能量环境

Conditionsforlife第一章生物与环境OrganismsandEnvironment本章内容第一节、生物与环境概述第二节、能量环境一、光的生态作用及生物对光的适应二、温度的生态作用及生物对温度的适应三、风对生物的作用四、水流对生物的作用五、火对生物的作用第三节、物质环境•绿色植物将太阳能转化成化学能储存于植物体内，这一过程是生物圈与太阳能发生联系的唯一环节，也是生物圈赖以生存的基础。太阳辐射又温暖了地球表面，使生物能够生长、发育和繁衍，并对生物的分布起了重要的作用。因此，光和温度组成了地球上的主要能量环境。风、水流和火也可看作能量环境的一部分。地球的能源及影响因素太阳辐射能通过大气层时辐射强度大大减弱。而地球截取的太阳能约为太阳输出总能量的20亿分之一，地球上绿色植物光合作用所固定的太阳能，只占从太阳接受的总能量的千分之一。1）大气层物质：臭氧、二氧化碳、尘埃、氧气、水汽和雨滴等可吸收、反射和散射光线。直接辐射到地球表面的仅为24%，散射到地面的为23%；总太阳辐射为47%。太阳辐射100反射25反射5地球吸收47大气层吸收46直接辐射24散射23•地球表面太阳辐射受以下几方面因素的影响：2）太阳高度角：太阳入射光与地面的夹角即为太阳高度角。太阳高度角越小，太阳辐射穿过大气层的路程越长，辐射面积越大，辐射强度越弱。3）黄赤交角：地球公转的黄道面与自转形成的赤道面之间的夹角称为黄赤交角，其度数为23°26′。这就导致地球南北半球的季节不同，不同纬度和季节的太阳辐射时间成周期性变化。23°26′23°26′黄道面4）地貌：地面的海拔高度、朝向和坡度，都会引起太阳辐射强度和日照时间的变化。一、光light光的生态作用及生物对光的适应光质lightquality光照强度lightintensity光照周期lightduration1.1光质太阳辐射光谱主要由短波(紫外线、波长小于380nm)、可见光(波长380-760nm之间)和红外线（波长大于760nm）组成。3807604000波长(nm)图2-1进入地球大气的太阳光谱紫外线可见光红外线能量强度•地表光质的变化：•空间：高纬度，短波光少；高海拔，短波光多。•时间：季节：夏天短波光多，冬天短波光少。昼夜：中午短波光多，早晚长波光多。•大气状况：空气分子及其它颗粒会反射、吸收或散射而改变射入地表的光质和光量。•陆地：主要被植物的叶子吸收和反射。•水介质：水体吸收和散射作用强，大部分红外线被吸收，紫蓝光散射（水色），绿光深入水中。水下10m，红光吸收完全，20m橙光被完全吸收。•光质的生态作用及生物的适应1）光质影响植物的光合作用：光质影响植物的光合作用强度，绿色植物的叶绿素吸收最强的光谱是640-660nm的红光和430-450nm的蓝紫光，绿光最差。海带等红藻的类胡萝卜素吸收最强的是绿色光。光合细菌的叶绿素的吸收峰值在800-890nm。2）光质影响植物的形态建成、向光性与色素形成。•青、蓝紫光与紫外线抑制植物茎的伸长，使植物成矮小形态，茎干粗短，叶小、毛绒发达。•短波光（青蓝紫光）使植物向光性更敏感，促进植物色素的形成，高山植物茎叶富含花青素。14•红外线和紫外线在水的上层被吸收•绿藻分布在上层水中•褐藻分布在较深水层中•红藻分布在最深层，可达200m左右。3）光质影响水中藻类的分布。4）光质影响光合作用等代谢过程：红光对糖的合成有利，蓝紫光有利于蛋白质的合成；红光促进鸡繁殖，蓝光有助于生长。5）光质影响动物的活动影响灵长类、鸟类、鱼类、节肢动物等的色觉；鱼类的视觉敏感度：太阳鱼的视力灵敏峰值在500-530nm；昆虫的可见光范围偏短光波，因此可用黑光灯诱杀。•空间：高纬度，低强度；高海拔，高强度。海拔1000m，入射光能的70％，海平面为50％。坡向：北纬23°26′以北，南坡、平地和北坡强度越来越低。与坡度有关，不同纬度的最强光照的坡度不同。•时间：季节：夏天高强度；冬天强度低昼夜：中午强度最高；早晚强度较低•生态系统：上层，强度大；下层，强度低。植物和水体都分层。在海水中10米深处，可见光消减50％，100米处仅剩7％。根据光照强度将水体分为：光亮带（euphoticzone）：光合作用大于等于代谢能。弱光带（dysphoticzone）：光合作用小于代谢能。无光带（aphoticzone）：无光合作用。1.2光强度•光强度的分布特点：•光强度与植物的适应1）光照强度对植物的影响:•影响生长速度；•光照强度影响植物器官、组织的生长发育和形态构建；•黄化现象：黑暗条件下叶绿素合成受阻、但胡萝卜素可以合成，导致黄化现象。黄化植物在形态、色泽和内部结构上都与正常植物不同。•果实的产量与品质；•提高果实花青素含量，色彩好看。•影响植物节律性变化：•植物叶子的日运动反映了光强度和光方向的日变化。•温带树叶脱落是对光强度的年周期变化的反映;•光强度影响植物的光合作用速率，不同种植物光合能力不同.C4植物（如玉米、高粱）光合作用速率随光强度而增加，能够利用低浓度的CO2，水的利用效率也较高；C3植物（如小麦）光合作用速率也随光强度而增加，但曲线变平。2）植物对光照强度的适应:根据植物对光强度表现出的适应性差异，把植物分为：•阳地植物：光补偿点较高，光饱和点一般也较高，可利用强光，如杨、柳、桦等。•阴地植物：光饱和点较低，光补偿点一般较低，可有效利用弱光，如云杉、人参、三七等.光饱和点：植物光合作用达到最大值时的光照强度；光补偿点：光合作用和呼吸作用相等时的光照强度。特征阳地植物叶阴地植物叶形态特征枝叶叶片角质层气孔栅栏组织稀疏较小发达较多发达茂盛较大、薄不发达较少不发达生理特征细胞汁液浓度蒸腾作用CO2补偿点的光强度光合作用的光饱和点RvDP羧化酶以干重计的叶绿素可溶性蛋白（=酶）++++高高++++++++低低++++阴地植物与阳地植物叶的比较•光照强度与动物•影响视觉：夜行性动物眼大，有的啮齿类的眼球突出于眼眶外；猫头鹰，懒猴，飞鼠。终生营地下生活的兽类，眼睛一般退化；鼹鼠，鼢鼠深海鱼或者具有发达的视觉器官，或者是本身具有发光器官。•影响动物的行为：昼行性动物:多数鸟类，多数灵长类，松鼠等夜行性动物:家鼠，刺猬，壁虎，夜猴等动物每天开始活动的时间是由光照强度决定的美洲飞鼠活动开始的日时间季节变化(引自Mackengineetal.,1998)•影响动物发育等：在动物中，蛙卵、昆虫卵和海星卵的发育与光照强度正相关，但过强的光照也会使发育延缓或停止；中华鳖在低光照光强度下生长更快。光照还会引起动物的体色变化，蛱蝶在光照环境体色变淡，黑暗环境中体色变深。1.3光周期空间变化时间变化北半球：夏至最长，冬至最短。南半球：相反赤道：昼夜平分两极：半年白天，半年黑夜。南北半球的季节变化•光周期对生物的影响与生物的适应：1）生物的昼夜节律生物的生理活动具有昼夜周期性变化，称为昼夜节律。如动物的活动行为、体温变化、能量代谢、激素水平，植物的光合作用、蒸腾作用、积累与消耗等。一般认为，生物的昼夜节律受两个周期的影响，即外源性周期（除光周期外，还有温度、湿度、磁场等的昼夜变化）和内源性周期（内部生物钟）。只有光周期使动植物的似昼夜节律与外界环境的昼夜变化同步起来。282）生物的光周期现象生物借助于自然选择和进化而形成的对日照长短的规律性变化的反应方式，称为光周期现象。(1)植物的光周期现象：植物开花对日照长度的反应分：•长日照植物（longdayplant):12~14h,如小麦•短日照植物（shortdayplant):8~10h,如玉米、水稻、棉花。•中日照植物（dayintermediateplant):12h,甘蔗；•日中性植物（dayneutralplant):蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄及番薯（2）动物的光周期现象•影响动物的冬眠和昆虫滞育.常与温度有关。•影响动物的生殖时间。长日照动物：春季交配繁殖，雉鸡，水貂，刺猬等，短日照动物：秋季交配，羊、鹿、麝等。•影响换毛与换羽:温带和寒带地区，大部分兽于春秋两季换毛，许多鸟每年换羽一次。•决定动物迁徙、迁移或洄游的时间。二、温度的生态作用及生物对温度的适应2.1地球上温度的分布取决于太阳辐射量和地球表面水陆分布。地表大气温度低纬度向高纬度地区，太阳高度角和太阳辐射量渐减。地表气温也逐渐下降。纬度每增加1度，年平均温度约降低0.5℃。1)空间差异：海洋--陆地比海洋表面反射热少、升温快、降温快，因而，从我国的东南到西北，由海洋性气候逐渐明显地转变为大陆性气候。山脉--地表温度会受到山脉走向、地形变化及海拔高度的影响。特别是东西走向的山脉，对南北暖冷气流常具阻挡作用，使山坡两侧温度明显不同。封闭山谷与盆地，白天受热强烈,热空气又不易散发,使地面温度增高,夜晚冷空气又常沿山坡下沉,形成逆温现象。气温还随海拔升高而降低，在干燥空气中海拔每升高100m，气温下降1℃，潮湿空气中下降0.6℃。2)时间变化•日变化：日较差随纬度增高而减少，随海拔升高而增加，并受地形特点及地面性质等因素的影响。•年变化：一年内最热月和最冷月的平均温度之差，称年较差。大陆性气候越明显的地方温度年较差越大，纬度越高年较差越大。•长期变化：3）土壤温度的变化•土壤表面的温度变化比气温剧烈，深层变化幅度减小，1米以下的土壤无昼夜变化，30米以下的土壤无季节性变化。•土壤温度的短周期变化主要出现在土壤上层，长周期变化出现在较深的位置。•土壤温度的年变化在中纬度地区较大，热带地区受雨量控制。高纬度与高海拔地区，土壤温度的年变化与积雪有关。4）水体温度的变化：•时间变化：水体热容量大，温度变化幅度较小。海洋昼夜温差小于4℃，随深度增加变幅减小，15米以下无昼夜变化，140米以下的无季节性变化。赤道和两极地带海洋的温度年较差不超过5℃，温带为10－15℃，有时可达23℃。•成层现象：•中高纬度地区分层明显：夏季分层：上层热，下层冷，中层变化大；冬季分层：上层0℃，下层4℃；•低纬度地区成层现象不明显。2.2生物对温度的适应•温度与动物类型：常温动物Homeotherms内温动物Endotherms变温动物Poikilotherms外温动物Ectotherms异温动物Heterotherms变温动物：Bodytemperaturevariesdirectlywithenvironmentaltemperature.常温动物：maintainarelativelyconstantinternalenvironment外温动物：Relymainlyonexternalenergysources.内温动物：Relyheavilyonmetabolicenergy.异温动物：常温动物中具有休眠习性，在冬眠过程中体温降低的动物。•生物对温度的反应1)酶反应速率与温度系数:外温动物及植物的代谢速度随温度变化而变化。温度系数Q10=T℃体温时的代谢率/(T-10)℃体温时的代谢率通常Q10的值大约为2。低温对生物的伤害可以分为：冻害：冰点以下低温使生物体内形成冰晶，蛋白质失活变性。冷害：温度在冰点以上，但低于喜温生物对温度的耐受下限而使生物受害或死亡。可能是通过破坏膜结构造成的，是喜温生物向北方引种和扩张分布区的主要障碍。菜白蝶在温度阈10℃以上，从卵到蛹的发育2)温度与生物发育和生长速度——有效积温法则温度直接影响外温动物和植物的发育和生长速率。有效积温法则：生物完成某一发育期所需要的总热量为一常数，称为有效积温或热常数。K=N(T-C);T=C+KV其中K为生物完成某阶段的发育所需要的总热量N为完成某阶段的发育所需要的天数T为发育期间的环境平均温度C为该生物的发育阈温度不同物种，完成发育所需积温不同。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。例如，麦子需要有效积温1000~1600日度，棉花、玉米为2000~4000日度，椰子约5000日度。有效积温法则的应用：①预测生物发生的时代数；②预测生物地理分布的北界，全年有效积温大于K；③预测害虫来年发生