环境生态学2013课件 第二章：生物与环境

第二章生物与环境第一节地球上的生物第二节环境的概念及其类型第三节生态因子作用的一般规律第二章生物与环境第四节主要生态因子的生态作用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(species)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。第二节环境的概念及其类型一、环境的概念环境(environment)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、环境因子的分类第三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。（地形）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。（鲑鱼的洄游）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。（光照与二氧化碳）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）该法则只能用于稳定状态下，物质和能量的输入和输出处于平衡状态。（2）应用该法则时，必须要考虑各种因子之间的关系。如果有一种营养物质的数量很多或容易吸收，它就会影响到数量短缺的那种营养物质的利用率。生物可以利用一种元素取代另一种元素来实行功能。它不但适用于营养物质，也适用于其他的生态因子。Liebig最小因子定律的补充：3.Shelford耐受性定律1913年，美国生态学家V.E.Shelford在最小因子定律的基础上又提出了耐受性定律，并试图用这个定律来解释生物的自然分布现象。他认为生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围，称生态幅。生态幅定义任何一个生态因子在数量或质量上的不足或过多，即当其接近或达到某种生物的耐受性限度时，就会使该生物衰退或不能生存。Shelford的耐受性定律可以形象地用一个钟形耐受曲线来表示。耐受性定律最适点低死亡限高死亡限环境梯度生长（生殖）最适区适宜区生物对生态因子的耐受曲线

广适性生物属广生态幅物种，狭适性生物属狭生态幅物种。对范围狭窄的环境条件具有极强的适应能力，但却丧失了在其它条件下的生存能力。对某一特定点的适应能力低。

各种生物通常在生殖阶段所能耐受的生态因子的范围比较狭窄。广生态幅物种狭生态幅物种疏花水柏枝仅分布于湖北巴东、秭归和四川巫山，生于低山河岸边及路旁。分布于三峡库区原海拔70～155m的消落带，三峡库区特有植物，现已濒危灭绝。三峡工程修建后它丧失其全部生境而成为濒危植物，但经过科学家的抢救与移栽，现在在宜昌大老岭森林公园,武汉植物园,三峡植物园均有移栽的疏花水柏枝。广生态幅狭生态幅狭生态幅环境梯度生长（生殖）广生态幅和狭生态幅物种（1）最小因子定律只考虑了因子量的过少，而耐受性定律既考虑了因子量的过少，也考虑了因子量的过多；（2）耐受性定律不仅估计了限制因子量的变化，而且估计了生物本身的耐受性问题。生物耐受性不仅随种类不同，且在同一种内，耐受性也因年龄、季节、栖息地不同而有差异；（3）耐受性定律允许生态因子之间的相互作用，如因子替换作用和因子补偿作用。

耐受性定律和最小因子定律的关系：内稳态(homeostasis):生物系统通过内在的调节机制使内环境保持相对稳定。内稳态通过形态、行为和生理适应实现。大多数内稳态机制依赖于负反馈过程。依靠三个基本组成成份：接受器；控制中心；效应器。实验驯化(acclimation)与气候驯化(acclimatization)：驯化(acclimation/acclimatization)：生物在实验／自然条件下，诱发的生理补偿变化，前者需要较短的时间，后者需要较长的时间。有机体对实验环境条件变化产生的生理调节反应称实验驯化；有机体对自然环境条件变化产生的生理调节反应称气候驯化，实验驯化是对环境条件改变的一种生理上而非遗传上的可逆反应。驯化的应用：植物的引种栽培生物内稳态及耐性限度的调整图2-5金鱼在两种不同温度下的驯化结果指示生物应用于生物监测大气污染指示植物：地衣、苔藓、紫花苜蓿水体污染指示生物：严重污染：颤蚓、摇蚊幼虫、小颤藻等中等污染：被甲栅藻、四角盘星藻、美洲眼子草等清水水体：纹石蚕、田螺、时状针杆藻等第四节主要生态因子的生态作用一、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：光合作用饱和点植物的光补偿点示意图(Emberlin,1983)净生产力AaA光合作用率光合作用率光强度光强度光合作用呼吸作用ABBCP光补偿点CPCPbspsp光饱和点B阳地植物阴地植物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

（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

植物动物光质的应用（1）利用昆虫的趋光性诱杀农业害虫。（2）利用有色薄膜改变光质，影响植物生长，达到增产，改善品质。光质调控薄膜的基本构成和普通薄膜一样,只是在合成过程中加入特定的化学色素。这种色素能选择性地吸收某一波长范围的光线,从而改变其覆盖环境下的光质。①红外光吸收膜:能吸收自然光中的红外光(FR700～800nm),该种薄膜主要用于防止幼苗徒长,培育健壮幼苗。②红光吸收膜:能吸收自然光中的部分红光(R,600～700nm)，它主要用于增加植株高度或侧枝长度,如鲜切花生产等特殊目的栽培。③热线吸收膜:能吸收部分红外光及远红外光,阻止热线进入室内,从而降低室内温度,此膜多用于夏季栽培，也有控制植株高度的效用。（三）生物对光周期的适应光周期现象（photoperiodism）：

Garner（1920）等人发现明暗交替与长短对植物的开花结实有很大影响。这种植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应，成为光周期现象。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：指光照时间超过一定时间（临界光期）才能开花，否则花芽便不能形成，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：指光照时间必须小于临界光期，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）地中海果蝇发育历程与温度关系T=T0+K/NT=T0+K（1/N）例题：假设蚕卵在平均气温15℃时，平均每天的孵化率为10%，而在平均气温25℃时，平均每天的孵化率为20%，试计算蚕卵孵化的起始温度及有效积温。K＝100T0＝5℃K＝10*（15-T0）K＝5*（25-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。生物学零度有效积温法则的局限性1.发育起点温度通常在恒温条件下测得，与变温条件下的发育有所不同（变温下发育快）；2.该法则以温度与发育速率呈直线关系为前提，但事实上两者间为S型曲线；生物发育还受其他生态因子的影响；3.该法则不能用于有休眠和滞育生物的世代数计算。（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。生物对低温的适应（Allen规律）华南虎：雄虎身长约2.5米（加头），重约150公斤。雌虎身长约2.3米，体重约110公斤。

东北虎是现存最大的猫科动物，平均体长为2.8米左右，尾长约1米，体重350余千克，最大的记录为780千克4米长,是在俄罗斯发现的,

贝格曼定律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。表2-2变温对植物生长的影响温度条件番茄茎的日生长量/mm昼夜26.5℃23.1昼夜19℃19.5白天20℃，夜间26.5℃19.4白天26.5℃，夜间20℃26.1-35.0三、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。土壤概况土壤的组成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，