生态学李博版课件2.

NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY,教学重点：,环境与生态因子的概念、类型、特征、作用,生物与环境关系的基本原理,生物与主要生态因子的相互关系,第二章 生物与环境,生物种的概念,传统生物学家的物种(species)概念,真实存在、形态相似、自由交配、产生可育后代,达尔文的物种概念,人为分类单位，亲缘关系密切的个体群,物种可变、个体差异在种间渐变,近代的物种概念,形态和遗传结构相似的种群构成，种类个体间存在差异,现代的物种概念,由许多群体形成的生殖单元,(,与其他单元生殖上隔离,),，占有一定的生境位置,物种是由内在因素（生殖、遗传、生理、生态、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,环境概念,环境和环境因子,：,环境,是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。由许多环境要素构成，这些环境要素称,环境因子,。,内涵：,环境的本质就是生物生存和发展的资源或影响这种资源的因素,环境类型,生态因子的概念,生态因子,：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。,生态因子是环境中对生物起作用的因子，而环境因子则是指生物体外部的全部要素。,生存条件：,生态因子中生物生存不能缺少的生态因子的总称。,生态环境：,一定区域所有生态因子的总和。,生境：,具体生物个体或群体的栖息地的生态环境。,生态因子的类型,生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类,生物因子：有机体（同种和异种）,非生物因子：温度、光、湿度、pH、氧气等,有的学者将生态因子分为五类,气候因子:如温度、水分、光照、风、气压和雷电等,土壤因子:如土壤结构、土壤成分的理化性质等,地形因子:如陆地、海洋、海拔、山脉的走向与坡度等,生物因子:包括动物、植物和微生物之间的相互作用,人为因子:人类活动对自然的破坏及对环境的污染,生态因子的类型,Smith等将生态因子分成密度制约因子和非密度制约因子,密度制约因子(density independent factors)：食物、天敌等生物因子,非密度制约因子(density dependent factors)：温度、降水、气候等因子,（蒙恰斯基）将生态因子 分为稳定因子和变动因子,稳定因子(steady factors)：地心引力、地磁、太阳辐射常数等长年恒定的因子,变动物因子(variable factors)：周期性变动：春夏秋冬、潮夕涨落；非周期性变动：风、降水、捕食,生态因子的作用特征,综合作用： 生态因子间相互联系、相互影响、相互制约,主导因子作用：生态因子的非等价,直接作用和间接作用：,直接因子：直接对生物发生影响的生态因子,间接因子：通过影响直接因子而对生物发生影响,作用的阶段性： 生物发育的不同阶段，需要不同,不可替代性和补偿性：生态因子间不可替代，但在一定程度上可以补偿,生态因子的限制性作用,限制因子(limiting factors),在众多生态因子中，任何接近或超过某种生物的耐受性极限而限制其生存、生长、繁殖或扩散的关键性因子称为限制因子,限制因子概念的意义,为分析生物与环境相互作用的复杂关系奠定了一个便利的基点；,有助于把握问题的本质，寻找解决问题的薄弱环节,。,生物对非生物因子的耐受限度,“最小因子定律”,(Liebigs law of minimum),(1840,德国),植物的生长取决于那些处于最低量的营养元素，这些处于最低量的营养元素称,最小因子,。,两个补充条件（Odum,1973）：,1）严格的稳定状态,2）因子补偿作用。,南北较高纬度地区的低温是影响非洲蜂进一步向高纬度范围扩散的限制因子。,案例：低温对非洲蜂分布的限制,生物对非生物因子的耐受限度,“耐性定律”,(Shelfords law of tolerance),(1913，美国),生物的生存与繁殖需要依赖环境中的多种环境因子的存在，而且生物有机体对环境因子的耐受性有一个,上限和下限,，任何因子不足或过多，,接近或超过,了某种生物的耐受限度，该种生物的生存就会受到影响，甚至灭绝。,种,群,数,量,数量很低,种群消失,种群消失,数量很低,数量最高,不能耐受区,生理受抑制,生理受抑制,不能耐受区,最适区,环境,梯度,高,低,耐受性下限,耐受性上限,生物种的耐受性限度图解（仿Smith,1980）,Shelford耐受性定律的发展,生物对不同生态因子的耐受范围不同，不同年龄、季节、栖息地等同种生物对生态因子的耐受性不同,对很多生态因子耐受范围都很宽的生物，其分布区一般比较广,个体发育的不同阶段，对生态因子的耐受限度不同,不同的生物种，对同一生态因子的耐受性不同,某一生态因子处于非最适状态下时，生物对其他生态因子的耐受限度也下降,截距,对生物产生影响的各种生态因子之间存在明显的相互影响：如温湿的关系；湿度和溶氧的关系；温度和盐的协同作用,生态幅 (ecological amplitude）,概念,每一种生物对每一种生态因子都有一个耐受范围，即有一个生态上的最低点和最高点。在最低点和最高点(或称耐受性的上限和下限)之间的范围就称为生态幅 (ecological amplitude) 或生态价(ecological valence)。,类型划分,广温性(eurythermal 窄温性(stenothermal),广水性(euryhydric)窄水性(stenohydric),广盐性(euryhaline)窄盐性(stenohaline),广食性(euryphagic)窄食性(stenophagic),广光性(euryphotic)窄光性(stenophotic), ,生物因子和非生物因子之间也是相互影响的：物种之间的竞争产生的生态位分离,内稳态,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的机制，它能减少生物生物对外界条件的依赖性，从而大大提高生物对外界环境的适应能力。,扩大了生物的生态幅与适应范围，但并不能完全摆脱环境的限制,内稳态通过形态、行为和生理适应实现。,适 应,适应：生物对环境压力的调整过程。分基因型适应和表型适应两类，后者又包括可逆适应和不可逆适应。,适应方式（形态、生理 、行为的适应） ：,行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防御和抗敌,生理适应：生物钟、休眠、生理生化变化,形态适应：保护、保护色、警戒色与拟态,动物的保护色、警戒色与拟态,A,树皮纺织娘,B,枭蝶,C,枯叶蝶,D,捕食花螳螂,E,蛙鱼,A,B,D,E,C,驯 化,驯化：生物在实验自然条件下，诱发的生理补偿变化，导致该种耐性限度的改变，适宜生存范围的上下限会发生移动，并形成一个新的最适点。前者需要较短的时间，后者需要较长的时间。,驯化过程是通过酶系统的调整而实现的，因为酶只能在特定的环境范围内起作用，并决定着生物的代谢速率与耐性限度，所以驯化过程是生物体内酶系统的改变过程。,不同温度下驯化导致耗氧量的差异,200,160,120,80,40,0,10 20 30,温度 ,耗氧量 （mlg,-1,h,-1,）,5 驯化,25 驯化,指示生物,生物在与环境相互作用、协同进化的过程中，每个种都留下了深刻的环境烙印。因此，常用生物来反映环境的某些特征，称这类生物为指示生物。,如南宋诗人陆游“野人无历日，鸟啼知四时”。如预报天气有“燕子低飞蛇过道，大雨不久要来到”。如美国学者Curtis (1959) 列出威斯康星地区湖泊中软水的指示植物为,Gratiola aurea, 硬水指示植物为,Ranunculus aquatilis,。颤蚓的大量发生可指示水中溶解氧的缺乏。再如“秋风响，蟹角痒”，反之“蟹行秋至“。,指示生物的指示作用是相对的。,思考题-名词解释,环境因子,生态因子,限制因子,生态幅,谢尔福德耐性定律,内稳态,驯化,指示生物,思考题-问答题,简述生态因子的概念及其作用的一般特征特点,举例说明限制因子概念在生态学研究中的重要性,简述,Shelford,耐性定律及其补充原理,比较,Liebig,最小因子定律和,Shelford,耐性定律的异同,生态因子的生态作用及生物的适应,光因子的生态作用及生物的适应,温度因子的生态作用及生物的适应,水因子的生态作用及生物的适应,土壤因子的生态作用及生物的适应,光因子的生态作用及生物的适应,光强的生态作用与生物的适应,光质的生态作用与生物的适应,生物对光周期的适应,光照强度的变化规律,光照强度,低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬度光照强度大,夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强度弱,(北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱,光照强度的生态作用与生物的适应,影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的生长和分化,影响植物叶绿素的形成,黄化现象,影响动物的生长、发育、行为,昼行性动物,夜行性动物,光强对生物的影响及生物的适应,水生植物水生植物在水中的分布与光照强度有关。,透光带：光合作用大于呼吸作用,补偿点：光合作用等于呼吸作用,陆生生物,对不同光照强度的适应产生阳地植物和阴地植物。,阳地植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能进行正常生长，补偿点位置较高；,阴性植物对光的需要远较阳性植物低，光补偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温和干旱能力较低；,耐阴性植物对光照具有较广泛的适应能力，对光的需要介于前两类植物之间。,光,合,作,用,率,光,合,作,用,率,光强度,光强度,净生产力,光合作用,呼吸作用,A,B,A,B,A,CP,光补偿点,CP,CP,a,b,sp,sp,光饱和点,B,光补偿点,(compensation point),光饱和点,(saturate point),：,光合作用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到一定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光饱和点。,植物的光补偿点示意图(仿Emberlin,1983),太阳辐射能(仿A. Mackenzie et. al,1999),光的性质：波长1504000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380700nm之间。,紫外线,可见光,红外线,400,630,1000,2500,4000,波长(nm),能,量,强,度,可见光对光合作用的影响,红、橙光对叶绿素有促进，蓝紫光能被叶绿素和类胡萝卜素吸收，称为生理有效辐射；绿光不被植物吸收称生理无效辐射。,红光有利于糖的合成，蓝光有利于蛋白质的合成。,可见光对动物的影响,光对动物生殖、体色变化、迁徙、毛羽更换、生长发育有影响，如不同动物发展不同的色觉。,光质的生态作用与生物的适应,不可见光对生物的影响,波长,360nm,即开始有杀菌作用，在,340nm,240nm,的辐射条件下，可使细菌、真菌、线虫的卵和病毒等停止活动。,200,300nm,的辐射下，杀菌力强，能杀灭空气中、水面和各种物体边面的微生物，这对于抑制自然界的传染病病原体是极为重要的。,紫外光与动物维生素,D,产生关系密切，过强有致死作用。,高山动物体色较暗，高山植物含花青素、叶面缩小、毛绒发达都是因为短波光较多的缘故。,光质的生态作用与生物的适应,生物对光周期的适应,生物的昼夜节律,生物的昼夜节律：,24,小时循环一次,光的周期性、温度、湿度的昼夜变化,光周期现象：生物对自然界日照长度规律性变化的反应。,植物光周期现象,对繁殖,(,开花,),的影响：区分为,长日照植物和短日照植物。,长日照植物：日照超过一定数值才开花的植物，如小麦、油菜,短日照植物：日照短于一定数值才开花的植物，一般需要较长的黑暗才能开花，如苍耳、水稻。,植物光周期的应用：杂交、抗性选育、异地种植、园艺,生物对光周期的适应,动物光周期现象,对鸟类等迁徙影响；对繁殖的影响：区分为长日照动物和短日照动物,。,长日照动物：在温带和高纬度地区许多鸟兽在春夏之际白昼逐渐延长的季节繁殖后代，称长日照动物，如雪貂、野兔等；,短日照动物：一些动物只有在白昼逐步缩短的秋冬之际才开始性腺发育和进行繁殖，称短日照动物，绵羊、山羊和鹿等。,温度因子的生态作用及生物的适应,温度因子的生态作用,生物对极端温度的适应,温度与生物的地理分布,变温与温周期现象,物候节律,休眠,温度因子的生态作用,温度与生物生长：温度是最重要的生态因子之一，参与生命活动的各种酶都有其最低、最适和最高温度，即三基点温度；不同生物的三基点不同；在一定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比；外温的季节性变化引起植物和变温动物生长加速和减弱的交替，形成年轮；外温影响动物的生长规模。,温度与生物发育：植物春化 、动物繁殖的早迟、物种的分布范围、温度与生物发育最普遍的规律是,有效积温,。,有效积温法则及其意义,有效积温法则,植物在生长发育过程中必须从环境摄取一定的热量才能完成某一发育阶段的发育过程，而且各个发育阶段所需的总热量是一个常数，称总积温或有效积温，因此可用公式： KNT表示，考虑到生物开始发育的温度，又可写成： K N ( TT,0,),其中K是有效积温（常数），N为发育历期，即生长发育所需时间，T为当地该时期的平均温度，T,0,是发育起点温度（生物零度）。,有效积温法则及其意义,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程历；,制定农业气候区划，合理安排作物；,应用积温预报农时。,有效积温法则的局限性,极端温度对生物的影响,低温对生物的影响：当温度低于临界(下限) 温度，生物便会因低温而寒害和冻害。冻害原因：冰结晶使原生质破裂损坏胞内和胞间的微细结构；溶剂水结冰，电解质浓度改变，引起细胞渗透压变化，导致蛋白质变性；脱水使蛋白质沉淀；代谢失调。,高温对生物的影响：当温度超过临界（上限）温度，对生物产生有害作用，如蛋白质变性、酶失活、破坏水份平衡、氧供应不足、神经系统麻痹等 。,生物对极端温度的适应,生物对低温的适应：保暖、抗冻形态、生理 、行为的适应,生物对高温的适应：抗辐射、保水、散热形态 、生理 、行为的适应,生物对低温的适应,形态上的适应植物：芽具鳞片、体具蜡粉和密毛、植株矮小；动物：增加隔热层，体形增大（贝格曼规律），外露部分减小（阿伦规律）。,贝格曼规律,(Bergmans rule):,生活在高纬度地区的恒温动物的身体比生活在低纬度地区的同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是减少散热的适应。,阿伦规律,(Allens rule):,寒冷地区的恒温动物较温暖地区恒温动物突出部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明显趋于缩小的现象，称阿伦规律，是减少散热的适应。,生理上的适应植物：减少细胞的水分和增加细胞有机质的浓度以降低冰点，增加红外线和可见光的吸收带（高山和极地植物）；动物：增加体内产热，隔热性能良好的毛皮等。,行为上的适应 迁移和冬眠休眠等。,沙漠狐,极地狐,生物对高温的适应,形态上的适应植物：密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或暂时折叠，减少辐射伤害；干和茎具厚的木栓层，绝热。动物：体形变小，外露部分增大；腿长将体抬离地面；背部具厚的脂肪隔热层。,生理上的适应植物：降低细胞含水量，增加糖或盐浓度，减缓代谢率；蒸腾作用旺盛，降低体温；反射红外光。动物：放宽恒温范围；贮存热量，减少内外温差。,行为上的适应植物：关闭气孔。动物：休眠，穴居，昼伏夜出等。,地球不同温度带,分布的植物不同,随着海拔高度,增加温度降低,变温与温周期现象,变温与生物生长,种子萌发,生长,变温与干物质积累,物候节律,物侯生物的季节性变化与环境季节变化的关系,植物春花秋实,动物休眠、换毛换羽、迁徙、回游、繁殖季节,生物钟生物体内的测时机制,内源说,外源说,休眠,休眠生物的潜伏、蛰伏或不活动状态，是抵御不利环境的一种有效的生理机制。进入休眠状态的动植物可以忍耐比其生态幅宽得多的环境条件。,代谢率下降,水因子的生态作用及生物的适应,水因子的生态作用,生物对水因子的适应,水的生物学意义,水是生物体不可缺少的组成成份；,水是生物体所有代谢活动的介质、生命活动的基础；,水为生物创造稳定的温度环境；,水是光合作用的原料；,水使生物保持一定的状态,生物起源于水环境。,水对生物生长发育的影响,水对植物生长发育的影响,水分对植物生长有最低、最适和最高值,3,基点,水对动物生长发育的影响,水分不足时，引起动物的滞育和休眠,许多动物的周期性繁殖与降水季节密切相关,水对物种数量和分布的影响,对植被的分布的影响,我国从东南到西北可分为,3,个等雨量区，因而植被类型也分为,3,个区：湿润森林区、干旱草原区和荒漠区,水分与动植物种类与数量的影响,降水量最大的赤道热带雨林种的植物达,52,种,/,公顷，而降水量较少的大兴安岭红松林中，仅有植物,10,种,/,公顷,水体环境的特征,弱光,缺氧,粘性高,密度大,温度变化平缓,能溶解各种无机盐类,水生植物的适应特征,发达的通气组织,机械组织不发达甚至退化,水下叶片很薄，且多分裂成带状、线状,水生植物的类型,沉水植物,浮水植物,挺水植物,根据水分条件划分的陆生植物的类型,湿生植物：不能长时间忍受缺水，抗旱能力差，多生长在水边或潮湿的环境中。如水稻、秋海棠。,中生植物：适于生长在水分条件适中的环境中，形态结构及适应性介于湿生植物与旱生植物之间，种类最多、分布最光和数量最大的陆生植物。,旱生植物：生长在干旱环境中，能忍受较长时间的干旱，且能维护水分平衡和正常的生长发育。主要分布在干热草原和荒漠地区。 其对干旱环境的适应表现在根系发达、叶面积很小、发达的贮水组织以及高渗透压的原生质等。,形态适应,发达的根系、叶面积很小、发达的储水组织,生理适应,原生质渗透压特别高,旱生植物的适应特征,保持盐分与水分的平衡是水生动物适应环境的基础主要通过调节体内的渗透压来维持与环境的水分平衡,高渗：体内渗透压高于体外，水由环境向体内扩散，体内的盐分向外扩散。通过排泄作用排出多余的水，盐分通过食物和组织摄入。,等渗：体内和体外的渗透压相等，水和盐以大致相等的速度在体内外之间扩散。仅排泄失水，通过食物、饮水、代谢水获得水，泌盐器官排出多余的盐分。,低渗：体内渗透压低于体外，水分向外扩散，盐分进入体内。通过食物、代谢水和饮水获得水，多种多样的泌盐组织排出多余的盐分。,变渗透压：洄游鱼类。,水生动物对水因子的适应,陆生动物对水因子的适应,陆生动物,形态结构,:,昆虫具有几丁质的体壁、两栖类动物体表分泌粘液以保持湿润、爬行动物具有很厚的角质层、鸟类具有羽毛和尾脂腺、哺乳动物有皮脂腺和毛,行为：动物有活动能力，动物可以通过迁移等多种行为途径来主动避开不良的水分环境，如昼伏夜出、迁徙等。,生理：骆驼不仅具有贮水的胃，驼峰中还储藏有丰富的脂肪，在消耗过程中产生大量水分，血流中具有特殊的脂肪和蛋白质，不易脱水。,土壤因子的生态作用及生物的适应,土壤因子的生态作用,植物对土壤因子的适应,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,为陆生植物提供基底，为土壤生物提供栖息场所；,维持丰富的土壤生物区系；,提供植物生长所需的水热肥气(土壤肥力)；,生态系统的许多很重要的生态过程都是在土壤中进行。,长期生活在不同土壤上的植物，对该种土壤产生了一定的适应特征。据植物对土壤的反应，可把植物分为三类：酸性土植物（,）、,中性土植物（,）,和碱性土植物（,）。,大多数植物和农作物适宜在中性土壤中生长。生活在盐碱土中的植物称为盐碱土植物。,植物对土壤因子的适应,盐碱土,盐土：含可溶性盐,(,氯化钠、硫酸钠盐等,)1%,以上，,pH,中性，土壤结构未被破坏,碱土：含弱酸强碱盐,(,碳酸盐类,),较多，,pH,在,以上，土壤结构被破坏,盐碱土对植物的危害和植物的适应,盐碱土对植物的危害,盐土对植物的危害,引起植物的生理干旱,伤害植物组织,引起细胞中毒,影响植物的正常营养,在高浓度盐类作用下气孔不能关闭,碱土对植物的危害,土壤的强碱性能毒害植物根系,土壤物理性质恶化，结构受到破坏，质地变劣，尤其是形成一个透水性极差的碱化层次（,B,层），湿时膨胀粘重，干时坚硬板结，使水分不能渗滤进去，根系不能透过，种子不易出土，即使出土后也不能很好地生长,盐碱土植物对环境的适应,形态,植物矮小、干硬、叶不发达、蒸腾面小、气孔下陷、表皮有厚外皮、灰白绒毛,结构,细胞间隙小、栅栏组织发达、贮水细胞,盐碱土植物对环境的适应,生理,聚盐性植物：从土壤里吸收盐，并把这些盐积聚在体内而不受伤害,泌盐性植物：植物通过茎、叶表面上密布的分泌腺，把吸收的过多盐分排出体外,不透盐性植物：根细胞对盐类的透过性非常小，几乎不或很少吸收土壤中的盐类,思考题-名词解释,光补偿点,光饱和点,光周期现象（photoperiodicity）,贝格曼规律（Bergmans law）,阿伦规律（Allens law）,土壤肥力,思考题-问答题,简述光照强度与陆生动植物的关系。,简述陆栖动物的保水机制。（简述陆生动物在水代谢方面的适应性特征。）,从动植物对日照长度变化的适应出发解释生物光周期现象。,从形态、生理和行为三个方面阐述生物对高温环境的适应。（简述生物对极端温度的适应。）,简述有效积温法则，评述其意义及局限性。,以某种动物或类群为例，说明其适应环境的主要方式。,简述温度的生态作用。,简述生物对环境适应的基本方式及其意义。生物如何适应不同的水环境？,