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1生物与环境


个体生态学 -生物与环境
环境与生态因子

生物与环境关系的基本原理
生物与主要生态因子的相互关系

环境(environment)
? 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。

? 环境因子(environmen

tal factors)
环境由许多环境要素构成,这些环境要素称环境因子。

? 条件和资源:环境因子可分为条件(conditions)和资源(resources)
二类,不可消耗的称条件,可被消耗的称资源。

2016/12/1

2-2

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。

2016/12/1

2-3

生态因子的类型
? 生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类
? 非生物因子:温度、光、湿度、pH、氧气等 ? 生物因子:有机体(同种和异种)

? 有的学者将生态因子分为五类
? 气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子

? 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

2016/12/1

2-4

生态因子的类型
? Simith等将生态因子分成密度制约因子和非密度制约因子
? 密度制约因子:食物、天敌等生物因子

? 非密度制约因子:温度、降水、气候等因子

? Мончадский(蒙恰斯基)将生态因子分为稳定
因子和变动因子
? 稳定因子:地心引力、地磁、太阳辐射常数等长年恒定的因子 ? 变动因子:周期性变动:春夏秋冬、潮夕涨落;非周期性变动:
风、降水、捕食
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密度制约因子与非密度制约性因子比较
种 群 出 生 率 变 化

非密度制约

种群密度梯度
2016/12/1 2-6

生态因子的空间分布特征
? 纬度地带性:从赤道到两极,整个地球表面具有过渡状的分带性规律。 ? 太阳辐射量差异
壤分带 太阳辐射--热量带 --水分差异--植被分带--土

? 自然地理带:赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带
? 植被地带性分布 ? 垂直地带性:因太阳辐射和水热状况随着地形高度的不同而不同,生物和气候自山
麓至山顶呈垂直地带分异的规律性变化(干燥空气,-1℃ /100m;湿润空气,-0.6℃ /100m)。

? 经度地带性:地球内在因素如大地构造形成地貌和海洋分异引起经度地带性分异。
如北美大陆和欧亚大陆。

2016/12/1

2-7

植被的空间格局(自M.C.Molles,Jr,1999)

2016/12/1

2-8

生态因子作用的特点
? 综合性: 各种生态因子相互影响、相互制约(水温与溶解氧) ? 非等价性(主导因子作用):光合作用—光;春化作用—温度 ? 直接性和间接性:地形(光照、温度、降水) ? 限定性(因子作用的阶段性):人体发育不同时期微量元素的
需求

? 不可替代性和互补性:软体动物,水体内的钙和锶

2016/12/1

2-9

生物对非生物因子的耐受限度
? “最小因子定律”(Liebig’s 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。

? “耐受性定律”(Shelford’s law of tolerance)
? 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)

2016/12/1

2-10

? 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

2016/12/1

2-11

生物种的耐受性限度图解(仿Smith,1980)
耐受性下限 不能耐受区 生理受抑制 最适区 耐受性上限 生理受抑制 不能耐受区

种 群 数 量

种群消失

数量很低

数量最高

数量很低

种群消失



环境梯度



?

生态幅(ecological amplitude)
在自然界,由于长期自然选择的结果,每个种都适应于一 定的环境,并有其特定的适应范围。每一个种对生态因子适 应范围的大小即生态幅(见下图),这主要决定于各个种的 遗传特性。

生物对各生态因子耐受性之间的相互关系

? 对生物产生影响的各种生态因子之间存在明显的相互
影响:如温湿的关系;湿度和溶氧的关系;温度和盐 的协同作用。

? 生物因子和非生物因子之间也是相互影响的:物种之
间的竞争产生的生态位分离。(蛾与蝶)

2016/12/1

2-14

生物对生态因子耐受限度的调整
驯化(acclimation/acclimatization) 生物在实验/自然条件下,诱发的生理补偿变化 ? 实验驯化与气候驯化 ? 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。前者需要较短的时间,后者需 要较长的时间。 ? 驯化的应用:植物的引种栽培

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。

2016/12/1

2-16

负反馈过程(维持哺乳动物血液渗透性)
口渴反应
接受器 (下丘脑)
血液 太浓 血液 太稀 饮水

控制中心 (下丘脑)

失水

效应器 (肾脏)

失水反应 血液渗透性下降 血液渗透性上升
(仿A. Mackenzie et. Al.,1999)

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
2016/12/1 2-19

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

C

D

E

? 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

仙人掌和骆驼对高温干旱环境的适应

(自M.C.Molles,Jr,1999)

生活型和趋同适应
? 是指亲缘关系相当疏远的不同种类的生物,由于长期生活在相同或相
似的环境中,接受同样生态环境选择,只有能适应环境的类型才得以 保存下去。通过变异和选择,结果形成相同或相似的适应特征和适应 方式的现象。有时在外貌上也非常相似。哺乳类的鲸、海豚、海象、 海豹,鱼类的鲨鱼,它们在亲缘关系上相距甚远,但都长期生活在海 洋中,整个身躯形成为适于游泳的纺锤形。

? 趋同适应的结果使不同种的生物在形态结构、生理生化特征和发育节
律上表现出相似性。

? 不同种的生物,由于长期生存在相同的自然生态条件和人为培育条件
下,发生趋同适应,并经过自然选择和人工选择而形成的,具有类似 的形态、生理和生态特性的物种类群称为生活型(life form)。

动物的趋同
1. 鲨鱼;2. 鱼龙;3. 海豚

植物的趋同
1. 仙人掌(仙人掌科); 2. 2. 仙人笔(菊科); 3. 3. 霸王鞭(大戟科); 4. 4.班海星花(萝摩科)

生态型和趋异适应
? 同种生物如长期生活在不同条件下,它们为了适应所在的环境,
会在外形、习性和生理特性方面表现出明显差别,这种适应性变 化被称为趋异适应。

? 北极熊是由棕熊进化而来,北极熊皮毛为白色,与北极的环境颜
色相同,有利于其捕食作用,北极熊肩部呈流线型,足掌有刚毛, 可以使其在冰上行走而不滑到,北极熊属肉食动物,而棕熊岁属 于肉食目,但经常食用一些植物,这表明为了适应不同的环境, 同种动物发生趋异适应一满足环境对其生存的要求

2016/12/1

2-25

生态位
? 生态位(niche)与栖息地(habitat)
? 生态位--有机体在环境中占据的地位; ? 栖息地--有机体所处的物理环境。

? 超体积生态位(hypovolume)
? 生态位的每一个环境变量称一维,生态位空间的环境变量可以是多个,
超过3个维度的生态位空间称超体积生态位。

? 基础生态位(fundamental niche)和实际生态位
(realized niche)
? 物种理论上占据的生态位空间称基础生态位; ? 实际占有的生态位空间称实际生态位。
2016/12/1 2-26

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

2016/12/1

2-27

生物与光的关系
? ? ? ?
太阳辐射及其变化规律

光质变化对生物的影响
光强度变化对生物的影响 光周期现象

2016/12/1

2-28

太阳辐射的变化规律
(自A. Mackenzie et. Al.,1999) N W E S 23°27' 夏至 W N

E
S 23°27' 冬至

? 地球自转时,赤道附近照射的时间长(日周期) ? 地球公转时,夏天北半球照射的时间长;冬天南半球照射的时间长
(季节周期) ? 低纬度地区有较为恒定的热量,高纬度比低纬度地区接受的能量更 少

太阳辐射能(仿A. Mackenzie et. al,1999)
紫外线

可见光

红外线

能 量 强 度

400

630

1000

2500

4000

波长(nm)

? 光的性质:波长150-4000nm,分紫外光、可见光和红外光三类,波长在380-760nm
之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380-700nm之间。

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—茎叶富含花青素避免紫外线伤害的一种
保护性适应。茎秆粗短、叶面积缩小、毛绒发达也 是短波光较多所致

? 动物— 不同动物发展不同的色觉。紫外光是昆虫新
陈代谢所必需的,与维生素D 的产生关系密切。

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。 ? 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。
? 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。
2016/12/1 2-32

光补偿点(CP):光合作用强度和呼吸作用强度相当处的 光强度。

光饱和点(SP):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。
A

光 合 作 用 率

B

光 合 作 用 率

A

B

a
A 光合作用

CP

sp 光强度

b

CP

sp

光强度
净生产力

B 呼吸作用

sp 光饱和点

CP 光补偿点
2016/12/1

2-33

生物的光周期现象
? 光周期现象: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。 ? 长日照植物和短日照植物: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。

2016/12/1

2-34

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

2016/12/1

2-35

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。
2016/12/1 2-36

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: N?T=K 表示,考虑到生物开始 发育的温度,又可写成: N ( T-C )=K, T=C+K/N ,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
的发生程历;制定农业气候区划,合理安排作物;应用积温预报农时。

2016/12/1

2-37

动物地理区

2016/12/1

2-38

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。

? 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 。

2016/12/1

2-39

? 生物对低温的适应:
保暖、抗冻--形态、生理 、行为的适应

? 生物对高温的适应:
抗辐射、保水、散热--形态 、生理 、行 为的适应

2016/12/1

2-40

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(Allen’s 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(Bergman’s 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(Jordan’s rule):鱼类的脊椎骨数 目在低温水域比在温暖水域的多。

2016/12/1

2-41

? 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。

2016/12/1

2-42

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。

2016/12/1

2-43

生物与水的关系
? ? ? ?
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。

2016/12/1

2-44

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。
2016/12/1 2-45

生物的水分获得与损失途径

(自M.C.Molles,Jr,1999)

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; ? 在水下的叶片多分裂成带状、线状,而且很薄,以增加光合和
吸收营养物质的面积。

? 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;

? 陆生植物的生态类型 ? 湿生植物 ? 中生植物 ? 旱生植物

? 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。

2016/12/1

2-48

陆生植物水分运输的动力
? 陆生植物的水势梯度
? 空气中的水势--较低
? 植物体的水势--中度 ? 土壤中的水势--较高
(自M.C.Molles,Jr,1999)

植物水势的组成=渗透势+衬质势+压力势
(自M.C.Molles,Jr,1999)

水生动物的水平衡调节机制
(自M.C.Molles,Jr,1999)

? 等渗:体内和体外的渗透压相等,水和
盐以大致相等的速度在体内外之间扩散。 仅排泄失水,通过食物、饮水、代谢水 获得水,泌盐器官排出多余的盐分。

? 高渗:体内的渗透压高于体外,水由环
境中向体内扩散,体内的盐分向外扩散。 通过排泄作用排出多余的水,盐分通过 食物和组织摄入。

? 低渗:体内渗透压低于体外,水分向外
扩散,盐分进入体内。通过食物、代谢 水和饮水获得水,多种多样的泌盐组织 排出多余的盐分。
(自M.C.Molles,Jr,1999)

水生动物的渗透压调节方式
(自M.C.Molles,Jr,1999)

? 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
软骨鱼

鲨鱼的渗透调节(自M.C.Molles,Jr,1999)

?

海水及Na+ 和Cl- 由鳃扩散进入体内,通过排尿及盐腺将多余的盐排至体外环境中

淡水硬骨鱼和蚊的渗透压调节
?

水调节:

?环境中的水通过鳃不断扩

散进入体内
?通过尿将多余的水排出 ?盐调节: ?伴随尿液将少量的盐排出 ?通过摄食及鳃上的特定氯

细胞,将盐摄入体内。
(自M.C.Molles,Jr,1999)

海洋硬骨鱼咸水蚊类的渗透压调节
? 水调节: ?失水: 水分通过鳃扩
散至周围环境. ?补水:通过饮水获得 大量的水, ? 盐调节: ?增盐:饮水和摄食摄 入盐, ?排盐:泌氯细胞将盐 排出;肾脏通过排泄 作用排出盐

(自M.C.Molles,Jr,1999)
2016/12/1 2-55

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

22016/12/1 57

土壤的生态学意义
? ? ? ? ?
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遥矿质元素为水分; 提供植物生长所需的水热肥气;

维持丰富的土壤生物区系;
生态系统的许多很重要的生态过程都是在土壤中进行。

土壤的理化性质及其对生物的影响
? 土壤的物理性质及其对生物的影响 ? 土壤是由固体、液体和气体组成的三相系统,固体占85%以上,根据
土粒的直径大小,可将土粒分为:粗砂、细砂、粉砂和粘粒,其组合 百分比称土壤质地,根据土壤质地,可将土壤分为:砂土、壤土和粘 土。 ? 土壤质地和土壤温度影响植物生长和土壤动物的水平及垂直分布。 ? 土壤的化学性质及其对生物的影响 ? 土壤酸碱度:过碱性和酸性不利于植物生长,酸性还不利于细菌生长。 ? 土壤有机质:植物重要碳源和氮源。 ? 土壤无机元素:植物生长的13种重要元素来源(7种大量元素:、氮、 磷、钾、硫、钙、镁、铁;6种微量元素:锰、锌、铜、钼、硼、氯)


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