《海洋非生物环境》PPT课件.ppt

第二章海洋非生物环境,提纲,第一节：生态因子作用的一般规律生态因子的概念限制因子概念及实际意义第二节：太阳辐射第三节：温度第四节：盐度第五节：密度第六节：压力第七节：表层流,第一节生态因子作用的一般规律,一生态因子1.1生态因子（ecologicalfactor）的概念：生态学上将环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素称为生态因子。,1.2生态因子的基本分类,非生物因子（abioticfactor）：主要包括一些理化因子，如光照、温度、盐度、压力、海流、溶解气体和悬浮物质、营养物质等。它们对海洋生物的生长繁殖有重要影响。生物因子(bioticfactor)：生物因子指生物周围的同种和异种生物，这些生物之间互为环境因子，它们之间主要是营养、竞争和共生关系。,1.3生态因子作用的几个特点：,综合性非等价性不可替代性和互补性限定性（限制因子）,二、限制因子,2.1限制因子（limitingfactor）的概念：指生态因子中，接近或超过某种生物的耐受极限会阻碍其生存、生长繁殖或扩散的因素，叫做限制因子。,2.2限制因子概念的实际意义：,为我们研究某特定环境时，提供了出发点。即可以优先考虑临界的或者具有限制作用的环境因子。如果生物对某个因子的耐受性限度很大，而这个因子在环境中又比较稳定，数量适中，那么这个因子就不能成为限制因子。相反，如果生物对某个因子耐受限度是有限的，而这个因子在环境中是不稳定的，它就可能是一个限制因子。也就是环境因子是否成为限制因子，根据不同的生物和环境状况会有所不同。,第二节太阳辐射,太阳辐射（solarradiation），即光照，它是地球（陆地和海洋）最重要的生态因素之一。光是植物进行光合作用的能源，是地球生命的能量来源。在海洋中，光照直接影响有机物质的生产。太阳辐射对海洋生物的重要影响主要表现在三方面：通过光合作用，为海洋生物生命活动提供能量；是海洋中热量的主要来源，对海洋生物生活有重要影响；光在海洋中的周期性变化，决定了海洋生物的分布、体色、生殖和行为。,一太阳辐射在海表面的吸收与散射,1.海洋生物学研究使用的光强单位两种光强单位：测量光子的爱因斯坦（E）测量辐射能的瓦特（W），辐射能取决于光的波长，用于光合作用的辐射能的波长是400nm700nm（可见光波长380nm760nm）单位换算1爱因斯坦（E）=1摩尔光子，即6.021023光子1Wm24.160.42Em2s1（仅适用于400nm700nm）1Jm2s1=1Wm2,2.海面辐射,太阳的辐射，在大气层外是连续的和相当稳定的。大约有50%的辐射能被大气层的各个层所吸收和散射，因此，能到达海水表层的太阳辐射也只能有50%，而且一部分还被海洋表层反射回大气（包含光合有效辐射的4%）。,不考虑时间长短的话，这部分反射的辐射能量取决于太阳的仰角、波长（波长越短能量越高）、海表面的起伏（波浪）和接近海表面的空气泡有关。其中主要的因子是太阳辐射的角度，当太阳与地平线夹角小于5时，反射量变的很大。,二.海洋中的太阳辐射,1、进入海水表面的光辐射的主要组成（设为100%）红外辐射（波长大于760nm），约占50%，海表层几米内迅速吸收转化为热；紫外辐射（波长小于380nm），很少，迅速被散射和吸收；可见光（380nm760nm），约占50%，穿透较深。,2、光合作用有效光辐射（PAR）指波长在400nm700nm左右的可见光辐射。光合作用有效光辐射的作用：A：为视觉动物提供光源，使其感应环境的变化；B：为植物光合作用提供所需辐射能量。最大光合作用有效光辐射约为2000Em2s1，是来自上方的垂直太阳辐射。当太阳接近地平线时，这个值降为零。,3、可见光在海水中的传播：,光透入水中之后有两个去向，一是被散射，一是被吸收，可见光谱的不同波长将透过不同的深度。红光（650nm左右）很难透入水中，在海面很快吸收，1%左右可到达清澈海水的10m深处；绿光（550nm左右）在水深35m处只剩下10%。蓝光（450nm左右）穿透较深，82m深处衰减到10%，150m深处仍有1%,其中波长为620nm760nm的红光和435490的蓝光对光合作用最为重要。,4、消光系数,由于太阳辐射入水后，受到海水中溶解的悬浮物（浮游生物、植物和有机体碎屑及植物中残留的叶绿素）、沿岸的浮沙等的影响，光照强度随深度的增加呈指数递减，消光系数k（衰减系数）的计算可以用来表示这种光的衰减。,k表示消光系数、I0表示表层的辐射强度、ID表示深度D处的光强、D表示深度(m),由前边的公式可以推出：需要指出的是，同样波长的光在不同水域的k值是不一样的。因为不同海区的悬浮物无论从种类或量的方面来说都是不同的。,5、海洋三个垂直生态带,为了研究方便，我们依据光照强度将海洋环境垂直划分为三层：真光层、透光层（euphoticlayer）：在这一层，光照量能够充分满足植物生长和繁殖的需要，其光合作用的生产量超过植物的呼吸消耗。在浑浊的近岸水域，真光层的深度自海表面向下只有20m或更少，而在大洋水域，深度可达到150m。,弱光层（disphoticlayer）：这一水层，光照较弱，植物不能有效的生长和繁殖，24小时内植物呼吸作用所消耗的量超过了光合作用所产生的量。清澈的沿岸水深度由80m100m向下延伸200m以下。在这一水层，活体浮游植物是可以存活的，鱼类和某些无脊椎动物还有视觉。,无光层（aphoticlayer）：这一层位于从弱光层下限直到海底。这一层内没有从海面透入的具有生物学意义的光照。这一层没有植物生存，主要是一些肉食性和碎食性的种类。注意：以上各层界限的深度在不同海区的具体情况，将随纬度、季节和水体透明度的影响而有变化。,6、太阳辐射与海洋植物的光合作用,最适光照强度光合作用的速率在一定范围内与光照强度成正比，即随着光照强度的增加，植物光合作用速率逐渐增大。光照强度达到最适值时，光合作用速率即达到最大值，这时的光照强度称为最适光照强度。超过或低于该值光合作用速率都会降低。,补偿深度太阳辐射进入海水中，光照强度随着水的加深而减弱，同时植物的光和作用速率也随着减弱。当至某一深度，光合作用产生氧气的量，恰好等于植物呼吸作用时消耗氧气的量，这一光照强度即称为补偿点（compensationpoint）或称补偿光强度（compensationlightintensity）。补偿点所在深度称补偿深度（compensationdepth）。补偿深度以上的水层通常称为光合作用带（photosyntheticzone）。通常，补偿深度亦为真光层的下限。,补偿深度（DC）可由以下公式计算：,I0表层的辐射强度；IC补偿光强度；k光照衰减系数（假定波长为550nm的绿光）。补偿光强IC的值随浮游植物的种类变化而变化，一般而言，IC值的范围在110Em2s1,7、太阳辐射与海洋植物的垂直分布,各种浮游植物和底栖海洋植物在海洋中的垂直分布与光照条件有密切关系，其中底栖植物受光照影响尤为明显。由沿岸浅海向下依次为绿藻（海白菜）、褐藻（海带）和红藻（紫菜）。,海洋植物垂直分布的原因？,有两种观点：认为是植物对光照强度适应的结果；认为是植物对水中光照性质（不同波长的光线）适应的结果。最近的研究结果表明，以上两种因素都存在和起作用。,8、太阳辐射与海洋动物的分布和行为,浮游动物的垂直分布与其生物学特性和环境因素作用有密切的关系，在环境因素中，光照有明显的作用。例如，在某一海区，栖居于一定水层的种类，在另一海区则因光照等环境因子的差异，而分布于另一水层。一般，浮游动物的幼体垂直分布接近于表层，成体则常栖息于深层。,第三节温度,1、海洋表层温度海洋表层和大气之间存在热和水的连续交换，海洋的热量主要来自太阳辐射的红外波长部分。这部分波长的辐射有98%在海洋表层的1m处被吸收。,1.1海洋表面温差海表温度随纬度有巨大差异，热带开阔海表面温度可超过30，而在寒冷极区温度可低到海水冰点-1.9或以下。由于水的比热较高，所以和空气相比海水温度相对比较稳定。而空气温度的变化范围很大，范围从-89到58。,1.2据海表温度的生物地理带划分,根据海水表面温度的差异，可以将海水划分为四个不同的生物地理带：热带：25亚热带：15温带：5（北线）、2（南线）极区（寒带）：02或5,1.3海洋表层水温的周期变化,日变化：开阔大洋表层水温日变化小于0.3，浅水处日变化小于2。年变化：极区和热带海区表层水温年变化小于25；温带海区，如在纬度3040年变化在67；北太平洋和北大西洋西部海域受大陆气团影响，年温差可达18；边缘海和滨海年变化可超过10。长期变化：如大洋厄尔尼诺过程，使中东太平洋海区表面异常增温，这个温度发生变化的周期是210年左右；另外拉尼娜和厄尔尼诺恰恰相反。,2、垂直温度分布,2.1混合层：由风和浪产生的湍流混合含热量较多的表层海水和下层海水，从而在低纬度和中纬度海域形成了一个从表层到几米或数百米的几乎是均匀温度的表面混合层（mixedlayer）。2.2永久性温跃层：在开阔海洋表面混合层下，从200300m深至1000m处，温度迅速递减，这一温度梯度最陡的水层称为永久性温跃层（permanentthermocline）。该层温差可达20。2.3密度跃层：永久性温跃层上部与表层较暖的低密度水密度变化一致，下部与底层冷的高密度水密度变化也是一致的，因而在永久性温跃层存在密度迅速变化的区域，这一区域称为密度跃层（pycnocline）。2.4季节性跃层：在温带气候中，由于在夏天风力减弱而太阳辐射加强，使得海水表层温度升高，在几乎没有湍流的情况下形成热分层，这一分层在秋季，表层水变凉，强风引起湍流后被破坏。那么这一夏季出现而秋冬季消失的热分层称为季节性跃层。,秋冬季,2.5大洋热分层在全球的任何纬度海区，海水深度20003000m以下的水温一般不超过4，在更深处，温度在03之间。唯一例外是海底存在地热作用使温度升高。,3、海洋生物对温度的耐受,生物只能生活在相对较小的温度范围内，尤其是海洋生物对温度的耐受幅度比陆地或淡水生物小得多。一般海洋生物的最适温度是接近最大耐受温度限度，低温对生命的破坏作用在某些方面不如高温大。多数海洋动物是变温动物（无脊椎动物、鱼类），体温随着周围的水温而变化；但是海洋哺乳类为恒温动物，体温保持不变。能生活在温度变化较大环境中的动物称广温种（潮间带）；局限在狭窄温度范围内的种类称为狭温种（珊瑚）。另外根据海洋生物对温度的适应，又可分为暖水种（20以上）、温水种（412）和冷水种（4以下）。,第四节盐度,1.盐度（Salinity）概念原始定义（1902）：在1kg海水中，将所有的碳酸盐转变为氧化物，所有的溴和碘为等摩尔的氯所取代，且所有有机物被氧化以后，所含全部固体物质的总克数。单位：g/kg，以符号S表示。实用定义：用KCl水溶液作为海水盐度测定的标准，该KCl标准溶液的浓度应使其电导率与平均大洋海水的电导率相同。由此形成了此后广泛采用的实用盐度（psu，practicalsalinityunits）定义。,海水主要无机盐组分,海水组成的稳定性：海水的主要成分多数不受生物和化学反应的显著影响，即使总盐度发生变化，但是各种主要离子含量与总量的相对比值保持恒定，而且离子之间的浓度比值也保持恒定。（特殊情况如河口和近岸海域）,2、海水盐度的范围和分布,海洋环境的盐度范围：开阔海洋3238（35）近岸浅海2730河口030半封闭海（波罗的海）25高盐环境（红海、热带沿岸泻湖）40,3、盐度的生物学意义,渗透：水通过半透膜从低盐浓度区向高盐浓度区扩散。溶解于水中的各种盐类，主要通过渗透压影响鱼体。鱼类对盐度的适应范围因种而异，各种鱼类能够在不同盐度的水域中正常生活，与其具有完善的生理调节机制有关。,海洋生物的渗透平衡,变渗透压动物：渗透压调节机能不完全，与外界环境是等渗压或接近等渗压，如多数海洋无脊椎动物和原始软骨鱼类（鲨鱼、鳐鱼），它们的血液和体液的含盐量约等于海水的平均盐度。恒渗透压动物：能够保持与环境不同的渗透压，这类动物的渗透压可以高于或低于环境，并且具有保持自身正常渗透压的调节机能。所有海洋硬骨鱼类都属于这一类，它们的血液含盐量仅是周围海水含盐量的30%50%。,海洋生物对盐度的适应性,狭盐性生物：对盐度变化敏感，只能生活在盐度稳定的环境中。(深海、大洋种)广盐性生物：对海水盐度的变化有很大的适应性，能够忍受海水盐度的剧烈变化。（沿海、河口种）,（3）盐度与海洋生物分布,研究表明，不同海区中的动物种类的丰富程度与盐度有密切联系。盐度的降低和变动通常伴随着动物种类的减少。,由于海洋生物区系是以狭盐性、变渗压种类为主（无脊椎动物），盐度降低或变化会逐渐减少狭盐性种类。,原因？,第五节密度,1、海水密度定义和影响因素：海水的密度是指海水单位体积的质量。海水密度受温度和盐度的控制，随盐度的升高而变大，随温度的升高而变小。所有影响温度和盐度的因素都会影响海水的密度。,温度、盐度和密度之间的关系可用TS图解来表示：,2、最大密度、冰点和盐度的关系,盐度可以降低温度，并且降低海水的冰点。在盐度为25的时候，最大密度的温度和冰点温度是一样的。由于海洋盐度一般比25高，海水的密度将随着温度的降低而增加，直到冰点（盐度35时，冰点是1.9）。,3、海水的平流、下降流和上升流,海水的水平运动一般称作平流；海水的下沉称为下降流；海水的向上运动称为上升流。海水的下降流和上升流对氧气和营养盐的垂直运送起到直接的作用，对植物的初级生产和深层动物的呼吸有重要意义。,第六节压力,水静压对海洋生命有重要的影响。海洋中某深处的压力决定于该深度单位面积以上水柱的重量。生物学家惯用的压力单位：每平方米牛顿（N/m2）;在海洋的10m深处压力为105N/m2，约等于一个大气压或一巴，随深度每增加1m，压力增加十分之一巴,压力的生物学意义深水海洋生物承受着巨大的压力，在作垂直迁移时，鱼类的鳔可以显著感受压力的变化，缺少该结构的动物可能更适应深水环境和深度的变化。海洋哺乳类的肺可以适应很高的水压（鲸鱼可以下潜到10000米深的海底）。适应深海生活的种类没有充气器官。依据对深度变化的忍受限度，可以将海洋生物分为广深种和狭深种（限于深水区域）。,第七节表层流,表层流主要是在风的作用下产生的，并且受地球自传偏向力（科氏力）随纬度变化的影响，从而形成了北部海洋的顺时针运动的环流，南部海洋逆时针的环流。,海流的生物学意义海洋中水的运动直接影响着营养盐的分布，进而产生了不同海洋生物生产力的地理区。如寒暖流的交汇处是丰富的渔场（北海道渔场、挪威渔场）。海水水平运输也决定了许多海洋生物种的地理分布。,思考题,你认为月光在海洋学中的生物学作用是什么？大部分海洋动物（包括底栖和水层的）是变温的，但多数陆地动物（鸟、哺乳类）是恒温种类，你能解释这种差异吗？,