第二章生物与环境因子的作用及适应光温度

1、 一光因子的生态作用及生物的适应一光因子的生态作用及生物的适应 二、温度因子的生态作用及生物的生态适应二、温度因子的生态作用及生物的生态适应 三水因子的生态作用及生物的适应三水因子的生态作用及生物的适应 四、土壤因子的生态意义及生物的适应四、土壤因子的生态意义及生物的适应 第四节 生态因子的生态作用及生物的适应 一、光因子的生态作用及生物的适应一、光因子的生态作用及生物的适应 ?光的生态意义及其性质 ?光变化对生物的影响 ?以光为主导因子的生物的生态类型 ?如何提高植物的光能利用率 1、光的生态意义及其性质 1）太阳辐射的生态意义： 太阳辐射是地球上一切生物 能量的源泉，为维持生命的环境创造了

2、必要的条件；是生物的一个重要生态因子，对植物的生态作用是由 光强、光照时间、光谱组成三者的对比关系构成的；光能条件直接影响植物的生物学产量，因为光是一切绿色植物进行光合作用的能量来源 ；光因子还是生命活动周期性节律的触发器。 ?2）光的性质 a、太阳辐射:太阳表面以电磁波的形式不断释放的能量，其中到达地球表面的能量仅为太阳辐射总量的1/22亿。 光效应光效应:米烛光或勒克司(Lux)，一般以1卡/ cm2/分钟 = 7万米烛光 = 7万勒克司(Lux)来换算。 太阳常数太阳常数(表示太阳辐射能量的物理量) 定义为：在地球距离太阳1个天文单位处，且没有大气吸收的情况下，垂直于太阳光线的每1cm2

3、、1min（分钟）内所接受的辐射量，一般采用：1.95卡/厘米2/分钟（1.95卡/cm2/min）.由于太阳的周期性活动，该数值可能有12%的变化。 b、光谱组成： ?红外光(760nm热效应)51% ，可见光(380-760nm)40% ，紫外光 （290nm ）9% ?生理有效光辐射：红橙光(620-760 nm) 叶绿素a，有利于碳水化合物的形成；兰紫光（490-435nm）叶绿素b ，有利于蛋白质的形成。 光谱组成在时间和空间上的变化规律 ?随空间发生变化的一般规律是：短波光随纬度增加而减少，随海拔升高而增加。 ?在时间变化上：冬季长波光增多，夏季短波光增多；一天之内中午短波光较多，

4、早晚长波光较多。 ?在水体中，红外光仅在几米深处就会被完全 吸收；紫和蓝色等短波光容易被水散射，不能潜入刀痕深深的海水中；在较深的水层中只有绿光占有较大优势。 c、日照长度：主要指每天太阳的可照时数，即昼长。 ?除两级外，春分秋分全球都是昼夜分； ?日照长度在不同纬度和季节里是有规律地变化：在纬度为零的赤道附近，终年昼夜等分；在高纬度地带，随纬度的增高，昼夜长短变化增大，纬度越高，夏半年昼越长，也越短；冬半年夜越长，昼越短。在北极地区则夏季全是白天，冬季全是黑夜，即出现极昼极夜现象。 3)影响地表太阳辐射的因素 ?a.大气圈的对太阳辐射的削弱作用 ?b.太阳高度角对太阳辐射强度的影响 (0-9

5、0) ?c. 日照长度的变化 ?d. 地形因素的影响：朝向、坡度、海拔高度 ?e. 不同生境对太阳辐射的影响 光变化及生物的适应光变化及生物的适应 ）光照强度的生态作用及生物的适应 ?a光强对生物的生长发育和形态建成有重要的作用 ?光照强度对植物细胞的增长和分化、体积的增长和重量的增加有重要影响，光还促进组织和器官的分化，制约着器官的生长发育速度，使植物各器官和组织保持发育上的正常比例。 b光照强度与水生植物 ? 光的穿透性限制着植物在海洋中的分布，只有在海洋表层的透光带(euphotic zone)内，植物的光合作用量才能大于呼吸量。在透光带的下部，植物的光合作用量刚好与植物的呼吸消耗相平衡

6、之处，就是所谓的补偿点。如果海洋中的浮游藻类沉降到补偿点以下或者被洋流携带到补偿点以下而又不能很快回升表层时，这些藻类便会死亡。 c植物对光照强度的适应类型 ?不同的植物对光强的反应也是不一样的。 ?阳地植物 适应于强光照地区生活的植物称阳地植物，这类植物补偿点的位置较高，光合作用的速率和代谢速率都比较高。 ?阴地植物 适应于弱光照地区生活的植物称阴地植物，这类植物的光补偿点位置较低，其光合速率和呼吸速率都比较低。阴地植物多生长在潮湿背阴的地方或密林内。 ?图中的光合作用率(实线)和呼吸作用率(虚线)两条线的交叉点就是所谓的光补偿点，此处的光照强度是植物开始生长和进行净生产所需要的最小光照强度

7、；此后，光合作用强度随光照强度的增加而增加；到达一定强度后，倘若继续增加光强，光合作用效率不再提高，这一点称之为光饱和点。 ）光质的生态作用及生物的适应： ?对植物：红橙光（主要被叶绿素吸收，促进碳水化合物形成）、蓝紫光（主要被叶绿素和类胡萝卜素吸收，促进蛋白质的合成）为生理有效光。绿光很少被吸收利用，称为生理无效光。 ?对动物：可见光影响动物的生殖、迁徙、羽毛更换、生长、发育等。紫外光具有致死作用。 3) 生物对光周期的适应 ?昼夜节律：大多数生物活动表现出昼夜节律，即24h循环一次的现象。 动物的行为习性常表现出明显的昼夜节律，植物的光合作用、蒸腾作用也表现出有规律的昼夜变化。 ?光周期现

8、象：生物对白天黑夜的相对长度的反应称为光周期现（photoperiodism）。 生物的光周期现象常表现在：日照长短与植物开花、种子萌发、地下部分的生长、动物的生殖、休眠等。 ?植物光周期现象：即植物的开花对日照长度的反应。常根据植物开花对日照长度的反应类型将植物分为：长日照植物、短日照植物、中日照植物及中间性植物。 ?美国科学家加纳尔（W.W.Garner,1920年）等人为假定以12小时为长日照植物和短日照植物是否开花的临界日长，即诱导长日照植物开花所需的最短日照时数，或诱导短日照植物开花所需的最长日照时数，并假定每日在短于12小时的日照下才开花的植物叫做短日照植物（short-day p

9、lant）；每日在长于12小时的日照下才开花的植物叫做长日照植物（long-day plant）；要求昼夜长短接近于相等时才开花植物称为中日照植物。 ?动物的光周期现象 ?在脊椎动物中，鸟类的光周期现象最为明显，很多鸟类的迁徙都是由日照长短的变化所引起 。同样，各种鸟类每年开始生殖的时间也是由日照长度的变化决定的。鸟类生殖腺的年周期发育是与日照长度的周期变化完全吻合的 。 ?日照长度的变化对哺乳动物的换毛和生殖也具有十分明显的影响。 3. 以光为主导因子划分的植物生态类型以光为主导因子划分的植物生态类型 比较以光为主导因子划分的植物生态类型的特征： ?1) 根据植物对光强适应 :阳生植物、阴生

10、植物（生境、形态、结构、生理功能） ?2) 根据植物对日照长度的适应 :长日照植物、短日照植物、中日照植物和中间植物（各自的特点） ?思考：谈谈光对植物的生态作用及植物对光的适应。 二、温度因子的生态作用及生物的生态适应二、温度因子的生态作用及生物的生态适应 ?1、地球上环境温度的分布及其变化规律 ?2、温度的生态作用 ?3、极端温度对生物的影响及生物的适应 ?4、温度与生物的地理分布 ?5、物候节律 1、地球上环境温度的分布及其变化规律 ?决定地球上温度分布的主要因素是： ?入射的太阳辐射和地球表面的水陆分布。 ?环境温度的变化幅： ?水环境：淡水湖的水温不小于0oC，海洋不低于-2.5oC

11、。大洋海水温度的最高纪录时36oC，朝间带或小型淡水湖泊的水温可达40-45oC。水环境温度的变幅一般只有40-45oC。 ?大陆气温：大陆上最低气温记录是-88.3oC(南极大陆)，沙漠中夏季中午最高气温记录可达60-80oC。大陆温度的变幅可达130-150oC。 ? 温度在空间上的变化： ?温度随纬度不同的变化（水平变化） 年均温20 20 ，最热月10 ，极地划分热带、温带和寒带；北半球纬度每增加1 ，年平均气温下降0.5 ?随海拔高度不同的变化（垂直变化） 海拔高度每增加100米，气温降低0.5-1；山坡的不同坡向，热量 分配不均匀，坡向的气温差异随着海拔高度的增加而减少。 温度随时

12、间的变化 ?昼夜变化： ?温度日较差(日变幅)：指昼夜间最高气温与最低气温的差值，是气温日变化的量度。 ?海洋水温昼夜变化不超过4，随深度增加，变幅减少，15米以下，无昼夜变化；大陆气温的昼夜变幅一般为17 ，沙漠带最高可达40 。 ?季节变化： ?温度年较差(年变幅)：指一年内最热月与最冷月平均温度的差值，是温度季节变化的重要指标，其大小受纬度与海陆位置、地形等许多因素的影响。 ?海洋温度的季节变化特点：赤道和两极的海洋，水温年较差不超过5 ；温带海洋水温的年较差为10-15 ；随着深度的增加，水温的年较差减少；通常在140米以下，水温无季节性变化，即深海中的水温是长年不变的，一般在-0.5

13、-4 之间。 ?大陆气温的季节性变化 2 2、温度因子的生态作用、温度因子的生态作用 ?任何生物都生活在一定温度外界环境中并受着温度变化（空间、时间、海拔）的影响（直接的、间接的）。 ?温度直接影响生物体的体温。体温的高低又决定了生物体的代谢过程的强度和特点。体内的生理生化反应要求有一定的温度范围（基点温度：最高、最适、最低）。 ?不同生物及同一生物在不同的发育阶段所能忍受的温度范围有很大不同（对温度的耐受限度）。 ?温度的变化会引起其它生态因子的改变。 1）温度与生物的生长 ?生物生长的三基点（最高温、最低温、最适温）。 ?不同生物的“三基点”是不一样的。一般地说，生长在低纬度的生物高温阈值

14、偏高，而生长在高纬度的生物低温阈值偏低。 ?在一定的温度范围内，生物的生长速率与温度成正比。 2）温度与生物的发育： ?a. 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维持其正常生长发育，而且植物各发育阶段所需的总热量是一常数。 K=N(T-T0) k为该生物生长发育所需的 有效积温，以“日度”表示，为常数；T为生长发育期内的日平均温度；T0为该生物生长活动所需 最低临界温度（生物学零度）；N为天数。 ?一些概念： ?积温: 规定时间内,符合特定条件的各日平均温度或有效温度的总和. ?生物学零度：生物发育的起点温度，生物学零度10 ?有效温度：实际温度中对植物生长发育起积

15、极作用的那部分温度，即实际温度与生物学零度之差。例如：某农作物生物学最低温度10，而某天的平均气温为15，则15-10=5为有效温度。 ?有效积温：植物某一生长发育期或全部生长期中有效温度的总和，即为有效积温。 ?b. 有效积温法则的应用： ?预测某个地区某种生物可能发生的世代数 ,并绘出生物的世代分布图。即：发生的世代数 = K / K1 = (地区适于生物发育的年总积温 )/ (生物完成1世代需要的积温)。 ?预测生物地理分布的北界 ?推算生物的年发生历，益虫的保护和利用，害虫的预防和防治。 ?可根据有效积温制定农业气候区划，合理安排作物。 ?应用积温预报农时。 ?C. 有效积温法则的局限

16、性： ?在自然条件下，生物进行发育所处的温度不是固定不变的，而是经常有变化的，如果温度波动不太剧烈，变温能促使发育加速。 ?在自然条件下，发育速度不仅取决于温度，还依赖于其他条件，即研究发育速度必须考虑生态因子的综合作用问题。 ?有效积温法则是以发育速度与温度呈线性关系为前提的，但实际上，发育速度与温度间更确切的是“S” 型的，因此，有效积温法则只适用于一定的温度范围之内。 3、极端温度对生物的影响及生物对极端温度的适应 极端温度:危及生物生命功能的温度称为极端温度. ?1) 低温对生物的影响及生物对低温环境的适应： ?a. 极端低温对生物的影响： ? b. 生物对极端低温的适应： a. 极端

17、低温对生物的影响 ?临界温度：温度低于一定数值时生物体受到伤害。 ?冷害：喜温生物在零度以上的条件下受害或死亡。喜温生物向北方扩展或扩展其分布范围的主要障碍。 ?霜害：（霜：大气中的水汽达到饱和状态，冷凝为露珠，结晶形成冰晶）由于霜冻而对生物所造成的伤害。 ?冻害：零度以下的低温使生物体内形成冰晶而造成的损害。（对生物的影响：使质膜破裂，蛋白质失活变性；由于生理干燥和水化层的破坏而引起植物受害。 ） 低温致死的原因 ?冰结晶使原生质破裂，损坏了细胞内和细胞间的细微结构； ?溶剂水结冰时，电解质浓度发生变化，引起细胞渗透压的变化，造成蛋白质变性； ?脱水使蛋白质沉淀； ?代谢失调，乃至停止 b、

18、生物对极端低温的适应：、生物对极端低温的适应： ?形态 ： 植物：植株矮小并成匍匐状、垫状或莲座状等，芽具鳞片，体表被毛、蜡质、革质化。有利于植物保持较高温度，减轻严寒的影响。 动物：贝格曼（Bergman: 生活在高纬度地区的恒温动物，其个体往往比生活在低纬地区的同类个体大，因为个体大的个体，其单位体重散热量相对较少）、阿伦（Allen:较为寒冷地带的哺乳动物，其四肢、耳朵和尾有明显趋于缩短的现象）定律。用皮毛或增加皮下脂肪的厚度来提高身体的隔热性能 ?生理：细胞液（原生质、液泡）浓度上升（减少细胞中的水分，增加细胞中的糖类、脂肪和色素等物质），冰点降低（植物）。 （动物）过冷现象：外界温度

19、很低，在动物体液凝结过程中释放凝结热，若温度不再下降，则可能复苏。 2）高温对生物的影响及生物对高温环境的适应）高温对生物的影响及生物对高温环境的适应 ?a高温对生物的影响： ?植物：减弱光合作用，增强呼吸作用，使此两个重要过程失调，造成植物的饥饿现象;破坏植物的水分平衡，促使蛋白质凝固，导致有害物质的积累。（分解过程的中间产物积累在体内） ?动物：破坏酶的活性，使蛋白质凝固变性，缺氧，排泄功能失调，神经系统麻痹。 ?b生物对高温环境的适应： 生物对高温环境的适应表现在形态、生理和行为3个方面. ?植物形态上的适应：有些植物生有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；有些植物体呈白色、银白色，叶片革质

20、发亮，能反射一大部分阳光，使植物体免受热伤害；有些植物叶片垂直排列使叶缘向光或在高温条件下叶片折叠，减少光的吸收面积；还有些植物的树干和根茎生有很厚的木栓层，具有绝热和保护作用。 ?植物对高温的生理适应主要是降低细胞含水量，增加糖或盐的浓度，这有利于减缓代谢速率和增加原生质的抗凝结力。其次是靠旺盛的 蒸腾作用避免使植物体因过热受害。还有一些植物具有反射红外线的能力，夏季反射的红外线比冬季多，这也是避免使植物体受到高温伤害的一种适应。 ?动物对高温环境的一个重要生理适应就是适当放松恒温性，使体温有较大的变幅，这样在高温炎热的时刻身体就能暂时吸收和贮存大量的热并使体温升高，之后在环境条件改善时或躲

21、到阴凉处时再把体内的热量释放出去，体温也会随之下降。 ?沙漠中的啮齿动物对高温环境常常采取行为上的适应对策，即夏眠、穴居和白天躲入洞内夜晚出来活动。有些黄鼠(Citells)不仅在冬季进行冬眠，还要在炎热干旱的夏季进行夏眠。昼伏夜出是躲避高温的有效行为适应，因为夜晚温度低，可大大减少蒸发散热失水，特别是在地下巢穴中，这就是所谓夜出加穴居的适应对策。 4、温度与生物的地理分布温度与生物的地理分布 ?决定某种生物分布区的因子，绝不仅仅是温度因子，但它是重要的生态因子。 ?动物：温度作为动物的限制因子，一般不是各地的平均温度，更重要的是极端温度；对于常温动物，温度的直接限制比较少。 ?植物：有些植物种的分布受到极端温度的限制；而有些种的分布是受到有效积温的限制。 2）生物向极地或高海拔地区分布的决定因素有