《生物奥赛》PPT课件.ppt
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1、生态学的研究对象微观、个体、种群、群落、生态系统和宏观生态学及其应用。传统生态学是研究生物个体以上水平(包括个体、种群、群落、生态系统)的生物与生物、生物与环境之间关系的科学。现代生态学主要以生态系统为研究的基本单位。生态系统通过物质流、能量流和信息流(稳态和调节功能),将生态系统的各个成员联系成为一个具有统一功能的系统。,动物,植物,微生物,生态系统,环 境,散热,光能,A 综合性:自然界任何生态因子都不是独立的。B 非等价性:各种生态因子的作用不同,有主导因子和从属因子。C 不可替代性和互补性:任何生态因子都不可缺少,无法替代,但是,数量的不足可以由其它因子一定程度补偿。D 限定性:生物的
2、不同发育阶段,各生态因子的作用不同。,个体生态学(生物与环境),1、生态因子作用的几个特点,利比希(Justus Liebig)是19世纪德国的农业化学家,1840年,发现谷物的产量常不是受常量营养物质(N、P、K等)所限制,而是取决于植物必需的微量元素(B、Mg、Fe等)。他指出“植物的生长取决于处在最小量状态的营养成分”。后来被人们称之为最低因子定律。即,每种植物都需要一定种类和数量的营养物质,缺乏一种,植物会死亡,一种处在最小量时,生长最少。,2、利比希最低因子定律,美国生态学家谢尔福德(1913)提出了耐受性定律:“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
3、的耐受限度时,就会使该种生物衰退或不能生存”。耐受性定律是最低因子定律的进一步发展,表现在(1)考虑了生态因子的上限;(2)不仅估计了生态因子量的变化,还估计了生物本身的耐受性问题;(3)允许生态因子之间的相互作用(替代和补偿等)。,3、谢尔福德的耐受性定律,长期生活于低温环境中的生物通过自然选择,在形态、生理和行为上表现出很多明显的适应。,4、生物对温度的适应,低温:形态上,叶片表面有油类物质;芽具鳞片;体表具蜡粉和密毛;矮小。生理上,水分降低,糖、脂、色素增加,以降低细胞冰点;吸收光谱增宽,能吸收红外线。,4.1植物对温度的适应:,高温:形态上,某些植物生有密绒毛和鳞片,体呈白色,可反射部
4、分光线;叶片垂直排列;木栓层厚。生理上,含水少,糖、盐浓度高;蒸腾作用旺盛。,低温:形态上,皮下脂肪加厚;贝格曼规律:恒温动物在寒冷地区个体较大;阿伦规律:恒温动物在寒冷环境中突出部位(耳、四肢、尾)有变短的趋势。生理上,增加产热,局部异温。行为上,休眠和迁移。高温:形态上,难以奏效。生理上,放松对恒温的要求,提高体温。行为上,夜出加穴居。,4.2、动物对温度的适应,5.1概念:植物和某些变温动物完成某一发育阶段所需总热量(有效积温)是一个常数K。K=N*T(式中K为有效积温,N为发育时间,T为平均温度),5、有效积温法则(温度与生物发育的关系),生物都有一个发育的起点温度(最低有效温度C),
5、所以,应对平均温度进行修饰。上式变为:K=N*(T-C)或T=C+K/N,温度T与发育时间N呈双曲线关系,由于发育速度V=1/N,所以,T=C+KV,温度与发育速度呈线性关系。生物的发育也有一个高限温度,发育时间也有生理极限,即最短发育时间N0,K=(N-N0)(T-C),5.2、原理,预测生物发生的时代数;预测生物地理分布的北界,全年有效积温大于K。预测害虫来年发生程度;推算生物的年发生历;害虫的生活周期和数量规律。据此制定农业气候规划,合理安排作物。预报农时。,5.3、有效积温法则的应用,6.1植物淡水植物自动调节渗透压;海水植物等渗或高渗。6.2动物动物获得水的方式有三种:饮水、食物和代
6、谢水的利用。,6、水生生物的渗透压调节,等渗动物:海洋无脊椎动物,如海胆、贻贝。不需调节。高渗动物:(排除多余的水并吸收离子)海月水母、枪乌贼、龙虾等,以排泄器官排除多余的水。海洋软骨鱼,肾脏排稀尿,直肠腺调节离子。低渗动物:(摄取水分并排出离子)海洋硬骨鱼,大量饮水,以排泄器官和盐腺排出溶质。其他海洋动物:爬行动物具盐腺(鼻、侧鼻、舌下、围眶腺),海鸟具鼻腺,海兽排高浓度的尿。,、海洋动物,均为高渗,排泄器官排稀尿,摄取食物和通过鳃吸收钠等离子以补充溶质。,、淡水动物:,溯河性(海洋里的鱼类,繁殖时要到淡水中产卵,这种现象叫溯河性洄游,如大马哈鱼)鲑鳟鱼类和降河性鳗鲡。体表渗透性很低,具黏液
7、(鳗鲡);能改变尿量,淡水中排尿量大,海水中尿量小;鳃在海水中排盐,淡水中摄盐。,、洄游性鱼类,种群生态学,假设环境中的空间和资源是无限的,某一种群会表现出指数增长,增长曲线为“J”型。指数增长是在无限环境中表现出来的,而自然界的环境总是有限的,任何种群不可能长期表现为指数增长。所以,指数增长只能在短期内表现出来。在空间和资源都有限的情况下,种群的增长表现为S型,这样的增长称为逻辑斯谛增长。,1、逻辑斯谛增长,A.种群增长有一个环境条件所允许的最大值,称为环境容量或承载力,记作K。当种群大小增至K时,种群不再增长。B.随着种群密度上升,种群增长率逐渐按比例降低,即每增加一个个体的影响是1/K(
8、种群增长受密度的制约)。,1.1、逻辑斯谛增长的条件和模型,条件(假定),dN/dt=rN(K-N)/K模型的意义:与指数方程相比,该方程新增添了一个因子(K-N)/K,它是瞬时增长率r的修正因子,随密度增加,r按比例下降。修正项(K-N)/K所代表的生物学含义是“剩余空间”或称“未利用的增长机会”。,、模型,种群数量由小到大,修正项(K-N)/K由1向0变化,表示种群增长的剩余空间逐渐变小,种群潜在的可实现程度逐渐降低,并且,N每增加1,这种抑制就增加1/K,因此,将这种抑制性影响称为拥挤效应(环境阻力)。,当Nt=K/2时,曲线处于一个拐点。在此拐点上,dN/dt最大。在到达拐点以前,dN
9、/dt随种群增加而上升,称为正加速期;在到达拐点以后,dN/dt随种群增加而下降,称为负加速期。,密度的增加及其对种群增长率的反馈作用不是同时发生的,二者间存在时滞,常见的有反应时滞和生殖时滞等。时滞越长,种群越不稳定。有时滞的种群常在达到环境容纳量时出现波动或振荡。,根据逻辑斯谛模型,当种群数量Nt=K/2时,种群增长速度(单位时间增加的个体数)最快,此时种群的增长速度为:dN/dt=d(K/2)/dt=r(K/2)K-(K/2)/K=rK/2(1/2)=rK/4=MSY因此我们定义,最大可持续收获量(MSY)等于rK/4.,逻辑斯谛增长模型可以用来确定资源生物的最大可持续收获量(MSY),
10、例如,生活于南极的蓝温鲸,环境容纳量(K)为150000头,种群增长率(r)为0.053头/头年,那么,种群增长最快时的种群数量为:NMSY=K/2=150000/2=75000头最大可持续收获量:MSY=rK/4=(1500000.053)/4=2000头/年即,在种群数量75000头时,捕捞约2.7%(2000头)最适宜。大于NMSY可多捕,少于NMSY 要少捕。,2、种群数量的相对稳定性,种群在K值附近波动,具有一定的相对稳定性,这种稳定性因种而异。,按其对种群表现型的选择结果,可以将自然选择分为三类:稳定选择:环境条件对靠近种群数量特征分布中间的个体有利,“淘汰”两侧的极端个体,选择属
11、于稳定型的。如出生体重。定向选择:当选择对一侧的“极端”个体有利时,种群的平均值向这一侧移动。这可能是基因型变化最快的一类。大部分人工选择。分裂选择:当选择对两侧的“极端”个体有利时,“中间”个体被淘汰,使种群分成两部分。,3、自然选择的类型,物种形成(形成新物种)是选择进化的关键。关于物种形成的过程多数学者接受“地理物种形成说”。形成过程如下:地理隔离:地理屏障将两个种群隔开,种群间个体和基因交流受阻。独立进化:地理隔离的种群各自独立地进化,适应各自的特殊环境。生殖隔离机制的建立:由于长期的地理隔离和种群的变异,假如地理隔离屏障消失,两个种群之间建立了生殖隔离,使得基因交流受阻,形成了两个物
12、种。,4、物种形成,各种生物所特有的生活史(种群生态特征:如出生率、寿命、大小和存活率等)被视为进化过程中获得的生存对策-进化对策。该对策称为生态对策或生活史对策。生态对策包括生殖对策、取食对策、逃避捕食对策、扩散对策等多种对策。1962年Mac Arthur首先根据种群动态的两个综合性指标(r&K),将种群分为r-选择者和K-选择者,较全面地反映了生态对策的多个方面。,5、进化对策,生物在进化过程中,向着两个方向分化,r-对策者向着小型化、高出生率、大量繁殖的方向发展,以量取胜,高扩散能力在进化上是有利的,严酷的生境有利于这类种群,大多数先锋生物属于这类种群。K-对策者向相反的方向发展,遇强
13、烈干扰后,恢复能力差,易绝灭,分布于稳定的生境,顶级生物属于该类。,Lotka和Volterra分别提出了种间竞争模型。他们以逻辑斯谛增长模型为基础,引入了竞争系数(,)。为种群1的竞争系数,表示在种群1的环境中,每增加一个种群2个体对种群1所产生的密度效应。在种群1的环境容纳量(K1)中,除有N1占据外,还有N2的空间或资源被种群2所占用了。显然,越小,种群1的竞争力越强;越大,种群2的种间竞争力越强。那么种群1的增长模型变为:dN1/dt=r1N1(K1-N1-N2)/K1)同理,种群2的增长模型为:dN2/dt=r2N2(K2-N2-N1)/K2),6、种间竞争模型6.1、模型,A.种群
14、1取胜,种群2被排挤掉。K1K2/,K2K1/C.两种群稳定地共存。K1K2/,K2K1/,6.2、竞争结果:,1/K1和1/K2分别为种群1和2的种内竞争强度,K1越大,种群1的种内竞争强度越小,反之亦然。而/K1是种群2对种群1的种间竞争强度的指标;/K2称为种群1对种群2的种间竞争强度的指标。越大,种群1对资源或空间的需要量越大,种间竞争能力越弱,K1越小,种群1的可利用资源越小,种间竞争力越弱,那么/K1越大,种群1的种间竞争力越弱。,6.3、原因分析,A.种群1取胜,种群2被排挤掉。K1K2/,即1/K1/K1,种群2的种内竞争强度大于种间竞争强度。B.种群2取胜,种群1被排挤掉。K
15、1K1/,与第一种情况相反。,C.两种群稳定地共存。K1/K2;K2/K1,两种群的种内竞争强度都大于种间竞争。D.两种群不稳定地共存。K1K2/,K2K1/,与第三种情况相反,二者种间竞争剧烈,表现为不稳定。,1、种类组成的数量特征,为了说明群落特征,必须研究不同种的数量关系。对种类组成进行数量分析,是近代群落分析技术的基础。,群落生态学,1.1多度(abundance)多度是对物种个体数目多少的一种估测指标,多用于群落野外调查。国内多采用Drude的七级制多度,即:Soc(Sociales)极多,植物地上部分郁闭 Cop(Copiosae)3 数量很多 Cop2 数量多 Cop1 数量尚多
16、 Sp(Sparsal)数量不多而分散 Sol(Solitariae)数量很少而稀疏 Un(Unicum)个别或单株,1.2、密度(density)指单位面积或单位空间内的个体数。一般对乔木,灌木和丛生草本以植株或株丛计数,根茎植物以地上枝条计数。样地内某一物种的个体数占全部物种个体数的百分比称做相对密度(relative density)。某一物种的密度占群落中密度最高的物种密度的百分比称为密度比(density ratio)。,1.3、盖度(cover degree,或coverage)是指植物的地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比,即投影盖度。后来又出现了“基盖度”的概念,即植物基部的
17、覆盖面积。对于草原群落,常以离地面1英寸(2.54cm)高度的断面计算;对森林群落,则以树木胸高(1.3m处)断面积计算。基盖度也称真盖度。乔木的基盖度特称为显著度(dominant)。,盖度可分为种盖度(分盖度),层盖度(种组盖度)、总盖度(群落盖度)。林业上常用郁闭度来表示林木层的盖度。通常,分盖度或层盖度之和大于总盖度。群落中某一物种的分盖度占所有分盖度之和的百分比,即相对盖度。某一物种的盖度占盖度最大物种的盖度的百分比称为盖度比(cover ratio)。,1.4、频度(frequency)即某个物种在调查范围内出现的频率。常按包含该种个体的样方数占全部样方数的百分比采计算,即:频度=
18、某物种出现的样方数样方总数100,瑙基耶尔(Raunkiaer)频度定律:将植物群落中不同物种的频度以20划分为A、B、C、D、E五个不同的级别,五个频度级之间的关系是:ABCDE。这个规律符合群落中低频度物种的数目比高频度物种的数目多的事实,基本适合于任何稳定性较高而种类分布较均匀的的群落。,群落的均匀性与A级和E级的大小成正比。如果B、C、D级的比例增高时,则群落中种的分布不均匀,暗示着植被的分化与演替的趋势。除此之外,还有高度、重量、体积等个体指标。,1.5、重要值(important value)是用来表示某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标,因为它简单、明确,所以在近些年来得到普
19、遍采用。重要值是美国的Curtis和R.P.McIntosh(1951)首先使用的,计算的公式如下:,重要值(IV)=相对密度十相对频度十相对优势度 上式用于草原群落时,相对优势度可用相对盖度代替:重要值=相对密度十相对频度十相对盖度,2、种的多样性,生物多样性可定义为“生物的多样化和变异性及物种生境的生态复杂性”。,生物多样性一般有三个水平,即遗传多样性,指地球上生物个体中所包含的遗传信息之总和;物种多样性,指地球上生物有机体的多样化,包括种的丰富度和种的均匀度;生态系统多样性,涉及的是生物圈中生物群落、生境与生态过程的多样化。,2.1、多样性的涵义:,(1)种的数目或丰富度(species
20、 richness)指一个群落或生境中物种数目的多少。,(2)种的均匀度(species evenness or equitability)指一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况,它反映的是各物种个体数目分配的均匀程度,例如,甲群落中有100个个体,其中90个属于种A,另外10个属于种B。乙群落中也有100个个体,但种A、B各占一半。那么,甲群落的均匀度就比乙群落低得多。,2.2、多样性的测定 测定多样性的公式很多,我们这里仅选取其中2种有代表性的进行介绍。多样性指数 多样性指数是丰富度和均匀性的综合指标,有人称为异质性指数(heterogenity index)或种的不齐性(speci
21、es heterogenity)。,(1)辛普森多样性指数(Simpsons diversity index)。在无限大小的群落中,随机取样得到同样的两个标本,以它们的概率得出多样性指数。辛普森多样性指数=随机取样的两个个体属于不同种的概率=1随机取样的两个个体属于同种的概率。,(2)香农-威纳指数(Shannon-Weiner index)。信息论中熵的公式原来时表示信息的紊乱和不确定程度的,我们也可以用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性,这就是种的多样性。香农-威纳指数即按此原理设计的,其计算公式为:H=,2.3、物种多样性在空间上的变化规律(1).多样性随纬度变化 从热带到两极随纬度的增
22、加,物种多样性有逐渐减少的趋势。无论在陆地、海洋和淡水环境,都有类似的趋势。当然也有例外,如企鹅和海豹在极地种类最多,而针叶林和姬蜂在温带物种最丰富。,(2).多样性随海拔变化 如果在赤道地区登山,随海拔的增高,能见到热带、温带、寒带的环境,同样也能发现物种多样性随海拔增加而逐渐降低。,植被分布随纬度和海拔的变化,(3)在海洋或淡水水体,物种多样性有随深度增加而降低的趋势。在温度低、含氧少、黑暗的深水层,其水生生物种类明显低于浅水区;海洋中植物分布仅限于光线能透入的光亮区,一般很少超过30米。,3、群落的结构,群落结构是群落中相互作用的种群在协同进化中形成的,其中生态适应和自然选择起了重要作用
23、。群落结构特征不仅包涵种类组成,还包括群落的空间结构及其生态内涵。,3.1群落的结构单元,群落空间结构决定于两个要素,即群落中各物种的生活型(lifeform)及相同生活型的物种所组成的层片(synusia),它们可看做群落的结构单元。生物群落空间形态结构的分化有利于资源的利用。,生活型(life form)生活型是生物对外界环境适应的外部表现形式。同一生活型的生物,不但体态相似,而且在适应特点上也是相似的。(1)高位芽植物(phanerophytes)休眠芽位于距地面25cm以上。分为四个亚类,即大高位芽植物(高度30m),中高位芽植物(830m),小高位芽植物(28m)与矮高位芽植物(25
24、cm2m)。,(2)地上芽植物(Chamaephytes)更新芽位于土壤表面之上,25cm之下,多为半灌木或草本植物。(3)地面芽植物(Hemicryptophytes)又称浅地下芽植物或半隐芽植物,更新芽位于近地面土层内,冬季地上部分全枯死,即为多年生草本植物。,(4)隐芽植物(Cryptophytes)更新芽位于较深土层中或水中,多为鳞茎类、块茎类和根茎类多年生草本植物或水生植物。(5)一年生植物(Therophytes)以种子越冬。,制定生活型谱的方法:首先统计整个地区的全部植物种类,列出植物名录,确定每种植物的生活型,最后对生活型进行规类。在不同的气候区域,生活型的组成存在显著差异:在
25、潮湿的热带地区,以高位芽为主;在干旱的草原和沙漠,一年生植物最多;温带和极地,地面芽植物占多数。,动物的生活型 例如兽类中有飞行的(如蝙蝠),滑翔的(如鼯鼠),游泳的(如鲸、海豹),地下穴居的(如鼹),地面奔跑的(如鹿,马)等,它们各有各的形态、生理、行为和生态特征,适应于各种生活方式。但动物生活型并不能决定陆地群落的外貌和结构。水生群落 浮游生物个体小,分散,一般不形成大的结构。只有海底的群落,其外貌才有明显区别,如珊瑚礁、各种(星状,羽状,扇状)腔肠动物、以及海星等棘皮动物等。,层片(synusia)层片作为群落的结构单元,是在群落产生和发展过程中逐步形成的。层片一词系瑞典植物学家H.Ga
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