第2章环境分析及生物的适应

1第二章环境分析及生物的适应1生物种的概念种的区分：按形态和可杂交性区分都有不足。但实际上，不同物种之间确实存在明显的形态上的不连续性及不同形式的生殖隔离。科学概念：物种是由内在因素(生殖、遗传、生理、生态、行为)联系起来的个体的集合，是自然界中的一个基本进化单位和功能单位。由于存在生存环境的异质性，导致一个种内的所有个体，并非是完全同质的，而存在着各种各样的变异。一个种的性状表现，取决于其遗传基因和生存环境。如北方人一般比较高大。2生境与生态因子分类2.1生境的概念生境是在一定时间内对生命有机体生活、生长发育、繁殖以及对有机体存活数量有影响的多维空间条件的总和。它不仅包括有影响的自然条件，也包括种内和种间的相互影响。而组成生境的各种要素就称为生态因子。以学生的生境为例展开说明（互为环境）。生境是一个相对的概念，离开了特定的主体谈生境的概念无意义。2.2生态因子的分类表2-1不同生态因子分类与各类群间的相应关系R．达若分类蒙恰德斯基分类其他分类法A．气候因素温度光第一性周期因素（温度、光、潮汐）非生物因素与密度无关因素相对湿度降水次生性周期因素其他因素2B．气候以外的自然因素水域环境因素次生性周期或非周期性因素土壤因素非周期性因素C．食物因素基本上是次生性周期因素生物因素与密度有关因素D．生物因素种内的相互作用不同种间的相互作用非周期性因素3生物的能量环境（1）耗散结构理论认为，一个有序的系统存在必须不断提供负熵流。生命是一种高度有序的系统存在，因此需要不断从外界吸收能量才能维持。（2）太阳辐射常数：太阳直射地球，且地球的大气圈不起遮挡作用情况下，地球获得太阳能辐射的强度（8.12J/cm2.min）。实际上到地面的辐射强度平均只有47%。（3）阳光的生态作用：一是提供热能，促进风、水的流动；二是提供光能，促进电子的流动，使植物进行光合作用，形成食物链和营养级。3.1光因子在地球表面的变动规律光照强度在地球表面有时、空变化：（1）夏强，冬弱；中午强，早、晚弱；（2）赤道强，两极弱（随纬度增加而减弱）；随海拔升高而增强；南坡多于北坡（座北朝南）。光谱成分的变化：低纬度、高海拔（西藏）、夏季、中午短波光多（中午紫外线多，要注意防止皮肤癌），高纬度、低海拔、冬季、早晚长波光（红外线）增多。日照长度：不同纬度日照长度和变化各不相同。纬度越高，最长日越长，最短日越短。3.2温度的变化规律温度的节律性变化和极温（如休眠）对生物的生长发育都有着十分重要的意义。时、空变化：（1）在北半球，随纬度北移，温度逐渐降低。纬度每增加1℃，年平均温度降低约0.5℃。（2）从赤道到极地可划分为热带、亚热带、温带和寒带。3（3）海拔每升高100米，年平均气温降低0.5-0.6℃。（4）南坡太阳辐射量大，气温、土温比北坡高（一些高山上南坡植物多就是一例）。（5）纬度高、海拔高以及远离海洋，昼夜温差也就大。（6）土壤和水体（有跃温层）也都有温度变化。4生物的物质环境4.1岩石圈(1)地球由地核、地幔和地壳（qiao）组成。(2)地壳厚度只有16~40km。地壳在厚度和化学组成上是非匀质的。4.1.1土壤的形成地壳表层岩石:风化—碎化—氧化—还原—水解—磷酸化—生物作用—形成土壤。4.1.2土壤的剖面结构（1）从上往下依次为：枝叶层、腐植层、（积聚层、淋溶层、过渡层、淀积层—土壤层）、母质层和岩石层。（2）不同的土壤类型，各个层次的发育程度是不同的，因此，各层的相对厚度能代表在不同的气候、植被和地形位置上形成的土壤。4.1.3土壤的理化性质及其对生物的影响（1）土壤由固、液、气三相组成，三者形成一个独立的生态系统。（2）土壤固相可分为粗砂、细砂、粉砂和粘粒。根据固体成分比例的不同，可将土壤分为砂土类、粘土类、壤土类。（3）土壤水分：A来源：雨、雪、灌溉、地下水。B存在形式：吸着水、毛细血管水、重力水。C作用：可直接为植物根系吸收、溶解盐类为植物提供营养、参加土壤中的物质4转化、调节土壤温度、保育土壤动物等。（4）土壤空气：A来源：大气和土壤生化过程（如稻田产生甲烷）。B组成：二氧化碳多，氧气少。C作用：提供一半左右光合作用所需CO2。（5）土壤温度：A热源：太阳辐射。B效应：影响植物种子萌发、扎根出苗、根系生长、呼吸和吸收能力、制约盐类的溶解度和溶解速度、土壤气体交换和水分蒸发以及微生物活动等。（6）土壤酸度：影响土壤微生物的活动、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性以及土壤养分的保持性能。只适合于酸性土的植物有石松、马尾松、杜鹃等。常见的盐碱植物有大米草、滨黎和碱篷等。4.2水圈4.2.1降雨（1）降雨与纬度一般随纬度增加而减少，年降雨最多的是赤道带。位于赤道距南、北纬20度之间，年降雨量1000~2000mm；从纬度20度向南北推移20度，为副热带地区，该地区由于高气压环流不利降水，降雨量最少，有广大热带草原和沙漠。南北半球40~60度，为中纬度湿润带，年降雨量超过250mm。其余是高纬度干燥区，降水量很少，一般在250mm以下，该地区气温低，蒸发作用弱，空气中含水量少。（2）降雨与山地、海陆距离的关系地形起伏明显，降雨会增加。海洋性气候地区降雨多（如上海）。我国降雨从东南向西北递减。华南地区降水量1500~2000mm，长江流域1000~2000mm，而新疆南部只有250mm。54.2.2大气湿度(1)绝对湿度单位体积空气中含水蒸气的重量。(2)相对湿度空气中水蒸气的实际含量与同一温度下水蒸汽饱和含量之比，用百分比表示。温度越高，水蒸气饱和含量越大。（3）环境的湿度条件决定一个地区的湿润度，必须同时考虑温度和湿度两个因素。热带雨林中，相对湿度经常在80~100%之间。年平均相对湿度低于50%时，属于干旱地区；低于20%则是极干旱地区。我国平均相对湿度最大的地方是东南沿海、四川盆地和贵州东部，最小的是西藏高原和新疆南部。昼夜温度与湿度的变化方向是正好相反的。即白天温度高，相对湿度低，晚上则反之。4.2.3蒸发力有机体水分的散失程度主要取决于蒸发力。蒸发力与饱和差成正比，与相对湿度成反比。温度升高，蒸发力增加。风速大，蒸发力大。4.3气圈4.3.1大气圈的分层根据温度变化情况把大气圈划分为四层，前三层为均质层，第四层为非均质层。（1）对流层贴近地表的一层。大气温度随高度而降低。每升高1000m，温度下降6.4℃。具有大规模的对流运动，具隔热作用，阻止地表热量的散发；影响生物的一切气候现象都发生在对流层中。（2）平流层（臭氧层破坏即在此）对流层上方。垂直对流不强，主要是平流运动，气层比较稳定。温度开始变化不大，为-55℃。（3）中间层6温度自下而上骤降，并有强烈的垂直活动，顶部气温达到-83℃。（4）热层从中间层顶往上进入非均质层，气温急剧上升，最高可达1650℃，这是因为太阳辐射的紫外线被该层大气中的氧原子强烈吸收的结果。4.3.2风的形成及其类型（1）空气流动方向是从高压区向低压区流动。地球表面不同地区气压高低不同，形成不同类型的风。（2）风的类型A季风：夏季气流从海洋流向大陆，冬季气流从大陆流向海洋。B海陆风：由昼夜温差的变化引起的水、陆气流。C山谷风：夜间从山坡吹向谷地的叫山风，而白天从谷地沿山坡而上在谷中盘旋的风叫谷风。D台风：是一种热带气旋，边旋转边移动并伴有狂风、暴雨和巨浪狂潮。5生态因子作用的一般特征5.1生态因子与生物之间具有相互作用生物利用自然、受制于自然又能改造自然。5.2生态因子具有综合作用一方面生态因子之间是相互影响、互相作用的。如水体中饱和溶氧浓度与水温是相关的（着重讲述水体溶氧的变化规律）。生物对某一极限因子的耐受限度，也会因其他因子的改变而改变（如中国林蛙在有水和无水条件下，其存活时间是不一样的）；另一方面，生态因子之间是不可替代的。如缺乏水分的种子不萌发，缺乏氧气的种子（浸在水中）也不萌发。5.3主导因子作用对生物起决定性作用的生态因子，叫主导因子。如光合作用中光照强度是主导因子。春化作用时温度为主导因子。75.4阶段性作用生态因子对生物的作用具有阶段性。如溯河的大马哈鱼，降河的鳗鲡和大闸蟹。5.4生态因子间具有补偿作用如光合作用时光照不强，可增加二氧化碳来补偿。勤能补拙。5.5生态因子的限制作用5.5.1什么是生态限制因子？任何一种生态因子，无论其量或质，只要接近或超过生物的耐受范围，他就成为了该生物的限制因子。如氧气对陆生生物来说不易成为限制因子，但对水生生物来说就很容易成为限制因子。（利用该原理可找到濒危物种的挽救办法等，如大熊猫对生活范围大小的要求）。5.5.2利比希（Liebig）最低因子定律是德国化学家Liebig1840年在《有机化学及其在农业和生理学中的应用》一书中提出的。他的研究表明，“植物的生长取决于处在最少量情况的营养的量”。（水体的富营养化主要是由P的量所决定的）。5.5.3谢尔福德（Shelford）耐受定律美国生态学家Shelford（1913）提出，“一种生物能够存在与繁殖，要依赖某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量和质不足或过多，超过了某种生物的耐性限度，则使该物种不能生存，甚至灭绝”。该定律把最低量和最大量因子并提，把任何接近或超过耐性下限或上限的因子都称做限制因子。Odum(1973)对耐受定律做了如下补充：（1）生物能够对一个因子耐受范围很广，而对另一因子耐受范围很狭；（2）对所有生态因子耐受都很宽的生物，其分布一般很广（细菌）；（3）在一个因子处于不适状态时，对另一因子耐受能力可能下降；（4）经常可以发现，在自然界中，生物实际上并不在某一特定的环境因子最适的8范围内生活，这种情况下，可能有其他更重要的因子在起作用。（5）繁殖期通常是一个临界期，环境因子最可能起限制作用。繁殖的个体、种子、卵、胚胎、种苗和幼体等耐受限度一般都要比非繁殖的植物或动物成体的耐性限度狭窄些。5.5.4生态幅概念：每一个种对生态因子适应范围的大小叫生态幅。根据生态幅大小，可将生物分为狭温性、广温性、狭水性、广水性、狭食性、广食性等。5.5.5生物内稳态（homeostasis）及其耐性限度的调整（补充）内稳态，是生物控制体内环境使其保持相对稳定的机制，他能减少生物对外界环境的依赖性，从而大大提高生物对外界环境的适应能力。内稳态是通过生理过程或行为的调整而实现的。如恒温动物的体温调节。耐性限度的驯化：除内稳态机制可调整生物的耐性限度外，还可通过人为驯化的方法改变生物的耐性范围（可塑性）（主要是体内酶系统的改变过程，即不同的环境条件诱导出不同的酶系统）。生物的驯化过程实质上就是耐性限度的驯化过程。5.5.6指示生物由于生物对生态因子的耐受各不相同，每一个生物种都会深深的留下生存环境的烙印。因此，反过来就可用生物作为指示者，来反映环境的某些特征。表1主要大气污染物对植物的危害(云南环境科学，2001，（1）污染物受害症状受害剂量敏感指示植物二氧化硫叶脉间出现褐色或红棕色大小不等的点、块状伤斑,与正常组织间界限分明。单子叶植物沿平行叶脉出现条状伤斑。005～05ppm/暴露8h紫花苜蓿、大麦、烟草、棉花、蚕豆、荞麦等氟化物叶尖和叶缘呈现水渍状,逐渐形成褐红色伤斑,与正常组织间有明显的暗红色界限。10ppb/暴露20h唐菖蒲、萝卜、荞麦、杏、葡萄、玉米、芝麻等氯气叶脉间出现不规则点、块状伤斑,与正常组织间界限模糊或有过渡带046～467ppm/暴露1h苜蓿、荞麦、玉米、大麦、芥菜、洋葱、向日葵等9氮氧化物叶脉或叶缘间出现不规则水渍斑,逐渐坏死,形成白色、黄褐色或棕色伤斑。2～3ppm暴露8h扁豆、番茄、莴苣、芥菜、烟草、向日葵等氨叶脉间出现点、块状褐色或褐黑色伤斑,与正常组织间界限明显。10ppm/暴露数h棉花、芥菜、向日葵等光化学烟雾叶背变成白色、棕色、古铜色或玻璃状,不呈点、块状伤斑。有时在叶尖、中部或基部出现坏死带。见以下主要光化学反应物臭氧叶片表面出现密集的红棕、紫、褐或黄褐色细小点状伤斑。005～007ppm/暴露2至4h烟草、苜蓿、大麦、扁豆、洋葱、马铃署、黑麦等过氧