北京大学环境生态学生物和环境省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章 生物与环境环境与生态因子生物与环境关系基本原理生物与主要生态因子相互关系第1页环境与生态因子环境概念生态因子类型自然环境基本特征第2页 环境和环境因子环境是指某一特定生物体或生物群体以外空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存一切事物总和，由许多环境要素组成，这些环境要素称环境因子。第3页生态因子(ecological factors)：环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响环境要素。生态因子是环境中对生物起作用因子，而环境因子则是指生物体外部全部要素。第4页生态因子分类生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类生物因子（biOtic factors）：有机体（同种和异种）非生物因子（abiotic factors）：温度、光、湿度、pH、氧气等有学者将生态因子分为五类气候因子(climatic factors)、土壤因子(edaphic factors)、地形因子(topographic factors)、生物因子、人为因子(anthropogenic factors)Begon等将非生物因子分为条件和资源两类 条件：温度、湿度、pH等资源：营养物质、水、辐射能等第5页生态因子空间分布纬度地带性：从赤道到两极，整个地球表面含有过渡状分带性规律。太阳辐射量差异 太阳辐射热量带 水分差异植被分带土壤分带自然地理带：赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带植被地带性分布垂直地带性：因太阳辐射和水热情况伴随地形高度不一样而不一样，生物和气候自山麓至山顶呈垂直地带分异规律性改变(干燥空气,-1/100m;湿润空气,-0.6/100m)。经度地带性：地球内在原因如大地结构形成地貌和海洋分异引发经度地带性分异。如北美大陆和欧亚大陆。第6页植被空间格局(据M.C.Molles,Jr,1999)第7页生物与生态因子生态因子作用特点生物对非生物因子耐受程度生物对各生态因子耐受性之间相互关系生物对生态因子耐受程度调整生态位第8页生态因子作用特点综合性:如气候作用非等价性（主导因子作用）:塜雉孵卵温度控制；渔业高密度养殖增氧 直接性和间接性：食物，降水限定性（因子作用阶段性）：中华绒螯蟹孵化生态因子不可替换性和互补性：水体内钙和锶第9页生物对非生物因子耐受程度“最小因子定律”(Liebigs law of minimum)植物生长取决于那些处于最低量营养元素，这些处于最低量营养元素称最小因子（Justus von Liebig,1840,德国）。两个补充条件（Odum,1983）：1）严格稳定状态；2）因子赔偿作用(factor compensation)：生物在一定程度和范围内，能够降低温度、光、水等生态因子限制作用。“耐受性定律”(Shelfords law of tolerance)(V.E.Shelford,1913，美国)每种生物对一个生态因子都有一个耐受范围，即一个生态学上最低点和一个生态学上最高点，在最高点和最低点之间范围就称为生态幅(ecological amplitude)或生态价(ecological valence)。限制因子(limiting factors)在众多生态因子中，任何靠近或超出某种生物耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散因子称限制因子限制因子概念意义为分析生物与环境相互作用复杂关系奠定了一个便利基点；有利于把握问题本质，寻找处理问题微弱步骤。第10页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 环境环境梯度梯度高高低低耐受性下限耐受性下限耐受性上限耐受性上限生物种耐受性程度图解（据Smith,1980）第11页生物对各生态因子耐受性之间相互关系对生物产生影响各种生态因子之间存在显著相互影响：如温湿关系；湿度和溶氧关系；温度和盐协同作用生物因子和非生物因子之间也是相互影响：物种之间竞争产生生态位分离第12页生物对生态因子耐受程度调整驯化内稳态适应第13页驯化试验驯化(acclimation)与气候驯化(acclimatization)：驯化(acclimation/acclimatization)：生物在试验自然条件下，诱发生理赔偿改变，前者需要较短时间，后者需要较长时间。有机体对试验环境条件改变产生生理调整反应称试验驯化；有机体对自然环境条件改变产生生理调整反应称气候驯化，试验驯化是对环境条件改变一个生理上而非遗传上可逆反应。驯化应用：植物引种栽培第14页内稳态内稳态(homeostasis):生物系统经过内在调整机制使内环境保持相对稳定。内稳态经过形态、行为和生理适应实现。大多数内稳态机制依赖于负反馈过程。依靠三个基本组成成份：接收器；控制中心；效应器。第15页负反馈过程（维持哺乳动物血液渗透性）接收器接收器（下丘脑）（下丘脑）控制中心控制中心（下丘脑）（下丘脑）效应器效应器（肾脏）（肾脏）血液血液太浓太浓饮水饮水血液渗透性上升血液渗透性上升口渴反应口渴反应血液血液太稀太稀失水反应失水反应血液渗透性下降血液渗透性下降失水失水(仿仿A.Mackenzie et.Al.,1999)A.Mackenzie et.Al.,1999)第16页适应适应(adapatation)：生物对环境压力调整过程。分基因型适应和表型适应两类，后者又包含可逆适应和不可逆适应。如桦尺蠖在污染地域色型改变。适应方式（形态、生理、行为适应）：形态适应：保护、保护色、警戒色与拟态行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防御和抗敌生理适应：生物钟、休眠、生理生化改变营养适应：食性泛化与特化适应组合(adaptive suites):生物对非生物环境条件表现出一整套协同适应特征，称适应组合。如骆驼和仙人掌对酷热干旱环境适应。趋同适应和趋异适应胁迫适应第17页动物保护色、警戒色与拟态A 树皮纺织娘树皮纺织娘(Bark katydid)B 枭蝶枭蝶(Owl butterfly)C 枯叶蝶枯叶蝶 (Leaflike insect(Anaea)D 捕食花螳螂捕食花螳螂 (Predatory flower mantis)E 蛙鱼蛙鱼(Frog fish)ABDEC第18页趋同适应和趋异适应生活型生态型第19页生态位生态位(niche)与栖息地(habitat)生态位有机体在环境中占据地位；栖息地有机体所处物理环境。超体积生态位(hypovolume)生态位每一个环境变量称一维，生态位空间环境变量能够是多个，超出3个维度生态位空间称超体积生态位。基础生态位(fundamental niche)和实际生态位(realized niche)物种理论上占据生态位空间称基础生态位；实际占有生态位空间称实际生态位。第20页生物与主要生态因子相互关系生物与光关系生物与温度关系生物与水关系生物与土壤关系第21页生物与光关系太阳辐射及其改变规律光质改变对生物影响光强度改变对生物影响光周期现象第22页太阳辐射能(仿A.Mackenzie et.al,1999)光性质：波长1504000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380760nm之间光为可见光。绿色植物光合作用有效范围是380700nm之间。紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线 400630 1000 25004000 波长波长(nm)能能量量强强度度第23页光质改变对生物影响海洋植物 光合作用色素对光谱改变含有显著适应性:海水表层植物色素吸收蓝、红光；深水植物光合色素有效地利用绿光。高山植物 对紫外光作用适应，发展了特殊莲座状叶丛。动物 不一样动物发展不一样色觉。第24页光强度改变对生物影响植物光合作用率在光赔偿点 附近与光强度成正比，但达光饱和点后,不随光强增加。水生生物 水生植物在水中分布与光照强度相关。陆生生物 对不一样光照强度适应产生阳性植物和阴性植物和耐阴性植物。阳性植物(cheliophytes)、阴性植物(sciophytes)和耐阴性植物(shade plant)：阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能进行正常生长；阴性植物对光需要远较阳性植物低，光赔偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温和干旱能力较低；耐阴性植物对光照含有较广泛适应能力，对光需要介于前两类植物之间。动物 光照强度影响动物行为，昼行性动物在白天强光下活动，夜行性动物在夜晚或弱光下活动。第25页光光合合作作用用率率光光合合作作用用率率光强度光强度光强度光强度净生产力净生产力光合作用光合作用呼吸作用呼吸作用ABABACP光赔偿点光赔偿点CPCPabspsp光饱和点光饱和点B光赔偿点光赔偿点(compensation point)光饱和点光饱和点(saturate point)：光合作用：光合作用强度和呼吸作用强度相当处光强度为强度和呼吸作用强度相当处光强度为光赔偿点；光赔偿点；当光照强度到达一定当光照强度到达一定水平后，光合产物不再增加或增加得极少，该处光强度即为水平后，光合产物不再增加或增加得极少，该处光强度即为光饱和点。光饱和点。植物光赔偿点示意图植物光赔偿点示意图植物光赔偿点示意图植物光赔偿点示意图(Emberlin,1983)(Emberlin,1983)第26页生物光周期现象光周期现象(photoperiodism)：Garner等人(1920)发觉明相暗相交替与长短对植物开花坚固有很大影响。这种植物对自然界昼夜长短规律性改变反应，称光周期现象。植物光周期现象 对繁殖(开花)影响：区分为长日照植物和短日照植物。长日照植物(long-day plants)和短日照植物(short-day plants)：日照超出一定数值才开花植物称长日照植物；短日照短于一定数值才开花植物称短日照植物，普通需要较长黑暗才能开花。前者如小麦、油菜，后者如苍耳、水稻。动物光周期现象 对鸟类等迁徙影响；对繁殖影响：区分为长日照动物和短日照动物。长日照动物(long-day animals)和短日照动物(short-day animals)：在温带和高纬度地域许多鸟兽在春夏之际白昼逐步延长季节繁殖后代，称长日照动物；与些相反，一些动物只有在白昼逐步缩短秋冬之际才开始性腺发育和进行繁殖，称短日照动物。前者如雪貂、野兔、刺猬；后者如绵羊、山羊和鹿等。第27页生物与温度关系温度对生物作用(温度生态学意义)极端温度对生物影响生物对极端温度适应第28页温度对生物作用温度与生物生长：温度是最主要生态因子之一，参加生命活动各种酶都有其最低、最适和最高温度，即三基点温度；不一样生物三基点不一样；在一定温度范围内，生物生长速率与温度成正比；外温季节性改变引发植物和变温动物生长加速和减弱交替，形成年轮；外温影响动物生长规模。温度与生物发育：温度与生物发育最普遍规律是有效积温。温度与生物繁殖和遗传性：植物春化，动物繁殖早迟。温度与生物分布：许多物种分布范围与温度区相关。第29页有效积温法则及其意义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热量才能完成某一发育阶段发育过程，而且各个发育阶段所需总热量是一个常数，称总积温或有效积温，所以可用公式：NTK 表示，考虑到生物开始发育温度，又可写成：N(TC)K,TCKN，其中，N为发育历期，即生长发育所需时间，T为发育期间平均温度，C是发育起点温度，又称生物学零度，K是总积温（常数）。有效积温法则意义 预测生物发生世代数；预测生物地理分布北界；预测害虫明年发生程历；制订农业气候区划，合理安排作物；应用积温预报农时。第30页极端温度对生物影响低温对生物影响：当温度低于临界(下限)温度 ，生物便会因低温而寒害和冻害。冻害原因：冰结晶使原生质破裂损坏胞内和胞间微细结构；溶剂水结冰，电解质浓度改变，引发细胞渗透压改变，造成蛋白质变性；脱水使蛋白质沉淀；代谢失调。高温对生物影响：当温度超出临界（上限）温度，对生物产生有害作用，如蛋白质变性、酶失活、破坏水份平衡、氧供给不足、神经系统麻痹等。第31页生物对极端温度适应生物对低温适应：保暖、抗冻形态、生理、行为适应 生物对高温适应：抗辐射、保水、散热形态、生理、行为适应 第32页生物对低温适应形态上适应植物：芽具鳞片、体具蜡粉、植株矮小；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(Allens rule):严寒地域内温动物较温暖地域内温动物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有显著趋于缩小现象，称阿伦规律，是降低散热适应。贝格曼规律(Bergmans rule):生活在严寒气候中内温动物身体比生活在温暖气候中同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是降低散热适应。约旦规律(Jordans rule):鱼类脊椎骨数目在低温水域比在温暖水域多。生理上适应植物：降低细胞中水分和增加细胞中有机质浓度以降低冰点，增加红外线和可见光吸收带（高山和极地植物）；动物：超冷和耐受冻结，当环境温度偏离热中性区增加体内产热，维持体温恒定，局部异温等。行为上适应 迁移和冬眠休眠等。第33页生物对高温适应形态上适应植物：密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或暂时折叠，降低辐射伤害；干和茎具厚木栓层，绝热。动物：体形变小，外露部分增大；腿长将体抬离地面；背部具厚脂肪隔热层。生理上适应植物：降低细胞含水量，增加糖或盐浓度，减缓代谢率；蒸腾作用旺盛，降低体温；反射红外光。动物：放宽恒温范围；贮存热量，降低内外温差。行为上适应植物：关闭气孔。动物：休眠，穴居，昼伏夜出等。第34页生物与水关系水生物学意义生物体水分取得与损失路径生物对水因子适应第35页水是生物体不可缺乏组成成份；水是生物体全部代谢活动介质；水为生物创造稳定温度环境；生物起源于水环境。第36页生物体水分取得与损失路径水分丧失路径植物蒸发（蒸腾作用、扩散作用）失水，分泌失水。动物蒸发失水，排泄、分泌失水。水分取得路径植物根部吸收，叶面吸收。动物食物，体表吸收，代谢水。第37页生物对水因子适应水生植物对水环境适应陆生植物水平衡调整机制水生动物水平衡调整机制陆生动物水平衡调整机制第38页水生植物对水因子适应适应方式有发达通气组织;机械组织不发达或退化;叶片薄而长,以增加光合和吸收营养物质面积。生态类型沉水植物浮水植物挺水植物第39页陆生植物对水因子适应陆生植物水平衡调整机制形态适应：发达根系；叶面小；单子叶植物中一些具扇状运动细胞，可使叶面卷曲；具发达贮水组织；生理适应：水分运输动力原生质渗透浓度高。陆生植物生态类型湿生植物中生植物旱生植物第40页海洋动物鲨鱼和无脊椎动物：等渗硬骨鱼：低渗淡水动物硬骨鱼：高渗河口动物洄游鱼类：变渗透压第41页陆生动物水平衡调整机制失水主要路径：皮肤蒸发、呼吸失水、排泄失水补充水主要路径：食物、代谢水、饮水保水机制减小皮肤透水性降低身体表面蒸发降低呼吸失水降低排泄失水利用代谢水生态类型喜湿耐旱第42页生物与土壤关系土壤生态学意义土壤理化性质及其对生物影响第43页土壤生态学意义为陆生植物提供基底，为土壤生物提供栖息场所；提供生物生活所必须遥矿质元素为水分；提供植物生长所需水热肥气；维持丰富土壤生物区系；生态系统许多很主要生态过程都是在土壤中进行。第44页土壤理化性质及其对生物影响土壤物理性质及其对生物影响土壤是由固体、液体和气体组成三相系统，固体占85以上，依据土粒直径大小，可将土粒分为：粗砂、细砂、粉砂和粘粒，其组合百分比称土壤质地，依据土壤质地,可将土壤分为：砂土、壤土和粘土。土壤质地和土壤温度影响植物生长和土壤动物水平及垂直分布。土壤化学性质及其对生物影响土壤酸碱度：过碱性和酸性不利于植物生长，酸性还不利于细菌生长。土壤有机质：植物主要碳源和氮源。土壤无机元素：植物生长13种主要元素起源（7种大量元素：、氮、磷、钾、硫、钙、镁、铁；6种微量元素：锰、锌、铜、钼、硼、氯）第45页复习思索题1.简述耐受性定律及其补充原理。简述耐受性定律及其补充原理。2.从从形形态态、生生理理和和行行为为三三个个方方面面阐阐述述生生物物对对极极端端温温度度适适应。应。3.试述全球环境地带性规律及其形成原因。试述全球环境地带性规律及其形成原因。4.简述环境因子分类类型及其生态作用特点简述环境因子分类类型及其生态作用特点第46页