 (4)动物迁徙的光周期现象,23 生物对温度的适应,2.3.1 温度与动物类型 2.3.2 生物对温度的反应 2.3.3 生物对极端温度的适应 2.3.4 生物对周期性变温的适应 2.3.5 物种分布与环境温度,2.3.1 温度与动物类型,1.通常将有机体划分为“温血动物”和“冷血动物”。 2. 将有机体分为常温动物和变温动物。 3.把有机体分为外温动物和内温动物。,2.3.2 生物对温度的反应 酶反应速率与温

20、度阈,1.酶催化反应的速度随温度而增加 2.当环境温度超过生物耐受的高温限和低温限时，酶的活性将受到制约。 3.高温导致有机体脱水，使动物失去了降温的能力，使植物大量失水，破坏水分平衡，高温下的失水率能够成为致死因子。 4.低温对生物的伤害有两种：冻害、冷害,2.3.2 生物对温度的反应 生物发育和生长速度,1.温度直接影响了外温动物和植物的发育和生长速率 2.生物学零度;有效积温 KN(T-C),2.3.2 生物对温度的反应 驯化和气候驯化,1.温度能够作为一种刺激物起作用，决定有机体是否将开始发育。 2.内温动物经过低温的锻炼后，其代谢产热水平会比在温暖环境中高。这些变化称为驯化 。 3.如果是在自然界中产生的驯化称为气候驯化 。,2.3.3生物对极端温度的适应 生物对低温的适应,1.植物的芽和叶片常受到油脂类物质的保护，芽具鳞片，体表有蜡粉和密毛，茎粗短弯曲，枝条常成匍匐状，皮坚厚等。 2.贝格曼规律 、阿伦规律,2.3.3生物对极端温度的适应 生物对低温的适应,3.内温动物在冬季增加了羽、毛的密度及质量，增加了皮下脂肪的厚度。 4. 植物通常减少