普通生态学：3 第二章生物与环境（2）能量环境

1、第二章 生物与环境（2）,2.5 能量环境及其生物的适应 2.5.1 地球上的能量类型 2.5.2 地球上光及温度的分布 2.5.3 生物对光的适应 2.5.4 生物对温度的适应,2.5.1 地球上的能量类型,1、 太阳能，光能 2、 地热能 3、 风能 4、 化学能 5、 有机物中包含的化学能 6、 其他能量,问题：生物可以直接利用那些能量？,2.5.2 地球上光及温度的分布,1、 地球上光的分布 太阳辐射及其光谱组成 地球上光的分布规律 2、 地球上温度的分布 大气温度的分布与变化 土壤温度的分布与变化 水体温度的分布与变化,500 1000 2000 3000 4000,可 见 光,红

2、外 线,紫 外 线,波长 nm,能 流 强 度,太阳辐射及其光谱组成,紫外光：波长760nm，46%,影响太阳辐射的因素和光的分布规律,影响地表太阳辐射的因素 大气圈，太阳高度角，纬度和季节，海拔、坡度和坡向 光质(光谱成分) 低海拔和高纬度长波光多；高海拔和低纬度短波光多； 夏季和中午短波光多；冬季和早晚长波光多。 日照时间 夏季昼长夜短、冬季昼短夜长 纬度升高、变化加大，两极有极昼、极夜 光照强度 低海拔和高纬度光照强度弱；高海拔和低纬度光照强度大； 夏季和中午光照强度大；冬季和早晚光照强度弱； (北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱,地球表面的太阳辐射,春 秋,夏 冬,秋 春,冬 夏,

3、The seasons in the Northern and Southern Hemispheres,10 20 30 35 40 45 50,10 20 30 35 40 45 50,50 45 40 35 30 20 10,18 17 16 15 14 13 12 11 10 9,6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,光 期 hr,暗 期 hr,2 4 6 8 10 12M,不同季节各纬度的日照长度,地表大气温度的分布与变化,空间分布与变化 纬度升高1，气温降低0.5 沿海地区气温变化小，内陆地区变化大 南坡气温较北坡高，海拔升高100m，气温降低0.61 逆温现象：大气

4、结构会出现气温随高度增加而升高的反常现象，从而导致大气层 “脚重头轻”，气家学家称之为“逆温”，发生逆温现象的大气层称为“逆温层”。它像一层厚厚的被子罩在我们城乡上空，上下层空气减少了流动，近地面层大气污染物“无路可走”，只好原地不动，越积越多，空气污染势必加重。 时间变化 日温差：随纬度增高减小，随海拔升高而增加； 年温差：随纬度增高增大，大陆性气候越强越大。,土壤温度的分布与变化,土壤温度与气温相关； 土壤温度变化与深度有关； 土壤温度变化时间较气温滞后，且滞后时间与深度有关； 温度变化周期与深度相关； 土壤温度的年变化与纬度、海拔有关,土壤与空气温度变化比较,水体温度的分布与变化,水温的

5、时间变化 变化幅度较气温小 不同深度水体的日变化 不同深度水体的年变化 水温的成层现象 水温分层：上湖层、斜温层(温梯层)和下湖层 春季环流和秋季环流 低纬度地区：雨季和干季 海洋：低纬度水域、中纬度水域,温带深水湖水温垂直变化,2.5.3 生物对光的适应,1、 光质的生态作用和生物的适应 光质的生态作用 生物对光质的适应 2、 光照强度的生态作用和生物的适应 光照强度的生态作用 植物对光照强度的适应 动物对光照强度的适应 3、 生物对光周期的适应 生物的昼夜节律 生物的光周期现象,光质的生态作用,叶绿素的吸收光谱 蓝紫光：430450nm 红光：640660nm 不同光质的作用 蓝紫光：促进

6、蛋白质的合成 红光：促进糖的合成 青光、蓝紫光和紫外线等短波光抑制植物的伸长生长，使植物向光性更敏感； 紫外线能杀菌，对生物体造成损伤，促进维生素D的合成； 红外线是地表的基本热源，对外温动物的体温调节和能量代谢有决定性作用。,生物对光质的适应,太阳鱼视力的灵敏峰值为500530nm 绿色植物和绿藻、红藻、褐藻和硅藻光合色素的差异 高山植物含花青素、页面缩小、毛绒发达,光照强度的生态作用,影响动物的生长发育 影响动物的体色 影响植物叶绿素的形成 黄化现象（例：韭黄） 影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的生长和分化 影响植物花果的数量和质量,植物对光照强度的适应,植物的向光性 植物秋季落叶 C3

7、植物和C4植物 光合能力 阳地植物和阴地植物、耐阴植物 生理差异 形态差异,动物对光照强度的适应,依活动时间的动物分类 动物开始活动的时间,生物对光周期的适应,生物的昼夜节律 光的周期性 生物的昼夜节律 外源性周期和内源性周期 生物的光周期现象 植物的光周期现象 植物的光周期：长日照、短日照、中日照和日中性植物 植物光周期的应用：杂交、抗性选育、异地种植 动物的光周期现象 动物繁殖的光周期：长日照和短日照动物，意义 昆虫滞育、动物换毛换羽和迁徙的光周期,实验室恒定条件下生物的节律,鸟类节律,植物开花对日照长度的反应,长日照植物：萝卜、菠菜、小麦、凤仙花、牛蒡等 短日照植物：玉米、高粱、水稻、棉

8、花、牵牛等 中日照植物：甘蔗等少数热带植物 日中性植物（四季种植）：蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄等,蓝,紫,绿,橙,紅,红外线,400 500 600 700 波长nm, 相 对 吸 收,叶绿素的吸收光谱,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,50 40 30 20 10,C4,C3,光强度/Jm-1g-1,CO2摄取/mgco2dm-2h-1,光合作用与光照强度的关系,高粱,玉米,小麦,阳草,水青冈,阴草,阴地植物与阳地植物对光照强度的适应,阳地植物,阴地植物,小时,植物光合作用的昼夜变化,2.5.4 生物对温度适应,2.5.4.1 温度与动物类型 2.5.4.2 温度对生物的影响 2.5.

9、4.3 生物对极端环境温度的适应 生物对低温的适应 生物对高温的适应,2.5.4.1 温度与动物类型,变温动物（异温动物）：体温随环境温度变化而变化。无脊椎动物、鱼类、两栖类、爬行类。 恒温动物：体温恒定，不随环境温度变化而变化。鸟类、兽类。,2.5.4.2 温度对生物的影响,酶反应速率与温度域 生物发育和生长速度 决定植被及其动物的分布,（生物学零度）,有效温度区,生物发育和生长速度,发育阈温度(生物学零度) 总积温(有效积温)：K=N(T-C) 发育历期和发育速率,范霍夫定律有效积温法则： 描述动物发育速度与温度的关系,K = N ( T C ) （注：以上数字是以中华鳖为例） 即中华鳖的

10、热常数 K = 210( 31 22 ) = 1890 （日度） 表示中华鳖发育历期中每日的有效温度的积累数。,热 常 数,发育历期,发育平均温度（最适温度）,发育起点温度,（210 天）,（31度）,（22度）,注意：不同动物的热常数值 是不一样的。,K,生物学零度,K据范霍夫定律有： N = T - C,N ( T=31 ) = 1890 / (31 - 22) = 210 (天) N (T=30) = 1890 / (30 - 22) = 236 (天) N (T=29) = 1890 / (29 - 22) = 270 (天) N (T=28) = 1890 / (28 - 22) =

11、 315 (天) N (T=24) = 1890 / (24 - 22) = 945 (天) N (T=23) = 1890 / (23 - 22) = 1890 (天) 即：在有效发育温度范围内，随着温度的升 高，发育时间相应缩短。,0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000,（发 育 温 度）,T,N (发育历期，天),32,27,22,温度确定植被类型的垂直分布：,卧龙自然保护区植被类型垂直分布,海拔15001900M 常绿阔叶林,海拔19002400M 落叶阔叶林,针阔混交林,24002800M,针叶林,28003100M,高山灌丛,31003400M

12、,34003800M,高山草甸,2.5.4.3 生物对极端环境温度的适应,生物对低温的适应 植物 形态结构：油脂、鳞片、短小、匍匐状，厚皮 生理适应：细胞内物质含量变化(糖类、脂肪) 动物 形态：贝格曼规律、阿仑规律、毛、皮结构、脂肪层 生理：基础代谢和非颤抖性产热(褐色脂肪)，身体异 温，水生哺乳动物的乳汁构成、热交换器等； 行为：迁徙、冬眠、冬睡、滞育、集群、活动位置,生物对高温的适应,植物 形态适应：叶片毛、鳞片、颜色、排列 生理适应：细胞含水量(糖/盐浓度、代谢强度) 动物 形态适应：毛皮性质和颜色 生理适应：体温过热 行为适应：栖居地点、活动时间,动物对环境温度的适应规律一、对低温的

13、适应：,1、减少体壁的热传导，增加隔热性； a、减少体表散热面积： 贝格曼规律：寒带体大；热带体小。 阿仑氏规律：寒带身体突出部位较小； 热带身体突出部位较大。 乔丹规律：鱼类的脊椎数目，在低温水域中比在高 温水域中多。因发育慢，成熟晚，个体大。 b、增加羽毛的质量和数量：换毛、换羽。 c、皮下脂肪隔热层增厚。极地水兽横切占58。,动物对环境温度的适应规律对低温的适应：,2、增加代谢产热： a. 下临界温度低； b. 下临界温度以虾代谢率平缓。 3、利用热逆流交换机制：,动物对环境温度的适应规律对低温的适应：,4、局部异温：如银鸥在106 时，核温是 3841 ，而跗蟅只有613 。 5、冬眠：降低代谢，减少能量消耗； 6、迁徙（回游）：避开低温环境。,动物对环境温度的适应规律二、对高温的适应：,1、在高温环境中，将恒温机制温度范围放宽。 如骆驼：有水时，日温差3度（3638）； 无水时，日温差7度（3441）。 2、避开应不利的高温条件（迁徙、回游），行 为适应； 3、有机体发育一些特殊的结构和形成生理适 应；如个体相对较小等； 4、夏眠（许多鸟类和哺乳动物）。,不同物种对高温的耐受性,水生植物：3040 旱生植物：5060 兽类：42 鸟类：4648 爬行类：45,贝格曼规律 (Bergmanns rule),内容： 高纬度的恒温动物比