李博主编-生态学-讲义1

李博主编生态学讲义第一章生态学是一门科学生态学的定义生态学的形成与发展生态学与其他学科的关系一．生态学的定义1．生态学（ecology）是研究生物与周围环境和无机环境相互关系及机理的科学。（E.Haeckel，1866）它包括4个层次的内容：生态学的定义还有很多：生态学是研究生物（包括动物和植物）怎样生活和它们为什么按照自己的生活方式生活的科学。（埃尔顿，1927）生态学是研究有机体的分布和多度的科学。（Andrenathes,1954）生态学是研究生态系统的结构与功能的科学。（E.P.Odum，1956）生态学是研究生命系统之间相互作用及其机理的科学。（马世骏，1980）生态学是综合研究有机体、物理环境与人类社会的科学。（E.P.Odum，1997）二．生态学的形成与发展理论上：概念上的提出—→论著的出版—→学科的形成。时间上：萌芽时期—→近代发展：4大学派的形成—→现代发展：生态系统、人类生存环境的研究。实验技术上：描述—→定性—→定量—→模拟。（1）生态学萌发阶段（时期）公元16世纪以前：在我国：公元前1200年《尔雅》一书；公元前200年《管子》“地员篇”；公元前100年前后，农历确立了24节气，同时《禽经》一书（鸟类生态）问世；《本草纲目》。在欧洲：公元前285年也有类似著作问世。（2）近代生态学阶段（公元17世纪—19世纪末）建立时期：17世纪后生态学作为一门科学开始成长。1792年德国植物学家C.L.Willdenow出版了《草学基础》；1807年德国A.Humbodt出版《植物地理学知识》提出“植物群落”“外貌”等概念；1798年T.Malthus《人口论》的发表；1859年达尔文的《物种起源》；1866年Haeckel在他的著作《普通生物形态学》中首先提出ecology一词，并首次提出了生态学定义。1895年E.Warming发表了他的划时代著作《以植物生态地理为基础的植物分布学》（1909年经改写成《植物生态学》）。（2）近代生态学阶段（公元17世纪—19世纪末）巩固时期（20世纪初至20世纪50年代）：（1）动植物生态学并行发展，著作与教科书出版。代表作：C.Cowels(1910)发表的《生态学》；F.E.Chements(1907)发表的《生态学及生理学》；前苏联苏卡切夫的《植物群落学》（1908）、《生物地理群落学与植物群落学》（1945）；A.G.Tamsley(1911)发表的《英国的植被类型》等；R.N.Chapman(1931)的《动物生态学》；中国费鸿年（1937）的《动物生态学》；特别是W.C.Alle（1949）等的《动物生态学原理》出版，被认为是动物生态进入成熟期的重要标志。（2）近代生态学阶段（公元17世纪—19世纪末）巩固时期（20世纪初至20世纪50年代）：（2）学派的形成：主要有①北欧学派：以注重群落结构分析为特点。代表人物：G.E.DuRietz②法瑞学派：注重群落生态外貌，强调特征种的作用。代表人物是J.Braum-Blanquet③英美学派：以动态和数量生态为特点。代表人物是Clements和Tansley④俄国学派（前苏联学派）：植物（群落）与地学结合。代表人物：B.H.Cykayeb（三）现代生态学阶段（20世纪60年代至现在）以人类生存环境为中心。三．生态学与其他学科的关系深入到自然科学和社会（人文）科学中，形成各自的分支学科。渗入到人类社会各种活动甚至思维和意识中。第二章生物与环境一．环境概述二．生态因子1、定义：生态因子（ecologicalfactors）是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接作用的环境要素。2.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）可调节（补偿）作用但不可代替性；（6）限制性作用—耐度限制及耐度限制的调节。限制因子（limitingfactor）：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。最小因素定律（lawofminimum）：能够影响生物的无数因子中，总有一个因素限制生物的生长、生存或繁殖。耐性定律（lawoftolerance）：耐性（tolerance）：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。又称shelford耐性定律。任何一个生态因子在数量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性限制时，而使该种生物衰退或不能生存。2.生态因子作用的一般特征（一般规律）耐性限度（thelimitsoftolerance）：每个种只能在环境条件一定范围内生存和繁殖。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。生物种的耐性曲线（见图例）：耐性限制用曲线表示，称为耐性曲线（tolerancecurve）。广幅分布生物与狭幅分布生物分布耐性曲线。耐度限制的调节通过下列主要方式：新环境适应：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，通过这些方式，使体内生理、行为达到平衡，而抵抗恶劣环境。三．生态因子对生物的生态作用（1）光强的作用：生长发育、形态建构作用。典型例子—植物黄化现象（eitiolationphenomenon）。（2）光质的作用：光合作用影响红、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，在340nm~240nm的辐射条件下，可使细菌、真菌、线虫的卵和病毒等停止活动。200~300nm的辐射下，杀菌力强，能杀灭空气中、水面和各种物体边面的微生物，这对于抑制自然界的传染病病原体是极为重要的。三．生态因子对生物的生态作用（3）光周期现象—生物对光的生态反应与适应定义：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。表1不同纬度地区的日照时间单位：h三．生态因子对生物的生态作用（3）光周期现象—生物对光的生态反应与适应植物的光周期现象：长日照植物、短日照植物、中日照植物、日照中植物。（不同光照时间对开花的作用而定）动物的光周期现象：鸟类的光周期现象最为明显，它的迁徙是由日照长短变化所引起的；鸟类及某些兽类的生殖也与日照长短有关，如雪貂、野兔和刺猬等都是随着春天日照长度增加而开始生殖（称为长日照兽类）；绵羊、山羊和鹿等总随着秋天短日照的到来而进入生殖期（称短日照兽类）。三．生态因子对生物的生态作用（1）温度与生物生长发育生长：“三基点”——最低、最适、最高温度。发育：植物的春化作用（某些植物要经过一个“低温“阶段才能开花结果）。（2）生物对极端温度的适应对低温适应——在形态、生理和行为方面的表现中国南北方几种兽类颅骨长度的比较：三．生态因子对生物的生态作用说明了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。个体大的动物，其单位体重散热量相对减少（贝格曼Begman定律）（表）。阿伦（Allen）规律：恒温动物身体的突出部分为四肢、尾巴、外身等在低温环境中有变小的趋势。在生理方面，生活在低温环境中的植物通过减少细胞中的水分和增加细胞中的糖类、脂肪等物质来降低植物的冰点，增加抗寒能力。动物对低温的适应主要表现在代谢率与温度关系中的热中性区宽，下临界点温度以下的曲线率小等几个方面（图）。（3）物候节律：物候又称物候现象（phenologicalphenomenon），是指生物的生命活动对季节变化的反应现象。物候学（pheology）则是指研究生物与气候周期变化相互关系的科学。三．生态因子对生物的生态作用（1）水因子对生物生长发育的作用：水分不足，使植物萎蔫；使动物滞育或休眠。某些动物的周期性繁殖与降水季节密切相关，如澳洲鹦鹉遇到干旱年份，就停止繁殖；而某些龙脑香科植物遇到干旱年份却产生“爆发性开花结果”。（2）生物对水因子的适应三．生态因子对生物的生态作用（2）生物对水因子的适应植物依其对水分需求划分为水生植物、陆生植物两大类型。各类型下又分别划分为沉水植物、浮水植物、挺水植物、湿生植物、旱生植物和中生植物等。（图解）陆生动物对水因子的适应形态结构上的适应：以各种不同形态结构，使体内水分平衡。行为上的适应：沙漠动物昼伏夜出；迁徙等。生理上的适应：“沙漠之舟”骆驼可以17天喝水，身体脱水达体重的27%，仍然照常行走。它不仅具有贮水的胃，驼峰中还储藏丰富的脂肪，有消耗过程中产生大量水分；其血液中具有特殊的脂肪和蛋白质，不易脱水。三．生态因子对生物的生态作用（1）氧的生态作用；（2）氮的生态作用；（3）CO2的生态作用（对动植物个体潜在的影响）；①使植物气孔开度减少，减少蒸腾，提高水分利用。②CO2浓度相对提高，使C3植物光合作用不断增加（C4植物达到饱和点后则不随CO2浓度提高，光合作用增加）。③CO2能促进植物的生长——植物生长速率随全球CO2浓度的提高而增加。④高浓度的CO2能改变植物形态结构——幼苗分枝增多，叶面积指数加大等。三．生态因子对生物的生态作用（4）大气污染与植物；①大气主要污染物对植物的危害（影响）二氧化硫（SO2）对植物的影响：伤害阈值为0.25~0.55ppm，2~8小时；典型症状——叶片脉间呈不规则的点状、条状或块状坏死区。氟化氢（HF）对植物的影响：伤害阈值40ppm；典型症状——叶尖和叶缘坏死。臭氧（O3）对植物的影响：伤害阈值0.05~0.15ppm0.5~8小时；典型症状——叶面上出现密集的细小斑点。乙烯对植物的影响：伤害阈值10~100ppb；典型症状——“偏上生长”致使叶片、花、果脱落。②植物对大气的净化作用吸收CO2，放出O2：造林绿化与人类维系呼吸；吸收有毒气体：吸收二氧化硫（SO2）及氟化氢（HF）最优；驱菌杀菌作用：有些植物分泌杀菌素，如1ha松柏林24小时分泌34kg杀菌素；阻滞粉尘：针叶林阻粉尘量32~34吨/年，阔叶林68吨/年；吸收放射性物质：吸收中子γ-射线。三．生态因子对生物的生态作用（4）大气污染与植物；③大气污染监测——指示植物a.作为指示植物的基本条件：能够综合反映大气污染对生态系统影响的强度；能够较早地发现污染（对大气污染敏感）；能够同时检测多种大气污染物；能够反映出一个地区的污染历史（基本年轮的化学分析）。b．常见（用）的指示植物：地衣最敏感，0.015~0.105ppm二氧化硫下无法生存（但反应慢）。④大气污染的植物监测形态及生长量观测：IA=Wo/Wm；群落生活力调查（见《城市生态学》——孟德政等译，1986）；现场盆栽定点监测；生理生化指标测定——光合作用，呼吸作用，气孔开放度，细胞膜透性，叶液PH值变化，植物体内酶体变化等。三．生态因子对生物的生态作用（1）土壤化学性质与植物的关系①PH值3或9对根系严重伤害②矿质营养元素与植物（2）植物的盐害和抗盐性植物的抗盐方式：排除盐分——泌盐植物；稀盐植物（稀释盐分）；富集盐分；拒绝吸收（3）植物对土壤适应的生态类型对PH值的适应——嗜酸性植物、嗜酸—耐碱植物、嗜碱—耐酸植物、嗜碱植物。钙土植物、盐生植物、抗盐植物（4）土壤污染的植物监测土壤污染——重金属污染、如汞、镉、砷、化学农药污染等。监测：植物群落调查，蔬菜及作物调查，实验分析第三章种群一、种群的基本特征1、种群的定义（population）种群是占据特定空间（地理位置）的同种有机体的集合群。种群是占据某一地区的某个种的个体总和（Friederich，1930）某一特定时间占据某一特定空间的一群同种有机体（Merrile,1981）种群是物种在自然界中存在的基本单位，又是生物群落的基本组成单位。种群是一种特殊组合，具