第二章+生物与环境第三节.

第三节第三节生物与环境因子的相互作用•一、光因子的生态作用及生物的适应•二、温度因子的生态作用及生物的适应•三、水因子的生态作用及生物的适应•四、土壤因子的生态作用及生物的适应一、光因子的生态作用及生物的适应光是地球上所有生物得以生存和繁衍的最主要的能量源泉，地球上生物生活所必需的全部能量，几乎都直接或间接地源于太阳光能。绿色植物的光合系统是太阳能以化学能的形式进入生态系统的唯一通路，也是食物链的起点。光本身又是一个十分复杂的环境因子，太阳光辐射强度、光质及光的周期性变化等都对生物的生长发育和地理分布产生深刻的影响，而生物本身对光因子的变化也有着极其多样的响应。（一）光强的生态作用与生物的适应1.光强对生物生长发育和形态建成的作用光照强度对植物细胞的增长和分化、体积的增长和重量的增加关系密切；光还能促进组织和器官的分化，制约着器官的生长发育速度，使植物各器官和组织保持发育上的正常比例。−蛙卵、鲑鱼卵在有光情况下孵化快，发育也快；−贻贝和生活在海洋深处的浮游生物则在黑暗情况下长得较快。黑暗环境光照环境黄化现象（etiolationphenomenon）是光与形态建成的各种关系中最极端的典型例子，黄化是植物对黑暗环境的特殊适应。4光照强度影响植物的生长、形态建成、生物量和品质等；光照强度影响动物的行为、生育等。如昼行性动物在白天强光下活动，夜行性动物在夜晚或弱光下活动。（一）光强的生态作用与生物的适应2.光照强度与水生植物光的穿透性限制着植物在海洋和湖泊中的分布：在海洋表层的透光带上部，植物的光合作用量大于呼吸量在补偿点处，植物的光合作用量与呼吸消耗平衡沉降到补偿点以下又不能很快回到表层时死亡（一）光强的生态作用与生物的适应3.植物对光照强度的适应类型一定范围内，光合作用的效率与光强成正比，但到达一定强度光合效率不会再增加，若继续增加光强，光合效率下降，这点谓之饱和点。阳地植物(A)和阴地植物(B)光补偿点位置示意图（Emberlin,1983）CP：光补偿点光饱和点蒲公英柳树杨树人参阳地植物阴地植物三七铁杉9《环境生态学》精品课程建设阳性植物-桔梗阳性植物-凤仙花阴性植物-绿萝阴性植物-丝穗金栗兰半阴性植物-云南山茶（二）光质的生态作用与生物的适应空间变化光质即光的波长组成状况是随空间发生变化的，其一般规律是随纬度增加短波光减少，随海拔升高短波光增加。时间变化一年之中，冬季长波光增多，夏季短波光增多；一天之中，中午短波光最多，早晚长波光较多。波长不同波长的光对生物有不同的作用，植物叶片对日光的吸收、反射和透射的程度直接与波长有关。（二）光质的生态作用与生物的适应光合作用的光谱范围只是可见光区。不同的光质对植物的光合作用，色素形成，向光性，形态建成的诱导等的影响是不同的。生理有效辐射红、橙光被叶绿素吸收蓝紫光被叶绿素和类胡萝卜素吸收生理无效辐射绿光则很少被吸收利用可见光动物可见光植物12不同光谱成分对植物的生态作用2、兰紫光、青光的生态作用（1）光合活性大；（2）有利于蛋白质的合成；（3）促进花青素的合成；（4）抑制植物的伸长生长。（二）光质的生态作用与生物的适应不可见光对生物的影响也是多方面的。例如：紫外光有致死作用，特别是细菌，病毒及微生物。紫外光是昆虫新陈代谢所必需的，与维生素Ｄ的产生关系密切。可见光对动物生殖，体色变化，迁徙，毛羽更换，生长及发育等都有影响不可见光生物（三）生物对光周期的适应光照长度超度12～14h叫长日照光照长度不足8～10h叫短日照1.植物的光周期长日照植物：经过一定日照才开花，如牛蒡、紫菀、凤仙花和除虫菊等。短日照植物：日照时间短于一定值时开花，如苍耳、菊类、水稻、玉米、大豆等。中间性植物：只要其他条件合适，什么日照条件下都开花，如黄瓜、番茄、蒲公英等。长日照植物短日照植物中间性植物凤仙花紫菀苍耳玉米大豆西红柿黄瓜（三）生物对光周期的适应2.动物的光周期鸟类的迁移和生殖时间是由日照长度决定的。鱼类的生殖和迁移受光周期影响，特别是光照充足的表层水鱼类。（三刺鱼：日照激素洄游）昆虫的代谢和发育受光周期的影响。哺乳动物的生殖和换毛受光周期的影响。日照长短和变化是许多动物进行迁移、生殖、换毛等生命活动最可靠的信号系统。长日照动物(long-dayanimals)：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、刺猬；短日照动物(short-dayanimals)：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。如绵羊、山羊和鹿等。紫貂梅花鹿浣熊红腹角雉日照长短的变更会影响动物性腺的发育，进而影响其生殖器官的成熟以及相应的性行为。热带荒漠二、温度因子的生态作用及生物的适应太阳辐射使地表受热，产生气温、水温和土壤温度的变化。温度因子和光因子一样呈周期性变化，称为节律性变温。节律性变温和极端温度都对生物的生长发育有着十分重要的生态学意义。北极热带草原（一）温度因子的生态作用1.温度与生物生长生物的三基点：参与生物生命活动中生理生化过程中的酶的活性有最低温度、最适温度、最高温度，相应的则是生物生长的“三基点”。在一定范围内，生物的生长速率与温度成正比多年生木本植物茎的横断面上的年轮动物的鳞片、耳石等使蛋白质凝固，酶系统失活；高温低温将引起细胞膜渗透性改变、脱水、蛋白质沉淀等不可逆转的化学变化。（一）温度因子的生态作用2.温度与生物发育生物完成生命周期，通过繁衍后代种族得到延续，不仅要生长期还要完成个体的发育阶段。最明显的是某些植物一定要经过一个低温“春化”阶段，才能开花结果。来自温带地区的耐寒花卉，较长的冬季和适度严寒，能更好的满足其春化阶段对低温的要求。冬性草本植物（如冬小麦）一般于秋季萌发，经过一段营养生长后度过寒冬，于第二年夏初开花结实。如果于春季播种，则只长茎、叶而不开花，或开花大大延迟。这是因为冬性植物需要经历一定时间的低温才能形成花芽。冬性作物已萌动的种子经过一定时间低温处理，则春播时也可以正常开花结实。其它二年生作物（如甜菜、萝卜、大白菜）以及某些多年生草本植物（如牧草），都有春化现象，这是它们必须等到翌年才能开花的基本原因。（一）温度因子的生态作用生物在生长发育过程中，需从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育，而且某一特定生物类别各发育阶段所需要的总热量是一个常数。有效积温法则K=N（t-t0）式中，K——生物所需的有效积温N——天数，dt——当地该时期的平均温度，℃t0——生物生长活动所需最低临界温度(生物学零度)，℃例1：地中海果蝇在26℃下，20d完成生长发育，而在19.5℃则需要41.7d。求它的生长发育最低临界温度。解：根据有效积温法则，只要在生命活动所需的温度范围内，其有效积温相等，则有果蝇的最低临界温度是13.5℃。生物的发育速度则是其发育时间的倒数，及V=1/N。于是有250)5.1326(205.13)5.19(7.41)26(20000KTTT0000,),(TKVTTNKTTTNKTTNK（一）温度因子的生态作用生物的生长和发育常有一个温度下限值，低于这个温度值，生物就停止生长和发育，只有高于这个温度值时，生物才开始生长发育。在生态学中，将这个温度下限称为生物学零度或发育起点温度。生物学零度左图为地中海果蝇发育历程、发育速度与温度的关系。它表示在发育的温度内，果蝇的发育速率随环境温度增高呈线性加快，而发育所需的日期随温度升高呈双曲线减少。T-V（一）温度因子的生态作用有效积温及双曲线关系在农业生产中有着很重要的意义。农作物全年的种植安排，必须根据每一作物所需的总有效积温，否则，将是盲目的。一种可能：土地不能得到充分利用另一种可能：作物尚未成熟而低温已经降临，甚至导致颗粒无收在植物保护、防治病虫害中，当地的平均温度以及某害虫的有效总积温是进行预测预报的重要依据。（二）极端温度对生物的影响及生物的适应1.低温环境对生物的影响和生物对低温环境的适应在形态方面：北极和高山植物的芽和叶片常受到油脂类物质的保护，芽具鳞片，植物体表面生有蜡粉和密毛，植物矮小并常成匍匐状、垫状或莲座状等，这种形态有利于保持温度，减轻严寒的影响。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，因为个体大的动物，其单位体重散热量相对减少。贝格曼（Bergman）规律（二）极端温度对生物的影响及生物的适应1.低温环境对生物的影响和生物对低温环境的适应在形态方面：阿伦（Allen）规律恒温动物身体的突出部分如四肢、尾巴和外耳等在低温环境中有变小变短的趋势，是减少散热的一种形态适应，称为阿伦规律。北极狐的外耳明显短于温带的赤狐，赤狐的外耳又明显短于热带的大耳狐。31贝格曼规律(Bergman’srule):生活在寒冷气候中的恒温动物的身体比生活在温暖气候中的同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是减少散热的适应。约旦规律(Jordan’srule):鱼类的脊椎骨数目在低温水域比在温暖水域的多。（二）极端温度对生物的影响及生物的适应1.低温环境对生物的影响和生物对低温环境的适应在生理方面：生活在低温环境中的植物常通过减少细胞中的水分和增加细胞中的糖类、脂肪或色素等物质来降低植物的冰点，增加抗寒能力。在寒冷季叶片变红，能吸收更多的红外线。例如鹿蹄草就是通过在叶细胞中大量贮存五碳糖、黏液等物质来降低冰点的，这可使其结冰温度从０℃下降到零下３１℃。动物则靠增加体内产热量来增强御寒能力和保持恒定的体温。寒带动物由于有隔热性能良好的毛皮，往往能使其在少增加甚至不增加代谢产热的情况下就能保持恒定的体温。植物动物（二）极端温度对生物的影响及生物的适应2.生物对高温环境的适应生物对高温环境的适应表现在形态、生理和行为三个方面。有些植物生有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；有些可以反射红外线；还有些植物主要减低细胞含水量。动物对高温环境的一个重要适应是适当放松恒温性，在高温时吸收热量等到环境适当或到阴凉处释放热量。沙漠中的啮齿动物对高温环境常常采取行为上的适应对策，即夏眠、穴居或昼伏夜出。植物对高温的适应动物对高温的适应冬眠和夏眠（3）行为上的适应－－迁移和冬眠／休眠等。（二）极端温度对生物的影响及生物的适应3.温度与生物的地理分布温度，包括节律性变温和绝对温度制约着生物的生长发育，而每个地区又都生长繁衍着适应该地区气候特点，特别是极端温度的生物。极端温度（最高温度、最低温度）是限制生物分布的最重要条件。温度对动物的分布，有时可起到直接的限制作用。−昆虫的发育就北半球而言，动物分布的北界受低温限制，南界受高温限制。−如喜热的珊瑚和管水母只分布在热带水域一般来说，暖和的地区生物种类多，寒冷地区生物的种类较少。−例如，我国两栖类动物，广西有57种，福建有41种，浙江有40种，江苏有21种，山东、河北各有9种，内蒙古只有8种。（二）极端温度对生物的影响及生物的适应4.变温对生物的影响通常，变温处理将有助于种子有效的萌发，特别是药用植物以及芹菜、烟草等。变温能提高种子萌发率，这是由于降温后可增加氧在细胞中的溶解度，从而改善了萌发中的通气条件。变温通过改变植物的生理现象如呼吸、蒸腾等，可以造成糖分在体内的大量聚集，如新疆的哈密瓜特别甜，就是这个原因造成的。三、水因子的生态作用及生物的适应（一）水因子的生态作用1.水是生物生存的重要条件水是生物体的重要组成部分。植物体一般含水量达60％～80％，而动物体含水量比植物更高。−水母含水量高达95％；−软体动物80％～92％；−鱼类达80％～85％；−鸟类和兽类为70％～75％。水是很好的溶剂,许多化学元素都是在水溶液的状态下被生物吸收和运转。水是生物新陈代谢的直接参与者，是光合作用的原料。水是生命现象的基础。（一）水因子的生态作用2.水对动植物生长发育的影响水