水域生态学：02 水环境--术语

1、Chapter 1 Aquatic Environment水环境Outline Basic ecological terms and conceptsWater properties and hydrological cycleMain physio-chemical factors and their effects on aquatic organismsMajor features of lakesMajor features of streams and riversMajor features of Wetlands 1. 生态学术语和概念Common Ecological Term

2、s and Concepts1.1 生态学术语(Ecological terms)环境(Environment)：某一特定生物体或生物群体周围一切事物的总和。生物因子(Biotic factors)：对特定有机体产生影响的生物成分，即该有机体与其他有机体的相互关系。非生物因子(Abiotic factors)：非生物成分，影响特定有机体的物理环境和化学环境。非生物环境因子包括土壤、水、空气、光、营养盐等等。 环境(生态)因子作用的基本特点综合性非等价性：directing, controlling, limiting主导因子(dominant factor)：对生命系统起关键作用的因子限制因子

3、(limiting factor)：任何接近或超过生命系统的耐受限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散的因素可补偿性和不可替代性-阶段性 直接性和间接性条件(Conditions)：引起有机体对之作出反应的可变环境因子为条件，如温度、酸度、盐度等。条件是不可消耗的 (not depletable)资源(Resources)： 有机体利用或消耗 (deplete ) 的任何东西属于资源，如：花蜜是蜜蜂的资源，光是所有植物的资源，水是所有生物的资源环境变化(Environmental variation)：大多数有机体都面临着在不同时间尺度上外部环境的连续变化，有些环境因子每秒或每分钟都在改变，如光照强

4、度；另一些因子则有日变化、季节变化甚至更长时间内的变化（如冰川周期）生命系统与非生物环境关系的基本形式生态作用(ecological action)：环境对生命系统的影响生态适应(ecological adaptation)：生命系统改变自身的结构与过程，以便与其生存环境相协调的过程生态反作用(ecological reaction)：生命系统反过来对环境的影响和改变生境/栖息地(Habitat)：动物或植物日常生活的地方，通常以优势植物类群或特定物理特征进行描述，如溪流生境、森林生境微生境(microhabitat): 栖息地中的一个特定部分，是一个个体在任何特定时间的活动过程中所遇到的部分

5、适应(Adaptation) ：有机体所具有的有助于生存或繁殖的任何可遗传特征，可以是行为、形态或生理的特征。适应是自然选择的结果趋同适应(Convergence)：在相同条件下，不同种类的有机体产生彼此相似的特征的过程-是对特定的选择性条件产生相似的适应性反应。e.g. 全球分布的红树植物，具有典型的革质或肉质叶、支撑根、胎生(viviparity)。生活型(Growth form): Morphological categories of plants, such as trees, shrubs, and vines.水草：挺水、漂浮、浮叶、沉水趋异适应适应辐射(Adaptive rad

6、iation)：从同一祖先分化出不同形态，以适应显著不同的生活方式的进化(Evolution)。从一个祖系而来的大量遗传分化(Divergence)使得很多新种得以出现，每一新种适应于利用新的资源或新的（或刚空出的）生境。生态型(Ecotype) ：Subspecies or race adapted to a particular set of environmental conditions 桔生淮南则为橘，生于淮北则为枳Victoria湖的丽鱼科鱼类 ,Mwanza Gulf的东非人称为 furu，意为漫游者 (wanderer)一组关系密切的种类，来自于同一祖先(ancestor);在

7、相对短的时期内，进化出多样的形态、色彩、行为模式；令科学家高兴的是，新种的出现、变化和消失，就实实在在地发生在他们的眼前；丽鱼科鱼类的适应辐射（趋异）从少数祖先产生出很多种类，是最令人惊叹的事件之一，而且作为活的有机体，其进化的各个不同阶段都可被观察到。我国云南也存在：洱海四种土著鲤The adaptive radiation of cichlid fish in Lake Malawi, East Africa, into a vast number of niches.(from Lowe-Mcconnell 1987)(短期)驯化（Acclimation）：较长时间暴露于特定条件下，个体

8、的生理速率或行使某一功能的能力发生改变适应环境(长期驯化Acclimatization) ：对于环境条件变化，有机体产生相应的生理或形态的改变泛化种(Generalist)：对食物、生境等适应范围宽的种特化种(Specialist)：只利用某一严格生境或资源的种特化(Specialization)：形态或功能上的适应，使得个体能特别好地适应于某一有限的生境、资源或环境条件范围；这是受限制条件下的进化过程生态耐受性(Ecological tolerance): 一个种类所能生存的条件范围调节者(Regulators)：不论处于何种温度、pH 或溶解物下，都能维持体内环境稳定的生物顺应者(Conf

9、ormers)：内环境随外部条件变化的生物最适(Optimum): 有机体最适合的窄小的环境条件范围1.2 生态学定律利比希最小因子定律(Liebigs Law of the Minimum)：任何生物学过程都受对其需求而言相对最少的因子所限制。亦即，个体或种群的生长受其必需营养物中量最少的一种的限制。现代观点：任何过程都不可能只有一个限制因子，可能有多种营养物同时限制生长，而混合营养物可能联合促进生长。谢尔福德耐性定律(Shelfords Law of Tolerance)：物种的分布受有机体耐受范围最窄的环境因子所控制。亦即，有机体生活于限制它们存活的物质或条件的最大值和最小值范围之内。物

10、种在环境条件方面表现的一般模式图 繁殖 生长 存活 环境条件有机体表现另外两个因子使得耐受限的确定变得复杂化：其一，物种能在生理上驯化适应某些环境因子；其二，对一个环境因子的耐受限取决于其它环境因子的水平，例如，pH变化会影响很多鱼类对温度的耐受性。动物和植物都进化出了很多逃避机制，如迁徙 (Migration)(e.g., birds & insects etc.)、冬眠(hibernation) (e.g. squirrel, snake)、蛰伏(dormancy) (plant)、滞育(diapause) (insects)。2. 水的性质和水循环Water Properties & H

11、ydrological Cycle2.1 水的性质(Properties of Water)1. 密度(Density )：水温4时最大，唯一固化(成冰)时，体积变大，比重变小的物质2. 粘滞性(Viscosity)：大 水的特殊性质3.比热(Specific Heat)：大4. 热传导性：好(除水银外)5. 良好溶剂(Solvent)：离子和极性分子6. 表面张力(Surface Tension) ：大7. 太阳辐射的吸收和散射(Absorption & Scattering of Solar Radiation)8. pH中性水的物理化学特性极性分子a polar molecule是离子和

12、极性溶质的良好溶剂氢键(hydrogen bonds)内聚力(cohesive)附着力(adhesive)表面张力(Surface tension)高比热(high specific heat)水的特性A.密度 水的密度特点导致水温的分层(stratification)现象温 度密 度300.99565200.99821100.9997040.99997 00.999840冰 0.917水的特性B.粘滞性Temperature ()Viscosity( cP)01.7951.52101.31151.14201.00250.89300.80350.72490.65水的粘滞度随水温升高而下降水的特

13、性C. 热力学特性高比热(high specific heat)利于有机体维持稳定的体温；使海洋和大水体保持相对稳定的水温。高蒸发热 (或潜热latent heat)蒸发的冷却效应冰比水轻避免环境极端化水的性质热力学特性性质 定义 值 比热将1 g 水温度升高 1 所需的热能1 cal 或 4.2 J 融化热把1 g 0 的冰融化成0的水所需要的热能 80 cal 或 335 J 蒸发热蒸发1 g水所需要的热能0， 597 cal 或 2498 J 100, 536 cal 或 2243 J热导性在1 cm-1 梯度下穿过 1 cm2 横截面的热通量 (J cm-1s-1C-1) 0冰 0.0

14、22 0 0.005520 0.006040 0.0063水的特性D.表面张力和毛细管现象表面张力(surface tension)水分子间的氢键 水的表面张力体比水重，依靠腿上的疏水性微绒毛分散重量水上飘的蜥蜴 毛细管作用(Capillary action)(a) 毛细管中，附着力(adhesive forces )把水分子吸向管壁，其他分子受内聚力(cohesive forces)影响而被吸上去；(b) 较粗的管子中，少量水分子被吸向管壁，附着力不足以克服容器表面下水分子的内聚力，水面仅升高稍许。水的特性E.溶解性由于其极性，水是强溶剂几乎所有物质或多或少都可以溶于水几乎所有的水都含有一些

15、溶解物质：雨水含有溶解气体和微量矿物质湖水和河水含有0.1-0.2溶解矿物质海洋含有34溶解矿物质水的特性F.光学特性水表面反射510%吸收: 最先吸收红外、紫外和长波光红色光，短波光吸收相对较弱绿色光散射: 短波光强烈洁净水的颜色；当含悬浮物增加时，长波光散射增加浑浊IzI0ez 垂直消光系数，可从实测计算而来 =1/z2.303(lgI0 -lgIz)水生生活的利弊(Pros and Cons of aquatic life)优越性(Advantages): 稳定的温度环境支持自身总量的能量消耗少乃至无（浮力)水的流动性方便生物移动不利方面(Disadvantages):氧气含量低 (溶解

16、度低, 扩散受限制)水的粘滞性阻碍(retards)生物的运动(某些生物具有流线型身体, 其它的具有缓降装置).光照可能不足水生生物取得与水环境中性(neutral)密度的途径减少 (真骨鱼类bony fish) 或除去 (鲨鱼等) 硬骨骼部分充气的鳔 (植物也有类似现象!)积累脂质等代谢产物含较高的水分一些水生生物的运动方式2.2 水循环The Hydrological Cycle水圈循环示意图水的自然循环降水地下水或地表河流海洋。任何静止的水体，从树叶上的水滴到整个大洋的表面，都在不停蒸发。蒸发向大气补充水汽。即使是在积贮了千万年的冰川和冰帽、深海以及地下的水，都通过降雨或降雪的补充，而与

17、地表水和大气中水汽联系在一起局部地区的水循环，示主要途径A simplified depiction of the global water cycle. Flows are approximate, in cubic kilometers per year. Downward arrows signify precipitation, upward arrows evapotranspiration (ET). The upper horizontal arrow represents the transfer of moisture from sea to land; the lower

18、arrow represents runoff from land to sea. (Reproduced from Postel et al. 1996, after Gleick 1993.)Water balances of the continents. (From Dingman 2002.)地球上水的主要存储处、体积和平均滞留年限(mean residences times) (仿 Brown 1983修改) 库体积 (103 km3)百分比 循环时间 (年) 海洋1 370 000 94.2023 000 地下水 (积极交换的地下水)60 000 (4 000) 4.126 (0.275) 5 000 (300) 冰川/冰盖 24 000