第二章生物与环境

第八章生物与环境第一节概述一．环境概述1、环境：是指某一特定生物体和生物群周围一切生物的总和，包括空间及直接或间接影响该生物群体或生物群生存的各种因素。在环境科学领域，环境的含义是指以人类社会为主体的外部世界的总体。按照这一定义，环境包括了已经为人类所认识的，直接或间接影响人类生存和发展的物理世界的所有事物。20世纪七十年代以来，人类对环境的认识发生了一次飞跃，人类开始认识到地球的生命支持系统中的各个组分和各种反应过程之间的相互关系。2、环境分类生物环境：宇宙环境、全球环境、地区环境。大环境是指地区环境（具有不同气候和植被特点的地理区域）、地球环境（包括各圈的全球环境）和宇宙环境。如三北防护林、厄尔尼诺和拉尼娜、太阳黑子等。小环境是指对生物有着直接影响的邻接环境。如生物个体表面的大气环境、土壤环境和动物穴内的小气候等。二．生态因子环境的各种组成要素称为环境因子，其中一些可对生物产生一定影响的特称为生态因子。1、生态学——研究生物与其环境之间相互关系的科学。2、生态因素——环境中对生物的生命活动起直接影响作用的因素。生态因素可分为：1）非生物因素：气候、土壤、地形。2）生物因素：植物、动物、人类活动。注意：地形和海拔高度对生物的影响是通过影响气候、土壤、植物、动物和人类活动而起作用的，故属于间接因素，有人认为不属于生态因素之列。3．生存条件：生态因子中生物生存所不可缺少的环境条件，又称为生物的生存条件。4．生境：具体的生物个体和群体生活地段上的生态因子综合称为生境，其中包括生物本身对环境的影响。5、生态环境：为了强调生态意义，常常把环境中全部生态因子综合组成的那一部分，称为生态环境。6、主导因子：生态因子中对生物的生活环境起决定性作用的因子。7、限制因子：当某个生态因子的变动范围超出生物所能耐受的临界限，并因此影响生物的生长发育和繁殖至引起死亡，此时这样的生态因素叫做限制因子。8、生态幅：物种适应于生境范围的大小。生态幅即对某一生态因子，又指环境条件的综合。三、生态因子的空间分布1、纬度地带性：从赤道到两极，整个地球表面具有过渡状的分带性规律。太阳辐射量差异太阳辐射－热量带－水分差异－植被分带－土壤分带自然地理带：赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带植被地带性分布2、垂直地带性：因太阳辐射和水热状况随着地形高度的不同而不同，生物和气候自山麓至山顶呈垂直地带分异的规律性变化。3、经度地带性：地球内在因素如大地构造形成地貌和海洋分异引起经度地带性分异。四、生态因子作用的一般特征（一般规律）1.综合作用：2.主导因子作用：3.直接作用和间接作用：4.阶段性作用：5.不可代替性和补偿作用：五、环境的限制作用1、限制因子：①限制生物生存和繁殖的关键性因子。②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，而且阻止其生长、繁殖或扩散甚至生存的因素。2、最小因素定律（Libig最小因子法则）：即植物生长好坏依赖那些表现为最低量的化学元素，这一规律被称为最低量定律。3、耐性定律：耐性：也即生物种在其生存范围内，对任一生态因子的需求总有其上限与下限，两者之间的距离就是该种对该因子的耐性限度。①指生物能够忍受外界极端条件的能力；②指单个有机体或种群能够生存的某一生态因子的范围。六、生物对环境的适应1、生物适应指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为方式等在生存竞争中形成适合环境条件的一定性状的现象。2、表现：行为适应（冬眠、迁移）、形态适应（保护色、警戒色）、生理适应。3、趋势：有趋同适应和趋异适应二大类。趋同适应：指亲缘关系相当疏远不同种类的生物由于生活在相同或相似的环境中，受到生态因子的长期作用，产生相同或相似的适应方式。趋异适应：指同一种生物由于不同环境的影响，在形态、生理和行为等方面产生不同的生态适应。保护色：保护色是指动物适应栖息环境而具有的与环境色彩相似的体色。保护色强调的是动物的体色与动物栖息地环境的背景色彩相协调一致。其生态适应意义是：既有利于躲避敌害，也有利于捕食。警戒色：警戒色是指某些有恶臭或毒刺的动物所具有的鲜艳色彩和斑纹。警戒色强调的是动物的体色与环境色彩不一致，易于从环境色彩中分辨出来。其生态适应意义是：色彩鲜艳，容易识别，能够对敌害起到预先示警的作用，有利于动物的自我保护。拟态：拟态是指某些生物在进化过程中形成的外表形状或色泽斑，与其他生物或非生物异常相似的状态。耐度限制的调节通过下列主要方式：驯化培育；休眠——“逃避”限制；生理节律变化和其他周期性补偿变化，调节的目的是对恶劣环境的克服。七、生物的指示性指示生物：通过生物的物候现象反映气候条件。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，常用生物作为指示者，反映环境的某些特征生物的指示作用是普遍存在的，但指示生物决不能滥用，因为每个种的指示作用都是相对的，仅在一定的时空范围内起作用，而在另一时空条件下将失去指示意义。生物的指示性是指根据生物种或其群体、或生物的某些特征来确定地理环境中其它成分的现象。一般认为，生态幅比较狭窄的生物比生态幅宽广的指示意义大；生物群落的指示性要比一个个体或一个种的指示性可靠。第二节生态因子对生物的作用一．光对生物的生态作用1、光质的作用：1）光的性质：太阳辐射波长150－4000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380－760nm之间的光为可见光。２）光质的生态作用及生物的适应：红、橙光能对叶绿素有促进，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。光对动物生殖、体色变化、迁徙、毛羽更换、生长发育有影响。紫外光与动物维生素D产生关系密切，过强有致死作用，波长360nm即开始有杀菌作用。紫外线能抑制植物茎的生长和促使花青素的形成，使得植物茎杆短矮，花朵艳丽多彩。2、光强的作用：生长发育、形态构建作用。光照强度：1）光强生态作用（1）光强与植物光合作用在一定的生态条件下，光照强度制约着光合作用及有机物产量。在黑暗中光合作用停止，呼吸作用依然进行，消耗着储存的有机物，表现为植物向外界释放CO2。在较微弱的光照下，植物光合作用便已开始，并从外界吸收CO2。当光强达到某一水平时，光合作用吸收的CO2与呼吸作用释放的CO2彼此平衡，此时光照强度称为光补偿点。超过补偿点后，光合作用强度几乎与光强度成比例地增长，有机物合成量超出呼吸消耗量的数额就是净光合作用。净光合作用增长到一定程度趋于稳定，即使提高光照强度也不再起促进作用，此时的光照强度称为光饱和点。（2）影响动物的生长发育。如鸡蛋、蛙卵和鲑鱼卵在有光条件下孵化发育快。2）生物对光强的生态适应（1）植物对光强的生态适应植物对光强的适应类群：根据植物对光强的适应，可以划分出阳生植物、阴生植物与中生植物三种生态类群。植物对光强的适应机制：阴生植物的光补偿点较低，阳生植物高，如果长期低于此值将造成饥饿而生长不良，或受荫部分枝叶枯落。高粱和玉米等C4植物的光饱和点比小麦等其他阳生C3植物要高得多，它们对强光照的利用率很高。植物耐阴性：阴生植物对生境的适应除呼吸作用较弱外，还反映在较充分利用光能上。阳生植物呼吸比较旺盛，需要较强光照才能补偿消耗。阴生植物叶面积与叶重比值较高，叶片较大较薄，叶细胞排列疏松，气孔经常开放，这些有利于在弱光下进行光合作用。阳生植物则常具小而厚的叶片，具有适应强烈辐射及其带来的高温、干旱等条件的能力。一些被子植物长期生活于非常荫蔽的生境中，光合作用强度不高，有机产物短缺，几乎完全不开花结实，而借助根状茎等地下器官进行营养繁殖。另一类适应荫蔽森林环境的方式，是落叶林下的一些类短生植物，其生活史的特征实质上是避荫性适应。当早春乔木未长出新叶时，林下光照充足，气温已回升，紫堇、绵枣儿、顶冰花这类多年生植物利用该时机，迅速生长发育，待数周后，当新树叶长满时这些植物已开花结实转入休眠状态。这种类型称为类短生植物。光强与水生植物分布：水体中向下光线减弱很快，水越深处光合作用越弱。当光合作用减弱到与呼吸消耗量平衡时的水深称为补偿深度，这是水中光合植物垂直分布的下限。补偿深度随水的透明度而变化。（2）动物对光强的生态适应光强影响动物的生活方式。如弱光下的夜行性动物（猫头鹰）和强光下的昼行性动物（大多数鸟类）。3）极端光现象：a黄化现象:在黑暗条件下，植物表现为：茎细、节长、脆弱（机械组织不发达）、叶片小而卷曲、根系发育不良、全株发黄，这种现象称为黄化现象。如豆芽、韭黄。b光死亡现象：指强日照下造成某些生物死亡的现象，如蚯蚓的光死亡。3、光周期现象—生物对光的生态反应与适应。1）定义：生物对昼夜光暗循环格局的反应所表现出的现象称之为光周期现象。生物和许多周期现象是受日照长短控制的，光周期是生命活动的定时器和启动器。2）植物的光周期生态类型：长日照植物：是指在14小时以上的较长光照条件下，促进开花的植物，光照短于12小时不能开花，光照越长，开花越早。如冬小麦、大麦、菠菜、萝卜、甜菜、甘蓝等。短日照植物：是指在短日照条件下（8小时或至多10小时）开花的植物，在一定范围内日照越短，开花越早。如水稻、棉花、玉米、大豆、烟草和向日葵等。中日照植物：指只有当昼夜长短比例近于相等时才能开花的植物。如甘蔗的某些品种只有在接近于12小时的日照下才能开花。中间型植物是指开花对日照长短无严格要求的植物。四季均可开花，如蕃茄、黄瓜、四季豆等。长日照：植物必须在日照超过一定数值才能开花；短日照：日照时间短于一定数值才开花。3）动物的光周期生态类型：动物节律昼夜节律24小时循环一次；夜行性动物：蟑螂、黄鼬夜行性动物：蟑螂、黄鼬；昼行性动物：鸟类、灵长类全昼夜性动物：田鼠、紫貂；晨昏性动物：蝙蝠。季节节律：二、温度与生物1、生物生命活动与温度条件生物的各种生理过程都限于某一温度范围内才能正常进行，它们的三个基本点：最低、最适和最高温度。根据生态因子作用三基点定律，植物生长在0-35度间可以生长，过高或过低，植物将受损，甚至死亡。1）温度与生物水分代谢。2）温度与植物光合作用。3）温度与植物的呼吸作用。2、温度对生物生长的生态作用植物发育过程中的各个阶段，特别是对开花的影响。如春化过程（植物需要的低温处理使植物开花的过程）。当年育苗时应该注意低温对开花的诱导。3、生物的需热量1）积温与有效积温。植物的生长发育和空间分布需要一定的温度保证，其值多用活动积温（简称积温）表示。目前用积温表示植物需热量的作法已被广泛采纳。另一种看法是，植物开始发育的温度并非物理学零度，而各有自己的生物学零度（称为生物学下限温度），而低于此值为无效温度。所以计算积温应当累加下限温度以上的温度值，该值被称为有效积温。K=N(T–T0)式中K代表该生物所需要的有效积温，是个常数；T当地生物生长期间的平均温度；T0该生物生长所需要的最低临界温度（生物零度）；N是生长天数。通常临界温度是5或10度。2）生物需热的生态类群。根据需热量划分温度生态类群早在十九世纪法国植物地理学家德康多已提出方案，如高温植物（热带温热气候）、旱生植物（温暖干燥气候）、中温植物（适中温暖气候）、微温植物（适中寒冷气候）、低温植物（极地与高山寒冷气候）等。每一类型还可分出广温性与窄温性。动物：（1）不同生物对温度的适应范围不同据此可将生物分为：广温性动物——适应较大温度变化的动物喜冷狭温性动物——适应温度低且变化幅度小的动物喜热狭温性动物——适应温度高且变化幅度小的动物（2）在一定温度内，随温度上升，生物的生长发育和繁殖能力增强。植物一般生活在0-45℃范围内，动物一般生活在-2-50℃范围内，在这个范围内，随温度上升，生物的生长、发育和繁殖能力增强，反之则降低。（3）温度变化与动物热能代谢当温度发生变化时，动物是通过自身的热能代谢机制来适应的。根据动物热能代谢特点，可将动物分为：变温动物（冷血动物）——体温随环境温度的变化而变化，通常与环境温度相差无几。如鱼类、两栖类、爬行类和昆虫等恒温动物（温血动物）——体温相对恒定，一般不受环境温度变化影响的动物。2、生物对极端温度的适应。1