1有机体与环境

基础生态学天津师范大学生命科学学院第一部分有机体与环境1生物与环境2能量环境3物质环境第一部分有机体与环境环境与生态因子生物与环境的相互作用生物与环境关系的基本原理环境的变化决定了生物的分布与多度，生物的生存又影响了环境，生物与环境是相互作用、相互依存的。1生物与环境环境：是指某一特定生物体或生物群体周围一切的总和，包括空间及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的各种因素。1.1环境与生态因子1生物与环境其它鱼类非生物因素虾,水蚤水草等异种生物一条鲤鱼鲤鱼种群池塘群落研究主体1生物与环境——环境与生态因子小环境大环境环境大环境：指地区环境、地球环境和宇宙环境。大环境中的气候称为大气候。1生物与环境——环境与生态因子大气候：指离地面1.5米以上的气候，是由大范围因素所决定，如大气环流、地理纬度、距海洋距离、大面积地形等。大环境，如不同气候的地理区域，影响生物的生存与分布，产生不同的生物群系。1生物与环境——环境与生态因子反之，根据这些生物群系的特征，可以区分各个不同的气候区域。1生物与环境——环境与生态因子小环境：指对生物有着直接影响的邻接环境，小环境中的气候称为小气候。（地面大气层中1.5米以内的气候）洞穴环境，树荫下环境蜂鸟巢小气候黎明前时的温度，巢上方的树枝减少了孵卵雌鸟的热量损失（Calder,1973）1生物与环境——环境与生态因子1生物与环境生态因子：指环境要素中对生物起作用的因子，如温度、湿度、食物、氧气、二氧气碳以及其他相关生物等。1.1环境与生态因子在生态因子中，对生物生存不能缺少的环境要素也称为生存条件植物：二氧化碳和水动物：食物、热能和氧气1生物与环境——环境与生态因子生境：所有生态因子构成生物的生态环境，特定生物体或群体的栖息地的生态环境。生物个体、种群或群落，在其生长发育和分布的具体地段上，各种具体因子的综合作用，叫生境生态因子的分类（1）按其性质分为：气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子（2）按有无生命特征分为：生物因子和非生物因子（3）按生态因子的稳定性及作用分为：稳定因子和变动因子（4）按生态因子对种群数量变动的作用分为：密度制约因子和非密度制约因子1生物与环境——环境与生态因子类型有正负两类，在密度增加的状态下，正者作用导致生物的密度进一步增长；负者导致密度的反馈性降低，有调节种群密度的作用。一般生物因子常为密度制约因子。种群出生率变化种群密度梯度非密度制约导致种群出生率变化的环境因子作用于种群的强度随种群密度梯度变化而改变；具有调节种群密度作用密度制约因子与非密度制约性因子比较种群死亡率变化种群密度梯度非密度制约导致种群死亡率变化的环境因子作用于种群的强度，随种群密度梯度变化而改变密度制约因子与非密度制约性因子比较生态因子作用的几个特征1生物与环境——环境与生态因子直接作用和间接作用不可代替性和互补性阶段性主导因子综合性特征生态因子作用的几个特征——综合性作用1生物与环境——环境与生态因子生态因子作用的几个特征——主导因子（非等价性）1生物与环境——环境与生态因子春化作用：低温对越冬植物成花的诱导和促进作用冬小麦生态因子作用的几个特征——阶段性作用1生物与环境——环境与生态因子生态因子作用的几个特征——不可代替性和互补性1生物与环境——环境与生态因子生态因子作用的几个特征——直接作用和间接作用1生物与环境——环境与生态因子环境对生物的作用（１）影响生物的生长、发育、繁殖和行为；导致种群数量的改变；能够限制生物的分布区域。（２）生物通过对自身的形态、生理、行为等不断调整，以适应环境中生态因子的变化。1生物与环境1.2生物与环境的相互作用生物对环境的反作用（１）可以改变生态因子的状况；森林形成小气候土壤微生物土壤养分发生变化（２）生物与生物之间的相互作用，形成协同进化。1生物与环境1.2生物与环境的相互作用胡椒蛾黑化胡椒蛾个体胡椒蛾黑化1008060300200100Wintersmoke,ug/m3Percentfrequencyofmelanicpepperedmoths196019701980烟尘实测值烟尘变化趋势黑化蛾变化趋势随着污染减轻，黑化蛾在群体中的频率逐渐下降1生物与环境1、最小因子定律利比希最小因子定律(Liebig’sLawofthemini-mum):植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素，即低于某种生物需要的最小量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。进一步研究表明，这个理论也适用于其他生物种类或生态因子。1生物与环境1.3生物与环境关系的基本原理利比希(JustusLiebig)是19世纪德国的农业化学家，他发现作物产量常不受其需要量最大的营养物质限制，而是取决于在土壤中稀少的又为植物需要的元素。限制因子(Limitingfactor):生物的生存和繁衍依赖于各种生态因子的综合作用，但是其中必有一种或少数几种因子是限制生物生存和繁衍的关键性因子，这些关键因子就是限制因子。限制因子可以是因为最小量，也可以是过量。由于众多的生态因子的重要性（作用）不同，限制因子作用可能最强大，因此，在生态学研究中，环境分析要集中在可能是限制因子的生态因素上。那些耐受范围窄、在自然界变化幅度大的生态因子，最可能成为限制因子。1生物与环境——生物与环境关系的基本原理南北较高纬度地区的低温是影响非洲蜂进一步向高纬度范围扩散的限制因子。高纬度地区低温对生物分布的限制耐受性定律(Lawoftolerance):任何一个生态因子在数量上或质量上的不足或过多，即当其接近或达到某种生物的耐受限度是会使该种生物衰退或不能生存。1生物与环境——生物与环境关系的基本原理种群数量数量很低种群消失种群消失数量很低数量最高不能耐受区生理受抑制生理受抑制不能耐受区最适区环境梯度高低耐受性下限耐受性上限生物种的耐受性限度图解最适范围亚适范围亚适范围不适范围不适范围不能生存因子梯度渐增生命活动或数量生物对环境因子的耐受曲线Shelford耐受性定律最适范围不适范围不能生存因子梯度渐增生命活动强度或数量生物对环境因子耐受曲线的实际表现亚适范围亚适范围不适范围Shelford耐受性定律种类对温度的耐受范围（度）鲑鱼0-12豹蛙0-30斑鳉10-40南极鲟-2-21生物与环境——生物与环境关系的基本原理①每一种生物对不同生态因子的耐受范围不同；②同一生物在不同发育阶段,对同一生态因子的耐受范围不同；③不同生物对同一生态因子的耐受范围不同；④生物对某一生态因子处于非最适状态下时，对其他生态因子的耐受限度也下降。不同学者对耐受性定律的发展：生态幅(ecologicalamplitude)：生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上限和下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围，称为生态幅。1生物与环境——生物与环境关系的基本原理广生态幅度狭生态幅度生命活动或数量环境因子变化梯度生态幅度的宽狭比较广温性生物狭温喜热生物生命活动或数量温度变化梯度低→高狭温喜冷生物生物对温度的耐受温度、湿度结合考虑，在中湿和中温条件下，生物耐受限度最高。P.A.Haefner(1970)研究含盐量、温度因子在决定褐虾最适耐受范围时的相互作用。用死亡百分数确定褐虾的忍受限度。•褐虾的最大适合度在两个因子的中值处在自然界，生物种往往并不处于其最适生境下，因为生物间的相互作用，常常妨碍它们去利用最适宜的环境条件，因此生理最适点与生态最适点往往是不一致的4种草本植物在野外竞争作用条件下(生态最适)与在实验室内控制无竞争作用条件下(生理最适)的不同分布状况比较(考查的生态因子为表层土壤的pH值)羊茅曲芒发草蓝盆花酸模驯化(Acclimation)：一种生物长期生活在它最适生存范围偏一侧的环境条件下，久而久之就会导致该种生物耐受曲线的位置移动，并可产生一个新的最适生存范围，而生存范围的上、下限也会发生移动。生物的内稳态（homeostaticorganism)：通过控制自身的体内环境，使其保持相对稳定，减少对环境的依赖，从而扩大生物对生态因子的耐受范围。休眠(dormancy):生命处于不活动状态。生物对耐受限度的调整1生物与环境——生物与环境关系的基本原理不同温度下驯化导致耗氧量的差异20016012080400102030温度℃耗氧量（ml·g-1·h-1）5℃驯化25℃驯化1生物与环境——生物与环境关系的基本原理驯化在5℃和25℃的蛙在不同温度下的氧消耗金鱼在两种不同温度下的锻炼结果1生物与环境——生物与环境关系的基本原理内稳态和非内稳态生物内稳态生物(homeostaticorganism)是广生态幅、广适应性物种。对于温度因子，内稳态生物保持体内恒温，对于湿度因子，表现为光湿性。非内稳态生物则表现为体内环境随外界环境而变化。1生物与环境——生物与环境关系的基本原理蜥蜴的行为适应•早上身体的侧面迎向阳光，身体紧贴在温暖的岩石•中午面向阳光，在高处吹风；或是移动至较荫凉的地方•木偶跳舞•潛在沙中1生物与环境——生物与环境关系的基本原理休眠分长期、短期和各种中间状态：冬眠(hibernation)夏眠(aestivation)蛰伏(torpor)：恒温动物的半休眠状态滞育(diapause)：昆虫的休眠植物种子的后熟(after-ripening)1生物与环境——生物与环境关系的基本原理1生物与环境2能量环境3物质环境第一部分有机体与环境光的生态作用及生物对光的适应生物对温度的适应风对生物的作用及防风林火作为生态因子对于生物的影响及管理环境与生态因子生物与环境的相互作用生物与环境关系的基本原理太阳辐射为地球上所有生命系统提供了能量，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。光和温度组成了地球上的能量环境。光的生态作用及生物对光的适应生物对温度的适应风对生物的作用及防风林火作为生态因子对于生物的影响及管理2能量环境问题：生物可以利用那些能量？太阳辐射光谱：UV-CUV-BUV-A可见光红外光150---200----280----320---380---760---4000(nm)占总能量：9%45%46%地球上光的分布2能量环境2.1光的生态作用及生物对光的适应可见光红外线紫外线波长nm5001000200030004000能流强度影响太阳辐射的主要因素：经大气圈各种成分的吸收、反射和散射，到达地表的仅是总太阳辐射的47%；太阳高度角影响太阳辐射强度，高度角越小，太阳辐射穿过大气层路程越长，辐射强度越弱；地球公转和自转的影响，导致季节和昼夜，使太阳辐射呈周期性的变化；地面的海拔高度、坡度和坡向，影响辐射强度和日照时间。2能量环境——光的生态作用及生物对光的适应地表太阳辐射在不同区域的年变化(Mackenzieetal.,1998)2能量环境——光的生态作用及生物对光的适应光质随时间和空间的变化：纬度变化：短波光随纬度升高而减少海拔变化：短波光随海拔升高而增加季节变化：冬季长波光多，夏季短波光多日变化：早晚长波光多，中午短波光多日照长度随时间和空间的变化：春分和秋分时全球是昼夜相等；在北半球，春分到秋分昼长夜短，夏至昼最长，并随纬度升高昼长增加；秋分到春分昼短夜长，冬至昼最短，并随纬度升高昼长变短；北极夏半年全为白天，冬半年全为黑夜；赤道附近终年昼夜相等。2能量环境——光的生态作用及生物对光的适应23°27'夏至NSWENWES23°27'冬至TheseasonsintheNorthernandSouthernHemispheres10°20°30°35°40°45°50°10°20°30°35°40°45°50°18171615141312111096789101112131415光期hr暗期hr124681012M不同季节各纬度的日照长度50°45°40°35°30°20°10°光照强度的随时间和空间的变化：纬度：随纬度的升高而减少经度：离海越远，强度越大海拔：随海拔升高而增强坡向、坡度：北纬30度地方