能量环境课件

第三章 能量环境掌握光、温度、风、火对生物的生态作用第一节光的生态作用及生物对光的适应第二节生物对温度的适应第三节风对生物的作用及防风林第四节火作为生态因子对于生物的影响及管理地球上的能量类型太阳能，光能太阳能，光能 地地热能能 风能能水能水能核能核能潮汐能潮汐能 化学能化学能 其他能量其他能量第一节 光的生态作用及生物对光的适应一、太阳辐射太阳表面以太阳表面以电磁波的形式不断磁波的形式不断释放能量，即太阳放能量，即太阳辐射射太阳太阳辐射射为地球上所有的生命系地球上所有的生命系统提供了能量来源提供了能量来源绿色植物可以通色植物可以通过光合作用将太阳能光合作用将太阳能转化化为化学能化学能贮存存在植物体内在植物体内太阳太阳辐射同射同时又温暖了地球表面，使生物能又温暖了地球表面，使生物能够生生长、发育和繁殖，并育和繁殖，并对生物的分布起了重要的作用生物的分布起了重要的作用因此，因此，光光和和温度温度组成了地球上的能量成了地球上的能量环境境500 1000 2000 3000 4000可可 见见 光光红红 外外 线线紫紫 外外 线线波长波长nm能能 流流 强强 度度紫外光：波长紫外光：波长380nm760nm760nm，46%46%1.太阳辐射及其光谱组成 2.影响太阳辐射的因素大气圈大气圈太阳高度角太阳高度角纬度和季度和季节海拔高度海拔高度坡度和坡向坡度和坡向2.影响太阳辐射的因素大大气气圈圈影影响响太太阳阳辐辐射射太阳高度角影响太阳辐射 10 20 30 35 40 45 5010 20 30 35 40 45 5050 45 40 35 30 20 1018 17 16 15 14 13 12 11 10 96 7 8 9 10 11 12 13 14 15光光 期期 h暗暗 期期 h2 4 6 8 10 12M纬纬度度和和季季节节影影响响太太阳阳辐辐射射 海海拔拔高高度度影影响响光光辐辐射射坡坡度度和和坡坡向向二、光质生态学作用及生物的适应（1）光）光质变化化规律律低海拔、高低海拔、高纬度度长波光多，高海拔、低波光多，高海拔、低纬度短度短波光多。波光多。夏季、中午短波光多，冬季、早晚夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多。波光多。（2）光）光质的生的生态学作用学作用蓝蓝紫紫绿绿橙橙紅紅红外线红外线400 500 600 700 波长波长nm 相相 对对 吸吸 收收光合有效辐射：光合有效辐射：绿色植物光合作用只能利用太阳光谱绿色植物光合作用只能利用太阳光谱中的一个有限带，即从中的一个有限带，即从380710nm之间波长的辐射能之间波长的辐射能430-450nm 640-660nm叶绿素叶绿素a的吸收光谱的吸收光谱（引自Mackenzie et al.1998）生理有效辐射：红、橙、蓝、紫 生理无效辐射：绿。红外光外光促促进植物茎的延植物茎的延长生生长，有利于种子和，有利于种子和孢子子的萌的萌发，提高植物体的温度；，提高植物体的温度；紫外紫外辐射射能能对植物生植物生长形成可逆性抑制形成可逆性抑制,而使植物形而使植物形成矮粗的形成矮粗的形态，能促，能促进色素的色素的产生；生；红、橙光、橙光被叶被叶绿素吸收最多，具有最大的光合活性；素吸收最多，具有最大的光合活性；蓝紫光紫光也能被叶也能被叶绿素和素和类胡胡萝卜素吸收；卜素吸收；红光光促促进叶叶绿素形成；素形成；蓝、紫光和青光、紫光和青光能促能促进花青花青素等色素的形成；素等色素的形成；红光光有利于碳水化合物的合成；有利于碳水化合物的合成；蓝光光有利于蛋白有利于蛋白质的合成；的合成；蓝、紫光和青光、紫光和青光一般能抑制植物的伸一般能抑制植物的伸长；使植物向；使植物向光性更敏感光性更敏感紫外线能杀菌；对生物体造成一定的DNA损伤，增加生物的变异率；促进维生素D的合成；红外线是地表的基本热源，对外温动物的体温调节和能量代谢有决定性作用。（3）生物对光质的适应太阳鱼视力的灵敏峰值在500-530nm，透明水层的波长水表层的绿藻含叶绿素b和类胡萝卜素，深海中的红藻含藻红蛋白和藻蓝蛋白，硅藻含叶黄素高山植物茎叶含花青素三、光照强度对生物的影响（1）光照）光照强度的度的变化化低低海拔、高海拔、高纬度光照度光照强度弱，高海拔、低度弱，高海拔、低纬度光照度光照强度度大。低大。低纬度度热带沙漠地区，年光照沙漠地区，年光照强度度为8.37105焦焦/cm2，而高，而高纬度的北极度的北极为2.93105焦焦/cm2；如在海拔；如在海拔1000米可米可获得全部入射日光的得全部入射日光的70，海拔，海拔为0的海平面的海平面只能只能获得得50。夏季、中午光照夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照度大，冬季、早晚光照强度弱。度弱。(北半球北半球)南坡光照南坡光照强度大，北坡光照度大，北坡光照强度弱。度弱。光照光照强度度在一个生在一个生态系系统内部也会内部也会有有变化化（2）光照）光照强度度对植物的影响植物的影响黄化黄化现象象：植物在黑暗：植物在黑暗环境中不能合成叶境中不能合成叶绿素，素，但能形成胡但能形成胡萝卜素，卜素，导致叶子致叶子发黄，称黄，称为黄化黄化现象象种子萌种子萌发、茎的生、茎的生长等：抑制、促等：抑制、促进，不同植，不同植物反物反应不同。不同。植物生植物生长顶端的向光性。端的向光性。干形、冠形、叶片干形、冠形、叶片结构等，如阳生叶、阴生叶构等，如阳生叶、阴生叶的形的形态差异。差异。花、果花、果实的的发育。育。（3）植物对光照强度的适应 阳性植物(Sun plant)：落叶松、油松、马尾松、樟子松、白桦、杨树、柳树、桉树、相思树、刺槐、臭椿等。阴性植物(Shade plant)：云杉、冷杉、杜英、甜槠、白楠、建柏、竹柏、紫杉、红豆杉等。中性植物(Neutral plant)：红松、椴树、榆、水曲柳、杉木、毛竹、侧柏、香樟、榕树等。植物光合作用对光照强度的适应：植物光合作用对光照强度的适应：C3植物，典型温带植物；植物，典型温带植物；C4植物，典型热带、亚热带植物；植物，典型热带、亚热带植物；CAM植物，典型干旱植物植物，典型干旱植物夜间通过酸的形式保存二氧化碳，白天利用这些二氧化碳夜间通过酸的形式保存二氧化碳，白天利用这些二氧化碳进行光合作用。进行光合作用。C3植物植物C4植物植物0 1 2 3 4 5 6 7 8 950 40 30 20 10C4C3光照强度光照强度/Jm m-1-1g g-1-1CO2摄取摄取/mgco2dm-2h-1高高 粱粱玉玉 米米小小 麦麦阳阳 草草水青水青 冈冈阴阴 草草（4）光照强度对动物的影响）光照强度对动物的影响 光是影响动物行为的重要生态因子，很多动物的活动都与光是影响动物行为的重要生态因子，很多动物的活动都与光照强度有着密切的关系光照强度有着密切的关系昼行性动物：昼行性动物：适应于在白天的强光下活动的动物适应于在白天的强光下活动的动物夜行性动物或晨昏性动物：夜行性动物或晨昏性动物：适应于在夜晚或晨昏的弱光下适应于在夜晚或晨昏的弱光下活动的动物活动的动物 夜行性动物眼睛比昼行性动物的大，如枭、懒猴、飞鼠等；有些啮齿类动物的眼球突出于眼眶外以便从各个方面感受微弱的光线。终生营地下生活的兽类，如鼹鼠、鼢鼠等眼睛一般很小，有的表面为皮肤所盖，成为盲者。深海鱼类或者具有发达的视觉器官，或者本身具有发光器官。四、四、日照长度对生物的影响日照长度对生物的影响（1 1）日照长度的变化）日照长度的变化北半球从春分到秋分昼长夜短，夏至昼最长，从秋分到春分北半球从春分到秋分昼长夜短，夏至昼最长，从秋分到春分昼短夜长，冬至夜最长，赤道附近终年昼夜平分昼短夜长，冬至夜最长，赤道附近终年昼夜平分纬度越高，夏半年昼越长而冬半年昼越短，两极地区则半年纬度越高，夏半年昼越长而冬半年昼越短，两极地区则半年是白天，半年是黑夜是白天，半年是黑夜（2）日照长度的变化与生物的光周期现象）日照长度的变化与生物的光周期现象光周期现象光周期现象 由于分布在地球各地的动植物长期生活在具有一定昼夜由于分布在地球各地的动植物长期生活在具有一定昼夜变化格局的环境中，借助于自然选择和进化而形成了各类生变化格局的环境中，借助于自然选择和进化而形成了各类生物所特有的对日照长度变化的反应方式，这就是在生物中普物所特有的对日照长度变化的反应方式，这就是在生物中普遍存在的遍存在的光周期现象。光周期现象。如植物在一定光照条件下的开花、落叶和休眠，动物的如植物在一定光照条件下的开花、落叶和休眠，动物的迁徙、生殖、冬眠、筑巢和换毛换羽等迁徙、生殖、冬眠、筑巢和换毛换羽等植物的光周期现象植物的光周期现象 根据植物开花对日照长度的反应，植物可分为以下四种类型：根据植物开花对日照长度的反应，植物可分为以下四种类型：长日照植物长日照植物：日照超过某一数值才能开花的植物，如萝：日照超过某一数值才能开花的植物，如萝卜、小麦、凤仙花等卜、小麦、凤仙花等短日照植物短日照植物：日照小于某一数值才能开花的植物，如：日照小于某一数值才能开花的植物，如玉米、水稻、棉花等玉米、水稻、棉花等中日照植物中日照植物：昼夜长度接近相等时才开花的植物，甘蔗：昼夜长度接近相等时才开花的植物，甘蔗等热带植物等热带植物日中性植物日中性植物：开花不受日照长度影响的植物，如四季豆、：开花不受日照长度影响的植物，如四季豆、黄瓜、番茄等黄瓜、番茄等植物的光周期现象在农林业生产中具有很大的应用价值植物的光周期现象在农林业生产中具有很大的应用价值动物的光周期现象动物的光周期现象 根据动物繁殖与日照长短的关系，动物分为长日照动物和根据动物繁殖与日照长短的关系，动物分为长日照动物和短日照动物；在夜晚给予人工光照可提高母鸡产蛋量短日照动物；在夜晚给予人工光照可提高母鸡产蛋量昆虫的滞育也由光周期决定，这种休眠状态有利于动物度昆虫的滞育也由光周期决定，这种休眠状态有利于动物度过不利环境过不利环境鸟兽的换羽和换毛受光周期调控，它使动物能更好地适应鸟兽的换羽和换毛受光周期调控，它使动物能更好地适应于环境的温度变化于环境的温度变化动物的迁徙都由日照长短的变化引起，如家燕春季飞到北动物的迁徙都由日照长短的变化引起，如家燕春季飞到北方繁殖，冬季飞到南方去越冬方繁殖，冬季飞到南方去越冬根据动物繁殖与日照长短的关系，动物分为长日照动物和短日照动物l长日照动物(Long-day animal)：在温带和高纬度地区的许多鸟兽，随着春季到来、白昼逐渐延长，其生殖腺迅速发育到最大、开始繁殖的动物，如黄鼬、水貂、刺猬、田鼠和雉等。l短日照动物(Short-day animal)：在白昼逐渐缩短的秋季，生殖腺发育到最大、开始繁殖的动物，如羊、鹿、麝等。l 中日照动物(Day intermediate animal)：指繁殖时要求昼夜长短比例接近相等(12 h 左右)的动物，如珍珠鸡等城市光照条件城市光照条件城市的低云量、雾、阴天日数都比郊区多，而晴天日数、城市的低云量、雾、阴天日数都比郊区多，而晴天日数、日照时数则一般比郊区少日照时数则一般比郊区少空气中悬浮颗粒物较多空气中悬浮颗粒物较多建筑物的摩擦阻碍效应建筑物的摩擦阻碍效应到达地面的太阳直接辐射减少，散射增多到达地面的太阳直接辐射减少，散射增多城市地区云雾增多，空气污染严重城市地区云雾增多，空气污染严重大气混浊度增加大气混浊度增加大气污染大气污染 太阳辐射减少太阳辐射减少光污染光污染光光污染染(light pollution)是指是指环境中光境中光辐射超射超过各种生物各种生物正常生命活正常生命活动所能承受的指数，从而影响人所能承受的指数，从而影响人类和其他生和其他生物正常生存和物正常生存和发展的展的现象。象。光光污染是我国城市地区呈上升染是我国城市地区呈上升趋势的一种的一种环境境污染，近染，近些年开始受到重些年开始受到重视。光光污染一般可以分染一般可以分为人造白昼人造白昼污染、白亮染、白亮污染染和和彩光彩光污染染三种。三种。人造白昼污染人造白昼污染随着人类社会的进步和照明科技的发展，城市夜景随着人类社会的进步和照明科技的发展，城市夜景照明等室外照明也得到了很大的发展，但同时也加照明等室外照明也得到了很大的发展，但同时也加大了夜空的亮度，产生了被称做大了夜空的亮度，产生了被称做人造白昼的现象人造白昼的现象，由此带来的对人和生物的危害称为由此带来的对人和生物的危害称为人造白昼污染人造白昼污染。影响天文观测影响天文观测影响人体正常的生物钟，并通过扰乱人体正常的激素影响人体正常的生物钟，并通过扰乱人体正常的激素产生量来产生量来影响人体健康影响人体健康对生物圈内的对生物圈内的其他生物其他生物也会造成潜在的和长期的影响。也会造成潜在的和长期的影响。影响植物体正常的光周期反应影响植物体正常的光周期反应城市光照图城市光照图彩光污染彩光污染各种黑光灯、各种黑光灯、荧光灯、霓虹灯、灯箱广告等是主要的光灯、霓虹灯、灯箱广告等是主要的彩光彩光污染源。彩光染源。彩光污染不染不仅有有损人的生理功能，人的生理功能，还会会影响心理健康影响心理健康.黑光灯黑光灯所所产生的紫外生的紫外线强度大大高于太阳光中的紫外度大大高于太阳光中的紫外线，且且对人体有害影响持人体有害影响持续时间长;闪烁彩光灯彩光灯常常损伤人的人的视觉功能，并使人的体温、血功能，并使人的体温、血压升升高，心跳、呼吸加快高，心跳、呼吸加快;荧光灯光灯可降低人体可降低人体钙的吸收能力，使人神的吸收能力，使人神经衰弱，引衰弱，引发多多种身心疾病种身心疾病;日光灯日光灯缺乏缺乏红光波段，且光光波段，且光谱不不连贯，不符合人，不符合人们的生理的生理要求，要求，对人的健康也有害。人的健康也有害。第二节 生物对温度的适应温度是一种无时无刻不在起作用的生态因子，任何生物都是生活温度是一种无时无刻不在起作用的生态因子，任何生物都是生活在具有一定温度的外界环境中并受温度变化的影响在具有一定温度的外界环境中并受温度变化的影响地球表面的温度条件总是在不断变化的，在空间上随纬度、海拔地球表面的温度条件总是在不断变化的，在空间上随纬度、海拔高度、生态系统的垂直高度和各种小生境而变化；在时间上有一高度、生态系统的垂直高度和各种小生境而变化；在时间上有一年的四季变化和一天的昼夜变化年的四季变化和一天的昼夜变化温度的这些变化给生物带来多方面以及深刻的影响，首先生物体温度的这些变化给生物带来多方面以及深刻的影响，首先生物体内的生化反应必须在一定的温度范围内才能正常进行；其次温度内的生化反应必须在一定的温度范围内才能正常进行；其次温度的变化能引起环境中其他生态因子的改变的变化能引起环境中其他生态因子的改变一、温度变化规律一、温度变化规律温度在空间上的变化温度在空间上的变化温度随温度随纬度纬度增加而降低。一般纬度增高增加而降低。一般纬度增高1 1（约（约111km111km），年平均），年平均温度下降温度下降0.5-0.7 0.5-0.7 温度随温度随海拔高度海拔高度的升高而下降，一般海拔每升高的升高而下降，一般海拔每升高1000m1000m，气温下，气温下降降5.5 5.5 沿海地区气温沿海地区气温变化小，内化小，内陆地区地区变化大化大温度与温度与坡向坡向有密切的关系，温度高低：南坡北坡有密切的关系，温度高低：南坡北坡封闭谷地封闭谷地和和盆地盆地的温度变化（的温度变化（逆温现象逆温现象）对流层大气的热量主要直接来自地面的长波辐射，对流层大气的热量主要直接来自地面的长波辐射，一般情况下，离地面越远，气温越低，即气温随高一般情况下，离地面越远，气温越低，即气温随高度增加而递减，平均垂直递减率为度增加而递减，平均垂直递减率为0.65/1000.65/100米。米。但在一定条件下，对流层的某一高度有时也会出现但在一定条件下，对流层的某一高度有时也会出现气温随高度增加而升高的现象，这种气温逆转的现气温随高度增加而升高的现象，这种气温逆转的现象就是象就是逆温逆温。温度在时间上的变化温度在时间上的变化季节变化季节变化我国大部分地区一年中根据气候寒暖、昼夜长短的节律变化，我国大部分地区一年中根据气候寒暖、昼夜长短的节律变化，可分为春、夏、秋、冬四季可分为春、夏、秋、冬四季昼夜变化昼夜变化很有规律，一般气温的最低值出现在凌晨日出前，日出以后，很有规律，一般气温的最低值出现在凌晨日出前，日出以后，气温上升，在气温上升，在1313：00001414：0000达最高值，以后开始持续下降，达最高值，以后开始持续下降，一直到日出前为止。一直到日出前为止。生物发育的需温性：生物由于长期生活在一定的温度范围内，在其生长、发育过程中均需要一定的温度量和温度变辐。最明显的例子就是生物的发育和生长是从某一个温度上开始的，低于这个温度生物将无法完成发育和生长，这个温度即为发育阈温度(Development threshold temperature)或生物学零度(Biologicalzero)，由于温度的限制，香蕉、椰子等热带作物在自然条件下不能在高纬度地区生长，苹果，梨、桃等温带作物不能在热带地区正常开花、结果。生物发育的速率是随着发育阈温度以上的温度呈线性增加，它表明外温动物与植物的发育不仅需要一定的时间，同时还需要时间和温度的结合(称生理时间Physiological time)，即需要一定的总热量，称积温(Accumulative temperature)或有效积温(Sum of effective temperature)。这就是有效积温法则(Law of effectivetemperature)。二、温度对生物的影响二、温度对生物的影响有效积温法则(Law of effective temperature)。N(TC)=KT=C+K/NK：发育所需总热量N：发育所需时间T：发育期间的平均温度C：生物学零度一般起源于或适于高纬度地区种植的植物，所需有效积温较少，反之则较多，如麦子需要有效积温10001600 日度，棉花、玉米为20004000 日度，椰子约5000 日度。1.低温对生物的作用低温对生物的影响低温对生物的影响温度低于一定的数值，生物便会因低温而受害，这个数温度低于一定的数值，生物便会因低温而受害，这个数值称为值称为临界温度临界温度，在临界温度以下，温度越低生物受害，在临界温度以下，温度越低生物受害越严重越严重冷害：喜温生物在零度以上的温度条件下受害和冷害：喜温生物在零度以上的温度条件下受害和死亡死亡冻害：在冰点以下的低温使生物体内形成冰晶而冻害：在冰点以下的低温使生物体内形成冰晶而造成的损害造成的损害持续低温寒害对广西持续低温寒害对广西甘蔗产量影响甘蔗产量影响 湛江受湛江受50年来罕年来罕见寒害袭击，橡见寒害袭击，橡胶开割延迟胶开割延迟60至至80天天 2.高温对生物的影响高温对生物的影响高温对生物的影响高温对生物的影响温度超过生物适宜温区的上限后就会对生物产生有害影响，温度越高对生物的伤害越大高温可减弱光合作用，增强呼吸作用，使植物的这两个过程失调高温还可破坏植物的水分平衡，加速生长发育，促使蛋白质凝固和导致有害代谢产物在体内的积累高温对动物的有害影响主要是破坏酶的活性，使蛋白质凝固变性，造成缺氧、排泄功能失调和神经系统麻痹等三、生物对温度的适应三、生物对温度的适应1.生物对低温的适应植物 形态结构：油脂、鳞片、腊粉和密毛、矮小、匍匐状生理适应：细胞内物质含量变化(糖类、脂肪)动物 形态：贝格曼规律、阿仑规律，毛，羽毛，皮下脂肪生理：通过基础代谢和非颤抖性产热来增强御寒能力和保持恒定的体温行为：迁徙、休眠贝格曼规律贝格曼规律(Bergmann(Bergmanns rule)s rule)p生活在高纬度地区的恒温动物，其身体往往比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生活在低纬度地区的同类个体大p因为个体大的动物，相同质量所对应的体表面因为个体大的动物，相同质量所对应的体表面积就小，单位体重热量散失较少积就小，单位体重热量散失较少p东北虎和华南虎东北虎和华南虎59 阿仑规律阿仑规律 (Allen(Allens rule)s rule)内容：在寒冷地区生活的哺乳动物的四肢、耳、鼻、尾均有内容：在寒冷地区生活的哺乳动物的四肢、耳、鼻、尾均有 明显缩短明显缩短的趋势的趋势原因：寒冷地区对哺乳动物的主要生态问题是保持体温，躯原因：寒冷地区对哺乳动物的主要生态问题是保持体温，躯 体突出部体突出部分缩短可减少散热，对动物在环境中竞争显然是有利的分缩短可减少散热，对动物在环境中竞争显然是有利的2.生物对高温的适应生物对高温的适应植物植物形态：有些植物生有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；形态：有些植物生有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；有些植物体呈白色、银白色，叶片革质发亮，能反射一部有些植物体呈白色、银白色，叶片革质发亮，能反射一部分阳光；有些植物叶片垂直排列使叶缘向光或在高温条件分阳光；有些植物叶片垂直排列使叶缘向光或在高温条件下叶片折叠，减少光的吸收面积下叶片折叠，减少光的吸收面积生理：降低细胞含水量，增加糖或盐的浓度，有利于减缓生理：降低细胞含水量，增加糖或盐的浓度，有利于减缓代谢速率和增加原生质的抗凝结力；靠旺盛的蒸腾作用避代谢速率和增加原生质的抗凝结力；靠旺盛的蒸腾作用避免使植物体因过热受害免使植物体因过热受害动物动物夏眠，穴居，昼伏夜出夏眠，穴居，昼伏夜出温度与生物发育的关系温度与生物发育的关系有效积温法则有效积温法则有效积温法则有效积温法则：植物在生长发育过程中必须从环境中摄取：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热量是一个常数，可用以下公式来表示：阶段所需要的热量是一个常数，可用以下公式来表示：N(T-C)=K其中，其中，N为生长发育所需时间，为生长发育所需时间，T为发育期间的平均温度，为发育期间的平均温度，C表示发育起点温度，表示发育起点温度，K是总积温（常数）是总积温（常数）温度与生物的分布温度与生物的分布生物群落分布与温度带生物群落分布与温度带 低温的限制作用低温的限制作用致死致死 高温的限制作用高温的限制作用难以实现难以实现春化春化 温度与其它生态因子的综合作用温度与其它生态因子的综合作用