生态学基础生物与环境

生态学基础生物与环境第1页/共58页第二章生物与环境2.1环境与生态因子环境的概念及其类型生态因子的概念与分类生态因子的作用规律2.2生物与光因子光照度的生态作用与生物的适应光质的生态作用与生物适应日照长度的生态作用与光周期现象2.3生物与温度因子温度因子的生态作用节律性变温的生态作用极端温度对生物的影响与生物的适应第2页/共58页2.1.1

环境的概念及其类型

生物科学→以生物为中心，包括动物、植物、微生物和人类。

环境科学→以人类为中心,围绕着人类空间以及直接或间接影响人类生活和发展的各种因素的总和。环境(environment)是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。

条件(conditions)

不可消耗的称条件，如温度、湿度和PH值等。资源(resources)

可被消耗的称资源，如营养物质、水、辐射能等。第3页/共58页1.

相对性：环境总是针对某一特定主体或中心而言的，只具有相对意义。2.

尺度效应：大环境与小环境大环境：地区环境、地球环境、宇宙环境；如白洋淀的环境，华北平原的环境等小环境：直接影响生物生命活动的近邻环境。如洞穴环境，树荫下环境等

第4页/共58页大环境（全球大气环流和洋流）第5页/共58页小气候（小环境）第6页/共58页环境的类型

（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、人工环境（3）按范围：

宇宙环境：大气层以外的宇宙空间。地球环境：大气圈中对流层、水圈、土壤圈、岩石圈、生物圈

2.1.1环境的概念及其类型第7页/共58页区域环境：占有某一特定地域空间的自然环境

如：森林、草原、草甸、荒漠、冰川、海洋、湖泊、河流、山地、盆地、平原等微环境:

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：生物体内组织或细胞间的环境。

2.1.1环境的概念及其类型第8页/共58页2.1.2生态因子的概念与分类1、生态因子概念是指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。生存因子（条件）：生态因子中生物生存不可缺少的因子。所有生态因子构成生物的生态环境生境：特定生物个体或群体的栖息地的生态环境。第9页/共58页2、生态因子的分类（1）根据性质划分为：气候因子：如温度、水分、光照、风、气压和雷电等土壤因子：如土壤结构、土壤成分的理化性质及土壤生物等地形因子：如陆地、海洋、海拔高度、山脉的走向与坡度等生物因子：包括动物、植物和微生物之间的各种相互作用人为因子：人类活动对自然的破坏及对环境的污染2.1.2生态因子的概念与分类第10页/共58页（2）根据有无生命特征划分：生物因子和非生物因子

（3）根据稳定性及其作用特点划分

稳定因子：终年恒定的因子，主要决定生物的分布。如地心引力、地磁等变动因子：周期性变动因子：一年四季变化和潮汐涨落非周期性变动因子：如风、降雨、捕食等2.1.2生态因子的概念与分类第11页/共58页1、综合作用：生态因子间相互联系、相互影响、相互制约，综合起来对生物体起作用

例如：温度与气压、湿度等因子共同作用同样的高温度下，高气压和低湿度时对生物体损伤小；低气压和高湿度对生物体损伤大。2.1.3生态因子的作用规律第12页/共58页2、主导因子的作用主导因子：在诸多的环境因子中，对生物起决定作用的生态因子。光合作用：光是主导因子春化作用：植物在生长过程中，必须经过一个较低的温度，才能正常的开花结果的现象。温度是主导因子生态因子的主次在一定条件下可发生转化。第13页/共58页3、直接因子和间接因子直接因子：能直接影响生物的生理过程或参与生物的新陈代谢的因子。间接因子：通过影响直接因子而间接作用于生物的因子。例如：海拔高度及温度、光照等因子对人体的作用第14页/共58页海拔高度升高光辐射气温氧气浓度风速影响间接因子直接因子相对湿度没有直接对生物体起作用，但由于影响了其他因子产生了变化影响人体的生理过程及新陈代谢过程直接因子和间接因子的作用第15页/共58页水温上升，水中的溶氧量随之下降第16页/共58页4、生态因子作用的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。例如：春化作用中的低温鲑鱼（大马哈鱼）不同发育阶段对盐分的需要第17页/共58页大麻哈鱼的鱼子和幼苗只能在淡水中生存，它们一般把卵生在淡水系统的江河上游的沙砾区域。卵孵化出幼苗并生长一段时间后然后顺流而下进入咸水系统的海洋之中，在物质富饶的海洋中生长发育积蓄能量，经过4年左右的生长达到性成熟后，又会洄游淡水江河中产卵。第18页/共58页B补偿作用（可调剂性）：多个生态因子综合作用时，由于某因子在量上的不足，可由其他因子来补偿，以获得相似的生态效应。例：光照不足，可多施有机肥使土壤中CO2浓度提高可补偿光照不足。5、不可替代性和补偿作用A不可替代性：生态因子对生物体的作用是不可替代的，又称同等重要定律。

例如：人体缺维生素A、人体缺维生素D一定范围内的补偿！！第19页/共58页6、限制性作用及生物的耐受性

（1）利比希最小因子定律（2）谢尔福德耐性定律（3）限制性作用第20页/共58页（1）利比希最小因子定律1840年,德国有机化学家利比希（Liebig）提出：“植物的生长取于最小量的那种营养物质”,这就是李比西的最小因子法则。这一法则同时也适用于光、温等多种生态因子。两个补充条件（Odum,1983）：1）只适用于稳定状态2）要考虑生态因子之间的相互作用第21页/共58页（2）谢尔福德耐性定律“耐受性定律”(Shelford’slawoftolerance)(V.E.Shelford,1913，美国)“生物的存在和繁殖，要依赖于某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量（或质）不足或过多，超过了某种生物的耐性限度，则使该物种不能生存，甚至灭绝。”第22页/共58页数量很低数量最高生理受抑制种群数量数量很低种群消失种群消失不能耐受区生理受抑制不能耐受区最适区

环境梯度高低耐受性下限耐受性上限生物种的耐受性限度图解（仿Smith,1980）第23页/共58页耐受性定律内涵的拓展：①生物对不同生态因子的耐受范围不同；②不同生物种，或不同年龄、季节、栖息地等的同种生物对生态因子的耐受性不同；③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；④当某一生态因子处于非最适状态下时，生物对其他生态因子的耐受限度也下降。第24页/共58页耐性的可变性同种生物长期生活在不同生态环境下，对多种生态因子会形成有差异的耐性范围，用进废退；例如：高山雪莲，耐高寒，对其他的条件适应性差。生物的耐性范围还可通过人为驯化改变；例如：生将金鱼长期饲养在不同温度条件下（18℃和32℃），他们对温度的耐性限度与生存范围将发生明显的变化。第25页/共58页生物的自然分布与耐性生物的分布区域决定于该生物对多种因子的耐性范围；对主要的生态因子耐性范围广的生物，分布就广；生态幅：是指生物对环境因子适应范围的大小。这主要决定于各个种的遗传特性。根据生物的耐受范围和生态因子的不同，将生物分为：广温性（eurytherm）狭温性（stenotherm）广水性（euryhydric）狭水性（stenohydric）广盐性（euryhaline）狭盐性（stenohaline）广食性（euryphagic）狭食性（stenophagic）广光性（euryphotic）狭光性（stenophotic）广栖性（euryoecious）狭栖性（stenooecious）第26页/共58页不同类型的生物对温度的适应幅度

第27页/共58页限制因子(limitingfactor)限制因子是对生物的生命活动起限制作用的因子当生态因子接近或超过生物的耐受性极限而影响其生存、生长、繁殖或扩散时，这个因子成为该生物限制因子限制因子的应用价值限制因子是影响生物生存和发展的关键性因子，是研究生物与环境复杂关系的钥匙。一旦找到限制因子，通过改善限制因子的数量，得到的效益最多（3）限制性作用第28页/共58页光质的生态作用与生物的适应光照强度的生态作用与生物适应日照长度的生态作用与光周期现象2.2

生物与光因子第29页/共58页

光的生态作用是食物链的起点紫外线具有杀伤和致癌作用地表热量基本本上是由红外线产生的

是重要的能量环境之一2.2

生物与光因子第30页/共58页1.光质的生态作用及生物的适应

光的性质(光谱成分)

波长150－4000nm,分紫外光(1%)、可见光和红外光三类(50-60%)，波长在380－760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380－700nm之间。

4006301000

25004000

波长(nm)紫外线可见光红外线能量强度第31页/共58页1.光质的生态作用及生物的适应

光质变化对生物的影响及生物的适应植物光质不同对植物的形态建成、向光性与色素的形成影响也不同。动物发展不同的色觉。如:

蓝紫光和青光能抑制植物伸长，使植物成矮小形态。海洋植物—

光合作用色素对光谱变化具有明显的适应性。高山植物—

茎叶含花青素，发展了特殊的莲座状叶丛→对紫外光作用的适应。第32页/共58页

光照强度：指单位面积上太阳辐射量的大小。光照强度对生物的生长、发育和形态建成具有重要作用对植物的影响影响光合作用影响叶绿素的形成，促进植物细胞的增长和分化、对植物组织和器官的生长发育及分化有重要的影响。对动物的影响影响动物的生长发育→黄化现象：植物一般在黑暗中不能合成叶绿素，但能形成胡萝卜素，导致叶子发黄。2.光强的生态作用及生物的适应第33页/共58页光合作用率光合作用率光强度光强度净生产力A光合作用B呼吸作用ABACP光补偿点CPCP阳性植物spSP光饱和点B光补偿点：光合作用强度和呼吸作用强度相当时的光强度；光饱和点：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(仿Emberlin,1983)sp净生产力阴性植物第34页/共58页

植物对光照强度的适应陆生植物—

对不同光照强度的适应产生：阳性植物(cheliophytes)

阴性植物(sciophytes)

耐阴性植物(shadeplant)阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能正常生长，其光饱和点、光补偿点都较高，光合作用的速率和代谢速率都比较高。如蒲公英、桦树、栎。也叫中性植物，对光照具有较广的适应能力，在完全的光照下生长，也能忍耐适度的荫蔽或在生育期间需要较轻度的遮荫。如党参、沙参。阴性植物对光的需求远较阳性植物低，光饱和点和光补偿点都较低。其光合速率和呼吸速率都比较低。如人参、红豆杉、三七。2.光强的生态作用及生物的适应第35页/共58页

动物对光照强度的适应类型光照强度使动物在视觉器官的形态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。昼行性动物和夜行性动物动物活动2.光强的生态作用及生物的适应12月、1月：4、5点开始活动；7、8月时：7、8点才开始活动第36页/共58页3.日照长度的生态作用及光周期现象日照长度：指白昼的持续时间或太阳的可照时数。地球上不同纬度地区白昼的持续时间长短有很大的差别，日照长短的变化是形成生物节律最可靠的信号系统。第37页/共58页3.日照长度的生态作用及光周期现象生物对昼夜交替周期性变化的适应形成昼夜节律，即日节律。光周期现象：白天和黑夜交替称为一个光周期，地球各地的生物，在自然选择和进化中形成的特有的对日照长度变化的反应方式，即光周期现象。根据植物对日照周期的不同反应，可将植物分为三种类群：短日照植物是在每日日照短于某一临界时数条件下才能开花的植物；如牵牛花、大豆、玉米、水稻、菊花等；长日照植物是每日日照长于某一临界时数才能开花的植物；如牛蒡、凤仙花、冬小麦、大麦、油菜、萝卜等。中间性植物是指每日相对短的日照时数到连续日照在其它条件满足下均可开花的植物，此类植物又称为光周期钝感植物。如黄瓜、番茄、四季豆和蒲公英等。第38页/共58页3.日照长度的生态作用及光周期现象光周期现象：

哺乳动物的换毛和生殖；长日照兽类：野生高海拔地区的动物，春天日照长度增加时生殖，雪貂、野兔、刺猬。短日照兽类秋天日照时数短时开始繁殖，如绵羊、山羊、鹿。如：候鸟的迁徙第39页/共58页温度因子的生态作用节律性变温的生态作用极端温度生态作用2.3

生物与温度第40页/共58页1.温度因子的生态作用1、温度与生物的生长：

生物体内的生物化学过程必须在一定的温度范围才能正常进行。温度过高或过低，生物的生长会受阻，甚至死亡。在一定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比；温度系数Q10：温度每升高10℃生物生长或反应速度增加的倍数。“三基点”温度：参与生命活动的各种酶都有其最低、最适和最高温度；不同生物的三基点不同；外温的季节性变化引起植物和变温动物生长加速和减弱的交替，形成年轮；外温影响动物的生长规模。第41页/共58页1.温度因子的生态作用2、温度与生物的发育

温度与生物发育最普遍的规律是有效积温。温度与生物的繁殖和遗传性：植物春化，动物繁殖的早迟。3、温度与生物分布许多物种的分布范围与温度区相关。第42页/共58页1.温度因子的生态作用4、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。生物开始生长发育的温度，称为生物学零度，即发育起点温度，在生育期内高于生物学零度的温度称为活动温度。

K：某生物全生育期所需的有效积温，为常数；

Ti：某生物生育期日平均温度；

T0：某生物生长活动起点温度；

n：某生物生育期的天数。第43页/共58页1.温度因子的生态作用第44页/共58页1.温度因子的生态作用第45页/共58页2.节律性变温的生态作用1、温周期现象有效积温：一定生育期内有效温度的总和。

K：某生物全生育期所需的积温，为常数；

Ti：某生物生育期日平均温度；

T0：某生物生长活动起点温度；

n：某生物生育期的天数。第46页/共58页2.节律性变温的生态作用1、温周期现象有效积温：一定生育期内有效温度的总和。

K：某生物全生育期所需的积温，为常数；

Ti：某生物生育期日平均温度；

T0：某生物生长活动起点温度；

n：某生物生育期的天数。第47页/共58页2.节律性变温的生态作用节律性变温：温度因子昼夜之间及季节之间温度差异的周期性变化。温度的周期性变化，对生物的生长发育、迁移、集群活动等有重要影响。昼夜变温对许多动物的发育有促进作用；对植物种子萌发和生长起着促进作用；形成植物的温周期现象。变温对于植物体内物质的转移和积累具有良好的作用。生物长期适应于一年中温度的寒暑节律性变化；形成与此相适应的生物发育节律称为物候。植物的物候变化非常明显。动物对不同季节食物条件的变化以及对热能、水分和气体代谢的适应，导致生活方式与行为的周期性变化。第48页/共58页3.极端温度的生态作用1、极端低温对生物的影响与生物适应性极端低温对生物影响：≥0℃对喜温生物造成冷害。使生物生理机能降低，破坏生理平衡。≤0℃造成冻害，使生物体内结冰，细胞原生质膜破裂和酶蛋白失活与变性。第49页/共58页3.极端温度的生态作用1、极端低温对生物的影响与生物适应性长期生活在极端温度环境中的生物，通过气候驯化或进化变异，在形态、生理和行为等各个方面表现出明显的适应性。在形态方面：植物→芽具鳞片、体具蜡粉、植株矮小；

高山植物红景天第50页/共58页3.极端温度的生态作用

在形态方面：动物→增加隔热层，体形增大（贝格曼规律），外露部分减小（阿伦规律）。阿伦规律:寒冷地区的内温动物较温暖地区内温动物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明显趋于缩小的现象，称阿伦规律，是减少散热的适应。体形法则（贝格曼定律）：同种恒温动物，分布在较冷地区的比较暖地区的体形大。北极狐赤狐大耳狐第51页/共58页3.极端温度的生态作用在生理方面的适应(低温)

植物：减少细胞中的水分和增加细胞中有机质的浓度以降低冰点，增加红外线和可见光的吸收带；动物：增加体内产热，维持体温恒定；异温性；休眠(冬眠)在行为上的适应(低温)

主要表现在休眠和迁移两个方面,