生态学基础生物与环境huzj温与光照

生态学基础生物与环境huzj温与光照第1页/共63页1.环境温度分布及其变化格局1.1决定地球上温度分布的主要因素太阳光入射角(Anangleofincidenceofsolarradiation)水陆分布.1.2环境温度的变化幅

水环境:-2.5——40~45℃[幅度40~45℃].陆地环境:-88.3—60(80)℃[幅度130~150℃].第2页/共63页1.3环境温度的时空变化纬度/季节：+1°:-0.5℃。温度最高地方中纬度（38℃）海拔：+100m:-(0.6~1)℃。大陆：沿海变化小，内陆变化大。微气候：2.6m的垂直差别，温度有10℃的变化。深度：波动逐渐减弱；具有时滞。日变化第3页/共63页第4页/共63页第5页/共63页2.温度与代谢2.1恒温与变温动物Homeotherms(恒温动物)随着环境温度的上升，变温动物的体温能基本维持稳定。mammalandbirdPoikilotherms(变温动物)体温随着环境温度的变化而变化。fishandreptile第6页/共63页第7页/共63页Ectotherms(外温动物)外温动物可以依靠外部热源如太阳辐射能量来提高体温。

Plants,reptiles,protista.Endotherms(内温动物)内温动物可以依靠内部产热来提高体温Birdsandmammals.2.2外温动物与内温动物第8页/共63页第9页/共63页2.3温度阈值

(Temperaturethresholds)2.3.1温度的“三基点”

最低温度、最高温度、最适温度2.3.2极端温度的危害高温风险酶失活(enzymeinactivation

);代谢紊乱(unbalancingofcomponentsofmetabolism)，如饥饿(starvation);脱水(dehydration)第10页/共63页蟑螂（cockroach）高温脱水第11页/共63页2.3.2极端温度的危害低温风险形成冰晶损坏细胞结构(damagingeffectofice-crystal[冰晶]formationwithincell);蛋白质变形(proteindistortion);新陈代谢失调(unbalancingofmetabolism)第12页/共63页2.3.3生物对温度的耐受极限UpperlimitoftoleranceMostinsects:45~50℃Reptile:about45℃Bird:46~48℃Mammal:42℃Mostfishes:35℃Lowerlimitoftolerance-196℃underliquidnitrogen(液氮)第13页/共63页2.3.4致死温度

(lethaltemperature)致死温度的定义与测量方法致死温度：在某一温度下，50%的个体存活，50%的个体死亡，这个温度就是致死温度，也可以成为半致死温度。

测量方法见下图第14页/共63页第15页/共63页耐受冻结（Freezingtolerance）:

耐受细胞外冰晶，如摇蚊幼虫Chironomus(-25℃).超冷(Supercooling):体液低于冰点而不结冰.具有抗冻物质(Withantifreezesubstance):Antarcticfishes(南极冰鱼)canliveinAntarcticwherewatertemperatureisabout-1.8℃becausetheyhaveanantifreezesubstance-Trematomusborch-yrevink,aglycoprotein(糖蛋白).2.3.5耐受低温的方式第16页/共63页超冷图解（巴哈比捷夫）第17页/共63页3.动物对温度的响应3.1温度与酶促反应外温动物的代谢速率随环境变化内温动物的代谢速率不随环境温度变化第18页/共63页范霍夫定律（VantHoff’slaw）定义：在一定范围内，体温每增加10℃，变温动物的生理过程速率加快约2倍，我们把这种关系称为范霍夫定律或Q10定律。表达式

t1

、t2分别是时间1和时间2的体温,R1、R2

分别是时间1和时间2的代谢率.第19页/共63页发育起点温度（Developmentalthresholdtemperature）orbiologicalzero（生物学零度）菜白蝶的发育与温度的关系3.2温度与生长发育的关系第20页/共63页3.2.1Developmentalthresholdtemperatureorbiologicalzero

Definition(发育起点温度或生物学零度)Mostorganismscangrowordeveloponlyonwithinacertainrangeoftemperature,whichwillceasegrowing

anddevelopingbelowacertaintemperature,andwillbegintogrowanddevelopmentabovethatcertaintemperature.动物的生长发育是需要一定温度范围的，低于某一温度，动物就停止生长发育，高于这一温度，动物才开始生长发育，这一温度阈值就叫做发育起点温度或生物学零度。第21页/共63页Theendothermscanbesaidtorequireacertainlengthoftimefordevelopment.有效积温法则或生理时间(Lawofsumofeffectivetemperatureorphysiologicaltime)Thecombinationoftimeandtemperature(physiologicaltime)that

theectothermsrequiredfortheirdevelopment,whichisnamedlawofeffectivetemperature.3.2.2有效积温法则

第22页/共63页有效积温法则中文定义外温动物完成其发育史所需要的一定总热量（热常数[thermalconstant]、总积温[sumofheat]）。第23页/共63页Expression

WhereK(热常数)isthermalconstant,sumofheat,orphysiologicaltime,N

(历期)isthesumoftimeundergone(thetimerequiredtofinishacertaindevelopmentalstage),T

(发育期平均温度)isthemeantemperatureinthecertaindevelopmentalstage,C

(发育起点温度或生物学零度)isthedevelopmentalthresholdtemperature(biologicalzero).有效积温法则的表达式第24页/共63页4.温度与物种分布4.1物种分布与温度4.2对温度的进化响应(Evolvedresponsetotemperature)第25页/共63页4.1物种分布与温度主要生物群系（majorbiomes）的分布可以反应主要的温度带（temperaturezones）。某种生物的分布界限与致死温度有关（植物分布与霜冻害frostdamage）。更多的情况是，生物的分布界线与等温线相关。实际情况下，生物的分布与其它生态因子有关，如竞争、食物的出现地点与质量。第26页/共63页4.2对温度的进化响应阿伦定律(Allen’srule)Endothermicanimalsfromcoldclimatestendtohaveshorterextremescomparedwithanimalsfromwarmerclimates(definition)[在寒冷地区，动物的突出物比温暖地区的要小].Withwidespreadapplicability.第27页/共63页贝格曼定律(Bergmann’srule)Thereisatendencyforbirdsandmammalstobelargerincolderareas(definition)[在温和地区，鸟类和哺乳动物的个体大小比寒冷地区的小].Beingavaluablepredictorattheintra-specificlevel乔丹定律(Jordan’rule)Fishesfromcolderwaterareastendtohavemorenumbersofvertebracomparedwiththosefromwarmerwaterareas(definition).[冷水鱼类的脊椎数量比温水的要多].第28页/共63页二、太阳辐射与气候第29页/共63页1.气候1.1天气（weather）与气候（climate）天气是描述温度、湿度、风、云等的短期情况。

气候反映的是天气参数的长期平均值。1.2太阳辐射（solarradiation）纬度变化：热带（Tropicalregion）,温带（temperateregion）,寒带（frigidregion）季节变化（Seasonality）日变化（Diurnalvariation）第30页/共63页VariabilityintheintensityofsunlightTropical,temperate,frigidregion第31页/共63页季节变化（公转）与日变化（自转）Relativepositionoftheearthandsun第32页/共63页1.3风（wind）第33页/共63页Windsatsealevel副极地低压sub-polarlow无风带doldrums副热带高压sub-tropicalhigh信风带西风带第34页/共63页雨（rain）上升和下降气团导致热带雨林和沙漠的形成，影响生物组成与分布的极大不同。第35页/共63页Rain风导致山体降雨形成，显然影响迎风坡和背风坡的植物构成及动物组成与行为。Adiabaticlapserate绝热温度递减率（6-10℃/km）第36页/共63页洋流（Oceancurrents），同样影响生物多样性与生产力，如秘鲁传统捕捞区第37页/共63页微气候（Microclimate）微气候microclimateistheclimateinwhichplantsandanimalslive.动植物生活在其中的气候。一种北极植物的温度变化（气温11.7）第38页/共63页2.太阳辐射（Solarradiation）

与

生物（organism）第39页/共63页光谱（Spectrumofsolarradiation）RadiowaveMircowaveUltravioletγrayCosmeticray1minfraredVisibleLightXray10-1110-610-94*105nm760nm380nmProportionofthemainspectrumofsolarradiation9%UV-CR,41%VL,50%Infrared第40页/共63页2.1植物与太阳辐射第41页/共63页2.1.1辐射能与光合作用Visiblelight:380~760nm光合有效辐射(

Photosyntheticallyactiveradiatioin,PAR)绿色植物依靠叶绿素固定碳，这些叶绿素只能利用波长为380-710nm的太阳辐射，我们将380-710nm的波段称之为光合有效辐射。Thisbandcorrespondstothegreatestbandofenergyflux.光合细菌可利用800nmand890nm光（Bactochlorophyll）。第42页/共63页HigherenergyLowerenergyLargestheat第43页/共63页叶绿素Chlorophyllamainlyabsorbsviolet,blueandredlight树叶为什么是绿色？第44页/共63页类胡萝卜素Carotenoidsandotherpigments（藻青素、叶黄素）absorbyellowandorangelight第45页/共63页2.1.2光合能力光合能力在温度适宜、相对湿度高、大气二氧化碳和氧气浓度正常时，入射辐射达到饱和状态的光合作用效率被称为光合能力。光合能力比较生态因子要不受限制，植物展现最大光合能力，如农作物。沙漠植物的光合能力较农作物低。第46页/共63页更具普遍性的比较：C3andC4plant（酶和其他化学物质）第47页/共63页Three-carbonsugar三碳产物Four-carbonsugar四碳产物第48页/共63页C3andC4plant光合速率图解TherateofphotosynthesisofC4plantincreaseswiththeintensityofPAR,ofwhichC3plantlevelsoff高粱水青冈第49页/共63页2.1.3光照强度变化及植物的响应光照强度的变化规律性变化（Systematicvariation）太阳辐射的日节律-periodsoffamineandglutoflightresourceevery24hours(exceptnearpoles),dailymovementofleaveswiththechanginglightintensityanddirection.(光照昼充足，夜缺乏)。太阳辐射的季节节律-seasonsoffamineandgluteveryyear(exceptinthetropics).(光照夏充足，冬缺乏)。非规律性变化（Nonsystematicvariation）叶子对光照的层层拦截形成光照资源耗竭带（Resourcedepletionzone，RDZ)：光的入射方向改变，光合有效辐射的组成发生变化。第50页/共63页植物对太阳辐射的战略和战术响应战略响应（Strategicresponse）阳性物种(Sunspecies)–leavesareexposedatanacuteangletothemiddaysunandarrangedasmulti-layercanopy:radiationintensityreduced,shadedleavescanmakeacontributiontoplantassimilationrates.(叶倾斜、锐角接受光照、多层排列、遮阴叶片也能为光合作用作出贡献)。阴性物种(Shadespecies)–leavesarearrangedatahorinontalangleandsingle-layercanopies.(叶水平、单层排列)。第51页/共63页植物对太阳辐射的战略和战术响应战术响应（Tacticalresponse）：阳性叶(Sunleaves)与阴性叶(shadeleaves)：同一株植物Sunleaves-小、厚、含有较多的细胞、叶绿体和叶脉，单位面积干重高。Shadeleaves–大、透明，单位面积干重低。Shadeleaveshaveone-fifthofthephotosyntheticactivity(光合能力)ofsunleaves.第52页/共63页Controlofphotosynthesis植物叶子的光合作用率取决于两个方面

—能量需求量；

—水分丧失。StrategicresponsestothisdilemmaPlantwithashortlifehavehighphotosyntheticactivityofwateravailabilitybutremaindormantasseedsduringtherestoftheyear(e.g.desertannuals).（一年生植物在水分多时光合作用强，少时以种子休眠）。Plantswithalonglifeproduceleavesduringperiodswhenwaterisavailablebutshedthemduringdrought(e.g.Acaciaspp.金合欢属植物).(多年生植物雨季多长叶，旱季落叶)。Andsoon.第53页/共63页2.1.4光饱和点和光补偿点Saturationpoint光饱和点：当光照强度的增加某一阈值时，植物光合作用效率不再升高，此时的光照强度称之为光饱和点。Compensationpoint

光补偿点：在某一光照强度下，植物光合作用与呼吸作用相等，此处的光照强度称之为光补偿点。第54页/共63页光补偿点

（Compensationpoint）LightintensityLightintensityPhotosynthesisRespirationRespirationPhotosynthesisThelightintensityforsunspeciesatCPislargerthanthatforshadespecies.CP:compensationpointPhotosyntheticefficiencyCPCPSunspeciesShadespeciesSaturationpoint(光饱和点)第55页/共63页2.2太阳辐射（Solarradiation）与动物（animals）

第56页/共63页SolarradiationandanimalsPhotoperiodandanimalsReproduction(繁殖)migration(迁徙,e.g.birdsandfishes),molt(换毛换羽,e.g.snowhare雪兔),diapause(滞育,e.g.insects)LightintensityandanimalDailyactivityrhythm(昼夜活动节律)Photokinesis(趋光性)第57页/共63页根据光照长度划分动物-长日照动物(e.g.weasel鼬,mostbirds,)-短日照动物(e.g.deer,sheep绵羊,goat山羊)

繁殖与光照第58页/共63页Firstquestion:在众多生态因子中，动物为什么选择光照作为启动繁殖生理机制的扳机呢？

Theresultsofthe