生態(tài)學(xué)-生物與光

1、第第1 1部分部分 有機(jī)體與環(huán)境有機(jī)體與環(huán)境( (個體生態(tài)學(xué)個體生態(tài)學(xué)) )Organism and Environment(Individual Ecology, Autecology) 第一部分內(nèi)容提要第一部分內(nèi)容提要n第第1章章 生物與環(huán)境生物與環(huán)境n第第2章章 生物與生物與光光n第第3章章 生物與生物與溫度溫度n第第4章章 生物與生物與水水n第第5章章 生物與生物與土壤土壤n第第6章章 生物與生物與營養(yǎng)物營養(yǎng)物具體的生態(tài)因子具體的生態(tài)因子第第1 1章章 生物與環(huán)境生物與環(huán)境n1.1 環(huán)境與生態(tài)因子環(huán)境與生態(tài)因子n1.1.1 什么是環(huán)境什么是環(huán)境 n環(huán)境的概念、類型和分類環(huán)境的概念、類型

2、和分類n1.1.2 什么是生態(tài)因子什么是生態(tài)因子n概念、分類、生態(tài)因子作用的規(guī)律概念、分類、生態(tài)因子作用的規(guī)律n1.2 生物與環(huán)境的相互作用生物與環(huán)境的相互作用n1.2.1 環(huán)境對生物的作用環(huán)境對生物的作用n1.2.2 生物對環(huán)境的反作用生物對環(huán)境的反作用n1.3 生態(tài)因子的限制性作用生態(tài)因子的限制性作用n1.3.1 限制因子限制因子n1.3.2 李比希李比希(Liebig)最小因子定律最小因子定律n1.3.3 耐受限度與生態(tài)幅耐受限度與生態(tài)幅 謝爾福德耐受性定律謝爾福德耐受性定律(Shelfords law of tolerance) 生態(tài)幅生態(tài)幅(ecological amplitude)

3、或生態(tài)價或生態(tài)價(ecological valence) 生物對耐受限度的調(diào)整生物對耐受限度的調(diào)整 生物內(nèi)穩(wěn)態(tài)及其保持機(jī)制生物內(nèi)穩(wěn)態(tài)及其保持機(jī)制第第2 2章章 生物與光生物與光n2.1 太陽輻射及其變化規(guī)律太陽輻射及其變化規(guī)律n2.2 光質(zhì)變化對生物的影響光質(zhì)變化對生物的影響n2.3 光強(qiáng)度變化對生物的影響光強(qiáng)度變化對生物的影響n2.4 生物的光周期現(xiàn)象生物的光周期現(xiàn)象n 生態(tài)熱點(diǎn)：臭氧問題生態(tài)熱點(diǎn)：臭氧問題nl地球自轉(zhuǎn)時地球自轉(zhuǎn)時, ,赤道附近照射的時間長赤道附近照射的時間長( (日日周期周期) )nl地球公轉(zhuǎn)時地球公轉(zhuǎn)時, ,夏天北半球照射的時間長夏天北半球照射的時間長; ;冬天南半球照射

4、的時間長冬天南半球照射的時間長( (季節(jié)周期季節(jié)周期) )nl低緯度地區(qū)有較為恒定的熱量低緯度地區(qū)有較為恒定的熱量, ,高緯度高緯度比低緯度地區(qū)接受的能量更少比低緯度地區(qū)接受的能量更少n太陽輻射光譜主要由太陽輻射光譜主要由短波短波(紫外線、波長小于紫外線、波長小于380nm)、波長波長380-760nm)和和紅外紅外線線(波長大于波長大于760nm)組成組成,是波長是波長150-4000nm的電磁波的電磁波。其中。其中,可見光可見光包括包括 、橙、黃、綠、青、橙、黃、綠、青、紫、紫7色色,之外的為之外的為不可不可見光見光(紅外光、紫外光紅外光、紫外光)。n太陽輻射中太陽輻射中,紅外光占紅外光占

5、50-60%,紫外光占紫外光占1%,其余為可見光。其余為可見光。n波長越長波長越長,能量越大能量越大;紫外光具殺傷和至癌作用紫外光具殺傷和至癌作用(臭氧層吸收臭氧層吸收290nm以下的部分以下的部分,290-380nm部分才能到達(dá)地球表面部分才能到達(dá)地球表面)。n植物葉綠素主要吸收可見光中的植物葉綠素主要吸收可見光中的(760-620nm)和和(490-435nm),因此因此,可見光具有最大的生態(tài)學(xué)意義?？梢姽饩哂凶畲蟮纳鷳B(tài)學(xué)意義。 2.2.1 2.2.1 光質(zhì)變化光質(zhì)變化 空間變化空間變化：短波光隨緯度增加而減少：短波光隨緯度增加而減少,隨海拔隨海拔升高而增加。升高而增加。 時間變化：時間變

6、化：冬季長波光增多冬季長波光增多,夏季短波光增多夏季短波光增多;一天之內(nèi)中午短波光較多一天之內(nèi)中午短波光較多,早晚長波光較多。早晚長波光較多。 2.2.2 2.2.2 光質(zhì)變化對生物的影響光質(zhì)變化對生物的影響nLL對對海洋植物的影響海洋植物的影響光合作用色素對光譜變光合作用色素對光譜變化具有明顯的適應(yīng)性化具有明顯的適應(yīng)性:n淺海淺海( (幾米處幾米處) )：紅外光被完全吸收。淺海植物：紅外光被完全吸收。淺海植物光合色素吸收光合色素吸收藍(lán)、紅光藍(lán)、紅光, ,與陸生植物很相似與陸生植物很相似; ;n深海：紫和籃光等短波光被反射深海：紫和籃光等短波光被反射, ,只有綠光占只有綠光占優(yōu)勢優(yōu)勢。深海植物

7、光合色素有效地利用。深海植物光合色素有效地利用綠光綠光。nLL對對高山植物的影響高山植物的影響對紫外光作用的適應(yīng)對紫外光作用的適應(yīng), ,發(fā)展了特殊的發(fā)展了特殊的蓮座狀葉叢蓮座狀葉叢; ;不利于植物散布不利于植物散布。nLL對對動物的影響動物的影響 不同動物發(fā)展不同的不同動物發(fā)展不同的色覺色覺。2.3.1 光照強(qiáng)度的變化光照強(qiáng)度的變化n緯度變化：緯度變化：光照在赤道地區(qū)最大光照在赤道地區(qū)最大,隨緯度的增隨緯度的增加而逐漸減弱。加而逐漸減弱。n海拔變化：海拔變化：隨海拔高度的增加而增強(qiáng)。隨海拔高度的增加而增強(qiáng)。n坡向、坡度變化坡向、坡度變化：南坡光照比北坡強(qiáng)：南坡光照比北坡強(qiáng),坡度小坡度小的比坡度

8、大的強(qiáng)。的比坡度大的強(qiáng)。n四季、一天變化：四季、一天變化：夏季及中午最大夏季及中午最大,冬季及早冬季及早晚最小。晚最小。n生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)變化：生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)變化：自上而下減弱自上而下減弱;自清澈靜止自清澈靜止至流動混濁而少。至流動混濁而少。(水生植物光合作用的限制水生植物光合作用的限制)n2.3.2 光強(qiáng)度與水生植物光強(qiáng)度與水生植物：植物光合作用量與其呼吸作用消耗相植物光合作用量與其呼吸作用消耗相平衡的光照強(qiáng)度。平衡的光照強(qiáng)度。n水生植物在水中的分布與光照強(qiáng)度密切有關(guān)。水生植物在水中的分布與光照強(qiáng)度密切有關(guān)。n水的深度影響光照強(qiáng)度水的深度影響光照強(qiáng)度,從而影響水生植物的分從而影響水生植物的分布。布。n

9、2.3.3 光強(qiáng)度與陸生植物光強(qiáng)度與陸生植物v植物光合作用率在光補(bǔ)償點(diǎn)附近與光強(qiáng)度成正植物光合作用率在光補(bǔ)償點(diǎn)附近與光強(qiáng)度成正比比,但達(dá)但達(dá)光飽和點(diǎn)光飽和點(diǎn)后后, 不隨光強(qiáng)增加。不隨光強(qiáng)增加。v光飽和點(diǎn)光飽和點(diǎn)：植物光合產(chǎn)物不再增加或增加很少：植物光合產(chǎn)物不再增加或增加很少處的光照強(qiáng)度。處的光照強(qiáng)度。v陸生植物依據(jù)對光強(qiáng)的依賴程度分為：陽性植陸生植物依據(jù)對光強(qiáng)的依賴程度分為：陽性植物、陰性植物和耐陰性植物。物、陰性植物和耐陰性植物。v陽性植物陽性植物(cheliophytes)：對光要求比較迫切：對光要求比較迫切,只只有在足夠光照條件下才能進(jìn)行正常生長。有在足夠光照條件下才能進(jìn)行正常生長。v陰

10、性植物陰性植物(sciophytes)：對光的需要遠(yuǎn)較陽性植：對光的需要遠(yuǎn)較陽性植物低物低,光補(bǔ)償點(diǎn)低光補(bǔ)償點(diǎn)低,呼吸作用、蒸騰作用都較弱呼吸作用、蒸騰作用都較弱,抗高溫和干旱能力較低?？垢邷睾透珊的芰^低。n耐陰性植物耐陰性植物(shade plant)：對光照具有較廣泛的對光照具有較廣泛的適應(yīng)能力適應(yīng)能力,對光的需要介于前兩類植物之間。對光的需要介于前兩類植物之間。n黃花現(xiàn)象黃花現(xiàn)象(eitiolation phenomenon)：一般植物在：一般植物在黑暗中不能合成葉綠素黑暗中不能合成葉綠素,但能形成胡蘿卜素但能形成胡蘿卜素,導(dǎo)致導(dǎo)致葉子發(fā)黃的現(xiàn)象。葉子發(fā)黃的現(xiàn)象。2.3.4 光強(qiáng)度與動

11、物的行為光強(qiáng)度與動物的行為n光照強(qiáng)度直接影響動物的行為光照強(qiáng)度直接影響動物的行為(取食、交配、洄取食、交配、洄游等游等)。n晝行性動物晝行性動物(廣光性性動物廣光性性動物)在白天強(qiáng)光下活動在白天強(qiáng)光下活動,夜行性動物夜行性動物(狹光性動物狹光性動物)在夜晚或弱光下活動。在夜晚或弱光下活動。nGarner等人等人(1920)發(fā)現(xiàn)明相暗相的交替與長短發(fā)現(xiàn)明相暗相的交替與長短對植物的開花結(jié)實(shí)有很大的影響。對植物的開花結(jié)實(shí)有很大的影響。n植物對自然界晝夜長短規(guī)律性變化的反應(yīng)植物對自然界晝夜長短規(guī)律性變化的反應(yīng), ,稱稱光周期現(xiàn)象光周期現(xiàn)象(photoperiodism)。n光周期不僅植物中普遍存光周期

12、不僅植物中普遍存, ,在動物中也普遍存在動物中也普遍存在。在。2.4.1 植物的光周期現(xiàn)象植物的光周期現(xiàn)象n根據(jù)植物對日照長短的反應(yīng)根據(jù)植物對日照長短的反應(yīng), ,區(qū)分為區(qū)分為4 4種類型：種類型：n長日照植物長日照植物(long day plant)：日照時間超過一定：日照時間超過一定數(shù)值或黑夜小于某一數(shù)字才能開花數(shù)值或黑夜小于某一數(shù)字才能開花, ,否則只進(jìn)行營否則只進(jìn)行營養(yǎng)生長養(yǎng)生長, ,不能開花的植物。如不能開花的植物。如蘿卜、菠菜、牛蒡、蘿卜、菠菜、牛蒡、鳳仙花、冬小麥、油菜鳳仙花、冬小麥、油菜等等, ,在在全年日照較長時間全年日照較長時間里里開花。人為開花。人為光照時間可促進(jìn)提前開花。

13、光照時間可促進(jìn)提前開花。n短日照植物短日照植物(short day plant) ：日照時間短于一：日照時間短于一定數(shù)值或黑夜長于某一數(shù)字才能開花定數(shù)值或黑夜長于某一數(shù)字才能開花, ,否則只行營否則只行營養(yǎng)生長而不開花的植物。通常是養(yǎng)生長而不開花的植物。通常是早春或深秋早春或深秋植物植物, ,如如蒼耳、牽牛、菊類、水稻、玉米、高梁、棉花、蒼耳、牽牛、菊類、水稻、玉米、高梁、棉花、大豆大豆等。人為等。人為光照時間可促進(jìn)開花。多起源光照時間可促進(jìn)開花。多起源和分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)。和分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)。n中日照植物中日照植物(day intermediata plant):晝夜晝夜長度接近相

14、等時才開花的植物長度接近相等時才開花的植物,如如甘蔗甘蔗只在只在12.5h的光照下才開花。僅少數(shù)熱帶植物。的光照下才開花。僅少數(shù)熱帶植物。n中間中間(日中日中)性植物性植物(day neutral plant)：只：只要其它條件合適要其它條件合適,在什么日照條件下都能開花。在什么日照條件下都能開花。如如黃瓜、四季豆、蒲公英、番茄黃瓜、四季豆、蒲公英、番茄及及番薯番薯等。等。n植物光周期現(xiàn)象對引種馴化和園藝工作中花期植物光周期現(xiàn)象對引種馴化和園藝工作中花期調(diào)控的重要性。調(diào)控的重要性。2.4.2 動物的光周期現(xiàn)象動物的光周期現(xiàn)象n根據(jù)光照對動物遷徙、繁殖等行為的影響根據(jù)光照對動物遷徙、繁殖等行為的

15、影響,區(qū)區(qū)分為長日照動物和短日照動物分為長日照動物和短日照動物 。n長日照動物長日照動物(long-day animals)：在溫帶和高緯：在溫帶和高緯度地區(qū)許多鳥獸在春夏之際度地區(qū)許多鳥獸在春夏之際白晝逐漸延長白晝逐漸延長的季的季節(jié)繁殖后代節(jié)繁殖后代,稱長日照動物。如雪貂、野兔、稱長日照動物。如雪貂、野兔、刺猬。刺猬。n短日照動物短日照動物(short-day animals)：一些動物只：一些動物只有在有在白晝逐步縮短白晝逐步縮短的秋冬之際才開始性腺發(fā)育的秋冬之際才開始性腺發(fā)育和進(jìn)行繁殖和進(jìn)行繁殖,稱短日照動物。如綿羊、山羊和稱短日照動物。如綿羊、山羊和鹿鹿等。等。n魚類魚類的生殖和遷移與

16、光密切相關(guān)的生殖和遷移與光密切相關(guān)n昆蟲昆蟲的冬眠和滯育主要與光周期的變化有關(guān)的冬眠和滯育主要與光周期的變化有關(guān)(還與溫度、濕度和食物有關(guān)還與溫度、濕度和食物有關(guān))動物光周期現(xiàn)象的應(yīng)用：動物光周期現(xiàn)象的應(yīng)用：n延長光照可以：延長光照可以：增加雞蛋產(chǎn)量增加雞蛋產(chǎn)量;提高魚鮭提高魚鮭(salmon-大馬哈魚大馬哈魚)的生殖能力。的生殖能力。植物與光植物與光不同波長的光對植物的不同作用不同波長的光對植物的不同作用生理有效光與生理無效光生理有效光與生理無效光光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)、光飽和點(diǎn)陽性植物、陰性植物與中性植物陽性植物、陰性植物與中性植物黃化現(xiàn)象黃化現(xiàn)象光質(zhì)光質(zhì)光強(qiáng)光強(qiáng)n總之總之,光質(zhì)和光強(qiáng)

17、對生物光質(zhì)和光強(qiáng)對生物,尤其是植物的生尤其是植物的生長、發(fā)育、行為和形態(tài)建成等起重要作用長、發(fā)育、行為和形態(tài)建成等起重要作用;同時生物經(jīng)過長期的進(jìn)化同時生物經(jīng)過長期的進(jìn)化,形成了多種適應(yīng)形成了多種適應(yīng)策略。策略。植物光周期現(xiàn)象生態(tài)熱點(diǎn)：生態(tài)熱點(diǎn)：臭氧問題臭氧問題n什么是臭氧？什么是臭氧？n為什么臭氧會成為人們關(guān)注的問題？為什么臭氧會成為人們關(guān)注的問題？n為解決這個問題已經(jīng)采取了哪些措施為解決這個問題已經(jīng)采取了哪些措施,成成效如何？效如何？臭氧層臭氧層地球的地球的“保護(hù)傘保護(hù)傘”距地球表面距地球表面 25-50km處有一臭氧層。臭氧是地球大氣層中的處有一臭氧層。臭氧是地球大氣層中的一種微量氣體一

18、種微量氣體,它是由三個氧原子它是由三個氧原子(O3)結(jié)合在一起的藍(lán)色、有結(jié)合在一起的藍(lán)色、有刺激性的氣體。它卻能吸收太陽輻射出的刺激性的氣體。它卻能吸收太陽輻射出的 99% 的紫外線。的紫外線。就像地球的一道天然保護(hù)屏障就像地球的一道天然保護(hù)屏障,使地球上的萬物免遭紫外線的使地球上的萬物免遭紫外線的傷害。因此傷害。因此,臭氧層也被譽(yù)為是地球的臭氧層也被譽(yù)為是地球的“保護(hù)傘保護(hù)傘”。臭氧層正在減少臭氧層正在減少近年來近年來,北極上空臭氧層也減少了北極上空臭氧層也減少了 20%。在被稱為是世界上。在被稱為是世界上“第三極第三極”的青藏高原的青藏高原,中國大氣物理及氣象學(xué)者的觀測也發(fā)中國大氣物理及氣

19、象學(xué)者的觀測也發(fā)現(xiàn)現(xiàn),青藏高原上空的臭氧正在以每青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年年 2.7% 的速度減少。的速度減少。根據(jù)全球總臭氧觀測的結(jié)果表明根據(jù)全球總臭氧觀測的結(jié)果表明,除赤道外除赤道外,1978-1991 年總臭年總臭氧每氧每 10 年間就減少年間就減少 1%-5%。英國科學(xué)家法英國科學(xué)家法爾曼等人在南爾曼等人在南極哈雷灣觀測極哈雷灣觀測站發(fā)現(xiàn)：在過站發(fā)現(xiàn)：在過去去 10-15 年間、年間、每到春天南極每到春天南極上空的臭氧濃上空的臭氧濃度就會減少約度就會減少約 30%, ,有近有近 95% 的臭氧被的臭氧被破壞。破壞。 南極上空的臭氧空洞南極上空的臭氧空洞臭氧層減少的原因臭氧層減少的原因自自 30 年代以來年代以來,氟氯碳氟氯碳( CFC )被廣泛用作冰箱、冷被廣泛用作冰箱、冷凍機(jī)?？照{(diào)等設(shè)備的凍機(jī)?？照{(diào)等設(shè)備的制冷劑制冷劑,聚氨醋泡沫聚氨醋泡沫和和聚乙烯聚乙烯/聚苯乙烯泡沫聚苯乙烯泡沫中的中的發(fā)泡劑發(fā)泡劑,氣霧劑制品中的氣霧劑制品中的推進(jìn)劑推進(jìn)劑,電子線路板、精密金屬零部件等的電子線路板、精密金屬零部件等的清洗劑清洗劑及煙絲的及煙絲的膨脹劑膨脹劑等。等。哈龍哈龍則主要用作滅火器中的則主要用