生态学3--水和土壤的生态作用

第三章（1）生物对水因子的适应一、水在地球表面的分布规律地球表面的总水量大约为15亿km3,其中大约有97%包含在海洋库中。淡水中：两极冰盖29000km3、地下水8000km3、湖泊河流100km3、土壤水分100km3、大气中水13km3、生物体中水1km3。水分的大循环与小循环：1，空间上的分布•海拔•纬度•经度•地貌2，时间上的分布规律•季节上的变化降雨量：地球上的降雨量随着纬度发生很大变化。在赤道南北两侧纬度0-20°降雨量最大，年达100-200cm。纬度20°-40°地带，由于空气下降吸收水分，降雨量减少，在南北半球40°-60°地带，由于南北暖冷气团相交形成气旋雨，致使年降雨量超过25cm，成为中纬度湿润带。极地地区降水很少，成为干燥地带。等雨线：华南降水量为1500—2000mm，长江流域为1000—1500mm，秦岭和淮河大约为750mm，从大兴安岭西坡向西，经燕山到秦岭北坡为500mm，黄河上中游约250—500mm。内蒙西部至新疆南部为100mm以下。二、生物对水环境的适应性1，陆地生物对水环境的适应（1）植物对水环境的生态适应•旱生植物•中生植物•湿生植物（2）动物对水环境的生态适应•形态上节肢动物体表角质层及蜡纸层、爬行动物体表的鳞片、昆虫气孔的开放与关闭、多数陆生动物呼吸具有逆流交换的机理等。•生理上亨利氏袢越长（相应肾脏髓质越厚），尿浓缩越高；鸟类、爬行类的大肠和泄殖腔以及昆虫的直肠有重吸水的作用。陆生动物在蛋白质代谢产物的排泄上也表现出陆地适应性。如两栖类、兽类排泄尿素、鸟类与昆虫类排尿酸。•行为上夏眠、昆虫的滞育、昼伏夜行等。2，水生生物对水的生态适应性（1）水生植物对水的生态适应性•沉水植物•浮游植物•挺水植物（2）水生动物对水的生态适应性•淡水水域•海水水域第三章（2）生物与大气的关系一、大气组成及其生态作用•在干燥空气中，O2占大气总量的20.95%，N2占78.9%，CO2占0.032%。这个比例在任何海拔高度的大气中基本相似。但在地下洞穴或通气不良的环境中，空气中的O2和CO2含量与大气不相同。•由于海拔增高大气压降低，因此氧分压也随海拔增高而降低，这给哺乳动物的生存带来威胁。•在大气组成成分中，对生物关系最为密切的是O2与CO2。二、风的类型1，季风2，寒流4，焚风5，山风6，谷风3，海陆风三、氧的作用与生物的适应1．氧与动物能量代谢•空气中的氧比水中容易获得，所以陆地动物能得到足够多的氧，保证了陆生动物有高的代谢率，能进化成恒温动物。•由于陆地上氧浓度高，从海平面直到海拔6000m，动物代谢率没有表现出随氧浓度而改变。但氧浓度对代谢的影响可通过极低分压时表现出来。•由于水中溶解氧少，氧成为水生动物存活的限制因子，一些鱼类耗O2量依赖于水中溶氧量而改变，图.在低氧浓度下，金鱼的氧耗随水中氧浓度成线性改变2.内温动物对高海拔低氧的适应•动物或人从低海拔进入高海拔后，最明显的适应性反应表现在呼吸与血液组成方面。首先是由于低氧刺激，动物产生过度通气（呼吸深度的增加）。•高海拔土著动物、人，或是驯化到高海拔上（3100—5500m）的人、大白鼠、豚鼠，其骨骼肌中的肌红蛋白浓度均增加（肌红蛋白的携氧能力远大于血红蛋白），为低氧状态下的组织提供更多氧。人与其他哺乳动物从平原进入高海拔后，血液中的红血球数量、血红蛋白浓度及血球比积将升高。图显示，人由海拔850m进入4540m高度后，这三项指标逐渐升高，数周后达到最大值，并维持在此高水平上。当从高海拔回到平原后，这些指标将逐渐下降，恢复到原水平。血红蛋白红细胞血球比积3.植物与氧植物与动物一样呼吸消耗氧，但植物是大气中氧的主要生产者。植物光合作用中，每呼吸44gCO2，能产生32gO2。白天，植物光合作用释放的氧气比呼吸作用所消耗的氧气大20倍。据估算，每公顷森林每日吸收1吨CO2，呼出0.73吨氧；每公顷生长良好的草坪每日可吸收0.2吨CO2，释放0.15吨O2。如果成年人每人每天消耗0.75kg氧，释放0.9kgCO2，则城市每人需要10m2森林或50m2草坪才能满足呼吸需要。因此植树造林是至关重要的，不仅是美化环境，更主要的是给人类的生存提供了净化的空气环境。四、CO2与植物植物在光能作用下，同化CO2与水，制造出有机物。在高产植物中，生物产量的90—95%是取自空气中的CO2，仅有5—10%是来自土壤。因此，CO2对植物生长发育具有重要作用。各种植物利用CO2的效率不同，C3植物（水稻、小麦、大豆等）对CO2的利用效率低于C4植物（甘蔗、玉米、高粱等）。空气中CO2浓度虽为0.032%，但仍是高产作物的限制因素。这是因为CO2进入叶绿体内的速度慢,效率低。在强光照下，作物生长盛期，CO2不足是光合作用效率的主要限制因素，增加CO2浓度能直接增加作物产量。第三章（3）生物与土壤的关系一、土壤的生态意义：1土壤位于陆地生态系统的底部，具有营养物传递系统，再循环系统和废物处理系统，是陆地生态系统的基底或基础。在土壤中进行的两个最重要的生态过程是分解和固氮过程。2土壤为陆生植物提供了基质，为陆生动物提供了栖息地。土壤是植物萌芽、支撑和腐烂的地方，又是水和营养物储存场所；是动物和微生物藏身处，排污处；是污染物质转化的重要基地。因此土壤无论对植物或动物都是重要的生态因子，是人类重要的自然资源。二、土壤的物理性质与生物土壤是由固体、水份和空气组成的三相复合系统。固体包括无机颗粒与有机物。土壤固相颗粒是土壤的物质基础，占土壤总重量的85%以上。土壤颗粒的组成、性质及排列形式，决定了土壤的理化性质与生物特性。1.土壤质地与结构组成土壤的各种大小颗粒按直径可分为粗砂（2.0—0.2mm），细砂(0.2—0.02mm)，粉砂(0.02-0.002mm)和粘粒(0.002mm以下)。这些不同大小颗粒组合的百分比，称为土壤质地（texture）。根据土壤质地，土壤可分为砂土、壤土和粘土三大类。•砂土土壤颗粒较粗、土壤疏松、粘结性小，通气性能强，但蓄水性能差，易干旱，因而养料易流失，保肥性能差。•壤土质地较均匀，土壤不太松，也不太粘，通气透水，是较好适宜农业种植的土壤。•粘土土壤的颗粒组成细，质地粘重结构致密，湿时粘，干时硬，保水保肥能力强，但透水透气性能差。土壤质地影响生物的分布与活动。如细胸金针虫多出现在粘土中，蝼蛄喜欢在湿润的含沙质较多的土壤中，沟金针虫发生在粉砂壤土和粉砂粘土中。2.土壤水分土壤水分(soilmoisture)能直接被植物根吸收利用。土壤水分有利于矿物质养分的分解、溶解和转化，有利于土壤中有机物的分解与合成，增加了土壤养分，有利于植物吸收。此外，土壤水分能调节土壤温度，灌溉防霜就是此道理。土壤水分的过多或过少，对植物、土壤动物与微生物均不利。土壤水分过少时，植物受干旱威胁，并由于好气性细菌氧化过于强烈，使土壤有机质贫瘠。土壤水分过多，引起有机质的嫌气分解，产生H2S及各种有机酸，对植物有毒害作用，并因根的呼吸作用和吸收作用受阻，使根系腐烂。土壤水分影响了土壤动物的生存与分布。各种土壤动物对湿度有一定的要求，如等翅目白蚁，需要相对湿度不低于50%，叩头虫的幼虫要求土壤空气湿度不低于92%，当湿度不能满足时，它们在地下进行垂直移动。当土壤湿度高时，叩头虫跑到土表活动；干旱时，将到1m深的土层中。因而它在春季对庄稼危害大，夏季小，雨季危害最大。土壤中水分过多时，可使土壤动物因缺氧而闷死。3.土壤空气土壤空气主要来自大气。但土壤空气中的O2含量和CO2含量与大气有很大的差异，土壤中O2浓度一般为10—12%，CO2一般在0.1%左右，这些浓度随季节、昼夜和深度而变化。在积水和透气不良的情况下，土壤空气含量可降到10%以下，抑制植物根系呼吸。动物可向土壤表层移动选择适宜的场所。土壤中的高CO2，一部分以气体扩散和交换的方式不断进入地面空气层，供植物叶利用，另一部分直接为根系吸收。如果土壤中CO2积累过多，达到10—15%时，将会阻碍根系生长和种子发芽；若CO2浓度进一步增长会阻碍根系的呼吸和吸收，甚至因呼吸窒息而死亡。土壤兽类如鼢鼠、鼹形鼠对土壤中的低氧和高CO2浓度产生了很好的适应性，地下兽对低氧的适应表现在血红蛋白的浓度增加，血红蛋白的氧结合能力增加，同时降低能量代谢，降低体温。地下兽的脑中枢对CO2的敏感性降低，通过肾脏调整盐离子排泄速度，以及提高血液的缓冲能力。土壤通气程度影响土壤微生物的种类、数量和活动情况，进而影响植物的营养状况。通气不良，抑制土壤中好气微生物活动，减慢了有机物的分解与营养物的释放；通气过分，使有机物分解速度过快，养分释放太快，而腐殖质形成减少，不利于养分的长期供应。4.土壤温度（１）土壤温度影响植物的发育生长。如小麦和玉米发芽的最低温度分别为12℃和10—11℃，最适为18℃和24℃。（２）土温影响根系的生长、呼吸和吸收性能。大多数作物在土温10—35℃范围内，随土温增高，生长加快。土温过低会影响根系的呼吸能力和吸收作用，如向日葵在土温低于10℃时，呼吸减弱；棉花在土温17℃-20℃并具丰富水的土壤中，会因根吸水减弱而萎蔫；温带植物冬季因为土温太低阻断根的代谢活动，而使根系停止生长。土温过高，也会使根系或地下储藏器官生长减弱。（３），土温影响了矿物质盐类的溶解速度、土壤气体交换、水分蒸发、土壤微生物活动以及有机质的分解，而间接影响植物的生长。土温的变化，导致土壤动物产生行为的适应变化。大多数土壤无脊椎动物随季节变化进行垂直迁移：秋季常向土壤深层移动，春季常向土壤上层移动。而狭湿性的土壤动物，在较短时间范围内也能随土温的垂直变化调整自身在土壤中的位置。二.土壤化学性质与生物1.土壤pH及对生物的影响（１）土壤pH影响矿质盐分的溶解度，从而影响植物养分的有效性。土壤酸度一般在pH6—7时，养分的有效性最高（图3-20）。（２）土壤pH通过影响微生物活动而影响养分的有效性和植物的生长。如细菌在酸性土壤中的分解作用减弱；固氮菌、根瘤菌等不能在酸性土壤中生存，使许多豆科植物的根瘤在土壤酸性增加时死亡，它们只能生长在中性土壤中。（３）土壤酸度影响土壤动物区系及其分布。例如，在酸性的森林灰化土和苔原沼泽中，土栖动物区系很贫乏，只有一些喜酸性的金针虫，某些蚯蚓。小麦吸浆虫的幼虫生活在pH7—11的碱性土壤中，而不能生存在pH3—6的土壤中。图土壤pH对矿物养分的有效性影响。以带宽度表示2.土壤有机质土壤有机质是土壤肥力的一个重要标志。土壤有机质可分成腐殖质(humus)和非腐殖质。非腐殖质是死亡动植物组织和部分分解的组织。腐殖物质是土壤微生物分解有机质时，重新合成的具有相对稳定性的多聚体化合物。腐殖质是植物营养的重要碳源和氮源。还是异养微生物的重要养料和能源，能活化土壤微生物。土壤微生物活动旺盛，给植物提供丰富的养料。土壤有机质的多少，又影响到土壤动物的分布与数量。在富含腐殖质的草原地带黑钙土中，土壤动物的种类和数量特别丰富，而荒漠与半荒漠地带，土壤动物种类趋于贫乏。土壤有机质对土壤团粒结构的形成、保水、供水、通气、稳温也有重要作用，从而影响植物生长。3.土壤矿质元素植物生命活动需要9种大量元素（钾、钙、镁、硫、磷、氮、碳、氧、氢、）和7种微量元素（铁、锰、硼、锌、铜、钼和氯）。除碳、氢、氧以外，植物所需的全部元素均来自土壤矿物质和有机质的矿物分解。不同植物需要各种矿质元素的量不同，若浓度比例不合适将限制植物生长发育。土壤的无机元素对动物的生长和动物的数量也有影响。例如，石灰岩区的蜗牛数量明显高于花岗岩区；生活在石灰岩区的大蜗牛（Helix）其壳重占体重的35%，而生活在低钙土壤中时，其壳重仅占体重20%。土壤钴含量低于2—3ppm时，许多反刍动物，会患“虚弱症”，严重时导致死亡。含氯化钠丰富的土壤和地区，往往能吸引大量草食有蹄动物，这是因为他们的生理需要必须补充大量盐。三植物对土壤的适应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ＰＨ的反应，可把植物分为三类：酸性土植物（pH6.5）、中