生态学生物与光

1、第一部分内容提要第一部分内容提要n第第1章章 生物与环境生物与环境n第第2章章 生物与生物与光光n第第3章章 生物与生物与温度温度n第第4章章 生物与生物与水水n第第5章章 生物与生物与土壤土壤n第第6章章 生物与生物与营养物营养物具体的生态因子具体的生态因子第第1 1章章 生物与环境生物与环境n1.1 环境与生态因子环境与生态因子n1.1.1 什么是环境什么是环境 n环境的概念、类型和分类环境的概念、类型和分类n1.1.2 什么是生态因子什么是生态因子n概念、分类、生态因子作用的规律概念、分类、生态因子作用的规律n1.2 生物与环境的相互作用生物与环境的相互作用n1.2.1 环境对生物的作用

2、环境对生物的作用n1.2.2 生物对环境的反作用生物对环境的反作用n1.3 生态因子的限制性作用生态因子的限制性作用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 耐受限度与生态幅耐受限度与生态幅 谢尔福德耐受性定律谢尔福德耐受性定律(Shelfords law of tolerance) 生态幅生态幅(ecological amplitude)或生态价或生态价(ecological valence) 生物对耐受限度的调整生物对耐受限度的调整 生物内稳态及其保持机制生物内稳态及其保持机制第第2 2章章 生物与光生物与光n2.1 太阳

3、辐射及其变化规律太阳辐射及其变化规律n2.2 光质变化对生物的影响光质变化对生物的影响n2.3 光强度变化对生物的影响光强度变化对生物的影响n2.4 生物的光周期现象生物的光周期现象n 生态热点：臭氧问题生态热点：臭氧问题nl地球自转时地球自转时, ,赤道附近照射的时间长赤道附近照射的时间长( (日日周期周期) )nl地球公转时地球公转时, ,夏天北半球照射的时间长夏天北半球照射的时间长; ;冬天南半球照射的时间长冬天南半球照射的时间长( (季节周期季节周期) )nl低纬度地区有较为恒定的热量低纬度地区有较为恒定的热量, ,高纬度高纬度比低纬度地区接受的能量更少比低纬度地区接受的能量更少n太阳

4、辐射光谱主要由太阳辐射光谱主要由短波短波(紫外线、波长小于紫外线、波长小于380nm)、波长波长380-760nm)和和红外红外线线(波长大于波长大于760nm)组成组成,是波长是波长150-4000nm的电磁波的电磁波。其中。其中,可见光可见光包括包括 、橙、黄、绿、青、橙、黄、绿、青、紫、紫7色色,之外的为之外的为不可不可见光见光(红外光、紫外光红外光、紫外光)。n太阳辐射中太阳辐射中,红外光占红外光占50-60%,紫外光占紫外光占1%,其余为可见光。其余为可见光。n波长越长波长越长,能量越大能量越大;紫外光具杀伤和至癌作用紫外光具杀伤和至癌作用(臭氧层吸收臭氧层吸收290nm以下的部分以

5、下的部分,290-380nm部分才能到达地球表面部分才能到达地球表面)。n植物叶绿素主要吸收可见光中的植物叶绿素主要吸收可见光中的(760-620nm)和和(490-435nm),因此因此,可见光具有最大的生态学意义。可见光具有最大的生态学意义。 2.2.1 2.2.1 光质变化光质变化 空间变化空间变化：短波光随纬度增加而减少：短波光随纬度增加而减少,随海拔随海拔升高而增加。升高而增加。 时间变化：时间变化：冬季长波光增多冬季长波光增多,夏季短波光增多夏季短波光增多;一天之内中午短波光较多一天之内中午短波光较多,早晚长波光较多。早晚长波光较多。 2.2.2 2.2.2 光质变化对生物的影响光

6、质变化对生物的影响nLL对对海洋植物的影响海洋植物的影响光合作用色素对光谱变光合作用色素对光谱变化具有明显的适应性化具有明显的适应性:n浅海浅海( (几米处几米处) )：红外光被完全吸收。浅海植物：红外光被完全吸收。浅海植物光合色素吸收光合色素吸收蓝、红光蓝、红光, ,与陆生植物很相似与陆生植物很相似; ;n深海：紫和篮光等短波光被反射深海：紫和篮光等短波光被反射, ,只有绿光占只有绿光占优势优势。深海植物光合色素有效地利用。深海植物光合色素有效地利用绿光绿光。nLL对对高山植物的影响高山植物的影响对紫外光作用的适应对紫外光作用的适应, ,发展了特殊的发展了特殊的莲座状叶丛莲座状叶丛; ;不利

7、于植物散布不利于植物散布。nLL对对动物的影响动物的影响 不同动物发展不同的不同动物发展不同的色觉色觉。2.3.1 光照强度的变化光照强度的变化n纬度变化：纬度变化：光照在赤道地区最大光照在赤道地区最大,随纬度的增随纬度的增加而逐渐减弱。加而逐渐减弱。n海拔变化：海拔变化：随海拔高度的增加而增强。随海拔高度的增加而增强。n坡向、坡度变化坡向、坡度变化：南坡光照比北坡强：南坡光照比北坡强,坡度小坡度小的比坡度大的强。的比坡度大的强。n四季、一天变化：四季、一天变化：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生态系统内变化：生态系统内变化：自上而下减弱自上而下减弱;自清澈静止

8、自清澈静止至流动混浊而少。至流动混浊而少。(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 光强度与水生植物光强度与水生植物：植物光合作用量与其呼吸作用消耗相植物光合作用量与其呼吸作用消耗相平衡的光照强度。平衡的光照强度。n水生植物在水中的分布与光照强度密切有关。水生植物在水中的分布与光照强度密切有关。n水的深度影响光照强度水的深度影响光照强度,从而影响水生植物的分从而影响水生植物的分布。布。n2.3.3 光强度与陆生植物光强度与陆生植物v植物光合作用率在光补偿点附近与光强度成正植物光合作用率在光补偿点附近与光强度成正比比,但达但达光饱和点光饱和点后后, 不随光强增加。不随光强增加

9、。v光饱和点光饱和点：植物光合产物不再增加或增加很少：植物光合产物不再增加或增加很少处的光照强度。处的光照强度。v陆生植物依据对光强的依赖程度分为：阳性植陆生植物依据对光强的依赖程度分为：阳性植物、阴性植物和耐阴性植物。物、阴性植物和耐阴性植物。v阳性植物阳性植物(cheliophytes)：对光要求比较迫切：对光要求比较迫切,只只有在足够光照条件下才能进行正常生长。有在足够光照条件下才能进行正常生长。v阴性植物阴性植物(sciophytes)：对光的需要远较阳性植：对光的需要远较阳性植物低物低,光补偿点低光补偿点低,呼吸作用、蒸腾作用都较弱呼吸作用、蒸腾作用都较弱,抗高温和干旱能力较低。抗高

10、温和干旱能力较低。n耐阴性植物耐阴性植物(shade plant)：对光照具有较广泛的对光照具有较广泛的适应能力适应能力,对光的需要介于前两类植物之间。对光的需要介于前两类植物之间。n黄花现象黄花现象(eitiolation phenomenon)：一般植物在：一般植物在黑暗中不能合成叶绿素黑暗中不能合成叶绿素,但能形成胡萝卜素但能形成胡萝卜素,导致导致叶子发黄的现象。叶子发黄的现象。2.3.4 光强度与动物的行为光强度与动物的行为n光照强度直接影响动物的行为光照强度直接影响动物的行为(取食、交配、洄取食、交配、洄游等游等)。n昼行性动物昼行性动物(广光性性动物广光性性动物)在白天强光下活动在

11、白天强光下活动,夜行性动物夜行性动物(狭光性动物狭光性动物)在夜晚或弱光下活动。在夜晚或弱光下活动。nGarner等人等人(1920)发现明相暗相的交替与长短发现明相暗相的交替与长短对植物的开花结实有很大的影响。对植物的开花结实有很大的影响。n植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应, ,称称光周期现象光周期现象(photoperiodism)。n光周期不仅植物中普遍存光周期不仅植物中普遍存, ,在动物中也普遍存在动物中也普遍存在。在。2.4.1 植物的光周期现象植物的光周期现象n根据植物对日照长短的反应根据植物对日照长短的反应, ,区分为区分为4 4种类型：种

12、类型：n长日照植物长日照植物(long day plant)：日照时间超过一定：日照时间超过一定数值或黑夜小于某一数字才能开花数值或黑夜小于某一数字才能开花, ,否则只进行营否则只进行营养生长养生长, ,不能开花的植物。如不能开花的植物。如萝卜、菠菜、牛蒡、萝卜、菠菜、牛蒡、凤仙花、冬小麦、油菜凤仙花、冬小麦、油菜等等, ,在在全年日照较长时间全年日照较长时间里里开花。人为开花。人为光照时间可促进提前开花。光照时间可促进提前开花。n短日照植物短日照植物(short day plant) ：日照时间短于一：日照时间短于一定数值或黑夜长于某一数字才能开花定数值或黑夜长于某一数字才能开花, ,否则只

13、行营否则只行营养生长而不开花的植物。通常是养生长而不开花的植物。通常是早春或深秋早春或深秋植物植物, ,如如苍耳、牵牛、菊类、水稻、玉米、高梁、棉花、苍耳、牵牛、菊类、水稻、玉米、高梁、棉花、大豆大豆等。人为等。人为光照时间可促进开花。多起源光照时间可促进开花。多起源和分布在热带和亚热带地区。和分布在热带和亚热带地区。n中日照植物中日照植物(day intermediata plant):昼夜昼夜长度接近相等时才开花的植物长度接近相等时才开花的植物,如如甘蔗甘蔗只在只在12.5h的光照下才开花。仅少数热带植物。的光照下才开花。仅少数热带植物。n中间中间(日中日中)性植物性植物(day neut

14、ral plant)：只：只要其它条件合适要其它条件合适,在什么日照条件下都能开花。在什么日照条件下都能开花。如如黄瓜、四季豆、蒲公英、番茄黄瓜、四季豆、蒲公英、番茄及及番薯番薯等。等。n植物光周期现象对引种驯化和园艺工作中花期植物光周期现象对引种驯化和园艺工作中花期调控的重要性。调控的重要性。2.4.2 动物的光周期现象动物的光周期现象n根据光照对动物迁徙、繁殖等行为的影响根据光照对动物迁徙、繁殖等行为的影响,区区分为长日照动物和短日照动物分为长日照动物和短日照动物 。n长日照动物长日照动物(long-day animals)：在温带和高纬：在温带和高纬度地区许多鸟兽在春夏之际度地区许多鸟兽

15、在春夏之际白昼逐渐延长白昼逐渐延长的季的季节繁殖后代节繁殖后代,称长日照动物。如雪貂、野兔、称长日照动物。如雪貂、野兔、刺猬。刺猬。n短日照动物短日照动物(short-day animals)：一些动物只：一些动物只有在有在白昼逐步缩短白昼逐步缩短的秋冬之际才开始性腺发育的秋冬之际才开始性腺发育和进行繁殖和进行繁殖,称短日照动物。如绵羊、山羊和称短日照动物。如绵羊、山羊和鹿鹿等。等。n鱼类鱼类的生殖和迁移与光密切相关的生殖和迁移与光密切相关n昆虫昆虫的冬眠和滞育主要与光周期的变化有关的冬眠和滞育主要与光周期的变化有关(还与温度、湿度和食物有关还与温度、湿度和食物有关)动物光周期现象的应用：动物

16、光周期现象的应用：n延长光照可以：延长光照可以：增加鸡蛋产量增加鸡蛋产量;提高鱼鲑提高鱼鲑(salmon-大马哈鱼大马哈鱼)的生殖能力。的生殖能力。植物与光植物与光不同波长的光对植物的不同作用不同波长的光对植物的不同作用生理有效光与生理无效光生理有效光与生理无效光光补偿点、光饱和点光补偿点、光饱和点阳性植物、阴性植物与中性植物阳性植物、阴性植物与中性植物黄化现象黄化现象光质光质光强光强n总之总之,光质和光强对生物光质和光强对生物,尤其是植物的生尤其是植物的生长、发育、行为和形态建成等起重要作用长、发育、行为和形态建成等起重要作用;同时生物经过长期的进化同时生物经过长期的进化,形成了多种适应形成

17、了多种适应策略。策略。植物光周期现象生态热点：生态热点：臭氧问题臭氧问题n什么是臭氧？什么是臭氧？n为什么臭氧会成为人们关注的问题？为什么臭氧会成为人们关注的问题？n为解决这个问题已经采取了哪些措施为解决这个问题已经采取了哪些措施,成成效如何？效如何？臭氧层臭氧层地球的地球的“保护伞保护伞”距地球表面距地球表面 25-50km处有一臭氧层。臭氧是地球大气层中的处有一臭氧层。臭氧是地球大气层中的一种微量气体一种微量气体,它是由三个氧原子它是由三个氧原子(O3)结合在一起的蓝色、有结合在一起的蓝色、有刺激性的气体。它却能吸收太阳辐射出的刺激性的气体。它却能吸收太阳辐射出的 99% 的紫外线。的紫外

18、线。就像地球的一道天然保护屏障就像地球的一道天然保护屏障,使地球上的万物免遭紫外线的使地球上的万物免遭紫外线的伤害。因此伤害。因此,臭氧层也被誉为是地球的臭氧层也被誉为是地球的“保护伞保护伞”。臭氧层正在减少臭氧层正在减少近年来近年来,北极上空臭氧层也减少了北极上空臭氧层也减少了 20%。在被称为是世界上。在被称为是世界上“第三极第三极”的青藏高原的青藏高原,中国大气物理及气象学者的观测也发中国大气物理及气象学者的观测也发现现,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% 的速度减少。的速度减少。根据全球总臭氧观测的结果表明根据全球总臭氧观测的结果表明,除赤道外除

19、赤道外,1978-1991 年总臭年总臭氧每氧每 10 年间就减少年间就减少 1%-5%。英国科学家法英国科学家法尔曼等人在南尔曼等人在南极哈雷湾观测极哈雷湾观测站发现：在过站发现：在过去去 10-15 年间、年间、每到春天南极每到春天南极上空的臭氧浓上空的臭氧浓度就会减少约度就会减少约 30%, ,有近有近 95% 的臭氧被的臭氧被破坏。破坏。 南极上空的臭氧空洞南极上空的臭氧空洞臭氧层减少的原因臭氧层减少的原因自自 30 年代以来年代以来,氟氯碳氟氯碳( CFC )被广泛用作冰箱、冷被广泛用作冰箱、冷冻机。空调等设备的冻机。空调等设备的制冷剂制冷剂,聚氨醋泡沫聚氨醋泡沫和和聚乙烯聚乙烯/聚

20、苯乙烯泡沫聚苯乙烯泡沫中的中的发泡剂发泡剂,气雾剂制品中的气雾剂制品中的推进剂推进剂,电子线路板、精密金属零部件等的电子线路板、精密金属零部件等的清洗剂清洗剂及烟丝的及烟丝的膨胀剂膨胀剂等。等。哈龙哈龙则主要用作灭火器中的则主要用作灭火器中的灭火剂灭火剂。上。上述化学物质非常稳定述化学物质非常稳定,排到大气中可存留数十年排到大气中可存留数十年,甚甚至至 100 年左右年左右,因此最终会破坏臭氧层因此最终会破坏臭氧层 。臭氧层减少的危害臭氧层减少的危害皮肤癌患者每年增加皮肤癌患者每年增加 30 万万, 白内障患者每年增长白内障患者每年增长 170 万万; 农作物产量和质量下降农作物产量和质量下降

21、; 水体浮游生物生长受破坏水体浮游生物生长受破坏;引起光化学烟雾污染。引起光化学烟雾污染。 保卫地球的保卫地球的1515年年(1985-2000)1985年年3月月,21个国家的政府代表在奥地利首都维也纳个国家的政府代表在奥地利首都维也纳签署了签署了关于保护臭氧层的维也纳公约关于保护臭氧层的维也纳公约,标志着保标志着保护臭氧层国际统一行动的开始。护臭氧层国际统一行动的开始。1987年年9月月16日日,24个个国家签署了国家签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书书。议定书议定书的缔约方截止到的缔约方截止到2002年年6月已达到月已达到183个个,成为最为广泛接受

22、的国际公约。成为最为广泛接受的国际公约。科学观测表明科学观测表明,在低层大气中所有消耗臭氧层物质的在低层大气中所有消耗臭氧层物质的总浓度自总浓度自1994年已持续缓慢下降年已持续缓慢下降,而而CFC替代品的浓替代品的浓度则不断上升。这证明度则不断上升。这证明蒙特利尔议定书蒙特利尔议定书所采取所采取的控制措施已初见成效。的控制措施已初见成效。 第第2 2章章 生物与光生物与光n2.1 太阳辐射及其变化规律太阳辐射及其变化规律n2.2 光质变化对生物的影响光质变化对生物的影响n2.3 光强度变化对生物的影响光强度变化对生物的影响n2.4 生物的光周期现象生物的光周期现象n 生态热点：臭氧问题生态热

23、点：臭氧问题nl地球自转时地球自转时, ,赤道附近照射的时间长赤道附近照射的时间长( (日日周期周期) )nl地球公转时地球公转时, ,夏天北半球照射的时间长夏天北半球照射的时间长; ;冬天南半球照射的时间长冬天南半球照射的时间长( (季节周期季节周期) )nl低纬度地区有较为恒定的热量低纬度地区有较为恒定的热量, ,高纬度高纬度比低纬度地区接受的能量更少比低纬度地区接受的能量更少2.3.1 光照强度的变化光照强度的变化n纬度变化：纬度变化：光照在赤道地区最大光照在赤道地区最大,随纬度的增随纬度的增加而逐渐减弱。加而逐渐减弱。n海拔变化：海拔变化：随海拔高度的增加而增强。随海拔高度的增加而增强。n坡向、坡度变化坡向、坡度变化：南坡光照比北坡强：南坡光照比北坡强,坡度小坡度小的比坡度大的强。的比坡度大的强。n四季、一天变化：四季、一天变化：夏季及中午最大夏季