生物與環(huán)境課件

1、第二章 生物與環(huán)境環(huán)境與生態(tài)因子生物與環(huán)境關(guān)系的基本原理生物與主要生態(tài)因子的相互關(guān)系第1頁，共44頁。7/29/2022環(huán)境與生態(tài)因子環(huán)境概念生態(tài)因子的類型自然環(huán)境的基本特征第2頁，共44頁。7/29/2022 環(huán)境和環(huán)境因子環(huán)境是指某一特定生物體或生物群體以外的空間,以及直接、間接影響該生物體或生物群體生存的一切事物的總和，由許多環(huán)境要素構(gòu)成，這些環(huán)境要素稱環(huán)境因子。第3頁，共44頁。7/29/2022生態(tài)因子(ecological factors) ：環(huán)境中對生物的生長、發(fā)育、生殖、行為和分布有著直接或間接影響的環(huán)境要素。生態(tài)因子是環(huán)境中對生物起作用的因子，而環(huán)境因子則是指生物體外部的全部

2、要素。第4頁，共44頁。7/29/2022生態(tài)因子的分類生態(tài)因子通常分為非生物因子和生物因子兩大類生物因子（ biOtic factors） ：有機體（同種和異種）非生物因子（ abiotic factors） ：溫度、光、濕度、pH、氧氣等有的學(xué)者將生態(tài)因子分為五類氣候因子(climatic factors)、土壤因子(edaphic factors) 、地形因子(topographic factors) 、生物因子、人為因子(anthropogenic factors) Begon等將非生物因子分為條件和資源兩類 條件：溫度、濕度、 pH等資源：營養(yǎng)物質(zhì)、水、輻射能等第5頁，共44頁。7/

3、29/2022生態(tài)因子的空間分布緯度地帶性：從赤道到兩極，整個地球表面具有過渡狀的分帶性規(guī)律。太陽輻射量差異 太陽輻射熱量帶 水分差異植被分帶土壤分帶自然地理帶：赤道、熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、寒帶植被地帶性分布垂直地帶性：因太陽輻射和水熱狀況隨著地形高度的不同而不同，生物和氣候自山麓至山頂呈垂直地帶分異的規(guī)律性變化(干燥空氣,-1 /100m;濕潤空氣,-0.6 /100m)。經(jīng)度地帶性：地球內(nèi)在因素如大地構(gòu)造形成地貌和海洋分異引起經(jīng)度地帶性分異。如北美大陸和歐亞大陸。第6頁，共44頁。7/29/2022植被的空間格局(據(jù)M.C.Molles,Jr,1999)第7頁，共44

4、頁。7/29/2022生物與生態(tài)因子生態(tài)因子作用的特點生物對非生物因子的耐受限度生物對各生態(tài)因子耐受性之間的相互關(guān)系生物對生態(tài)因子耐受限度的調(diào)整生態(tài)位第8頁，共44頁。7/29/2022生態(tài)因子作用的特點綜合性: 如氣候的作用非等價性（主導(dǎo)因子作用）:塜雉孵卵的溫度控制；漁業(yè)高密度養(yǎng)殖增氧 直接性和間接性：食物，降水限定性（因子作用的階段性）：中華絨螯蟹的孵化生態(tài)因子的不可替代性和互補性：水體內(nèi)的鈣和鍶第9頁，共44頁。7/29/2022生物對非生物因子的耐受限度“最小因子定律”(Liebigs law of minimum) 植物的生長取決于那些處于最低量的營養(yǎng)元素，這些處于最低量的營養(yǎng)元素

5、稱最小因子（Justus von Liebig,1840,德國） 。兩個補充條件（Odum,1983）：1）嚴(yán)格的穩(wěn)定狀態(tài)；2）因子補償作用(factor compensation) ：生物在一定程度和范圍內(nèi)，能夠減少溫度、光、水等生態(tài)因子的限制作用?！澳褪苄远伞?Shelfords law of tolerance)(V.E.Shelford,1913，美國)每種生物對一種生態(tài)因子都有一個耐受范圍，即一個生態(tài)學(xué)上的最低點和一個生態(tài)學(xué)上的最高點，在最高點和最低點之間的范圍就稱為生態(tài)幅 (ecological amplitude) 或生態(tài)價(ecological valence)。限制因子(l

6、imiting factors)在眾多生態(tài)因子中，任何接近或超過某種生物的耐受性極限而阻止其生存、生長、繁殖或擴散的因子稱限制因子限制因子概念的意義為分析生物與環(huán)境相互作用的復(fù)雜關(guān)系奠定了一個便利的基點；有助于把握問題的本質(zhì)，尋找解決問題的薄弱環(huán)節(jié)。第10頁，共44頁。7/29/2022種群數(shù)量數(shù)量很低種群消失種群消失數(shù)量很低數(shù)量最高不能耐受區(qū)生理受抑制生理受抑制不能耐受區(qū)最適區(qū) 環(huán)境梯度高低耐受性下限耐受性上限生物種的耐受性限度圖解（據(jù)Smith,1980）第11頁，共44頁。7/29/2022生物對各生態(tài)因子耐受性之間的相互關(guān)系對生物產(chǎn)生影響的各種生態(tài)因子之間存在明顯的相互影響：如溫濕的關(guān)

7、系；濕度和溶氧的關(guān)系；溫度和鹽的協(xié)同作用生物因子和非生物因子之間也是相互影響的：物種之間的競爭產(chǎn)生的生態(tài)位分離第12頁，共44頁。7/29/2022生物對生態(tài)因子耐受限度的調(diào)整馴化內(nèi)穩(wěn)態(tài)適應(yīng)第13頁，共44頁。7/29/2022馴化實驗馴化(acclimation)與氣候馴化(acclimatization) ：馴化(acclimation/acclimatization) ：生物在實驗自然條件下，誘發(fā)的生理補償變化，前者需要較短的時間，后者需要較長的時間。有機體對實驗環(huán)境條件變化產(chǎn)生的生理調(diào)節(jié)反應(yīng)稱實驗馴化；有機體對自然環(huán)境條件變化產(chǎn)生的生理調(diào)節(jié)反應(yīng)稱氣候馴化，實驗馴化是對環(huán)境條件改變的一種

8、生理上而非遺傳上的可逆反應(yīng)。馴化的應(yīng)用：植物的引種栽培第14頁，共44頁。7/29/2022內(nèi)穩(wěn)態(tài)內(nèi)穩(wěn)態(tài)(homeostasis): 生物系統(tǒng)通過內(nèi)在的調(diào)節(jié)機制使內(nèi)環(huán)境保持相對穩(wěn)定。內(nèi)穩(wěn)態(tài)通過形態(tài)、行為和生理適應(yīng)實現(xiàn)。大多數(shù)內(nèi)穩(wěn)態(tài)機制依賴于負(fù)反饋過程。依靠三個基本組成成份：接受器；控制中心；效應(yīng)器。第15頁，共44頁。7/29/2022負(fù)反饋過程（維持哺乳動物血液滲透性）接受器（下丘腦）控制中心（下丘腦）效應(yīng)器（腎臟）血液太濃飲水血液滲透性上升口渴反應(yīng)血液太稀失水反應(yīng)血液滲透性下降失水(仿A. Mackenzie et. Al.,1999)第16頁，共44頁。7/29/2022適應(yīng)適應(yīng)(ada

9、patation) ：生物對環(huán)境壓力的調(diào)整過程。分基因型適應(yīng)和表型適應(yīng)兩類，后者又包括可逆適應(yīng)和不可逆適應(yīng)。如樺尺蠖在污染地區(qū)的色型變化。適應(yīng)方式（形態(tài)、生理 、行為的適應(yīng)） ：形態(tài)適應(yīng)：保護、保護色、警戒色與擬態(tài)行為適應(yīng)：運動、繁殖、遷移和遷徙、防御和抗敵生理適應(yīng)：生物鐘、休眠、生理生化變化營養(yǎng)適應(yīng)：食性的泛化與特化適應(yīng)組合(adaptive suites): 生物對非生物環(huán)境條件表現(xiàn)出一整套協(xié)同的適應(yīng)特性，稱適應(yīng)組合。如駱駝和仙人掌對炎熱干旱環(huán)境的適應(yīng)。趨同適應(yīng)和趨異適應(yīng)脅迫適應(yīng)第17頁，共44頁。7/29/2022趨同適應(yīng)和趨異適應(yīng)生活型生態(tài)型第18頁，共44頁。7/29/2022生態(tài)位

10、生態(tài)位(niche)與棲息地(habitat)生態(tài)位有機體在環(huán)境中占據(jù)的地位；棲息地有機體所處的物理環(huán)境。超體積生態(tài)位(hypovolume)生態(tài)位的每一個環(huán)境變量稱一維，生態(tài)位空間的環(huán)境變量可以是多個，超過3個維度的生態(tài)位空間稱超體積生態(tài)位。基礎(chǔ)生態(tài)位(fundamental niche)和實際生態(tài)位(realized niche)物種理論上占據(jù)的生態(tài)位空間稱基礎(chǔ)生態(tài)位；實際占有的生態(tài)位空間稱實際生態(tài)位。第19頁，共44頁。7/29/2022生物與主要生態(tài)因子的相互關(guān)系生物與光的關(guān)系生物與溫度的關(guān)系生物與水的關(guān)系生物與土壤的關(guān)系第20頁，共44頁。7/29/2022生物與光的關(guān)系太陽輻射及其

11、變化規(guī)律光質(zhì)變化對生物的影響光強度變化對生物的影響光周期現(xiàn)象第21頁，共44頁。7/29/2022太陽輻射能(仿A. Mackenzie et. al,1999) 光的性質(zhì)：波長1504000nm,分紫外光、可見光和紅外光三類，波長在380760nm之間的光為可見光。綠色植物的光合作用有效范圍是380700nm之間。紫外線可見光紅外線 400630 1000 25004000 波長(nm)能量強度第22頁，共44頁。7/29/2022光質(zhì)變化對生物的影響海洋植物 光合作用色素對光譜變化具有明顯的適應(yīng)性:海水表層植物色素吸收藍、紅光；深水植物光合色素有效地利用綠光。高山植物 對紫外光作用的適應(yīng)，

12、發(fā)展了特殊的蓮座狀葉叢。動物 不同動物發(fā)展不同的色覺。第23頁，共44頁。7/29/2022光強度變化對生物的影響植物光合作用率在光補償點 附近與光強度成正比，但達光飽和點后, 不隨光強增加。水生生物 水生植物在水中的分布與光照強度有關(guān)。陸生生物 對不同光照強度的適應(yīng)產(chǎn)生陽性植物和陰性植物和耐陰性植物。陽性植物(cheliophytes)、陰性植物(sciophytes)和耐陰性植物(shade plant)：陽性植物對光要求比較迫切，只有在足夠光照條件下才能進行正常生長；陰性植物對光的需要遠較陽性植物低，光補償點低，呼吸作用、蒸騰作用都較弱，抗高溫和干旱能力較低；耐陰性植物對光照具有較廣泛的

13、適應(yīng)能力，對光的需要介于前兩類植物之間。動物 光照強度影響動物的行為，晝行性動物在白天強光下活動，夜行性動物在夜晚或弱光下活動。第24頁，共44頁。7/29/2022光合作用率光合作用率光強度光強度凈生產(chǎn)力光合作用呼吸作用ABABACP光補償點CPCPabspsp光飽和點B光補償點 (compensation point)光飽和點(saturate point)：光合作用強度和呼吸作用強度相當(dāng)處的光強度為光補償點；當(dāng)光照強度達到一定水平后，光合產(chǎn)物不再增加或增加得很少，該處的光強度即為光飽和點。植物的光補償點示意圖(Emberlin,1983)第25頁，共44頁。7/29/2022生物的光周期

14、現(xiàn)象光周期現(xiàn)象(photoperiodism)：Garner等人(1920)發(fā)現(xiàn)明相暗相的交替與長短對植物的開花結(jié)實有很大的影響。這種植物對自然界晝夜長短規(guī)律性變化的反應(yīng)，稱光周期現(xiàn)象。植物光周期現(xiàn)象 對繁殖(開花)的影響：區(qū)分為長日照植物和短日照植物。長日照植物(long-day plants)和短日照植物(short-day plants) ：日照超過一定數(shù)值才開花的植物稱長日照植物；短日照短于一定數(shù)值才開花的植物稱短日照植物，一般需要較長的黑暗才能開花。前者如小麥、油菜，后者如蒼耳、水稻。動物光周期現(xiàn)象 對鳥類等遷徙影響；對繁殖的影響：區(qū)分為長日照動物和短日照動物 。長日照動物(long

15、-day animals)和短日照動物(short-day animals)：在溫帶和高緯度地區(qū)許多鳥獸在春夏之際白晝逐漸延長的季節(jié)繁殖后代，稱長日照動物；與些相反，一些動物只有在白晝逐步縮短的秋冬之際才開始性腺發(fā)育和進行繁殖，稱短日照動物。前者如雪貂、野兔、刺猬；后者如綿羊、山羊和鹿等。第26頁，共44頁。7/29/2022生物與溫度的關(guān)系溫度對生物的作用(溫度的生態(tài)學(xué)意義)極端溫度對生物的影響生物對極端溫度的適應(yīng)第27頁，共44頁。7/29/2022溫度對生物的作用溫度與生物生長：溫度是最重要的生態(tài)因子之一，參與生命活動的各種酶都有其最低、最適和最高溫度，即三基點溫度；不同生物的三基點不同

16、；在一定溫度范圍內(nèi)，生物生長的速率與溫度成正比；外溫的季節(jié)性變化引起植物和變溫動物生長加速和減弱的交替，形成年輪；外溫影響動物的生長規(guī)模。溫度與生物發(fā)育：溫度與生物發(fā)育最普遍的規(guī)律是有效積溫。溫度與生物的繁殖和遺傳性：植物春化 ，動物繁殖的早遲。溫度與生物分布：許多物種的分布范圍與溫度區(qū)相關(guān)。第28頁，共44頁。7/29/2022有效積溫法則及其意義有效積溫法則植物在生長發(fā)育過程中必須從環(huán)境攝取一定的熱量才能完成某一發(fā)育階段的發(fā)育過程，而且各個發(fā)育階段所需的總熱量是一個常數(shù)，稱總積溫或有效積溫，因此可用公式： NTK 表示，考慮到生物開始發(fā)育的溫度，又可寫成： N ( TC )K, TCKN

17、，其中，N為發(fā)育歷期，即生長發(fā)育所需時間，T為發(fā)育期間的平均溫度，C是發(fā)育起點溫度，又稱生物學(xué)零度，K是總積溫（常數(shù)）。有效積溫法則的意義 預(yù)測生物發(fā)生的世代數(shù)；預(yù)測生物地理分布的北界；預(yù)測害蟲來年的發(fā)生程歷；制定農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，合理安排作物；應(yīng)用積溫預(yù)報農(nóng)時。第29頁，共44頁。7/29/2022極端溫度對生物的影響低溫對生物的影響：當(dāng)溫度低于臨界(下限) 溫度 ，生物便會因低溫而寒害和凍害。凍害原因：冰結(jié)晶使原生質(zhì)破裂損壞胞內(nèi)和胞間的微細(xì)結(jié)構(gòu)；溶劑水結(jié)冰，電解質(zhì)濃度改變，引起細(xì)胞滲透壓變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性；脫水使蛋白質(zhì)沉淀；代謝失調(diào)。高溫對生物的影響：當(dāng)溫度超過臨界（上限）溫度，對生物產(chǎn)生有

18、害作用，如蛋白質(zhì)變性、酶失活、破壞水份平衡、氧供應(yīng)不足、神經(jīng)系統(tǒng)麻痹等 。第30頁，共44頁。7/29/2022生物對極端溫度的適應(yīng)生物對低溫的適應(yīng)：保暖、抗凍形態(tài)、生理 、行為的適應(yīng) 生物對高溫的適應(yīng)：抗輻射、保水、散熱形態(tài) 、生理 、行為的適應(yīng) 第31頁，共44頁。7/29/2022生物對低溫的適應(yīng)形態(tài)上的適應(yīng)植物：芽具鱗片、體具蠟粉、植株矮小；動物：增加隔熱層，體形增大（貝格曼規(guī)律），外露部分減小（阿倫規(guī)律）。阿倫規(guī)律(Allens rule):寒冷地區(qū)的內(nèi)溫動物較溫暖地區(qū)內(nèi)溫動物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明顯趨于縮小的現(xiàn)象，稱阿倫規(guī)律，是減少散熱的適應(yīng)。貝格曼規(guī)律(Bergma

19、ns rule):生活在寒冷氣候中的內(nèi)溫動物的身體比生活在溫暖氣候中的同類個體更大，這種趨向稱貝格曼規(guī)律，是減少散熱的適應(yīng)。約旦規(guī)律(Jordans rule):魚類的脊椎骨數(shù)目在低溫水域比在溫暖水域的多。生理上的適應(yīng)植物：減少細(xì)胞中的水分和增加細(xì)胞中有機質(zhì)的濃度以降低冰點，增加紅外線和可見光的吸收帶（高山和極地植物）；動物：超冷和耐受凍結(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度偏離熱中性區(qū)增加體內(nèi)產(chǎn)熱，維持體溫恒定，局部異溫等。行為上的適應(yīng) 遷移和冬眠休眠等。第32頁，共44頁。7/29/2022生物對高溫的適應(yīng)形態(tài)上的適應(yīng)植物：密毛、鱗片濾光；體色反光；葉緣向上或暫時折疊，減少輻射傷害；干和莖具厚的木栓層，絕熱。動物

20、：體形變小，外露部分增大；腿長將體抬離地面；背部具厚的脂肪隔熱層。生理上的適應(yīng)植物：降低細(xì)胞含水量，增加糖或鹽濃度，減緩代謝率；蒸騰作用旺盛，降低體溫；反射紅外光。動物：放寬恒溫范圍；貯存熱量，減少內(nèi)外溫差。行為上的適應(yīng)植物：關(guān)閉氣孔。動物：休眠，穴居，晝伏夜出等。第33頁，共44頁。7/29/2022生物與水的關(guān)系水的生物學(xué)意義生物體的水分獲得與損失途徑生物對水因子的適應(yīng)第34頁，共44頁。7/29/2022水是生物體不可缺少的組成成份；水是生物體所有代謝活動的介質(zhì)；水為生物創(chuàng)造穩(wěn)定的溫度環(huán)境；生物起源于水環(huán)境。第35頁，共44頁。7/29/2022生物體的水分獲得與損失途徑水分的喪失途徑植

21、物蒸發(fā)（蒸騰作用、擴散作用）失水，分泌失水。動物蒸發(fā)失水，排泄、分泌失水。水分獲得途徑植物根部吸收，葉面吸收。動物食物，體表吸收，代謝水。第36頁，共44頁。7/29/2022生物對水因子的適應(yīng)水生植物對水環(huán)境的適應(yīng)陸生植物水平衡的調(diào)節(jié)機制水生動物水平衡的調(diào)節(jié)機制陸生動物水平衡的調(diào)節(jié)機制第37頁，共44頁。7/29/2022水生植物對水因子的適應(yīng)適應(yīng)方式有發(fā)達的通氣組織;機械組織不發(fā)達或退化;葉片薄而長,以增加光合和吸收營養(yǎng)物質(zhì)的面積。生態(tài)類型沉水植物浮水植物挺水植物第38頁，共44頁。7/29/2022陸生植物對水因子的適應(yīng)陸生植物的水平衡調(diào)節(jié)機制形態(tài)適應(yīng)：發(fā)達的根系；葉面小；單子葉植物中一些具扇狀的運動細(xì)胞，可使葉面卷曲；具發(fā)達的貯水組織；生