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文檔簡介
生理生態(tài)學(xué)光因子第1頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
第1節(jié)光因子
光是地球上一切生命的能量來源。太陽輻射是形成生物生產(chǎn)量、構(gòu)成地表熱量、水分、有機(jī)物質(zhì)和氣候分布狀況的重要驅(qū)動力。因此太陽輻射為維持生命環(huán)境創(chuàng)造了必要的條件。光的狀況不同,影響生物的生長發(fā)育、森林的更新和演替、森林群落結(jié)構(gòu)特征、樹種組成與分布等。天然條件下,有的樹種只分布在林冠上層,而在林冠下生長不良甚至死亡;有的樹種則在樹冠下生長正常;同一樹種不同樹冠部位葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性均有差異。第2頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一植物光合作用示意圖第3頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一第4頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一生物與光的關(guān)系太陽輻射及其變化規(guī)律光質(zhì)變化對生物的影響光強(qiáng)度變化對生物的影響光周期現(xiàn)象光的生態(tài)作用
光譜成分、光照強(qiáng)度和日照時間都會對植物產(chǎn)生重要的生態(tài)作用,影響其生長發(fā)育、生理代謝和形態(tài)結(jié)構(gòu)等,從而使植物產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量發(fā)生變化。植物長期生長在一定的光照環(huán)境中,對光照強(qiáng)度、光質(zhì)和日照時間都產(chǎn)生一定的要求和適應(yīng)性,形成不同的植物生態(tài)類型。第5頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一一、光質(zhì)
光是以電磁波的形式投射到地表的輻射線。主要波長范圍在150~4000nm。根據(jù)人眼對光譜波段感受的差異,分為可見光和不可見光。太陽輻射主要由紫外線(ultraviolet)、可見光(visible)和紅外線(infrared)組成??梢姽獠ㄩL為380~760nm,根據(jù)波長的不同又可分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫七種顏色的光。紫外光波長小于380nm,紅外光波長大于760nm。波長(nm):<400
400450500550600650700>700|||||||||光:紫外紫藍(lán)青綠黃橙紅紅外第6頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一太陽輻射能(仿A.Mackenzieet.al,1999)
光的性質(zhì):波長150-4000nm,分紫外光、可見光和紅外光三類,波長在380-760nm之間的光為可見光。綠色植物的光合作用有效范圍是380-700nm之間。紫外線可見光紅外線400630100025004000
波長(nm)能量強(qiáng)度第7頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
大氣同溫層中的O3能吸收紫外線。地面的太陽輻射中含紫外線少。紫外線破壞細(xì)胞分裂和生長素而抑制生長,高山植物生長矮小,節(jié)間短,就是因為高海拔處紫外線較強(qiáng)。Ozonedepletion。紅外線的生態(tài)作用:促進(jìn)植物莖的伸長,有利于種子和種子萌發(fā),提高植物體的溫度。植物葉片對近紅外線吸收很少,大部分被反射。應(yīng)用:航空攝影和遙感技術(shù)用于林業(yè)調(diào)查。病蟲害調(diào)查。第8頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
生理有效輻射/光合有效輻射(photosyntheticallyactiveradiation,PAR):太陽輻射光譜中能被植物色素吸收、轉(zhuǎn)化并用于合成有機(jī)物質(zhì)的輻射能(380~710nm)。紅光能促進(jìn)葉綠素形成。有利于碳水化合物的合成;藍(lán)、紫光也能被葉綠素、類胡蘿卜素吸收。藍(lán)光有利于蛋白質(zhì)的合成。
不同的光質(zhì)對植物的光合作用、色素形成、向光性、形態(tài)建成的誘導(dǎo)等影響不同。
第9頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一二、光照強(qiáng)度(單位面積上的光通量大?。?/p>
光照強(qiáng)度隨緯度增加而降低(因為緯度低太陽高度角大);光照強(qiáng)度隨海拔增加而增強(qiáng)(因為海拔增高,大氣厚度減小,透明度增大)。地形亦影響光照強(qiáng)度,在北半球溫帶地區(qū),南坡大于平地和北坡;同一緯度的南坡,坡度愈大輻射量愈大,而北坡正相反。光照強(qiáng)度還受大氣水汽含量、云量和雨季長短的影響。光照強(qiáng)度夏強(qiáng)冬弱,日照時間為夏季晝長夜短,而冬季則相反。在一天中,中午光照強(qiáng)度最大,早晚光照強(qiáng)度最小。在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),光照強(qiáng)度將會自上而下逐漸減弱,由于樹冠吸收大量光能,使下層植物對日光能利用受到限制。第10頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一光質(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(lán)、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),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11頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一光強(qiáng)度變化對生物的影響植物—光合作用率在光補(bǔ)償點附近與光強(qiáng)度成正比,但達(dá)光飽和點后,不隨光強(qiáng)增加。水生生物—
水生植物在水中的分布與光照強(qiáng)度有關(guān)。陸生生物—
對不同光照強(qiáng)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(shadeplant):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(jìn)行正常生長;陰性植物對光的需要遠(yuǎn)較陽性植物低,光補(bǔ)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適應(yīng)能力,對光的需要介于前兩類植物之間。動物—
光照強(qiáng)度影響動物的行為,晝行性動物在白天強(qiáng)光下活動,夜行性動物在夜晚或弱光下活動。第12頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一光合作用率光合作用率光強(qiáng)度光強(qiáng)度凈生產(chǎn)力光合作用呼吸作用ABABACP光補(bǔ)償點CPCPabspsp光飽和點B光補(bǔ)償點(compensationpoint)光飽和點(saturatepoint):光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度相當(dāng)處的光強(qiáng)度為光補(bǔ)償點;當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度即為光飽和點。植物的光補(bǔ)償點示意圖(Emberlin,1983)第13頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
光強(qiáng)在地球表面及群落內(nèi)部的分布是不均勻的,植物長期適應(yīng)一定光強(qiáng)便形成了不同的光強(qiáng)生態(tài)類型:陽生植物(heliophytes):在強(qiáng)光下才能生長發(fā)育良好,而在隱蔽和弱光下生長發(fā)育不良的植物。栓皮櫟、蒲公英和槐、落葉松、松屬(紅松、華山松除外)、水杉、樺木屬、楊樹、柳屬、臭椿、泡桐等。耐蔭植物(sciophytes):需要在較弱的光照條件下生長,不能忍耐高強(qiáng)度光照的植物。苔蘚類、鐵杉、云杉、冷杉、紅豆杉等。。中性植物(shadeplants):介于上述兩類植物之間的植物,它們既可以在強(qiáng)光下良好生長,又能忍受不同程度的遮陰,對光照具有較廣的適應(yīng)能力,但最適宜的還是在完全的光照下生長。一些豆科植物、紅松、水曲柳、椴樹和側(cè)柏等。第14頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一葉片適光變態(tài)
由于葉片所在生境光照強(qiáng)度的不同,其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特征往往產(chǎn)生適應(yīng)光的變異稱為葉片適光變態(tài)。同一樹種,強(qiáng)光下發(fā)育的葉片稱為陽生葉(sunleaf),弱光下發(fā)育的葉片稱為陰生葉(shadeleaf)。一般陽性樹種的葉片主要具有陽生葉的特征。耐蔭樹種適應(yīng)光照強(qiáng)度的范圍較廣,樹冠的陽生葉和陰生葉分化明顯,樹冠下或陰性植物的葉片主要具陰生葉的特征,而樹冠外圍特別是向光處的葉片主要具有陽生葉的特征。此外樹冠各層次葉片形態(tài)、排列和鑲嵌都是葉片對太陽輻射的一種適應(yīng)。
黃化(etiolation):植物在黑暗中生長發(fā)育形成的特殊形態(tài)。表現(xiàn)為缺少葉綠素、節(jié)間伸長、葉片很少展開、組織分化差、薄壁組織多、輸導(dǎo)和機(jī)械組織不發(fā)達(dá)、植株柔韌多汁等特征。第15頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一陽生葉與陰生葉的形態(tài)、生理特征比較陽生葉陰生葉形態(tài)特征葉片厚而小,角質(zhì)層較厚,柵欄組織發(fā)達(dá),氣孔數(shù)較多,葉脈較密葉片薄而大,角質(zhì)層較薄,海綿組織發(fā)達(dá),氣孔數(shù)較少,葉脈較稀生理特征chl含量chla/b蒸騰速率呼吸速率水分含量細(xì)胞液濃度CPSP+(低)++(大)++(大)++(大)+(少)++(高)高高++(高)+(小)+(小)+(小)++(多)+(低)低低第16頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
植物的發(fā)育
光能促進(jìn)細(xì)胞的增大和分化,影響細(xì)胞的分裂和伸長;光能促進(jìn)組織與器官的分化,制約器官的生長和發(fā)育速度。因此光照強(qiáng)度關(guān)系到植物體各器官和組織保持發(fā)育的正常比例。對樹木花芽分化形成的影響:強(qiáng)光可加強(qiáng)樹木生理活動機(jī)能,改善樹木有機(jī)營養(yǎng),使枝葉生長健壯,花芽分化良好,而且可提高種子產(chǎn)量。樹冠內(nèi)部常因光照強(qiáng)度較弱,開花結(jié)實少,種子質(zhì)量低。光還可改善果實品質(zhì),強(qiáng)光可提高果實含糖量及耐貯性,果實著色好,光照強(qiáng)度有利于花青素形成。光照充足,可形成較大的根莖比。
第17頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一三、太陽輻射時間
在北半球從春分到秋分是晝長夜短,夏至?xí)冏铋L;從秋分到春分是晝短夜長,冬至夜最長。在赤道附近,終年晝夜平分。緯度越高,夏半年(春分到秋分)晝越長,而冬半年(秋分至春分)晝越短。在兩極地區(qū)則半年是白天,半年是黑夜。由于我國位于北半球,所以夏季的日照時間總是多于12h,而冬季的日照時間總是少于12h。隨著緯度的增加,夏季的日照長度也逐漸增加,而冬季的日照長度則逐漸縮短。日照時間的變化對動植物都有重要的生態(tài)作用,由于分布在地球各地的動植物長期生活在具有一定晝夜變化格局的環(huán)境中,借助于自然選擇和進(jìn)化而形成了各類生物所特有的對日照長度變化的適應(yīng)方式,這就是在生物中存在的光周期現(xiàn)象。第18頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一生物的光周期現(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-dayplants)和短日照植物(short-dayplants):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-dayanimals)和短日照動物(short-dayanimals):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(jìn)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19頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一日照生態(tài)類型(根據(jù)對日照長度的反應(yīng)差異)
長日照植物:指日照長度超過其臨界日長才能開花的植物。通常需要14h以上的日照時間才能開花。如落葉松、楊樹、柳樹、榆樹、樟子松、油松等。
短日照植物:日照長度短于其臨界日長才能開花的植物(一般<10h),如卷耳草、牽?;ā⒆仙嫉?。
中日照植物:指晝夜長短比例近于相等才能開花的植物。如甘蔗中的某些品種,開花需要12.5h的日照時間。
中性植物:指開花受日照長短影響較小,只要其它條件適宜便能開花的植物。如蒲公英、黃瓜、四季豆、蕃茄等。
長日照植物原產(chǎn)溫帶和寒帶。南移,則生長期延長。短日照植物原產(chǎn)熱帶或亞熱帶。生長季日照時間短,北移,高生長量增加。第20頁,共23頁,2023年,2月20日,星期一
在脊椎動物中,鳥類的光周期現(xiàn)象最為明顯,很多鳥類的遷徙都是由日照長短的變化所引起。日照長度的變化對哺乳動物的換毛和生殖也具有十分明顯的影響。長日照畜類:隨著春天日照長度的逐漸增加而開始生殖的,如刺猬、野兔等;短日照畜類:隨著秋天短日照的到來而進(jìn)入生殖期,如綿羊、山羊和鹿等。動
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