二有机体与环境.pptx

生态学有机体与环境唐唐 璐璐 璐璐生物科学与技术学院生物科学与技术学院第一部分 有机体与环境生物与环境能量环境物质环境1.1 生物与环境生态因子生物与环境的相互作用最小因子、限制因子与耐受限度1.1.1 环境（environment）某一特定生物体或生物群体周围一切的总合，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。太阳太阳与地球地球构成了生物生存的宇宙环境与地球环境，二者奠定了生态学上的宏观概念。1，大气圈（atmosphere）对流层厚度约为10km，占全部大气质量的7080%。对流层中，空气组成的主要成分保持不变。3-4km以上高度内，CO2要比下层少。O2总含量近108kg。2，水圈hydrosphere全球估计有15亿km3的水。其中海水占97%，淡水3%。3，岩石圈与土壤圈(lithosphere and pedosphere)岩石圈是指地球表面3040km厚的地壳层。它是组成生物体的各种化学元素的仓库。4，生物圈(biosphere)E.Suess(休斯奥地利地质学家)于1875年首先创造了生物圈这一术语。生物圈生物圈是指地球上全部生物及其赖以生存的环境的总体。其范围为海平面以上10km，海平面以下12km。其间最活跃的是生物，地球上总的生物生产量中，植被占99%。O22000年再循环一次；生物的呼吸作用释放的CO2，约300年再循环一次；整个水圈的水分经过生物的吸收、蒸发、蒸腾、排泄等，约需20万万年再循环一次。大环境与小环境大环境（macroenviroment）地区环境、地球环境和宇宙环境。小环境（microenviroment）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。大环境小环境小气候大气候离地面1.5m以上的气候。地面大气层中1.5m以内的气候。小小气气候候（小小环环境境）蜂鸟巢小气候黎明前时的温度，巢上方的树枝减少了孵卵雌鸟的热量损失（Calder,1973）1.1.2 生态因子（ecological factor）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。生态因子的相关概念生存条件：生态因子中生物生存不能缺少的环境要素。生态环境：一定区域所有生态因子的总和。生境（Habitat）：特定生物体或群体的栖息地的生态环境。生态因子的分类气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子按性质按生态因子对动物种群数量变动的作用按有无生命特征 生物因子和非生物因子稳定因子和变动因子按生态因子的稳定性及其作用密度制约因子和非密度制约因子生态因子作用特征综合作用主导因子作用阶段性作用不可替代性和补偿性作用直接作用和间接作用1.2 生物与环境的相互作用环境对生物的作用 表现在对生物生存、生长、发育、形态结构、遗传、繁殖、分布、种群数量、种内关系以及种间关系的影响稀树草原&热带雨林北美草原上的狼与非洲草原上的豺莫斯科工业污染导致畸形重大环境污染导致痛痛病生物对环境的适应形态的适应生理的适应行为的适应对环境的适应有助于生物生存胡椒蛾黑化胡椒蛾个体胡椒蛾黑化1008060300200100Winter smoke,ug/m3Percent frequency ofmelanic peppered moths1960 1970 1980烟尘实测值烟尘实测值烟尘变化趋势烟尘变化趋势黑化蛾黑化蛾变化趋势变化趋势随着污染减轻，黑化蛾在群体中的频率逐渐下降随着污染减轻，黑化蛾在群体中的频率逐渐下降夜间降低代谢率有花蜜供给，没有休眠，要消耗大量能量食物与代谢生物对环境的反作用1.2 生物与环境的相互作用森林吸收太阳辐射、降低风速、保持水分、防治土壤冻结土壤微生物和土壤动物改变土壤的结构和性质过度放牧导致草场退化人类活动导致全球环境变化1.3 生物对环境的生态效应不同生物对环境有不同的生态效应。现以森林植物为例：涵养水源保持水土 调节气候增加降水 防风固沙保护农田 净化空气防治污染 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。严格稳定状态下适用 考虑因子的替代作用1.3.2 限制因子（Limiting factor）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。曳尾鹱的孵化成功很大程度上取决于热环境南北较高纬度地区的低温是影响非洲蜂进一步向高纬度范围扩散的限制因子。高纬度地区低温对生物分布的限制1.3.3 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过多，即当其接近或达到某种生物的耐受限度时会使该种生物衰退或不能生存（Shelford 1913）。耐受性定律的发展每一种生物对不同生态因子的耐受范围存在差异生物在整个发育过程中，对环境因子的耐受限度是不同的不同的生物种，对同一生态因子的耐受性是不同的生物对某一生态因子处于非最适状态下时，对其他生态因子的耐受限度也下降近缘种的生态耐受度可能不同生态幅（ecological amplitude）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。在最低点和最高点之间的范围，称为生态幅或生态价。生物种的耐受限度图解种种群群数数量量数量很低数量很低种群消失种群消失种群消失种群消失数量很低数量很低数量最高数量最高不能耐受区不能耐受区 生理受抑制生理受抑制生理受抑制生理受抑制 不能耐受区不能耐受区最适区最适区 环境梯度环境梯度低低耐受性下限耐受性下限耐受性上限耐受性上限最最适适范范围围不不适适范范围围不能生存不能生存因子梯度因子梯度渐增渐增生生命命活活动动强强度度或或数数量量生物对环境因子耐受曲线的实际表现生物对环境因子耐受曲线的实际表现亚亚适适范范围围亚亚适适范范围围不不适适范范围围 广温性生物与狭温性生物的生态幅比较耐受限度的调整生物耐受范围的上下限是可以被调整的耐受性的变化直接与生物化学的、生理的、形态的及行为的特征等相关提高适应能力驯化:自然驯化和人工驯化生理变化和遗传变化驯化可能：生物特性差异，诱导条件差异生物学意义：适应环境变化能力内稳态(Homeostasis)生物通过控制体内环境(体温、糖、氧浓度、体液等)，使其保持相对稳定性 扩大了生物的生态幅与适应范围，但并不能完全摆脱环境的限制生物的耐受限度是可以调整的不同温度下驯化导致耗氧量的差异200200160160120120808040400 010 20 3010 20 30温度温度 耗氧量耗氧量 （mlgmlg-1-1hh-1-1 ）5 5 驯化驯化25 25 驯化驯化能量环境光温度2.1 光的生态作用及生物对光的适应 2.1.1 地球上光的分布影响太阳辐射的因素和光的分布规律影响地表太阳辐射的因素大气圈，太阳高度角，纬度和季节，海拔、坡度和坡向光质(光谱成分)低海拔、高纬度长波光多，高海拔、低纬度短波光多夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多日照时间夏季昼长夜短、冬季昼短夜长纬度升高、变化加大，两极有极昼、极夜光照强度低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬度光照强度大夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强度弱(北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱地球表面的太阳辐射春春秋秋夏夏冬冬秋秋春春冬冬夏夏The seasons in the Northern and Southern HemispheresThe seasons in the Northern and Southern Hemispheres10203035404550102030354045505045403530201018171615141312111096789101112131415光光期期 hr暗暗期期 hr2 4 6 8 10 12M不不不不同同同同季季季季节节节节各各各各纬纬纬纬度度度度的的的的日日日日照照照照长长长长度度度度各种波长的光穿过蒸馏水时的强度变化 水生藻类的光合色素与光谱的变化相似2.1.2 光质的生态作用及生物的适应叶绿素的吸收光谱蓝紫光：430450nm 红光：640660nm光质的生态作用不同光质的作用蓝紫光：促进蛋白质的合成 红光：促进糖的合成青光、蓝紫光和紫外线等短波光抑制植物的伸长生长，使植物向光性更敏感紫外线能杀菌，对生物体造成损伤，促进维生素D的合成红外线是地表的基本热源，对外温动物的体温调节和能量代谢有决定性作用生物对光质的适应太阳鱼视力的灵敏峰值为500530nm绿色植物和绿藻、红藻、褐藻和硅藻光合色素的差异高山植物含花青素、叶面缩小、毛绒发达2.1.3 光照强度的生态作用及生物的适应光照强度对生物的生长、发育和形态建成的作用植物对光照强度的适应性动物对光照强度的适应 光照强度的生态作用影响动物的生长发育影响动物的体色影响植物叶绿素的形成黄化现象影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的生长和分化影响植物花果的数量和质量植物对光照强度的适应光合能力：当传入的辐射能是饱和的、温度适宜、相对湿度高、大气中CO2和O2的浓度正常时的光合作用速率。C4和C3植物光合能力对光照强度的反应不同。植物物种间对光强度表现出的适应性差异，表现在阳地种和阴地种上。C3和C4植物在最适温度和正常CO2浓度时，光合作用对光强度的反应特征阳地植物叶阴地植物叶形态特征枝叶叶片角质层气孔栅栏组织稀疏较小发达较多发达茂盛较大、薄不发达较少不发达生理特征细胞汁液浓度蒸腾作用CO2补偿点的光强度光合作用的光饱和点RvDP羧化酶以干重计的叶绿素可溶性蛋白（=酶）+高高+低低+阴地植物与阳地植物叶的比较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；自然条件下，动物每天开始活动的时间常常是由光照强度决定的。动物对光照强度的适应2.1.4 生物对光照周期的适应生物的昼夜节律生物的光周期现象 光周期现象：对日照长短的规律性变化。小时小时植物光合作用的昼夜变化植物的光周期现象 长日照植物、短日照植物、中日照植物和日中性植物 动物的光周期现象繁殖的光周期现象昆虫滞育的光周期现象换毛与换羽的光周期现象动物迁徙的光周期现象 植物开花对日照长度的反应长日照植物：萝卜、菠菜、小麦、凤仙花、牛蒡等短日照植物：玉米、高粱、水稻、棉花、牵牛等中日照植物：甘蔗等少数热带植物日中性植物：蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄 2.2 生物对温度的适应 主要取决于太阳辐射量和地球表面水陆分布。2.2.1 地球上温度的分布2.2.1.1 地表大气温度的分布与变化温度的空间分布与变化 随纬度增加，地表气温下降 水体对气温有调节作用 地形影响气温温度的时间变化 日变化&年变化2.2.1.2 土壤温度的变化土壤表层的温度变化较气温剧烈，随土壤深度加深，土壤温度的变化幅减小。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。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。土壤温度的年变化在不同地区差异很大。土壤与空气温度变化比较2.2.1.3 水体温度的变化水体温度随时间的变化 变化幅度较大气小。水体温度的成层现象 在冬夏季节有明显的不同。温带湖泊中温度剖面的季节性变化影响着水层的垂直混合常温动物变温动物外温动物内温动物2.2.2 温度与动物类型 不同物种对高温的耐受性水生植物：3040旱生植物：5060兽类：42鸟类：4648爬行类：452.2.3 生物对温度的反应酶反应速率与温度阈 每一种酶的活性都有最适温度范围、低温限、高温限。生物发育和生长速度 发育生长是在一定的温度范围上才开始的。驯化和气候驯化 由实验诱导的对温度耐受性的改变叫驯化，如果是在自然界中产生的称为气候驯化。生物发育和生长速度发育阈温度发育阈温度(生物学零度生物学零度)总积温总积温(有效积温有效积温)：K=N(T-C)发育历期和发育速率发育历期和发育速率2.2.4 生物对极端环境温度的适应生物对低温的适应生物对高温的适应南极鳕鱼的抗冻蛋白植物形态结构：油脂、鳞片、短小、匍匐状，厚皮生理适应：细胞内物质含量变化(糖类、脂肪)动物形态：贝格曼规律、阿仑规律、毛、皮结构、脂肪层生理：基础代谢和非颤抖性产热(褐色脂肪)，身体异温，水生哺乳动物的乳汁构成、热交换器等行为：迁徙、冬眠、冬睡、滞育、集群、活动位置贝格曼规律贝格曼规律 (Bergmanns rule)(Bergmanns rule)内容：高纬度的恒温动物比低纬度的相似种类个体要大，如东北虎大于华南虎。原因：一般认为，动物个体大则相同质量所对应的体表面积就小,对恒温动物来说在竞争中应付体表散热所损失的能量相对较少，在进化选择中是有利的。阿仑规律阿仑规律 (Allens rule)(Allens rule)内容：在寒冷地区生活的哺乳动物的四肢、耳、鼻、尾均有 明显缩短的趋势。原因：寒冷地区对哺乳动物的主要生态问题是保持体温，躯体突出部分缩短可减少散热，对动物在环境中竞争显然是有利的。沙漠中的动物与植物对高温的适应植物形态适应：叶片毛、鳞片、颜色、排列生理适应：细胞含水量(糖/盐浓度、代谢强度)动物形态适应：毛皮性质和颜色生理适应：体温过热行为适应：栖居地点、活动时间2.2.5 生物对周期性变温的适应植物 春夏秋冬的生长发育节律动物 冬眠与夏眠 换毛、换羽、迁徙、洄游及春夏季繁殖 鸟类节律2.2.6 物种分布与环境温度地球上主要生物群系的分布成为主要温度带的反映。年均温度、最高温度和最低温度都是影响生物分布的重要因子。温度变化也可能和其他的环境因素或资源紧密联系，密不可分。2.3 风对生物的作用及防风林风对生物生长及形态的影响强风常能降低植物的生长高度强风还能使树木形成畸形树冠风影响了鸟兽的体表形态特征风是传播运输工具风是许多树种的花粉和种子的主要传播者风影响了能飞行动物类群的地理分布风是动物物种传播及运输的重要工具风传播着化学信息风的破坏作用风对植物的机械破坏作用谷物在大风中易倒伏而减产防风林能够削弱风力，降低风速，减少风害防风林有3种不同的林带类型：紧密林带、疏透林带和通风林带防风林还能固沙护田、蓄水、调节小气候2.4 火作为生态因子对生物的影响及管理 林冠火 地面火火的有益作用使有机质变成无机质，形成物质循环的无机肥料。对于抗火的物种或适应于火的自然更新的物种，火是必需的生态因子。火也可以减少与耐火树种竞争的物种。火的有害作用破坏自然界的生态平衡，特别是破坏了生物群和它们错综复杂的关系。使土地表面受到侵蚀，改变了土壤的结构与化学成分，降低了土壤吸水与保水的能力。燃烧过程中，作为烟中的颗粒物质的挥发，使大量的肥料丧失。防火管理开展生物工程防火，建立火灾阻隔系统开展计划烧除，加强可燃物管理加强防火管理物质环境水大气土壤3.1 地球上水的存在形式及分布3.1.1 3.1.1 水的性质与存在形式水的性质与存在形式 水分子具有极性 水具有高热容量 水具有特殊的密度变化 水具有相变3.1.2 陆地上水的分布降雨量大气湿度 随温度变化、昼夜变化、季节变化及其地区差异、地理位置我国降水量的地域分布 华南、长江流域、秦淮地区、兴安以西行秦岭以北、黄河上游、内蒙西部和新疆南部水的生态作用水是生物生存的重要条件水对动植物生长发育的影响水对动植物数量和分布的影响水对生物生长发育的影响水对植物生长发育的影响水分对植物生长有最低、最适和最高值3基点水对动物生长发育的影响水分不足时，引起动物的滞育和休眠许多动物的周期性繁殖与降水季节密切相关水对物种数量和分布的影响对植被的分布的影响我国从东南到西北可分为3个等雨量区，因而植被类型也分为3个区：湿润森林区、干旱草原区和荒漠区水分与动植物种类与数量的影响降水量最大的赤道热带雨林种的植物达52种/公顷，而降水量较少的大兴安岭红松林中，仅有植物10种/公顷我国植被的分布情况3.2.1 植物与水陆地植物的水平衡 水分来源根系吸收 茎叶吸收 体内代谢 水分去向蒸腾作用体内代谢陆生植物的适应特征形态适应发达的根系、叶面积很小、发达的储水组织生理适应原生质渗透压特别高陆生植物的类型湿生植物、中生植物、旱生植物陆生植物类型湿生植物：不能长时间忍受缺水，抗旱能力差，多生长在水边或潮湿的环境中。如水稻、秋海棠。中生植物：适于生长在水分条件适中的环境中，形态结构及适应性介于湿生植物与旱生植物之间，种类最多、分布最广和数量最大的陆生植物。旱生植物：生长在干旱环境中，能忍受较长时间的干旱，且能维护水分平衡和正常的生长发育。主要分布在干热草原和荒漠地区。其对干旱环境的适应表现在根系发达、叶面积很小、发达的贮水组织以及高渗透压的原生质等。水体环境的特征弱光缺氧粘性高密度大温度变化平缓水生植物的适应特征发达的通气组织机械组织不发达甚至脱化水下叶片很薄，且多分裂成带状、线状水生植物的类型沉水植物 浮水植物 挺水植物红树植物有应付高盐环境的适应特征植物生产力与降雨量相关干旱是造成低生产力的关键因素3.2.2 动物对水的适应水生动物两栖类陆生动物水生动物对水的适应 鱼类的水平衡 水生动物对水密度的适应 鱼对水中低氧的适应保持盐分与水分的平衡是水生动物适应环境的基础主要通过调节体内的渗透压来维持与环境的水分平衡淡水动物和海洋动物的差异淡水动物对水环境的适应淡水动物对环境是高渗性(淡水的渗透浓度为2-3mmol/l，而动物体液或血液渗透浓度高)，导致水不断渗入动物体内，过剩的水不断排出体外，保持水分平衡补充丢失的盐分方法：食物鳃主动吸收盐类 海洋动物对水环境的适应等渗动物这些动物不会由于渗透作用而失水或得水，但随代谢废物的排泄损失一部分水。补充水分方法：从食物中得到；饮用海水并排出海水中的溶质；食物氧化过程中产生代谢水低渗动物由于渗透作用失去一些水，会从食物、代谢中或海水摄入更多的水，其中喝水是主要来源。保持低渗：喝水同时吸入盐，对多余的盐类排除方法：尿液量；鳃通过主动作用把盐类排出体外高渗动物体外的水会渗透到体内，不需要饮水、食物和代谢过程中摄取水，而是借助于排泄器官把体内的过剩水排出陆生动物对水的适应陆生动物水平衡动物与湿度动物与雪被形态结构适应昆虫具有几丁质的体壁，防止水分的过量蒸发；两栖类动物体表分泌粘液以保持湿润；哺乳动物有皮质腺和毛，防止体内水分过多蒸发。陆生动物对水环境的适应行为的适应沙漠动物昼伏夜出：沙漠地区夏季昼夜地表温度相差很大，因此地面和地下的相对湿度和蒸发力相差很大迁徙：在水分和食物不足时，迁移到别处。生理适应储水的胃；储藏丰富的脂肪，在消耗过程中产生大量的水分；血液中具有特殊的脂肪和蛋白质，不易脱水。更格卢鼠的行为和生理特征使它非常适应荒漠环境动物对水环境的适应与植物不同之处动物有活动能力，动物可以通过迁移等多种行为途径来主动避开不良的水分环境3.3 大气组成及其生态作用氧与生物CO2的生态作用 在干燥空气中，大气成份比例基本相似。但在地下洞穴或通气不良的环境中，空气中的O2和CO2含量与大气不相同。由于海拔增高大气压降低，因此氧分压也随海拔增高而降低，这给哺乳动物的生存带来威胁。在大气组成成分中，对生物关系最为密切的是O2与CO2。3.3.1 氧与生物氧与动物能量代谢内温动物对高海拔低氧的适应植物与氧 在低氧浓度下，金鱼的氧耗随水中氧浓度成线性改变 人由海拔850 m进入4540 m高度后，这三项指标逐渐升高，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。3.3.2 CO2的生态作用温室效应C3&C4植物3.4 土壤的理化性质及其对生物的影响3.4.1 3.4.1 土壤的物理性质与生物土壤的物理性质与生物 土壤质地与结构 土壤水分 土壤空气 土壤温度 土壤的生态学意义土壤是陆地生态系统的基础土壤是具有决定性意义的生命支持系统土壤是许多生物的栖息场所土壤是生物进化的过渡环境土壤是植物生长的基质和营养库土壤是污染物转化的重要场地土壤质地与结构土壤质地与结构 土壤质地：粗沙、细沙、粉沙和粘粒组合的百分比。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。土壤水分土壤水分 土壤水分过多或过少，对植物、土壤动物与微生物均不利。土壤水分影响了土壤生物的生存与分布。土壤湿度与植物的分布土壤空气土壤空气土壤空气中的氧和二氧化碳的体积分数与大气中不一样随季节、昼夜和深度而变化土壤通气程度影响土壤微生物的种类、数量和活动情况，进而影响植物的营养状况土壤温度对生物的影响土温直接影响种子萌发和扎根出苗。土温影响根系的生长、呼吸和吸收性能。土温影响了矿物质盐类的溶解速度、土壤气体交换、水分蒸发、土壤微生物活动及有机质的分解，而间接影响植物的生长。3.4.2 土壤化学性质与生物土壤酸度及对生物的影响土壤有机质土壤矿质元素土壤酸碱度与土壤微生物活动、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、土壤保持养分的能力及生物生长等有密切关系土壤酸碱度对土壤动物区系及其分布有重要影响土壤有机质腐殖质和非腐殖质影响土壤微生物和土壤动物的分布土壤矿质元素植物生命活动需要9种大量元素和7种微量元素影响土壤土壤动物的种类和数量 土壤pH对矿物养分的有效性影响。以带宽度表示含氯化钠丰富的土壤和地区常能够吸引大量的食草有蹄动物3.4.3 土壤的生物特性土壤中的微生物土壤动物3.4.4 植物对土壤的适应盐碱土植物沙生植物盐碱土对植物的危害引起植物的生理干旱伤害植物组织引起细胞中毒影响植物的正常营养在高浓度盐类作用下气孔不能关闭沙生植物对环境的适应沙生环境高温、干旱、强风、土壤贫瘠植物的适应地面植株小、根系发达叶边极端缩小或退化贮水细胞或脂类物质细胞具有高渗透压休眠谢谢 谢！谢！