环境生态学盛连喜第二章ppt课件.ppt

第二章 生物与环境,第一节 地球上的生物第二节 环境的概念及其类型第三节 主要环境因子的生态作用第四节 生态因子作用的一般规律,第一节 地球上的生物,生命的产生与进化生物多样性地球自我调节理论,一、生命的产生与进化,地球生命起源于地球上化学进化过程。近年在地球上约有385亿年的最古老的岩石中也发现了类似生物产生的有机碳沉淀痕迹，而类似甲烷菌的早期细胞化石曾发现于35亿年的古老岩石中。地球上生命起源过程一定发生在更早的时期。生命来源于地球之外的地外起源或泛种论假说认为，原始生命形态有可能来自地球之外，譬如由撞击地球的彗星尾部物质形成的流星雨带来等。许多天文物理学家相信氨基酸、核苷酸等复杂有机分子可以在太空形成。多数现代生物学家相信生命起源的化学进化假说，认为原始海洋中的有机分子通过一系列化学进化步骤导致了生命的起源。米勒实验：1953年，混有氨、甲烷和氢的水流经一个电弧（模拟太阳紫外辐射），产生了几种氨基酸；细胞的出现，从具有生物活性的大分子到细胞，是生命进化中的一次飞跃；细胞出现后，生命从化学进化过渡到生物学进化，进化过程演化为遗传、变异、选择；自养生物出现，改变了地球大气环境；,生物种的概念,种定义的演变：从Ray到Linna识别特种的依据和方法物种性状的变化：铁树,生物的协同进化,生物的进化生物依赖周围环境。生物进化通过自然选择进行：太平洋上小岛低矮植物的存在，长颈鹿,生物的协同进化,一、概念 一个物种的进化必然会改变作用于其它生物的选择压力，引起其它生物也发生变化，这些变化反过来引起相关物种的进一步变化。两个或多个物种的单独进化常常互相影响，形成一个互相影响的协同进化系统。捕食者和猎物之间的相互作用是最好的实例：鸽子和鹰二、昆虫与植物间的协同进化 相似于捕食者与猎物之间的相互作用三、大型食草动物与植物的协同进化 长颈鹿和树木。詹森认为：大小动物的食性不同。,生物的协同进化,四、互惠共生物种间的协同进化 对双方都有好处，当离开时双方都能生存。如：绿水螅体内的绿藻虫 金合欢树苗与蚂蚁 蓝色星球中小鱼与有刺鱼的共生,生物的协同进化,五、协同适应系统 协同进化不仅存在于一对物种间，也存在于同一群落的所有成员之间。个体或亲缘个体-相关物种的巨大选择压力-生态系统的进化.,二 生物多样性,生物多样性的概念 定义：生物中的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性。它包括动物、植物和微生物的所有种及其组成的群落和生态系统。,生物多样性四个水平一、遗传多样性二、物种多样性三、生态系统多样性四、景观多样性,基础,以生态系统多样性为基础,影响生物多样性的因素 物种生物量：tilman猜想 物种的属性：物种的角色通过量变到质变 生物地化循环 系统的稳定性：生态系统的物种数目多，物种间的相互作用弱，则系统的抗性大，弹性小。,Gaia假说的形成和发展 1969年英国的科学家拉弗洛克提出的。1979年 Gaia：对地球上生命的新认识出版。1988年第二部著作问世。认为地球是一个生物、海洋、大气和土壤组成的复合系统。获得很大的的支持，也有反对。,三 地球自我调节理论,Gaia 假说的主要论点：Gaia假说认为地球上所有生物对其环境不断地其着主动调节作用；地球生态系统保持稳定性；地球本身是进化系统：Gaia理论认为进化是渐进和间断的结合，认为自然选择的生物进化是行星自我调节的一个重要部分；地球系统是有机整体；地球生理学是地球进化的方式；,Gaia 假说中三个重点：Gaia假说认为生命是全球尺度的现象，地球上没有孤立的生命；Gaia假说理论在一定意义上发展了达尔文的观点（进化论）；Gaia理论对于地球物理学而言，提供了一个新的用数学观点考察地球的方法；,第二节 环境的概念及其类型,环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。环境总是针对某一特定主体或中心而言的，是一个相对的概念，离开了这个主体或中心也就无所谓环境，因此环境只具有相对的意义。在生物科学中，环境是指生物的栖息地，以及直接或间接影响生物生存和发展的各种因素。在环境科学中，人类是主体，环境是指围绕着人群的空间以及其中可以直接或间接影响人类生活和发展的各种因素的总体。,环境的类型,环境这个概念既是具体的，又是相对的。讨论环境时，要包含着特定的主体，离开了主体的环境是没有内容的，同时也是毫无意义的。主体的不同或不明确，往往是造成对环境分类及环境因素分类不同的一个重要原因。,按环境的主体分，目前有两种体系，一种是以人为主体，其他的生命物质和非生命物质都被视为环境要素。这类环境称为人类环境。在环境科学中，多数学者都采用这种分类方法。另一种是以生物为主体，生物体以外的所有自然条件称为环境，这是一般生态学书刊上所采用的分类方法。,按环境的性质可将环境分成自然环境、半自然环境(被人类破坏后的自然环境)和社会环境3类。按环境的范围大小可将环境分为宇宙环境(或称星际环境)、地球环境、区域环境、微环境和内环境。,环境因子的分类,根据环境因子特点：将环境因子分为气候类，土壤类，和生物类；7个并列项目：土壤、水分、温度、光照、大气、火和生物因子；GILL（1975）将非生物因子分为三个层次：第一是植物生长必须的环境因子（如光照、温度、水分）；第二是与植物存在无关的地理环境因子（如风暴、火山等）；第三是与植物存在相关的环境因子（如放牧、火成演替等）；,生物与环境,温,水,土,季节、纬度、昼夜、海拔,高沸点、高比热、固态膨胀,无机、有机、微生物,气,结构（1000km)、成分（氮、氧、二氧化碳、水）作用（保护、保温、能源、材料）,光,光的强度（入射角、纬度、海拔）光的性质（红外线、可见光、紫外线）光的作用（升温、能量、致突变）,第三节 主要环境因子的生态作用,生物与主要生态因子的相互关系,生物与光的关系生物与温度的关系生物与水的关系生物与土壤的关系,生物与光的关系,太阳辐射及其变化规律光强度变化对生物的影响光质变化对生物的影响光周期现象,太阳辐射能(仿A.Mackenzie et.al,1999),光的性质：波长1504000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380700nm之间。,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（eitiolation phenomenon），动物的孵化。,光强度变化对生物的影响,植物光合作用率在光补偿点附近与光强度成正比，但达光饱和点后,不随光强增加。水生生物 水生植物在水中的分布与光照强度有关。,光补偿点(compensation point)光饱和点(saturate point)：光合作用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到一定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光饱和点。,植物的光补偿点示意图(Emberlin,1983),生物随光照强度的适应类型,陆生生物 对不同光照强度的适应产生阳性植物和阴性植物和耐阴性植物及阴地植物和阳地植物阳性植物(cheliophytes)、阴性植物(sciophytes)和耐阴性植物(shade plant)：阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能进行正常生长；阴性植物对光的需要远较阳性植物低，光补偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温和干旱能力较低；耐阴性植物对光照具有较广泛的适应能力，对光的需要介于前两类植物之间。动物 光照强度影响动物的行为，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。,光质变化对生物的影响,海洋植物 光合作用色素对光谱变化具有明显的适应性:海水表层植物色素吸收蓝、红光；深水植物光合色素有效地利用绿光。高山植物 对紫外光作用的适应，发展了特殊的莲座状叶丛。动物,生物的光周期现象,光周期现象(photoperiodism)：Garner等人(1920)发现明相暗相的交替与长短对植物的开花结实有很大的影响。这种植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应，称光周期现象。植物光周期现象 对繁殖(开花)的影响：区分为长日照植物和短日照植物。长日照植物(long-day plants)和短日照植物(short-day plants)：日照超过一定数值才开花的植物称长日照植物；短日照短于一定数值才开花的植物称短日照植物，一般需要较长的黑暗才能开花。前者如小麦、油菜，后者如苍耳、水稻。,动物光周期现象 对鸟类等迁徙影响；对繁殖的影响：区分为长日照动物和短日照动物。长日照动物(long-day animals)和短日照动物(short-day animals)：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；与些相反，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。前者如雪貂、野兔、刺猬；后者如绵羊、山羊和鹿等。滞育现象哺乳动物的生殖和换毛,生物与温度的关系,温度对生物的作用(温度的生态学意义)极端温度对生物的影响生物对极端温度的适应,温度对生物的作用,温度与生物生长：温度是最重要的生态因子之一，参与生命活动的各种酶都有其最低、最适和最高温度，即三基点温度；不同生物的三基点不同；在一定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比；外温的季节性变化引起植物和变温动物生长加速和减弱的交替，形成年轮；外温影响动物的生长规模。,温度与生物发育：温度与生物发育最普遍的规律是有效积温。温度与生物的繁殖和遗传性：植物春化，动物繁殖的早迟。温度与生物分布：许多物种的分布范围与温度区相关。,有效积温法则及其意义,有效积温法则植物在生长发育过程中必须从环境摄取一定的热量才能完成某一发育阶段的发育过程，而且各个发育阶段所需的总热量是一个常数，称总积温或有效积温，因此可用公式：NTK 表示，考虑到生物开始发育的温度，又可写成：N(TC)K,TCKN，其中，N为发育历期，即生长发育所需时间，T为发育期间的平均温度，C是发育起点温度，又称生物学零度，K是总积温（常数）。,有效积温法则的意义 预测生物发生的世代数；预测生物地理分布的北界；预测害虫来年的发生历程；制定农业气候区划，合理安排作物；应用积温预报农时。,极端温度对生物的影响,低温对生物的影响：当温度低于临界(下限)温度，生物便会因低温而寒害和冻害。冻害原因：冰结晶使原生质破裂损坏胞内和胞间的微细结构；溶剂水结冰，电解质浓度改变，引起细胞渗透压变化，导致蛋白质变性；脱水使蛋白质沉淀；代谢失调。,生物对极端温度的适应,生物对低温的适应：保暖、抗冻形态、生理、行为的适应,生物对低温的适应,形态上的适应植物：芽具鳞片、体具蜡粉、植株矮小；动物：增加隔热层，体形增大（贝格曼规律），外露部分减小（阿伦规律）。阿伦规律(Allens rule)：寒冷地区的内温动物较温暖地区内温动物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明显趋于缩小的现象，称阿伦规律，是减少散热的适应。贝格曼规律(Bergmans rule)：生活在寒冷气候中的内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(Jordans rule)：鱼类的脊椎骨数目在低温水域比在温暖水域的多。,生理上的适应植物：减少细胞中的水分和增加细胞中有机质的浓度以降低冰点，增加红外线和可见光的吸收带（高山和极地植物）；动物：超冷和耐受冻结，当环境温度偏离热中性区增加体内产热，维持体温恒定，局部异温等。行为上的适应 迁移和冬眠休眠等。,高温对生物的影响：当温度超过临界（上限）温度，对生物产生有害作用，如蛋白质变性、酶失活、破坏水份平衡、氧供应不足、神经系统麻痹等。生物对高温的适应：抗辐射、保水、散热形态、生理、行为的适应,生物对高温的适应,形态上的适应植物：密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或暂时折叠，减少辐射伤害；干和茎具厚的木栓层，绝热。动物：体形变小，外露部分增大；腿长将体抬离地面；背部具厚的脂肪隔热层。生理上的适应植物：降低细胞含水量，增加糖或盐浓度，减缓代谢率；蒸腾作用旺盛，降低体温；反射红外光。动物：放宽恒温范围；贮存热量，减少内外温差。行为上的适应植物：关闭气孔。动物：休眠，穴居，昼伏夜出等。,温度对生物分布的影响,生物不仅需要适应一定的温度幅度，而且还需要有一定温度量，极端温度常常成为限制生物分布的重要因素。例如，由于高温的限制，白桦、云杉在自然条件下不能在华北平原生长、苹果、梨桃不能在热带地区栽培。,低温对生物分布的限制作用更为明显，对植物和变温动物来说，决定其水平分布北界和垂直分布上限的主要因素就是低温，所以这些生物的分布界限有时非常清楚。例如，橡胶分布的北界是北纬24度40分，海拔高度上限是960m。温度对恒温动物分布的直接限制较小，但也常通过影响其他生态因子（如食物）而间接影响其分布。,变温对生物的影响,变温对生物的影响：增加植物糖分积累，减少夜间呼吸作用（吐鲁番）,生物与水的关系,水的生物学意义生物体的水分获得与损失途径水因子对生物的影响生物对水因子的适应,水是生物体不可缺少的组成成份；水是生物体所有代谢活动的介质；水为生物创造稳定的温度环境；生物起源于水环境。,生物体的水分获得与损失途径,水分的丧失途径植物蒸发（蒸腾作用、扩散作用）失水，分泌失水。动物蒸发失水，排泄、分泌失水。水分获得途径植物根部吸收，叶面吸收。动物食物，体表吸收，代谢水。,水对动植物生长发育的影响,就植物而言，水量对植物的生长也有一个最高、最适和最低3个基点。低于最低点，植物萎蔫、生长停止；高于最高点，根系缺氧、窒息、烂根；只有处于最适范围内，才能维持植物的水分平衡，以保证植物有最优的生长条件。种子萌发时，需要较多的水分，因水能软化种皮，增强透性，使呼吸加强，同时水能使种子内凝胶状态的原生质转变为溶胶状态，使生理活性增强，促使种子萌发。水分还影响植物的其他生理活动。实验证明，在植物萎蔫前，蒸腾量减少到正常水平的65时，同化产物减少到正常水平的55；相反，呼吸却增加到正常水平的62，从而导致生长基本停止。,水对动物也有较重要的影响。在水分不足时，可以引起动物的滞育或休眠。例如，降雨季节在草原上形成一些暂时性水潭，其中生活着一些水生昆虫，其密度往往很高，但雨季一过，它们就进入滞育期。此外，许多动物的周期性繁殖与降水季节密切相关。例如，澳洲鹦鹉遇到干旱年份就停止繁殖；羚羊幼兽的出生时间，正好是降水和植被茂盛的时期。,水对动植物数量和分布的影响,降水在地球上的分布是不均匀的，这主要因地理纬度、海陆位置、海拔高度的不同所致。我国从东南至西北，可以分为3个等雨量区，因而植被类型也可分为3个区，即湿润森林区、干旱草原区及荒漠区。即使是同一山体，迎风坡和背风坡，也因降水的差异各自生长着不同的植物、伴随分布着不同的动物。水分与动植物的种类和数量存在着密切的关系。在降水量最大的赤道热带雨林中植物达52种/hm2，而降水量较少的大兴安岭红松林群落中，仅有植物10种/hm2，在荒漠地区，单位面积物种数更少。,生物对水因子的适应：植物：水生植物、陆生植物：湿生、中生、旱生动物：水生、陆生,水生植物,水生动物,陆生动物,生物与水的关系,生物对水因子的适应,水生植物对水环境的适应陆生植物水平衡的调节机制水生动物水平衡的调节机制陆生动物水平衡的调节机制,水生植物对水因子的适应,适应方式有发达的通气组织;机械组织不发达或退化;叶片薄而长,以增加光合和吸收营养物质的面积。（伊乐藻属）生态类型沉水植物浮水植物挺水植物,陆生植物对水因子的适应,陆生植物的水平衡调节机制形态适应：发达的根系；叶面小；单子叶植物中一些具扇状的运动细胞，可使叶面卷曲；具发达的贮水组织；生理适应：水分运输的动力原生质的渗透浓度高。陆生植物的生态类型湿生植物中生植物旱生植物,水生动物的水平衡调节机制,海洋动物鲨鱼和无脊椎动物：等渗硬骨鱼：低渗淡水动物硬骨鱼：高渗河口动物洄游鱼类：变渗透压,陆生动物的水平衡调节机制,失水的主要途径：皮肤蒸发、呼吸失水、排泄失水补充水的主要途径：食物、代谢水、饮水保水机制减小皮肤的透水性减少身体的表面蒸发减少呼吸失水减少排泄失水利用代谢水生态类型喜湿耐旱,生物与土壤的关系,土壤的生态学意义土壤的理化性质及其对生物的影响,土壤因子的生态作用,土壤是岩石圈表面能够生长动物、植物、微生物的疏松表层，是陆生生物生活的基质；为陆生植物提供基底，为土壤生物提供栖息场所；提供生物生活所必须的矿质元素和水分；土壤是由固体、气体、水组成三相结构，具有一定的物理性质和化学性质；提供植物生长所需的水热肥气；维持丰富的土壤生物区系；土壤中的生物区系：微生物、原生动物和节肢动物，生物固氮和共生；生态系统的许多很重要的生态过程都是在土壤中进行。,植物对土壤因子的适应,根据植物对土壤酸度的反应，可以把植物划分为酸性土，中性土，碱性土植物生态类型；根据植物对土壤中矿质盐类（如钙盐）的反应，可把植物划分为钙质土植物和嫌钙植物；根据植物对土壤含盐量的反应，可划分出盐土和碱土植物；根据对风沙基质的关系，可将沙生植物划分为抗风蚀沙埋、耐沙割、抗日灼、耐干旱、耐贫瘠等一系列生态类型。,植物对土壤因子的适应,土壤盐分的八大离子：K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-；碱土：pH 8.5以上，交换性钠占交换性阳离子的20%以上，中层拄状结构，坚硬、通透性差；盐类对多数植物危害按以下次序排列：MgCl2Na2CO3NaHCO3NaClMgSO4Na2SO4阳离子：NaCa2阴离子：CO32HCO3ClSO42,盐土对植物的影响,引起植物的生理干旱（渗透调节）；伤害植物组织（直接伤害作用）；细胞中离子毒害作用；影响植物的正常营养；,碱土对植物的影响,毒害植物根系；高pH值影响植物根际离子交换；土壤B层的物理性质恶化，坚硬、不透水；,植物对盐碱土的适应,内陆盐生植物，海滨盐生植物；盐生植物的形态学适应，小叶、多绒毛；聚盐性植物：真盐生植物，盐爪爪，红树；泌盐性植物：柽柳等；透盐性植物（可溶性有机物渗透调节）；,碱蓬,碱菀,圣柳,互花米草,第四节 生态因子作用的一般规律,生态因子概念,生态因子(ecological factors)：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。生态因子是环境中对生物起作用的因子，而环境因子则是指生物体外部的全部要素。,生态因子的分类,生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类生物因子（biOtic factors）：有机体（同种和异种）非生物因子（abiotic factors）：温度、光、湿度、pH、氧气等有的学者将生态因子分为五类气候因子(climatic factors)、土壤因子(edaphic factors)、地形因子(topographic factors)、生物因子、人为因子(anthropogenic factors)Begon等将非生物因子分为条件和资源两类 条件：温度、湿度、pH等资源：营养物质、水、辐射能等,生物与生态因子,生态因子作用的特点生物对非生物因子的耐受限度生物对各生态因子耐受性之间的相互关系生物对生态因子耐受限度的调整生态位,生态因子作用的特点,综合性:如气候的作用主导因子作用（非等价性）：渔业高密度养殖增氧 直接性和间接性：食物，降水因子作用的阶段性（限定性）：洄游鱼类生态因子的不可替代性和补偿作用：水生生物体内的钙和锶的补偿作用,限制因子(limiting factors)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阻止其生存、生长、繁殖或扩散的因子称限制因子限制因子概念的意义为分析生物与环境相互作用的复杂关系奠定了一个便利的基点；有助于把握问题的本质，寻找解决问题的薄弱环节。,生态因子的限制性作用,“最小因子定律”(Liebigs law of minimum)植物的生长取决于那些处于最低量的营养元素，这些处于最低量的营养元素称最小因子（Justus von Liebig,1840,德国）。两个补充条件（Odum,1983）：1）严格的稳定状态；2）因子补偿作用(factor compensation)：生物在一定程度和范围内，能够减少温度、光、水等生态因子的限制作用。,“耐受性定律”(Shelfords law of tolerance)(V.E.Shelford,1913，美国)每种生物对一种生态因子都有一个耐受范围，即一个生态学上的最低点和一个生态学上的最高点，在最高点和最低点之间的范围就称为生态幅(ecological amplitude)或生态价(ecological valence)。,耐受性法则：生物对每种生态因子都要求有适宜的量，即有其耐受的上限和下限，过多或不足都可能使生命活动受到抑制，甚至死亡。生态幅：指上下限之间该生物对这种生态因子的耐受范围；在生态幅的中间为该生物的最适区，最适区的两侧为两个生理受抑区，超出生态幅为不能耐受区。,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（据Smith,1980）,生物对生态因子耐受限度的调整,驯化内稳态适应,驯化,实验驯化(acclimation)与气候驯化(acclimatization)：驯化(acclimation/acclimatization)：生物在实验自然条件下，诱发的生理补偿变化，前者需要较短的时间，后者需要较长的时间。有机体对实验环境条件变化产生的生理调节反应称实验驯化；有机体对自然环境条件变化产生的生理调节反应称气候驯化，实验驯化是对环境条件改变的一种生理上而非遗传上的可逆反应。驯化的应用：植物的引种栽培,内稳态,内稳态(homeostasis):生物系统通过内在的调节机制使内环境保持相对稳定。内稳态通过形态、行为和生理适应实现。大多数内稳态机制依赖于负反馈过程。依靠三个基本组成成份：接受器；控制中心；效应器。,负反馈过程（维持哺乳动物血液渗透性）,接受器（下丘脑）,控制中心（下丘脑）,效应器（肾脏）,血液太浓,饮水,血液渗透性上升,口渴反应,血液太稀,失水反应,血液渗透性下降,失水,(仿A.Mackenzie et.Al.,1999),适应,适应(adapatation)：生物对环境压力的调整过程。分基因型适应和表型适应两类，后者又包括可逆适应和不可逆适应。如桦尺蠖在污染地区的色型变化。适应方式（形态、生理、行为的适应）：形态适应：保护、保护色、警戒色与拟态行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防御和抗敌生理适应：生物钟、休眠、生理生化变化营养适应：食性的泛化与特化适应组合(adaptive suites):生物对非生物环境条件表现出一整套协同的适应特性，称适应组合。如骆驼和仙人掌对炎热干旱环境的适应。趋同适应和趋异适应胁迫适应,动物的保护色、警戒色与拟态,A 树皮纺织娘(Bark katydid)B 枭蝶(Owl butterfly)C 枯叶蝶(Leaflike insect(Anaea)D 捕食花螳螂(Predatory flower mantis)E 蛙鱼(Frog fish),A,B,D,E,C,指示生物可以指示环境特征指示作用普遍存在指示作用不能滥用,