1、2 生物与环境生物与环境v 生物种的概念生物种的概念v 环境及其类型环境及其类型v 生态因子及其作用分析生态因子及其作用分析v 生态因子的生态作用及生物的适应生态因子的生态作用及生物的适应2.1 生物种的概念生物种即物种概念一：形态相似的个体的集合n强调形态相似与能够繁殖延续概念二：能实际地或潜在地彼此杂交的种群的集合n强调能够杂交繁殖物种的性状可以分为两类n基因型：遗传本质，内在因素；与环境结合可产生变异，甚至导致物种的分化；n表 型：可见性状，也可随环境改变物种是适应环境的产物物种是适应环境的产物。2.2 环境及其类型环境的概念环境的类型环境因子分类（1）环境（Environment）的概
2、念环境是一个不确定的概念，是相对于某一个中心或主体而言的。环境科学研究的中心事物是“人”，则环境是“人类生存的环境”，在此基础上定义：影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总和。生态学研究的中心事物是“生物”，则环境是“生物生存的环境”，可定义：直接或间接影响生物生存和发展的各种因素的总和。直接或间接影响生物生存和发展的各种因素的总和。环境又是一个广泛的概念，主体的改变又导致环境的改变环境可以大到宇宙，小到基本粒子。环境可以大到宇宙，小到基本粒子。（2）环境的类型环境类型的划分依据n按环境的主体n按环境的性质n按环境的范围按主体划分人类环境：以人类为主体的环境生物环境：以生物
3、为主体的环境人类环境生物环境环境按性质划分自然环境：未经人类破坏的环境；如原始森林等。半自然环境：被人类破坏后的自然环境；如荒漠等。社会环境：具有人类行为的环境；如城市等。自然环境半自然环境社会环境环境按范围划分宇宙环境(Space environment)：大气层以外的空间，又叫星际环境地球环境(Global environment)：大气圈中的对流层、水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈，也叫地理环境区域环境(Regional environment)：某一特定地域空间的自然环境微 环 境(Micro-environment)：区域环境中的小环境内 环 境(Inner environment)：生
4、物体内组织或细胞间的环境宇宙环境地球环境区域环境微环境内环境环境（3）环境因子分类环境因子：生物有机体以外的环境要素三大类：气候、土壤与生物七个并列项目：土壤，水分，温度，光照，大气，火 与生物三个层次：n植物生长所必需的环境因子（温度，阳光，水等）n不以植被是否存在而发生的对植物有影响的环境因子（风暴、火山爆发、洪涝等）n存在与发生受植被影响，又可以直接或间接影响植被的环境因子（放牧，火烧）2.3 生态因子及其作用分析n概念n生态因子作用的一般特征n限制性作用2.3.1 生态因子的概念生态因子（Ecological Factors)概念：n环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接
5、影响的环境要素生态因子与环境因子的关系n环境因子主要强调环境对主体的影响因素；n生态因子除考虑环境因子外，还要考虑生物之间的影响以及生物对环境的影响。n两者既有联系又有区别2.3.2 生态因子作用的一般特征n综合作用n主导因子作用n直接和间接作用n阶段性作用n不可代替性和补偿作用（1）综合作用生态因子之间是彼此联系，互相促进，互相制约的，任何一个因子的变化，都会引起其它因子不同程度的变化。生态因子作用的重要程度在一定条件下可以互相转化。（2）主导因子作用在一定条件下，生态因子中总有一个因子是起主导作用的，称为主导因子；例如：n光合作用时，光强是主导因子；n草食动物的食物，草是主导因子；（3）直
6、接作用与间接作用植物的生长过程中，光照，温度和雨水能起直接作用，地形虽不重要，但能够影响光照，温度和降雨，故也起间接作用（4）阶段性作用生物的生长具有阶段性，生态因子的作用也就有了阶段性。中华鲟与三峡大坝（5）不可代替性和补偿作用作为主导作用的因子，一般是不可替代的，但有时可以用非主导因子的作用进行补偿。n光合作用的光强不够，可以提高二氧化碳的浓度进行补偿。补偿作用只能在一定范围内实现。n如果完全没有阳光，再多的二氧化碳也没有作用2.3.3 生态因子的限制性作用n限制因子n利比希（Liebig）最小因子定律n谢尔福特（Shelford）耐性定律n生态幅n生态内稳态及耐性限度的调整n指示生物（1
7、）限制因子限制生物生存和繁殖的关键性因子叫做限制因子生物的限制因子取决于生物对某种因子的耐受范围：n因子较稳定，生物的耐受范围宽，则为非限制因子如：空气中的氧气n耐受范围窄，则为限制因子如：水体中的溶解氧限制因子的价值n某种生物的限制因子即是其生存的关键；n找到了限制因子就意味着掌握了某种生物与环境复杂关系的钥匙（2）利比希（Liebig）最小因子定律基本描述n植物的生长取决于处在最小量状况的食物的量。最小因子定律的补充n该定律只适用于稳定状态n某些因子的作用受到其它条件的影响（如肥效也受气候的影响）n必须考虑生态因子之间的相互作用nN支持产量的80%，P支持90%，实际产量只有72%而不是8
8、0%。（3）谢尔福特（Shelford）耐受定律基本描述n生物的生存与繁殖，要依赖某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量（或质）不足或过多，超过了某种生物的耐性限度，则该物种不能生存，甚至灭绝。（图2-1）耐受定律的补充n生物能够对一个因子耐受范围广，而对另一个因子耐受范围窄n对所有生态因子耐受都很宽的生物，其分布一般很广；n在对一个因子处于不适状态时，对另一因子耐受力可能下降；n生物有时并不在环境因子的最适范围内生活；n繁殖期通常是一个临界期，环境因子最可能起限制作用。图2-1 生物种耐受性图解（4）生态幅概念：物种对于环境的适应范围的大小。广温性生物与窄温性生物的生态幅的比较（图2-
9、2）n窄温种的最低、最高和最适宜温度点相距最近；n广温种的最低、最高和最适宜温度点相距较远。物种对两个生态因子适应范围不一致时，生态幅为适应范围窄的因子所限制生物种之间的相互作用，常常影响物种利用最适宜的环境条件（图2-3）生物的适应是建立在“生物与环境协同进化”的基本原理之上。图2-2 广温性生物与窄温性生物的生态幅的比较A.冷窄温；B.广温；C.暖窄温图2-3 种间竞争引起一个物种的生理最适范围与生态最适范围的分离（5）生物内稳态及耐性限度的调整内稳态及其保持机制n内稳态是生物控制体内环境以保持相对稳定的机制n恒温动物通过控制体内产热过程以调节体温；n变温动物通过减少散热或利用环境热源使身
10、体增温。n非内稳态生物的耐性取决与体内酶系统的作用n体内环境随着体外环境变化n图2-4为环境变化对内稳态和非内稳态体内环境的影响耐性限度的驯化n人为调整生物体内酶系统可以改变生物的耐性限度，叫驯化。n驯化时间较长，但经生理补偿机制的诱发，可缩短时间。n金鱼在两种不同温度下的驯化结果（图2-5）图2-4 环境变化对内稳态和非内稳态体内环境的影响图2-5 金鱼在两种不同温度下的驯化结果（6）指示生物指示生物具有对环境状态及特点的指示作用：n指示节气n枣花发，种棉花；杏花开，快种麦n指示天气n燕子低飞预示雨将来临，蜻蜓高飞预示天晴n指示水质n美国威斯康星地区湖泊中的软水指示植物为Gratiola，硬
11、水指示植物为Ranunculus aquatilis。n指示资源n安徽的海州香薷指示铜矿，湖南念同的野韭指示金矿指示生物只在一定的时空范围内起作用：n安徽的海州香薷只在安徽指示铜矿，在北方则无此作用2.4 生态因子的生态作用及生物的适应性 v 光因子的生态作用及生物的适应v 温度因子的生态作用及生物的适应v 水因子的生态作用及生物的适应v 土壤因子的生态作用及生物的适应2.4.1 光因子的生态作用及生物的适应光是地球生物生存和繁衍的最基本的能量源泉。光因子包括光强，光质和光周期光强的生态作用与生物的适应光质的生态作用与生物的适应光周期的影响（1）光强的生态作用与生物的适应性 a.光强对生物的生
12、长发育与形态建成有重要的作用植物体内的叶绿素必须一定的光强，而黄化则是植物叶子对黑暗环境的特殊适应；b.光照强度与水生植物水生植物在水中生存的深度取决于水的透光带的深度。c.植物对光照强度的适应类型植物的光合作用具有光饱和点，超过光饱和点，光合作用下降；植物的呼吸作用对光强的影响基本保持恒定，两种作用率的相交点称为补偿点。植物的生产率始于补偿点，然后随光照强度增加，则有：补偿点位置高的叫阳地植物，位置低的叫阴地植物（图2-6）图2-6 阳地植物和阴地植物的光补偿点位置示意图（Emberlin,1983）(a)阳地植物：补偿点位置高；(b)阴地植物，补偿点位置低。（2）光质的生态作用与生物的适应
13、阳光是由不同波长的光组成的。见图2-7光质对植物的作用：n小麦的光合作用在波长为400-800nm区较强（图2-7）n可见光中的红、橙光对光合作用有促进作用，而绿光为无效辐射；n紫色薄膜对茄子有增产作用；蓝色薄膜对草莓有增产作用；红光可以促进甜瓜的植株发育。光质对动物的作用n主要影响动物的生殖、迁涉、毛羽更换、生长和发育；n对动物的分布和器官功能的影响尚不清楚；n对色觉的影响差别较大：只有灵长类动物的色觉发达。紫外光对动物和微生物都有有害影响n对微生物有抑制作用；n对人类有致癌作用n对昆虫的新陈代谢有促进作用图2-7 地表上太阳光谱中能量（E）的分布及强度相等但波长不同的光照下，小麦光合作用的
14、相对速度（P）（3）生物对光周期的适应节律n生物活动昼夜24h循环一次的现象n植物的光合作用、蒸腾作用、积累与消耗等均有节律（图2-8）n人的睡眠（视差问题）、活动与休息也有节律光周期n昼夜的长短随地球纬度的不同而不同（表2-1）；n生物的自然选择和进化形成了各自特有的对日照长度的反应方式n植物：长日照植物（如冬小麦等），延长日照可使其提前开花；短日照植物（如水稻等），日照短于一定值才开花；n动物：鸟类最为明显，侯鸟的迁飞只能用节律解释图2-8 植物光合作用的昼夜变化表2-1 不同纬度地区的日照最长日与日照最短日时间（h）纬度01020304050606566.5最长日12.0012.5813
15、.2213.9314.8516.1518.5021.1524.00最短日12.0011.4210.7810.079.157.855.502.850.002.4.2 温度因子的生态作用及生物的适应温度因子的生态作用生物对极端温度的适应温度与生物的地理分布变温与温周期现象物候节律休眠（1）温度因子的生态作用温度与生物生长n任一生物的生命活动都有最低、最适和最高温度（三基点）；n三基点来源于酶系统的活性；n不同生物的三基点是不同的。温度与生物发育n温度与生物发育的最普遍规律是有效积温；n法国雷米尔（Reaumur,1735)有效积温法则k生物所需的有效积温；N天数（d）；T当地该时间的平均温度（）；
16、T0该生物所需的最低温度（又叫生物零度）。如水稻：在北方只能种一季；海南岛可以种三季。n根据有效积温法则，可计算生物的生长发育的最低临界温度。)(0TTNK例1：地中海果蝇在26 下，20d完成生长发育，而在19.5 则需要41.7d。求它的生长发育最低临界温度。解：根据有效积温法则，只要在生命活动所需的温度范围内，其有效积温相等，则有 果蝇的最低临界温度是13.5。生物的发育速度则是其发育时间的倒数，及V=1/N。于是有表示在发育的温度内，温度与发育历期成双曲线关系，即温度越高，发育历期越短；温度越低，发育速度越慢（图2-9）。250)5.1326(205.13)5.19(7.41)26(2
17、0000KTTT0000 ,),(TKVTTNKTTTNKTTNK图2-9 地中海果蝇发育历程与温度的双曲线关系（2）生物对极端温度的适应性对低温的适应n植物n通过特殊的形态适应低温。如寒冷地区植物的芽和叶片通过表面油脂，腊粉，密毛以及个体矮小，蛰状或莲状等，有利于保温，抵抗寒冷n减少细胞中的水分并增加糖类、脂肪、色素以降低冰点n动物n增大体形，个体大的动物，单位体重的散热量小（贝格曼规律）n减少突出部位，以减少散热量（图2-10）n增加羽毛和皮下脂肪，并具有隔热性良好的皮毛，可不增加或少增加新陈代谢以御寒（图2-11）。对高温的适应n也表现在形态，生理和行为三个方面图2-10 不同温度带几种
18、狐的耳壳A.北极狐，B.赤狐，C.非洲大耳狐（引自P.Dreux,1974)图2-11 恒温动物的代谢率与温度的关系（Gordon,1977）（3）温度与生物的地理分布温度是决定生物分布的重要因子，但不是决定因子一般：温度暖和的地区生物种类多，反之较少。n例如我国n两栖类动物：广西51种，福建41，浙江40，江苏20，山东、河北各9种，内蒙古8种；n爬行动物：广东121，广西110，海南104，福建101，浙江78，江苏47，山东、河北小于20，内蒙古6种；n植物：我国高等植物3万多种，巴西4万多种，苏联面积最大，但只有1万多种。（4）变温与温周期现象不同地带的生物，对昼夜变温与温度周期性变化
19、反应不同变温与生长n植物的生长更适应温度的昼夜变化，及所谓植物的温周期现象（thertnoperiodism)n大多数植物在变温下发芽较好；n植物的生长一般要求温度因子有规律地昼夜变化（表2-2）变温与干物质积累n变温对于植物体内物质的转移与积累有良好的作用n大豆在昼温28.2 ，夜温11.8 时，光合作用所固定的CO2与夜间释放的CO2为15：1，而在28.2 恒温下时，其比值降为9：1。表2-2 变温对植物生长的影响温度条件番茄茎的日生长量/mm昼夜26.5 23.1昼夜19 19.5白天20，夜间26.5 19.4白天26.5，夜间20 26.1-35.0（5）物候节律物候学（Pheno
20、logy）概念n研究生物的季节性变化与环境季节性变化关系的科学。节律变化的测时机制生物钟有关生物钟的两种假说n内源说：认为生物本身存在定时器。如，小鸡一旦孵化，即表现出对昼夜变化的反应，而不需外界的诱导；n外源说：认为生物的节律性变化需要外界的诱导。如生物对地球磁场细微的变化有相应的反应，生物可能利用这种反应作为定时机制。生物钟对生物的生理过程起着重要的作用（6）休眠休眠是抵御不利环境的一种有效生理机制。动物休眠n休眠能使动物极大限度地减少新陈代谢n很多昆虫在进入滞育状态时，代谢率只有正常状态的1/10；n休眠伴随着很多的生理变化n如心跳速率降低，血流速度变慢，体内水分减少等。植物休眠n植物种
21、子成熟后不立即发芽即是一种休眠现象；n许多种子的发芽能力能保持30-40a，埃及的睡莲经过1000多年，仍有80%的种子具有发芽能力2.4.3 水因子的生态作用及生物的适应n水因子的生态作用n生物对水因子的适应（1）水因子的生态作用水是生物生存的重要条件n水是生物体的重要组成部分；n水是溶剂，能水解和电离化合物，以便生物吸收；n水是生物新陈代谢的参与者；n水是光合作用的原料。水对动植物生长发育的影响n水对植物的生长也有“三基点”，到最低点，植物生长停止，最高点，植物根系缺氧，烂根；n水对动物的影响则表现在引起动物的滞育或休眠。水对动植物分布的影响n水分与动植物的种类和数量有密切的关系。n雨量充
22、沛的热带雨林中植物达52种/hm2，我国大兴安岭则只有10种/hm2。（2）生物对水因子的适应n植物的适应n动物的适应a.植物植物主要有两大类n水生植物n有发达的通气组织；不发达的机械组织；水下叶片多为带状、条状或线状，以增加面积，且很薄。n陆生植物n有湿生，中生和旱生三种n湿生植物是抗旱能力最弱的植物，中生植物已经有一套保持水分的结构和功能，旱生植物在形态结构上既能增加水分摄入，又能减少水分丢失：如发达的根系，发达的贮水组织。b.动物动物也分两大类n水生动物n水是溶剂，不同类型的水溶解有不同种类和数量的盐类（表2-3）n水生动物的适应性主要体现在渗透压调节与水分平衡n淡水动物对环境是高渗性的
23、（排盐），海洋动物是等渗的。n陆生动物n陆生动物的适应性表现在三个方面n形态结构：如哺育动物的皮脂腺和毛，能防止水分蒸发；n行为适应：如沙漠动物昼伏夜出；n生理适应：如骆驼不仅有储水的胃，其大量脂肪在缺水时也能分 解出水表2-3 三种典型天然水的组成（单位：g/L）Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4CO32-合计软淡水0.016-0.01-0.0190.0070.0120.065硬淡水0.0210.0160.0650.0140.0410.0250.0190.30海 水10.70.390.421.3119.32.690.07334.92.4.4 土壤因子的生态作用及生物的适应性n土壤因子
24、的生态作用n植物的适应性（1）土壤因子的生态作用土壤的组成成分（图2-12）盐类对植物危害程度的大小为nMgCl2Na2CO3 NaHCO3 NaCl MgSO4 Na2SO4。n阳离子有：Na+Ca2+n阴离子有：CO3 2-HCO3-Cl-SO4 2-图2-12 土壤的组成（2）植物的适应性土壤中盐分的种类盐类对植物的不利影响碱类对植物的不利影响植物对盐类的适应性a.土壤中盐分的种类n盐碱土：盐土和碱土及各种盐话和碱话土的统称。n盐土：含NaCl、Na2SO4、Na2CO3以及钙盐和镁盐的土壤；盐土为中性；n碱土：含交换性Na较多，且交换性Na占交换性阳离子总量的20%以上；碱土为强碱性，
25、pH在8.5以上。b.盐类对植物的不利影响引起植物的生理干旱：盐类提高了土壤的渗透压伤害植物组织：盐类积聚在表土，直接伤害根茎交界处的组织引起细胞中毒：盐类阻止蛋白质的合成影响植物的营养：通过竞争减少了N、P的吸收；阻碍气孔的关闭：导致植物体内水分的流失c.碱土对植物的不利影响强碱性毒害植物的根系土壤物理性能恶化n湿时膨胀粘结，干时坚硬板结，透水性差，阻碍根系发育等。d.植物对盐类的适应性植物的适应性类型n对酸性的反应：酸性土植物，中性土植物，碱性土植物n对钙盐的反应：钙质土植物，嫌钙植物n对含盐量的适应：盐土植物，碱土植物n对风沙基质的适应：沙生植物盐碱土植物n能在盐碱土里生长，具有一系列适
26、应盐碱生境的形态和胜利特性的植物。n形态上表现为植物体干而硬，叶子不发达，蒸腾表面强烈缩小，气孔下陷，表皮外壁厚，常具白色绒毛等；n内部结构上，细胞间隙强烈缩小，栅栏组织发达，贮水细胞的大小能随叶子年龄和盐分含量的增加而增大。盐土植物，一般分为三类n聚盐性植物：体内具有抗盐性；n泌盐性植物：具有分泌盐分的盐腺；n不透盐性植物：能阻碍盐分进入体内。推荐阅读文献与思考题推荐阅读文献n孙儒泳等.普通生态学.北京：高等教育出版社，1993nBrewer R.The Science of Ecology.Saunders College Publishing,1988思考题n种的生态幅及其制约因子有哪些主要规律？n什么是生态因子？生态因子和环境因子之间具有怎样的关系？n如何理解指示生物？n怎样理解生物节律与生物的周期现象，其机制是什么？
