大二上学期 植物地理学ppt课件5.3 植物生活与环境-温度条件（正式）

第三章植物生活与环境第三节温度条件太阳辐射温度变化的影响因素纬度、地形、植物的垂直高度、根系深度等。北半球冬季南半球夏季北半球春季南半球秋季北半球夏季南半球冬季北半球秋季南半球春季温度的季节变化温度的日变化一、植物生命活动与温度条件二、极端温度的生态影响与植物适应三、温度节律与植物物候节律(一)温度对植物生理过程的生态作用(二)温度对植物生长的生态作用

(三)植物的需热量植物的生理过程如物质(水、盐类)的吸收、有机质的合成和运输、呼吸作用等都包含许多复杂的物理和化学的综合反应，它们的反应速度在一定范围内随温度上升而加快，但超过最适点后，因为蛋白质(酶)活性降低，反应速率反而下降。可见，植物的各种生理过程存在一下温度耐性范围，即最低温度、最适温度和最高温度。温度三基点发芽最适温度：25-32oC最高温度：8oC最低温度：45oC什么是酶？酶——活细胞内产生的具有生物催化功能的高分子物质。绝大多数的酶是蛋白质，少数的酶是RNA。丙糖磷酸异构酶（TIM）三维结构的飘带图和半透明的蛋白表面图显示。嘌呤核苷磷酸化酶三维结构的飘带图示，不同的氨基酸残基用不同颜色显示。酶的特性(1)专一性(2)酶失活一般情况下，酶在常温、常压和中性水溶液条件下可以正常发挥催化活性。在极端条件下，包括高温、过高或过低pH条件等，酶会失去催化活性，这被称为酶的失活。通常情况下，酶对于其所催化的反应类型和底物种类具有高度的专一性。1温度与植物水分代谢2温度与植物光合作用3温度与植物呼吸作用Back

水分代谢(watermetabolism)水分吸收水分代谢作用--维持植物体内水分平衡运输散失植物吸水需要适宜的温度条件。菜豆吸水强度：0-30oC吸水率：20oC=10030oC=1305oC=60低温会限制植物吸水。烟草南瓜当土温降到2oC时高温也会限制植物吸水。当土温在30～35oC时柑橘葡萄温度对蒸腾作用的影响。蒸腾作用——水分以气态形式通过植物体表面散失到体外过程。植物吸收水分代谢散失1~5％95~99%(1)温度高低会影响蒸腾作用，一般来说气温越高，蒸腾超强。(2)温度会影响叶面温度和气孔闭合，叶温高于气温，蒸腾加强。0204060植物光合作用需要适宜的温度，主要通过暗反应实现。温度光合作用吸收的CO2量光合最适温度最低温度最高温度各类作物光合作用的温度三基点

C4和CAM植物>C3植物热带>温带>寒带低海拔>高海拔作

物测定温度（℃）最适温度（℃）水

稻18～3818～32籼

稻20～4025～35高

梁30～6040～45甘

薯23～3623～33大

豆

5～4015～30棉

花22～5525～40向日葵20～4823～35黄

瓜20～4026甜

瓜20～4028南

瓜20～4532～40西

瓜17～4524～35梨20～4532茶

树10～3520～35甜

菜10～3525在自然的CO2浓度和光饱和情况下不同植物光合作用的温度三基点(℃)植物种类最低温度最适温度最高温度草本植物热带C4植物C3植物温带阳性植物阴性植物CAM植物夜间固定CO25～7-2～0-2～0-2～0-2～035～4520～3020～3010～205～1550～6040～5040～50约4025～30木本植物春天开花植物和高山植物热带和亚热带常绿乔木干旱地区硬叶乔木和灌木温带冬季落叶乔木常绿针叶乔木-7～20～5-5～1-3～1-5～310～2025～3015～3515～2510～2530～4045～5042～5540～4535～42注:引自姜汉侨，2004.呼吸作用——是生物体细胞把有机物氧化分解并产生能量的化学过程，又称为细胞呼吸。呼吸作用无氧呼吸有氧呼吸呼吸作用是一种酶促氧化反应。C6H12O6(水溶液)

+6O2(气态)→6CO2(气态)

+6H2O(液态)植物呼吸作用的温度范围一般为-10～50oC；最适温度为30～40oC。当温度从10oC上升到45oC时，呼吸强度增加10倍。当温度超过50oC后，呼吸强度立即下降，几分钟后死亡。植物呼吸三基点：高温地区<寒冷地区1200m600m不同植物生长的温度三基点差异很大。热带树种，月均温18oC以上才能生长。温带果树生长最低温度为10oC左右。开花的苹果树红松新梢生长的最低气温为6oC左右。红松主要分布在日本、朝鲜、俄罗斯以及中国大陆的吉林山区及小兴安岭、东北长白山区等地，生长于海拔150米至1800米的地区，常生于林中和向阳地。种子萌发温度特性植物最低发芽温度oC耐寒大麦、小麦1～2耐寒甜菜、亚麻3～4喜温玉米、小米8～10喜温水稻、棉花12～14热带椰子30温带树种(油松、侧柏、刺槐)最低温度：0~5oC最适温度：25~30oC最高温度：35~40oC种子形成大多需要较高温度；根生长所需要的最低温比茎生长相对低。根生长在土温20℃的春秋季生长最快，在炎热夏天生长最慢；树冠（枝叶）刚好相反。因此，随着温度的上升，植物地上与地下两部分生长的差异逐渐增大。植物各个器官生长要求的温度不同。树冠温度也同样影响植物的根生长，树冠温度较高，蒸发和蒸腾强度高，树冠对碳水化合物和水分的竞争加强，从而降低了根生长速度。气温、土温和树冠温度对植物不同器官生长的影响不同。根生长主要受到土壤温度的影响茎生长主要受控于气温植物自身体温直接影响植物生长发育和各种生理过程。植物体温主要决定于植物吸热与耗热之间的平衡，主要影响因子包括太阳辐射、风、植物蒸腾、植物器官形态和颜色等等。

晴天叶温一般比气温高5~10℃，阴天天时二者相近；在冬天白天气温只有-5℃时，温带针叶树的叶温可达17~19℃。同株植物不同器官的体温差异很大。1春化作用3植物需热的生态类群Back2积温与有效积温1春化作用(vernalization)某些植物需要经过一个低温刺激才能开花的现象,需要低温刺激的发育阶段称为“春化”阶段。

苏联生物学家—李森科需要春化的植物：冬性1年生植物：冬小麦、冬黑麦(2)2年生植物：

芹菜、胡萝卜、萝卜、葱、白菜、荠菜、天仙子。脱春化作用

植物在春化作用结束之前，如果遇到较高的温度，则低温的效果会被减弱或消除。荠菜性喜温和，只要有足够的阳光，土壤不太干燥，荠菜都可以生长，分布在全世界的温带地区，性喜温暖但耐寒力强。天仙子即莨菪，一年或二年生草本植物，生于林边、田野、路旁等处，有少量栽培。积温=日平均温度×天数积温也是一个热量指标。温度对植物的影响包括温度强度和持续时间两个方面。

积温学说3个基本论点：1在其他条件满足的前提下，温度对植物起主要的作用。

2植物开始发育要求一定的下限温度，也存在上限问题。

3完成某一阶段的发育需要一定的积温。英国的JMMonteich

提出的积温学说。每一种植物在生长发育过程中都需要一定数量的积温才可以完成某阶段的发育，温度升高可以使植物发育加快，缩短生长期。出苗——现蕾18.5oC×41.5d=767.75oC20.0oC×38.5d=770.00oC41.5-38.5=3day1活动积温高于生物学下限温度的日平均温度称为活动温度。生物某一生育期或全生育期中活动温度的总和，称为活动积温。积温的种类2有效积温活动温度与生物学下限温度的差值称为有效温度。生物某一生育期或全生育期中有效温度的总和，称为有效积温。Y=Σ(t),(t>B,当t≤B时以0计)A=Σ(t-B),[t>B,当t≤B时(t-B)以0计]植物的生长发育需要一定的温度范围，低于某一温度，植物的生长发育就停止，高于这一温度，植物才开始生长发育，这一温度称为生物学零度。生物学下限温度(生物学零度)类型温度温带植物5~6℃亚热带植物10℃热带植物>18℃利用物候观测法可以求算生物学下限温度。见书本P101表3-4。作物发育期下限温度/oC有效积温/oC水稻播种—出苗出苗—拔节抽穗—成熟10~1210~1210~1530~40600~700150~300冬小麦播种—出苗出苗—分渠拔节—抽穗抽穗—黄熟337370~100130~200150~200200~300棉花播种—出苗出苗—现蕾开花—裂铃10~1210~1315~1880~130300~400400~600三种农作物主要发育期的有效积温有效积温法则植物在生长发育过程中，必须从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育，而且植物各个发育阶段所需要的总热量是一个常数。K为有效积温(常数)N为发育历期即生长发育所需时间T为发育期间的平均温度C为生物发育起点温度(生物学零度)发育时间N的倒数为发育速率

K=N·(T-C)从有效积温公式推算出K和C

如果能在两种温度(T1,

T2)的实验中,分别观察记录两个相应的发育历期(N1,

N2),

就可以求出热常数(K)和发育起点温度(C)。

K=N·(T-C)

例1

地中海果蝇在26℃下发育需要20天,19.5℃下需要41.7天，根据K是一常数的原理：

N1(T1-

C)=

N2(T2-

C)

所以

C=(N2T2–

N1T1)/(N2-N1)=13.5

K=N(T-C)=250

这就是说地中海果蝇的发育起点温度为13.5℃,完成发育需要的有效积温共250℃。

例2

玉米象在温度为18℃,相对湿度70%和小麦含水量14.2%时，完成一个世代需要110.1天；而在温度为30℃,相对湿度和小麦含水量与上述条件都相同的情况下，完成一个世代只需要28.4天.

玉米象的发育起点温度：

C=(N2T2–

N1T1)/(N2-N1)=13.8℃

玉米象的有效积温：

K=N(T-C)=462.4有效积温法则的意义预测生物发生的世代数预测生物地理分布的北界预测害虫来年的发生情况制定农业气候区划，合理安排作物预报农时

有效积温(K)和发育起点温度(C)决定后，可以推测一种昆虫在不同地区可能发生的世代数。

确定一种昆虫完成一个时代的有效积温(K)，根据气象资料，计算出某地对这种昆虫全年有效积温的总和(K1)，两者相比，便可以推测该地区1年内可能发生的世代数(N)。N

=

K1/K

如果N<1，意味着在该地全年有效积温总和不能满足该虫完成一个世代的积温，即该虫1年内不能完成一个世代。如果这种昆虫是1年发生多个世代的昆虫(不是多年发生一个世代的昆虫)，也将会成为地理分布的限制。例如：如果N=2，该虫在当地1年可能发生2代；如果N=5.5，该虫在当地1年内可能发生五六代。温度生态类群(一)低温胁迫与植物适应(二)高温胁迫与植物适应1低温胁迫2植物对低温的适应3影响植物抗寒性的因素1低温胁迫(1)冻害发生于零下低温,植物细胞结冰受伤害的现象。(2)冷害起源于热带的植物遇到零度以上的低温也会受害。(3)低温对植物间接影响低温降低植物的吸水能力,但对蒸发没有影响,结果导致生理干旱。茶株叶子受到冰害小麦冻害茶园冻害黄瓜冻害冻裂气温突然降低,树干内外温度不同、收缩不同,导致树皮破裂的现象。在北温带西南坡,下午太阳直射导致树干表面温度较高,入夜后迅速降温,冻裂现象尤其常见.冻裂不仅降低木材质量,还可能成为病虫害入侵的场所。冻拔:在黏重而潮湿土壤上,冻融交替,造成树苗根系上升出土的现象。冻害冷害温度条件<0oC>0oC发生季节冬季或早春深秋温暖季节生理反应细胞脱水结冰细胞膜受损危害作物冬作物、果树喜温作物作物状态越冬期、停止生长期积极生长危害后果植株部分或全株死亡、减产或绝收花器官受害或延迟生育、减产冻害、冷害的区别竹芋冷害袖珍龟背竹冷害太阳神冷害

大叶伞冷害低温降低植物的吸水能力,但对蒸发没有影响,结果导致生理干旱。我国北方冬季或早春,土壤冻结、根系处于休眠状态,如果气温过暖,地上部蒸腾失水过多,常常造成生理干旱。

低温还会降低细胞膜透性,抑制根对营养元素的吸收,破坏正常代谢。另外,低温会伤害芽和一年生枝顶端,从而影响树型和干型,使乔木变成灌木状。

低温通过缩短生长季对植物产生间接影响,而且与其他因素如湿度、土壤肥力有效性等共同作用。(1)形态结构适应(2)生理适应(3)行为适应(1)形态结构的适应生长在高山上的植物，一般体积矮小，茎叶多毛，有的还匐匍着生长或者像垫子一样铺在地上，成为所谓的“垫状植物”。高山植物——是指能在林线以上的高山带生长的植物。

雪莲生长在海拔4800～5500米之间的高山寒冻风化带。雪莲个体不高，茎、叶密生厚厚的白色绒毛，既能防寒，又能保温，还能反射掉高山阳光的强烈辐射，免遭伤害，所以这也是对高山严酷环境的一种适应。寒冷地区植物最明显的趋同现象为小叶化,草本和硬叶植物的叶片厚度分别增加10%与40%,表皮细胞壁与角质层分别增厚200%与600%,具有保护作用,可减弱机械性损害。湿冷生植物的叶片保护组织发达、细胞间隙大,适应生长在寒冷潮湿环境;石楠型种类如杜香(Ledum

palustre)具小型革质越冬常绿叶,储存营养物质,早春即可活动.(2)生理适应极地和高山植物在可见光谱中的吸收带较宽,并能吸收更多的红外线。

高山上的花卉因为常受到强烈紫外线的照射，植物体因而产生“类胡萝卜素”和“花青素”等物质来吸收紫外线保护自己，使得花朵的颜色特别艳丽，当然也会吸引昆虫，增加传粉的机会。台湾黑斑龙胆虎耳草和十大功劳等植物的叶片在冬季由于叶绿素破坏和其他色素增加而变为红色,有利于吸收更多的热量。虎耳草十大功劳温带植物抗寒性随秋季气温的逐步降低而逐渐增强的现象.抗寒锻炼(coldhardiness)。即使抗寒性潜力很强的植物,如果未经抗寒锻炼,抗寒力也很弱,因此抗寒锻炼对植物越冬抗寒具有重要意义。如果气温升高并持续一段时间后,植物经过长期锻炼获得的抗寒性会很快丧失,这时如果再遇到严寒即受冻害。天南星科(Araceae)的一些植物,能利用代谢产热,维持花的温度,称为产热植物或者恒温植物。北美东部落叶林下的一种臭松属植物(Symplocarpus

foetidus),在气温较低且波动剧烈(-15~15℃)的1-3月开花,开花期间能释放大量热量,维持花温比周围气温高15~35℃。(3)行为适应植物对低温的行为适应,主要表现在生长方式、向热移动与休眠方面。东非肯尼亚的半边莲(Lobeliakeniensis)具有莲座叶,白昼叶丛开放、增加热量吸收,夜晚则闭合包围生长锥、减少热量散失。在82°N的加拿大西北领地的爱丽斯米尔岛,夏季白天气温只有15℃,但是全缘仙女木(Dryas

integrifolia)的花,像向日葵一样向日转动,以最大程度地吸收太阳辐射,使花的温度保持在25℃左右,以保证正常的光合作用。植物的抗寒性因种而异,也是制约植物分布的重要因素。(3)同种植物不同阶段,抗寒性也有很大差异:(1)北方植物>南方植物(2)不同品种的抗寒性也不同:如粳稻(冷凉环境)的抗寒性>籼稻(高温环境).如木本植物休眠时的抗寒力最强.(4)同种植物不同器官的抗寒性也不同:一般以休眠的种子最强,花最敏感.表3-6不同植物的抗寒和抗热能力1高温危害2植物对高温的适应(1)避热适应(2)耐热适应(3)需热适应直接伤害间接伤害影响细胞质结构,植物快速受害。导致代谢异常,植物逐渐受害。--破坏生物膜,影响正常生理功能,导致细胞死亡;--导致蛋白质变性,原生质和酶活性丧失甚至凝固;--形成层和树皮组织局部死亡,使树皮呈斑状死亡或片状剥落,称为皮烧;--地表高温会直接灼烧树苗根茎,形成环带,甚至全株死亡。直接伤害--高温导致植物呼吸速率超过光合速率,植物“饥饿”死亡;--高温抑制氮化合物的合成,铵积累导致毒害;--高温造成蛋白质合成速度减缓、降解加剧。间接伤害植物保持比气温低的体温,避免高温危害。(1)避热适应嫣白蔓栎树的深裂叶刺槐的小复叶散热效果较好的树叶干热生境中的甜瓜和西瓜通过强烈蒸腾大量耗水,使体温比气温低15℃左右。

在行为方面,植物主要依靠叶片运动、减小叶片与入射光线的角度,避免体温过高。例如,当光照过于强烈时,红花槭的叶片向下弯曲减少太阳辐射,防止温度过高。尽管植物体温比气温高,但仍然能维持正常的生命活动。(2)耐热适应霸王白刺海枣有些植物需要一定的高温作用才能发芽,称为夏化作用(sumorization)。(3)需热适应如一些火适应植物的种子,需要受热开裂,才能破裂种皮而发芽。CaponB和AsdallWV(1966)研究发现,莫哈韦沙漠(MojaveDesert)和索诺兰沙漠(SonoranDesert)有8种当地一年生植物,经过较高温度的预处理后,其发芽率都显著提高。其中,在50℃条件下经历5周的发芽率最高,未经过热处理和低温(4℃)处理的发芽率比较低,而过高温度(75℃)处理的发芽率都为零。(一)温周期对植物的生态作用(二)植物物候节律1.日温周期与植物生长发育2.年温周期与植物生长发育温周期现象(thermoperiod)植物的生长发育与昼夜温度变化同步的现象。植物对昼夜温差的反应,称为日温周期。发芽多数植物种子在变温下发芽良好,如毒芹(Alpium

praveolens)、草地早熟禾(Poa

pratensis)、鸭茅(Dactylis

glomerata)等。有些植物种子在恒温下与变温下发芽同样良好,如胡萝卜(Dausus

carota)、猫尾草(Phleurn

pratense)、黑麦草(Lolim

perenne)等。很多植物需要在夜温低于日温的条件下,才能正常生长。波斯菊生长在昼夜变温条件下(日温26.4℃,夜温19℃)比恒温条件下(均为26.4℃或19℃)重量增加1倍。喜温作物如番茄,茎的日生长量在日温(26.5℃)高于夜温(20℃)的情况下最高,产果也最多;相反在昼夜恒温(26℃或19℃)或者日温(20℃)低于夜温(26.5℃)的条件下生长都不好,果实形成受到抑制。树木如火炬松(Pinus

taeda)在夜温比日温低12℃的条件下,枝生长量最高(Kramer,1957)。一般说来,生长在温度日变化较大的大陆性气候植物所需要的日较差相对较大,在夜温比日温低10~15℃时生长发育最好;而海洋性气候中的植物需要的日较差相对较小,喜欢夜温比日温低5~

10℃。恩格曼氏云杉北美红杉光周期与温周期往往共同作用,影响温带许多木本植物的休眠——生长的年周期性变化。秋季受到短日照诱导、停止生长,在10~20℃时便调节代谢功能,进入早期休眠的初期状态,随后受到低温(<5℃)尤其是结冰温度(<0℃)的诱导,植物代谢功能进一步改变,进入早期休眠的末期状态;在更低温(-30~-50℃)的物理作用下,植物达到深休眠状态;春季受到长日照诱导,植物合成生长素,进入后期休眠状态;随后受到春季温度升高的诱导,植物打破休眠,恢复生长(Sakai&Larcher,1987)。除少数热带地区外,各地年内温度呈现出稳定的季节变化规律,植物长期适应于