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生物与环境的相互关系


一、生物与环境的相互关系: 二、种群生态学:

三、群落生态学:
四、生态系统生态学: 五、环境问题:

生物与环境的相互关系
一、环境与生态因子的概念 二、生物与生态因子关系的基本规律
三、主要生态因子及其生态作用

环境:是指某一特定生物体或生物群体以外的空间及直
接、间

接影响该生物群体生存的一切事物的总和,包括 生物和非生物。环境总是针对某一特定的主体或中心而 言的,离开了这个主体或中心也就无所谓环境了。

一)、生态因子的概念
例题:下图绘出了5种鱼的耐盐范围和 耐温范围,在这5种鱼中,哪一种是北 极海的特有种,哪一种只能生活在热带 湖泊中,哪一种的分布最广泛?
A .1,2,3 C .3,4,2 E .1,4,2 B. 5,3,4 D. 2,l,5

像温度、盐分等环境中对生物的生长、发育、繁殖、行 为和分布有着直接或间接影响的环境要素就称为生态因子, 还包括湿度、食物、氧气、二氧化碳和其他相关生物等等。 生态因子中生物生存所不可缺少的环境条件,也称生物的生 存条件。

二)、生物与生态因子关系的基本规律
1.最小因子法则(law of the minimum)
liebig在1840年提出“植物的生长取决于那些处于最 少量状态的营养元素”。其基本内容是: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。进一步研究表明,这个理论也适用于 其他生物种类或生态因子。因此后人称此理论为利比希 最小因子法则(Liebig's "law of minimum")

2.耐受性法则(law of tolerance)
各种生态因子对某一种生物都存在生物学的上限 和下限,它们之间的幅度就是该种生物对某一生态因 子的耐受范围。耐受性定律可用钟性曲线来表示。

最适点
生 长 、 生 殖

0

低死 亡限

最适区 适宜区

高死 亡限

环境梯度

根据生物对环境因子的适应范围的大小

生 长、 生 殖

狭生 态幅

广生态幅

狭生 态幅

环境梯度
对同一生态因子,不同种类的生物耐受范围是不相 同的。如:有的动物可耐受很广的温度范围,称广温性 动物;有的只能耐受很窄的温度范围,称狭温性生物。

影响生物耐受性的各种生态因子之间存在着明显 的相互作用。如:温度和湿度对生物适合度的影响。

注意:
1).一般来说,如果一种生物对所有生态因子的耐受范围都 是广泛的,那么这种生物在自然界的分布也一定很广。 2).一种生物的耐受范围越广,对某一特定点的适应能力 也就越低;相反狭生态幅的生物,通常对范围狭窄的环 境条件具有极强的适应能力,但却丧失了在其它条件下 的生存能力。

3).自然界中的动植物很少能够生活在对他们来说是最适 宜的地方,而只能生活在它们占有更大竞争优势的地方。 例如:很多沙漠植物在潮湿的气候条件下能够生长得更 茂盛,但是它们却只分布在沙漠中,因为只有在那里它 们才占有最大的竞争优势。

生物对生态因子耐受限度的调整
1.驯化:
生物借助于驯化过程可以稍稍调整它们对 某个生态因子或某些生态因子的耐受范围。如 果一种生物长期生活在它的最适生存范围偏一 侧的环境条件下,久而久之就会导致该种生物 耐受曲线的位置移动。驯化在实验室条件下, 一般只需较短时间;而在自然环境中这个变化 通常要较长时间。驯化可以理解为生物体内决 定代谢速率地酶系统的适应性改变。

2.休眠:

休眠是动植物抵御暂时不利环境条件的 一种非常有效的生理机制,环境条件如果超 出了生物的适宜范围(但不能超出致死限度), 虽然生物也能维持生活,但却常常以休眠的 状态适应这种环境。动植物一旦进入休眠期, 它们对环境条件的耐受范围就会比正常活动 是宽得多。

3.限制因子定律(limiting factors)
任何一种生态因子,只要接近或超过生物的耐受范 围,它就阻止其生长、繁殖、分布、生理机能或者生存 的因素就是限制因子。

1

光 合 速 率
P 光强度

2 3 和4

限制因子的判断
例题 :在下列情况下,测定了不同光照强度光合作用速率的影
响(4种实验条件): 0.10%CO2、30℃ (1) 0.10%CO2、20℃ (2) 0.03%CO2、30℃ (3) 0.03%CO2、20℃ (4) 从以上实验可以得知,对实验2、实 验4和P点起到限制作用的因素分别是 A.光强度、0.03%CO2、温度 B.0.10%CO2、光强度、温度 C.温度、光强度、CO2浓度 光 D.温度、0.03%CO2、光强度 合
速 率

1
2

3 和4 P
光强度

注意:
如果一种生物对某一生态因子的耐受范围很 广(窄),而且这种因子又非常稳定(不稳定),那么 这种因子就不太可能(很容易)成为限制因子。 如:氧气对陆生动物来说,数量多,含量稳 定,因此一般不会成为限制因子;但是氧气在水 体中的含量是有限的,而且经常发生波动,因此 常常成为水生生物的限制因子。

4.贝格曼定律 (Bergman’s rule) 恒温动物(内温动物)在寒冷的气候条件下,体型趋 向于大,在温暖的气候条件下,体型趋向于小。因为个体 大的动物,其相对表面积小,单位体重散热量相对较少, 这样有利于保持体温。 5.阿伦定律(Allen’s rule) 恒温动物身体的突出部分如四肢、尾巴和外耳等在低 温环境中有变小变短的趋势,在温暖地区有变长的趋势。 这也是在寒冷地区减少散热和在温暖地区增加散热的一种 形态适应。 6.乔丹定律 (Jordan’s rule) 栖息于冷水水域中的鱼类,比栖息于温暖水域中的同 种鱼的脊椎骨数目多。解释:低温使鱼类的生长和发育速 度变慢,因而延长了其性成熟时间,从而产生更大的个体, 其脊椎骨的数目也增多。

7.葛洛格定律(Gloger’s rule) 一般来说,在干燥而寒冷的地区,动物的体色较 淡;而在潮湿而温暖的地区,其体色较深。解释:温 热地区动物毛色较深的原因,可能与色素产生和酶活 动有关,较高的湿度和温度能增强酶的活性,提高代 谢速率,使皮肤中产生较多的黑色素,体色则较深。 8.阿利氏定律 动物有一个最适宜的种群密度,种群过密或过疏 都可能对自身产生不利影响。随着种群密度过大,将 对整个种群带来不利影响,如它将抑制种群的增长率, 增大死亡率等。

三)、主要生态因子及其生态作用

1.光(光质、光照强度和光照周期) 光的变化规律
1)光质的变化: 光质随空间发生变化的一般规律是短波光随 纬度增加而减少,随海拔升高而增加。在时间变 化上,冬季长波光增多,夏季短波光增多;一天 内中午短波光较多,早晚长波光较多。

2)光强度的变化
太阳常数为1.94卡/厘米2/分钟 (Cal/cm2/m) a. 空间:高纬度,低强度;低纬度荒漠年平均光强 200KCal/cm2,北极为120KCal/cm2。 高海拔,高强度;海拔 1000 米,入射光能 的70%,海平面为50%。 坡向:南坡、平地和北坡强度越来越低。 与坡度有关,不同纬度的最强光照的坡度不同。 b.时间:季节:夏天高强度;冬天强度低 日:中午强度最高; 早晚强度较低 c.生态系统:上层,强度大;下层,强度低。

水体分层
植物和水体都分层。清澈静止的水体15 米深处, 50 %衰减。根据光照强度将水体 分为:
光亮带:光合作用大于等于代谢能。 弱光带:光合作用小于代谢能。 无光带:无光合作用。

3)光照周期(Photoperiod)
北半球:夏至最长,冬至最短。

南半球:相反
赤道:昼夜平分 两极:半年白天,半年黑夜。

光对生物的影响
陆生植物主要吸收红光和蓝光,高山紫 外光抑制茎的伸长,所以很多高山植物都具 有特殊的莲座状叶丛。海水表层绿色植物也 吸收红光和蓝光;海水深层红藻(如紫菜) 等有效利用绿光。 某些动物不同发育阶段对光质反应不 同,如红光(长波光)促进鸡的繁殖,短 波光(蓝光)有助于生长。 而鱼类对绿、蓝、红光比较敏感。

(1)光对植物的影响
光对植物光合作用的影响
光 合 作 用 强 度
光合作用

呼吸作用

CP

光强度

光合作用和呼吸作用两条线的交叉点就是光补偿点。 在此处的光照强度是植物开始生长和进行净生产所需要 的最小光照强度。阳生植物和阴生植物有差异。

阳生植物和阴生植物的补偿点和饱和点
有 机 物 积 累 量 有 机 物 积 累 量 阳生植物 阴生植物

a
光补偿点

b
光饱和点 光照强度

光照强度

一般来说,植物个体对光能的利用率远不如群体 高,夏季当阳光最强时,单株植物很难充分利用这些 光能,但在植物群体中对反射、散射和透射光的利用 要充分的多。另外植物的苗期和生育后期光饱和点较 低,生长旺期光饱和点较高。

对植物群体的总光能利用率产生影响的主 要因素是光合面积、光合时间和光合能力。 光合面积主要指叶面积,通常用叶面积指数 来表示,即植物叶面积总和与植株所覆盖的土 地面积的比值。光合时间是指植物全年进行 光合作用的时间,光合时间越长,植物体内就 能积累更多的有机物质并增加产量。延长光合 时间主要是靠延长叶片的寿命和适当延长植物 的生长期。光合能力是指大气中二氧化碳含 量正常和其它生态因子处于最适状态时的植物 最大净光合作用速率。

光与植物生殖的关系(光周期现象)
根据植物对日照长度的反应可分为 长日照植物、短日照植物、中日照植物 和中间型植物。

光周期与植物
光 周 期 反 应 类 型 :
短日照植物:每日在短于临界日长的日照下才开花
的植物。如玉米、大豆、烟草、棉、 麻等。通常秋季开花。

长日照植物:每日在长于临界日长的日照下才开花
的植物。如冬小麦、油菜、萝卜。通 常夏季开花

日中性植物:对任何日照条件下都可以开花的植物
如黄瓜、番茄、蒲公英等。一年四季 均能开花

中日性植物:只能在一定的日照长度下开花,延长
或缩短日照都抑制开花,如甘蔗只有 在日长12.5 h下才开花的植物

强调:
判断一种植物是长日照植物或短日照植 物,不能以日照长短为准,必须以临界日长 来判断。临界日长的感念,严格地说,是指 昼夜周期中诱导短日植物开花所必需的最长 日照或诱导长日植物开花所必需的最短日照。 对长日植物来说,日长大于临界日长;而对 短日植物来说,日长必须小于临界日长才能 开花。当然日长太短也不能开花,可能因光 照不足,植物几乎成为黄化植物之故。

在自然条件下,昼夜总是在24h的周期内交替 出现的。因此,和临界日长相对应的还有临界暗 期。临界暗期是指在昼夜周期中短日植物能够 开花所必需的最短暗期长度,或长日植物能够 开花所必需的最长暗期长度。对植物开花的诱 导,临界暗期比临界日长对开花更为重要。 所以短日植物实际是长夜植物,长日植物实 际是短夜植物。

短日植物和长日植物在北半球的分布:
低纬度地区没有长日照条件,只有短日植物。

高纬度地区由于短日时气温已低,所以,只能生存 着一些要求日照较长的长日照植物。
中纬度地区长日植物和短日植物都有,长日植物在 春末夏初开花,而短日植物在夏末和秋季开花。

引起植物开花的适宜光周期(即适宜日照长度) 处理,并不需要继续到花的分化为止。植物只需要 一定时间适宜的光周期处理,以后即使处于不适宜 的光周期下,仍然可以长期保持刺激的效果,即花 的分化并不出现在适宜的光周期处理的当时,而是 出现在处理后若干天,这种现象称为光周期诱导。 比如短日植物的苍耳只需要 1 个光周期的诱导; 比如大豆需要3个光周期;一年生甜菜需要15~20个 光周期的诱导。

(2)光对动物的影响
影响动物的体色、生长发育、繁殖、 行为、视觉。有很多的动物繁殖、行为都 由日照长度来决定。

原因:光周期变化很有规律、很稳定,以 它为信号一般不会“上当”。而其它因素 如温度等稳定性不强。(一年中的同一天 日照长短都是一致的,但是温度、湿度、 食物等因素可能不一致)

(2)光对动物的影响

鸟类的光周期现象最明显,决定其迁徙和生殖时间。据 此,人们夜晚给母鸡照光可增加产蛋量。 对哺乳动物的换毛和生殖也有影响,因而分为长日照兽 (随春天日照长度的增加而开始生殖,如雪貂、野兔、 刺猬等)和短日照兽(随秋天短日照的到来而进入生殖 期,如绵羊、山羊、鹿等);也有与日照长短无关的, 如珍珠鸡。 有些昆虫在正常生命周期中,能插入一个休眠期,即滞 育,这通常是由光周期决定。如梨小食心虫幼虫,这种 休眠可为耐受秋天和冬天的严寒做好准备。 鸟兽的换羽和换毛受光周期调控。 动物的迁徙受光周期调控;生活在表层水的鱼类的迁徙 也受光周期调控,它是通过影响内分泌系统而影响鱼类 的迁徙。 由于光周期的变化与温度和湿度等其他生态因子相比,更 加稳定,是地球上最具稳定性和规律性的变化因子,故生 物在长期进化中,选择该因子作为生物节律的信号。

2.温度
最适点、最低点、最高点,在生态学上称为温度的三基点

(1)植物和温度 a. 植物的春化(植物生理) b.昼夜温差与有机物积累:白天温度高有利于光合作 用,夜间温度低降低呼吸作用。 c .季节变温与物候:生物长期适应于一年中温度的 寒暑节律性变化,形成于此相适应的生物发育节 律称为物候,实质是生物对季节性变温的适应。 d. 极端低温度对植物的影响:低温对植物的伤害可 分为冷害、霜害和冻害三种。

极端温度对植物的影响 冷害
冷害是指喜温生物在零度以上的温度条件下受 害或死亡,例如海南岛的热带植物丁子香在气温降 到 6.1℃时叶片便受害,降到 3.4℃时顶梢干枯,受 害严重。冷害是喜温生物向北方引种和扩展分布区 的主要障碍。

冻害

冻害是指冰点以下的低温使生物体内 (细胞内或 细胞间隙)形成冰晶而造成的损害。冰晶的形成会使 原生质膜发生破裂和使蛋白质失活与变性。当温度 不低于 -3℃或 -4℃时,植物受害主要是由于细胞膜 破裂引起的;当温度下降到 -8℃或-10℃时,植物受 害则主要是由于生理干燥和水化层的破坏引起的。

e. 高温对植物的影响
高温可减弱光合作用,增强呼吸作用,使植 物的这两个重要过程失调。例如马铃薯在温度 达到40℃时,光合作用等于零,而呼吸作用在 温度达到50℃以前一直随温度的上升而增强, 但这种状况只能维持很短的时间。高温还可破 坏植物的水分平衡,加速生长发育,促使蛋白 质凝固和导致有害代谢产物在体内的积累。

注:高温和低温(极端温度)对植物的致死,使植物
的地理分布也受到温度的限制。植物水平分布的南界 和北界,垂直分布的海拔高低。

f. 植物对极端温度的适应:
低温适应: * 形态的适应。芽叶具有油脂类物质,芽具鳞片,植表 有蜡粉密毛,植株矮小。 * 生理的适应。减少细胞内的水,增加糖、脂、色素, 以降低冰点,增加吸热。 高温适应: * 加强反光、滤光,形成木栓层(隔热),降低含水量 增加糖、盐(减慢代谢速率、增强原生质抗凝结力)加 强蒸腾,反射红外线。

(2)动物和温度
a.影响动物的繁殖: b.温度与生物的发育: 有效积温法则:指生物(植物和变温动物)的生长发育过程中, 必须从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育。如:水 稻在浙江只能种两季,而在海南岛可以种三季。 应用:①预测生物发生的世代数;②预测生物地理分布的北界; ③预测害虫来年发生程度;④推算生物的年发生历;

c.温度影响动物的形态:贝格曼定律、阿伦法则。 d.影响动物的分布:有效积温和极端温度; e.极限温度对动物造成的影响:低温使动物致死,主要是由于细 胞内形成冰晶的损伤所致。高温对动物的有害影响主要是破坏酶 的活性,使蛋白质凝固变性,酶失活,造成缺氧、排泄功能失调 和神经系统麻痹等。 f.动物对极端温度的适应。

?温度与动物的生态类型
? 依据动物体温的高低分为温血动物和冷血动物。 ? 根据机体热能的主要来源,分为外温动物和内温动物; 但这种划分也有例外情况,如某些爬行动物和昆虫能从 体内获取热源,升高体温以促进活动;多数外温动物调 节体温的能力是很低的,离不开对外部热源的依赖。 ? 依据体温的稳定程度分为常温动物和变温动物;这种分 发也会遇到问题,如某些常温动物(兽、鸟类)在冬眠 时也降低体温,故称之为异温动物。当环境温度过低时, 内温动物会自发地从冬眠中醒来恢复到正常状态,而不 致冻死,这是与外温动物冬眠的根本区别。从冬眠中激 醒的早期热源来自褐色脂肪组织的非颤抖性产热。内温 动物在休眠(冬眠和夏眠)时降低体温的这种受调节的 低体温现象称为适应性低体温。

? 温度与发育
? 某些植物需要经过一个低温的“春化”阶段才开花 结果,像一个开关。 ? 有效积温法则
K=N(T-C) ① ? K为热常数,单位用“日度”表示;N为发育历期,即完成 某一发育阶段所需天数;T为发育期的平均温度;C为发育 起点温度,即生物学零度(生物生长发育的低温阈值)。 通过控制两种温度 T1 、 T2 的实验,分别观察记录两组动物 或植物相应的发育历期N1、N2,从而可以求出K和C。 ? 如棉花从播种到出苗,若日均温度为 15℃ ,需要 15d ,若 日均温度为20℃,需要7d;据此可以求出棉花的发育起点 温度为10.6℃,从播种到出苗需要的有效积温为66日度。 ? 不同生物完成发育所需积温不同,一般来说,起源于或适 于高纬度地区的植物有效积温较少,反之,则多。

①式可以变化如下:T=C +K/N ② T=C +KV ③ ②式相当于数学上的双曲线方程 y=a+b/x ,表示温 度与发育历期呈双曲线关系;③式中的V=1/N,是 发育速率,相当于数学上的直线方程 y=a+bx,表示 温度与发育速率呈直线关系。该公式适用于植物和 变温动物(特别是昆虫)。可实际应用于以下几方 面: 1)预测生物发生的世代数
主要用于昆虫的世代预测。不能用于有休眠和滞育期生物的世代数计算。 如某昆虫完成一个世代所需积温为 K1,某地符合该昆虫发育的年总积温 为K,则发生的世代数为K/K1。

2)预测生物地理分布的北界
根据有效积温法则,一种生物分布区的全年有效积温必须满足该生物完成 一个世代所需要的K值,否则该生物不会分布到此。

3)预报农时
根据作物的有效积温和当地节令、苗情以及气象资料,可以估计该作物的 成熟收割期,以便制定整个栽培措施。

4)制定农业气候区划,合理安排作物
依据不同作物所要求的有效积温,如马铃薯约需1000-1600日度,春播禾 谷类约需1500-2100日度,玉米约需2000-4000日度,结合当地其他条件, 合理安排作物,适时适地种植,有目的地调种、引种,合理搭配品种。

5)还可用于益虫的保护和利用以及预测害虫发生程度 该法则的局限性:该法则是以发育速率与温度呈直 线关系为前提的,但实际上两者间呈S形关系,即在适 宜温度的两侧生物发育速度均减慢,而且发育起点温度 通常是在恒温条件下测得的,这与在自然条件下的发育 条件是有差别的。多数情况下,如果温度波动范围不大, 常能促进发育速度。再者,生物发育除需要温度条件外, 同时还受其他因子制约,综合起作用。

例题:
以下关于动物对温度的适应的说法正确的是 ( AC )。 A.在低温条件下,变温动物的寿命较长,随着温度的增高, 其平均寿命缩短 B.温暖地区,变温动物完成发育的时间比在冷的地区长 C.恒温动物在低温下保持恒定的体温,而变温动物随环境温 度的提高而有相应变化 D.温度是动物分布的限制因子,最重要的是地区平均温度

3.水
植物与水: 水生植物(沉水植物、浮水植物、挺水植物) 陆生植物(湿生植物、中生植物、旱生植物)

动物与水: a.影响动物的分布; b.影响动物的体色;葛洛格定律(Gloger’s rule) c.影响动物的繁殖; d.影响动物的行为; e.影响动物的生长发育

一)水生植物
适应特点是体内有发达的通气系统;叶片常呈带状、丝 状或极薄,有利于增加采光面积和对CO2与无机盐的吸收; 植物体具有较强的弹性和抗扭曲能力以适应水的流动;淡水 植物具有自动调节渗透压的能力,而海水植物则是等渗的。

1.沉水植物 整株植物沉没在水下,为典型的水生植物。根 退化或消失,表皮细胞可直接吸收水中气体、营养物和水分, 叶绿体大而多,适应水中的弱光环境,无性繁殖比有性繁殖 发达。如狸藻、金鱼藻和黑藻等。 2.浮水植物 叶片飘浮水面,气孔通常分布在叶的上面,维 管束和机械组织不发达,无性繁殖速度快,生产力高。不扎 根的浮水植物有凤眼莲、浮萍和无根萍等,扎根的有睡莲和 眼子菜等。

3.挺水植物 植物体大部分挺出水面,如芦苇、香蒲等。

二)陆生植物

1.湿生植物 抗旱能力小,不能长时间忍受缺水。生长在光照 弱、湿度大的森林下层,或生长在日光充足、土壤水分经常饱 和的环境中。前者如热带雨林中的各种附生植物(蕨类和兰科 植物)和秋海棠等;后者如水稻、毛茛、灯心草和半边莲等。
2.中生植物 适于生长在水湿条件适中的环境中,其形态结构 及适应性均介于湿生植物和旱生植物之间,是种类最多、分布 最广和数量最大的陆生植物。

3.旱生植物 能忍受较长时间干旱,主要分布在干热草原和荒 漠地区。又可分为少浆液植物和多浆液植物两类。前者叶面积 缩小,根系发达,原生质渗透压高,含水量极少,如刺叶石竹、 骆驼刺和夹竹桃等;后者体内有发达的贮水组织,多数种类叶 片退化而由绿色茎代行光合作用,如仙人掌、石蒜、景天和猴 狲面包树等。

动物与水:
水生动物的渗透压调节 生活在海洋中的动物大致有两种渗透压调节类型。 一种类型是动物的血液或体液的渗透浓度与海水的总渗 透浓度相等或接近;另一种类型是动物的血液或体液大 大低于海水的渗透浓度。 1.硬骨鱼类和甲壳动物体内的盐是通过鳃排泄出去的, 而软骨鱼类则是通过直肠腺排出。

2.淡水动物:丢失的溶质从两个方面得到弥补:一方面 从食物中获得某些溶质,另一方面动物的鳃或上皮组织 的表面也能主动地把钠吸收到动物体内。

注意:温度和降水是影响生物在地球表面分布
的两个最重要的生态因子,两者共同作用决定着 生物群落在地球分布的总格局。


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