《环境生态学导论》第二章：生物与环境

第二章环境与生物第一节地球上的生物第二节环境的概念及其类型第三节主要环境因子的生态作用第四节生态因子作用的一般规律第二章生物与环境第一节地球上的生物地球上的各种形式的生命一、生命的产生与进化（一）生命的起源地球水蒸气N2H2SH2NH3CH4紫外线46亿年前的大气成分为原始生命的产生提供了条件

“生命是蛋白质的存在方式，这个存在方式的基本因素在于它和周围外部自然界的不断新陈代谢”——《自然辩证法》

生命是高度组织化的物质结构，其分子基础是具有自我复制和具负载遗传信息功能的核酸等生物大分子，通过生物膜实现内部及内外的分隔，形成形形色色的细胞、组织与生物体，并借助外界能量的输入，通过一系列相互关联的生物化学过程而实现内外物质交换和自身的复制。

（二）生物种的概念生物种的概念物种是由内在因素（特殊、遗传、生理、生态及行为）联系起来的个体的集合，是自然界中的一个基本进化单位和功能单位。物种是客观存在的实体，不同物种之间存在明显的形态上的不连续性及不同形式的生殖隔离。基因型：种的遗传本质，生物性状表现必须具备的内在因素。种的性状分类表型：与环境结合后实际表现出的可见性状。（三）生物的协同进化1.生物的进化

生物是环境中的生物，生物是通过自然选择进化的。生命的存在过程就是不断适应新环境、改变新环境的过程，形成生物与环境间的相互补偿和协同发展的关系。2.生物的协同进化生物的协同进化主要是由于生物个体的进化过程是在其环境的选择压力下进行的，而环境不仅包括非生物因素，也包括其他生物。因此，一个物种的进化必然会改变作用于其他生物的选择压力，引起其他生物也发生变化，这些变化反过来又会引起相关物种的进一步变化。在很多情况下，两个或更多物种的单独进化常常互相影响，形成一个相互作用的协同适应系统（coadaptedsystem）。（1）昆虫与植物之间的协同进化（2）大型食草动物与植物的协同进化（3）互惠共生物种间的协同进化（4）协同适应系统生物协同进化的四种情况二、生物多样性（一）生物多样性概念定义生物多样性也就是“生物中的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性”。它包括动物、植物和微生物的所有种及其组成的群落和生态系统。生物多样性一般有四个水平：遗传多样性物种多样性生态系统多样性景观多样性遗传多样性又称为基因多样性，指广泛存在于生物体内、物种内以及物种间的基因多样性。任何一个特定个体的物种都保持着并占有大量的遗传类型。每个物种都有自己独特的基因库，使一个物种区别于其它物种。遗传多样性主要包括分子、细胞和个体三个方面的遗传变异的多样性。指在一个地区内物种的多样化，可以从分类学、生物地理学角度对一个区域内物种状况进行研究。物种多样性物种多样性的形成、演化；物种多样性受威胁的现状以及保持物种的永续性；物种多样性的编目；地球上物种的数量级；生物区系特点；物种的濒危和受威胁的状况；灭绝速率的变动及其机制；保护物种和持续利用。研究任务生态系统多样性指无机环境，如地形、地貌、气候、水文等；是生物群落多样性的基础。群落的组成、结构和功能的多样性。指生态系统组成、结构和功能在时间、空间上的变化，主要包括着物种流、能量流、水分循环、营养物质循环、生物间的竞争、捕食和寄生等。生境的多样性生物群落多样性生态过程多样性景观多样性指不同类型的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化和变异性。景观是一个大尺度的宏观系统。成线状或带状，是联系斑块的纽带，不同景观有不同类型的廊道。景观尺度上最小的均质单元，它的大小、数量、形状和起源等对景观多样性有重要意义。景观中面积较大、连续性高的部分，往往形成景观的背景。廊道斑块基质景观要素（二）影响生物多样性的因素1.物种生物量2.物种的属性3.生物地化循环4.系统的稳定性生物多样性决定着生物圈的整个外貌，但是生物多样性受到以下因素的影响：1.物种生物量具有高生物量的生态系统能够更好地发挥生物对环境的自我调节能力，使环境即使在遭受到较大的外界干扰时也不致变化太大，从而改变生态系统的性质。高生物量能支持高多样性。2.物种的属性不同的物种在环境中所扮演的角色也不同，它们对所在的生态系统产生量的积累，达到质的飞跃。3.生物地化循环生物多样性水平与土壤营养物之间有密切关系。生物多样性改善了系统内部生物地化循环的性质和过程，主要目的是使单一物种或小数量的物种在生存定居中失败，不使单种栽培在波动不定的环境中遭受毁灭性打击，改变目前生态系统变化的方向性。4.系统的稳定性系统的稳定性，就是系统的抗性和弹性。又称抵抗力，是生态系统受到干扰后产生变化的大小，即衡量系统受外界干扰而保持原状的能力；指生态系统干扰后恢复原来功能的能力。弹性抗性三、地球自我调节理论——Gaiahypothesis（一）Gaia假说的形成和发展该假说认为，地球表面的温度和化学组成是受地球表面的生命总体（生物圈）主动调节的。内容发展过程1969年LovelockJE提出1979年LovelockJE第一部著作《Gaia：对地球上生命的新认识》1988年LovelockJE第二部著作进一步修改和充实（二）Gaia假说的主要论点1．地球上所有生物都起着调控作用2．地球生态系统保持稳定性5．地球生理学是地球进化的方式3．地球本身是进化系统4．地球系统是有机整体1.00.00646090气压/105Pa13-53240～340459表面温度/℃1.7ml/L0.0%0.0%0.0%CH40.934%1.6%0.1%70ml/LAr20.946%0.1%0.0%痕量O278.084%2.7%1.9%3.5%N20.03%95.0%98.0%96.5%CO2现在的地球火星没有生命的地球金星地球和火星、金星上大气主要成分、浓度等因素的对比金星地球火星第二节环境的概念及其类型一、环境的概念环境指某一特定生物个体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。我们通常所说的环境为地球环境，包括：自然环境半自然环境社会环境又称为地理环境（geoenvironment）大气圈对流层岩石圈土壤圈生物圈水圈平均厚10km，包含有O2，CO2以及水气，粉尘和化学物质等。大气圈对流层岩石圈土壤圈生物圈水圈海洋，江河，湖泊，沼泽，冰川及地下水等连续不规则的圈层。地球表面坚硬的外壳，凹凸不平。覆盖在岩石圈表面并能生长植物的疏松层。也称全球生态系统，具有生命是最核心的部分。地球环境大气圈岩石圈水圈生物圈环境的类型微环境内环境地球环境区域环境宇宙环境半自然环境社会环境自然环境按环境性质分按环境主体分以人为主体的人类环境以生物为主体生物体以外的环境按环境范围大小分二、环境的类型不同尺度的环境三、环境因子的分类生物因素食物种内种间基本上是变动因素密度制约因素反应因素生物因素其他因素气候以外的自然因素水域环境土壤环境变动因素（非周期性变动）相对湿度水变动因素（有周期性变动）气候因素光温度稳定因素非密度制约因素非反应因素非生物因素综合性Мончадский（1953）Smith（1935）Nicholson（1933）Allee（1949）第三节主要环境因子的生态作用一、光因子的生态作用地球上生物生存和繁衍的最基本的能量源泉——光

（一）光照强度的生态作用与生物的适应1．对生物的生长发育和形态建成的作用光照强度对植物细胞的增长和分化、体积的增长和重量的增加关系密切；光还能促进组织和器官的分化，制约着器官的生长发育速度，使植物各器官和组织保持发育上的正常比例。蛙卵、鲑鱼卵在有光的条件下孵化快，发育也快。贻贝和生活在海洋深处的浮游生物在黑暗情况下生长较快。黑暗环境光照环境黄化现象（etiolationphenomenon）是光与形态建成的各种关系中最极端的典型例子，黄化是植物对黑暗环境的特殊适应。2．光照强度与水生植物在海洋表层的透光带上部，植物的光合作用量大于呼吸量在补偿点处，植物的光合作用量与呼吸消耗平衡沉降到补偿点以下又不能很快回到表层时死亡光的穿透性限制着植物在海洋中的分布：3．植物对光照强度的适应类型一定范围内，光合作用的效率与光强成正比，但到达一定强度光合效率不会再增加，若继续增加光强，光合效率下降，这点谓之饱和点。阳地植物：适应强光照地区生活。

蒲公英、蓟、杨、柳、桦、槐等阴地植物：适应弱光照地区生活。

连线草、铁衫、红豆衫、人参、三七等按照植物对光照强度的适应程度分为：光合作用饱和点光合作用率光强度光合作用呼吸作用CP阳地植物光合作用率光强度光合作用呼吸作用CP净生产力阴地植物阳地植物和阴地植物光补偿点位置示意图（Emberlin,1983）蒲公英柳树杨树人参三七铁杉阳地植物阴地植物（二）光质的生态作用与生物的适应随纬度增加而减少，随海拔升高而增加；冬季长波光增多，夏季短波光增多；中午短波光最多，早晚长波光较多。光质变化规律空间变化时间变化不同的光质对植物的光合作用，色素形成，向光性，形态建成的诱导等的影响是不同的。例如光合作用的光谱范围只是可见光区。可见光对动物生殖，体色变化，迁徙，毛羽更换，生长及发育等都有影响；紫外光有致死作用，特别是细菌，病毒及微生物，但昆虫对紫外光有趋光反应。生物的适应植物动物（三）生物对光周期的适应临界暗期（criticaldarkperiod）：指在昼夜周期中能诱导植物开花所需的最短或最长的暗期长度。根据植物对日照长度的反应类型分为：长日照植物短日照植物长短日照植物植物的光周期长日照植物：指如果给予比临界暗期长的连续暗期的光周期，花芽便不能形成，或花芽形成受到阻抑的植物，如牛蒡、紫菀、凤仙花和除虫菊等。短日照植物：指给与比临界暗期长的连续黑暗下的光周期时，花芽才能形成或促进花芽形成的植物，如苍耳、菊类、水稻、玉米、大豆等。长短日照植物：指在连续长日照条件后，如不给予短日照条件花芽就不能形成的植物，如具圆齿伽蓝菜、夜香树等。动物的光周期鸟类的迁移和生殖时间是由日照长度决定的。鱼类的生殖和迁移受光周期影响，特别是表层水中的鱼类。昆虫的代谢和发育受光周期的影响。哺乳动物的生殖和换毛受光周期的影响。长日照植物短日照植物凤仙花紫菀苍耳玉米大豆二、温度因子的生态作用及生物的适应北极热带荒漠热带草原（一）温度因子的生态作用1．温度与生物生长生物的三基点：参与生物生命活动中生理生化过程中的酶的活性有最低温度、最适温度、最高温度，相应的则是生物生长的“三基点”。在一定范围内，生物的生长速率与温度成正比。使蛋白质凝固，酶系统失活；高温低温将引起细胞膜渗透性改变、脱水、蛋白质沉淀等不可逆转的化学变化。2．温度与生物发育生物完成生命周期，通过繁衍后代得到延续，不仅要生长期，还要完成个体的发育阶段。最明显的是某些植物一定要经过一个低温“春化”阶段，才能开花结果，它就像信号开关一样，这个关不过，就不能完成生命周期。指植物在生长发育过程中，需从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育，而且某一特定植物类别各发育阶段所需要的总热量是一个常数。

式中，K——生物所需的有效积温

N——天数，d

t

——当地该时期的平均温度，℃

t0

——生物生长活动所需最低临界温度（生物学零度），℃温度与生物发育最普遍的规律（Reaumur，1735，法国）有效积温法则K=N（t-t0）生物发育时只有高于一定的温度时才起积极的效应，此时的温度称为生物学零度，即发育起点温度。有效积温法则在实际应用较多，如预测生物地理分布北界、预测来年害虫发生程度，还有成为制定农业气候区划、安排作物及预报农时的有利根据。生物学零度（二）极端温度对生物的影响及生物对极端温度的适应1．环境对生物的影响和生物对低温环境的适应生活在高纬度地区的恒温动物，其身体往往比生活在低纬度地区的同类个体大，因为个体大的动物，其单位体重散热量相对减少。贝格曼（Bergman）规律阿伦（Allen）规律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，是减少散热的一种形态适应，称为阿伦规律。2．生物对高温环境的适应生物对高温环境的适应表现在形态、生理和行为三个方面。有些植物生有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；有些可以反射红外线；还有些植物主要减低细胞含水量。动物对高温环境的一个重要适应是适当放松恒温性，在高温时吸收热量，等到环境适当或到阴凉处释放热量。植物对高温的适应动物对高温的适应3．温度与生物的地理分布温度因子包括节律性变温和绝对温度，制约着生物的生长发育，而每个地区又都生长繁衍着适应于该地区气候特点，特别是极端温度的生物。极端温度（最高温度、最低温度）是限制生物分布的最重要条件。温度可直接限制动物的分布。一般地，温暖地区生物种类多，寒冷地区生物种类较少。4．变温对生物的影响一般地，变温处理将有助于种子有效地萌发，变温能提高种子萌发率，是由于降温后可增加氧在细胞中的溶解度，从而改善了萌发中的通气条件；变温通过改变植物的生理现象，如呼吸、蒸腾等，结果可以造成糖分在体内的大量聚集。三、水因子的生态作用及生物的适应（一）水因子的生态作用1．水是生物生存的重要条件水是生物体的重要组成部分水是很好的溶剂水是生物新陈代谢的直接参与者，是光合作用的原料水是生命现象的基础降水在地球分布的不均匀导致动植物分布的不均匀，物种数量也有差异。2．水对动植物生长发育的影响3．水对动植物数量和分布的影响水分对植物生长“三基点”：最高、最适和最低低于最低点，植物萎蔫、生长停止高于最高点，根系缺氧、窒息、烂根处于最适点，是植物最优的生长条件对于动物，水分不足可以引起滞育或休眠（二）生物对水因子的适应1．植物对水因子的适应（1）陆生植物对水因子的适应陆生植物要维持水分平衡，必须增加根的吸收和减少叶的蒸腾，如气孔能够自动开关，当水分充足时便张开交换气体，但当干旱缺水时则关闭减少水分散失。水生植物有发达的通气组织，还有不发达或退化的机械组织及水下带状、线状的叶片。（2）水生植物对水因子的适应（3）植物的分类水生植物沉水植物，浮水植物陆生植物湿生植物，中生植物，旱生植物2．动物对水因子的适应（1）水生动物的渗透压调节不同类群的水生动物有着各自不同的适应能力和调节机制。渗透压调节可以通过限制外表对盐类和水的通透性，改变所排出的尿和粪便的浓度与体积，逆浓度梯度地主动吸收或主动排出盐类和水等的方法里实现。影响陆生动物水平衡更多的是环境中的湿度，动物在形态结构上、行为上、生理上都有不同程度的适应。如两栖类体表分泌黏液以保持湿润，昆虫、爬行类、啮齿类等白天躲在洞内夜里出来活动，荒漠鸟兽具有可重新吸收水分功能的肾脏。（2）陆生动物对环境湿度的适应四、土壤因子的生态作用及生物的适应（一）土壤因子的生态作用土壤是岩石圈表面能够生长动物、植物的疏松表层，是陆生生物生活的基质，它提供生物生活所必须的矿物质元素和水分。因而，它是生态系统中物质与能量交换的重要场所；同时，它本身又是生态系统中生物部分和无机环境部分相互作用的产物。由于植物根系和土壤之间具有极大的接触面，在植物与土壤之间发生着频繁的物质交换，彼此强烈影响，因而土壤是一个重要的生态因子。土壤概况土壤中的各种组分以及它们之间的关系，影响着土壤的性质和肥力，从而影响生物的生长。土壤中的有机质类物质能够为植物生长提供足够营养物质，矿物质为植物生长提供必需的生命元素，如果这些元素缺失的话，植物将发生生理性病变。土壤能为植物生长提供水、热、肥、气，从而满足植物的生长需求。土壤中的各种组分以及它们之间的关系土壤中的生物区系，对土壤中有机物质的分解和转化，促进元素的循环，并能影响、改变土壤的化学性质和物理结构，构成了各类土壤特有的土壤生物作用。根际微生物群是依赖植物而获得它的主要能源和营养源。根际微生物与植物关系密切的表现是生物固氮和共生。土壤中的生物区系（二）植物对土壤因子的适应植物对于长期生活的土壤会产生一定的适应特性。因此，形成了各种以土壤为主导因素的植物生态类型。可划分为酸性土、中性土、碱性土植物根据植物对土壤酸度的反应：根据植物对土壤中矿质盐类（如钙盐）的反应：可划分为钙质土植物和嫌钙植物可划分出盐土和碱土植物根据植物对土壤含盐量的反应：盐碱土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土的统称。在我国内陆干旱和半干旱地区，由于气候干旱，地面蒸发强烈，在地势低平、排水不畅或地表径流滞缓、汇集的地区，或地下水位过高的地区，广泛分布着盐碱化土壤。在滨海地区，由于受海水浸渍，盐分上升到地表形成次生盐碱化。盐碱土所含的盐类，通常最多的是NaCl、Na2SO4、Na2CO3以及可溶性的钙盐和镁盐。其中盐土所含的盐类主要为NaCl和Na2SO4，这两种盐类都是中性盐，所以一般盐土的PH值是中性的，土壤结构尚未破坏。盐碱土土壤的碱化过程是指土壤胶体中吸附有相当数量的交换性钠。一般交换性钠占交换性阳离子总量20％以上的土壤称为碱土。碱土含Na2CO3较多（也有含NaHCO3或K2CO3较多的），碱土是强碱性的，其pH一般在8.5以上，碱土上层的结构被破坏，下层常为坚实的柱状结构，通透性和耕作性能极差。土壤的碱化过程盐类对多数植物危害程度的大小，可按下列次序排列：

MgCl2＞Na2CO3＞NaHCO3＞NaCl＞MgSO4＞Na2SO4

阳离子：Na+＞Ca2+

阴离子：CO32－＞HCO3－＞Cl－＞SO42－典型盐碱地（1）引起植物的生理干旱（2）伤害植物组织（3）引起细胞中毒（4）影响植物的正常营养（1）土壤的强碱性能毒害植物根系（2）土壤物理性质恶化，土壤结构受破坏，质地变劣，透水性差1．盐土对植物的影响2．碱土对植物的影响盐碱土植物是植物对盐碱生境适应的最好表现。3．植物对盐碱土的适应聚盐性植物、泌盐性植物、透盐性植物根据对过量盐类的适应特点分为：旱生盐土植物、湿生盐土植物盐土植物分为：第四节生态因子作用的一般规律一、生态因子的概念生态因子是指环境中对生物生长，发育，生殖，行为和分布有直接或间接影响的环境要素。1.生态因子如温度，湿度，食物，氧气，二氧化碳和其他相关生物等。2.生态因子与环境因子的关系环境因子指生物有机体以外的所有环境要素，是构成环境的基本成分。生态因子则指环境要素中对生物起作用的部分。生态因子和环境因子的概念：环境中的各种生态因子彼此联系、互相促进、互相制约，任何一个单因子的变化必将引起其他因子不同程度的变化，对生物起到不是单一的而是综合的作用。二、生态因子作用的一般特征1．生态因子的综合作用2．

主导因子作用

对生物起决定性作用的生态因子即为主导因子。3．直接作用和间接作用4．生态因子的阶段性作用5．生态因子的不可代替性和补偿作用区分生态因子的直接作用和间接作用对生物的生长、发育、繁殖及分布很重要。生态环境的规律性变化导致生态因子对生物的阶段性作用。各种生态因子的存在都有其必要性，主导因子的缺乏可影响生物生长甚至死亡，所以不可代替，但在综合作用过程中可局部补偿。三、生态因子的限制性作用1.限制因子生物的生存和繁殖依赖于各种生态因子的综合作用，但是其中必有一种和少数几种因子是限制生物生存和繁殖的关键性因子，这些关键性的因子就是限制因子。任何一种生态因子只要接近或超过生物的耐受范围，它就会成为这种生物的限制因子。2.Liebig最小因子定律

19世纪，德国有机化学家Liebig认为：植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养成分，基本思想是，每种植物都需要一定种类和一定量的营养物质，如果环境中缺乏其中的一种，植物就会发育不良，甚至死亡。如果这种营养物质处于最少量状态，植物的生长量就最少。人们把这种思想称为“Liebig的最小因子定律”。（1