植物生物学第十九章植物生活与环境

中国农业大学生物学院教案2009.9~2010.7学年课程名称：植物生物学教材名称：植物生物学（主编杨世杰）授课对象：生物各专业，生命科学试验班、资源与环境学院各专业开课时间：全年授课学时：48主讲教师：《植物生物学》课程组教学章节：第十九章编写时间：2009.09第十九章植物生活与环境教学内容：环境的概念与划分；植物与环境的相互作用；植物与非生物因子间的关系；植物与生物因子间的关系总学时：2教学目标：掌握生态因子的概念，能正确分析植物与各因子的相互关系教学重点：植物与非生物因子间的关系；植物与植物间的关系教学难点：种内关系，种间关系教学手段：多媒体教学教学过程章节学时主要教学内容及安排备注第五部分植物与环境第一节环境的概念及其与植物的相互作用1.5引言回顾植物的起源、演化与环境是密不可分的，通过各地植被引出第五部分--植物与环境（3分钟）从上面的介绍可以看出，植物是环境中的植物，离开了生存的环境，植物就无法生存。那么，什么是环境呢？环境是指以某一主体为中心的周围所有事物及其事物所产生的作用的条件总和。植物的环境通常是指植物生命活动的外界空间、物质、能量和信息的总和，包括物理环境（如光、温、水、土等）和生物环境（如动物、植物、微生物等）。每一环境条件也称环境因子，其中对植物（或生物）起着直接或重要作用的环境因子，称为生态因子(ecologicalfactor)，包括气候因子（如太阳辐射、温度和水分）、土壤因子（物理、化学性质和土壤生物等）和生物因子（如植物、动物和人等）。一、环境的划分1.自然环境和人工环境按人工干预与否可将环境分为自然环境和人工环境。自然环境是指地球在历史进程中形成、并存在于地表空间的物质、能量和信息的总和。人工环境(domesticatedenvironment)是指环境条件主要或全部由人为控制的环境。2.大环境、小环境和微环境按范围大小可以将环境划分为大环境大环境、小环境和微环境。大环境通常是指宇宙环境、地球环境和区域环境。小环境是指对生物有着直接影响的环境。在生态学中，通常将生物生活的小环境称为生境。微环境是指靠近植物个体表面或个体某器官表面的小环境，如根周围的环境，也称根际环境，包含土壤、水、养分、温度、微生物活动等，它们影响着根的生长、生理活动。二、植物与环境的相互关系生活于环境中的植物会受到环境中生态因子的综合影响(讲述生态因子的综合作用和互作关系)现存的植物都是长期自然选择的结果，它们在长期演化过程中不断适应环境并形成了相应的特征。这也意味着某种植物都只能在其适应的提问讨论常说的环境（是指以人为中心的环境）重点介绍人工环境的界定问题。举例阐明第二节植物与几种非生物因子的关系环境中生长，我们通常将某种植物适应某个生态因子的大小称为生态幅。植物在受环境影响并适应环境的过程中，也在维护、改变和塑造着环境。植物与生态因子的关系我们重点简述植物与非生物因子以及植物与植物间的关系。植物与非生物因子的关系很多，我们只选择几种作重点介绍。一、植物与光植物通过光合作用把太阳能以化学能的形式固定下来，供植物生长、发育和繁殖所需，并通过食物链为其他生物所利用。太阳辐射还对环境中各因子的变化和发展起着重要作用。在自然界中，所有绿色植物生长发育的能量都来自于太阳辐射。由于各地太阳高度角和大气的反射、吸收和散射等原因，太阳到达地表的时空分布是不均匀的，其差异主要表现在光强、光质和日照长度等三方面。1.光强与植物（按图说明光强的分布特征）光强的变化决定着植物净光合作用的变化。当光强低于光补偿点，植物无积累，当光强超过光补偿点时，植物才能有机物的积累。光强对植物的发育、植物生长及形态结构的建成有着重要作用。如黄化作用根据植物对光强的适应性，可以把植物分为阳地植物、阴地植物等类型。2.光质与植物绿色植物光合作用主要利用的是可见光，被植物利用的可见光称为生理有效辐射或光合有效辐射，红、橙光和蓝、紫光是被叶绿素和胡萝卜素等吸收最多的部分。大多数植物在全可见光谱下生长最好，有些植物能够在缺少其中某些波长的情况下生活。3.日照长度与植物根据植物开花过程所需日照长度的不同，可将植物分为4类：短日照植物、长日照植物、中日照植物和日中性植物。此内容前面已述。其实，植物的生长很多方面都与日照长度有关，分布也与之有关。二、植物与温度1.温度与植物生命活动的关系地球表面温度具有时空变化的规律。温度的时空变化对生长于某地的植物具有多方面的影响，植物也在长期的进化过程中形成了与之相适应的特征。温周期现象的生理基础在于植物的生长和光合作用所需的温度在白天和夜晚是不同的，而正常的日夜或季节性温度变化对当地植物生长往往是有利的。(介绍什么是温周期)不同植物对温度适应范围的大小不一。2.植物对不利温度的适应提问，那些是常见且最重要的？以例子说明复习前面所讲的讨论举例不同环境中的多年生植物都能以其自身的形态和生理生化特征来应对生活中的不利温度。长期适应低温环境中的植物，同样有其形态、生理和行为的适应特征。环境中的非规律性变温常常会对植物造成负面影响，甚至危害。以下说明极端低温和高温对植物的影响3.温度对植物分布的影响每种植物都有适宜生存的温度范围，地球表面具有此温度范围的地方都是该植物的潜在分布区。取决于环境中的最高和最低温度，有效积温。每种植物在生长发育过程中都需要一定量的积温才能完成某阶段或整个生长发育过程。三、植物与水（一）水对植物的重要性水是植物生命活动必须的物质之一，是植物主要的组成部分，没有水就没有生命。（解释说明）植物生活离不开水。如种子萌发，植物生长、开花结实、保温等。水分过少或水分过多，都可影响到植物的正常生长。（二）植物对水分变化的适应及生态类型植物主要从土壤中吸收水分，蒸腾作用和根压是植物吸水的动力，吸水的情况则取决于植物与土壤之间的水势差值。不同环境中水量不一，各类植物在进化中所形成的适应性不尽相同，为此也形成了相应的生态类型。通常可以把植物划分为水生植物和陆生植物二大类。1.水生植物水生植物指植株全部或至少根可一直生长在水中的植物。可以把它们划分为沉水植物、浮水植物和挺水植物等三种类型。2.陆生植物（1）湿生植物（2)中生植物（3)旱生植物，根据生理和形态上的适应方式，常把旱生植物划分为短命植物、避旱植物、耐旱植物和抗旱植物。四、植物与土壤（一）土壤对植物的作用对大多数植物来说，土壤具有固定植物的作用。土壤是植物养分、水分和部分气体供应的场所。（二）与土壤有关的植物生态类型长期生长于某种类型土壤上的植物，往往会产生适应于该土壤的特征，这里只介绍与土壤酸碱盐有关的几种类型。1.酸性土植物指只能生长在酸性土壤上的植物。象铁芒萁、乌饭树等。2.中性土植物图例按图解释以例子简单介绍第三节植物与生物因子的关系指在pH为中性土壤上生长的植物。中性土壤的结构良好，肥力高。大多数粮食作物、经济作物和果树等都属此类植物。3.盐碱性土植物指能在盐碱性土上正常生长的植物。习惯上将含Na2CO3和NaHCO3为主的土壤称为碱土，把含NaCl和Na2SO4为主的土壤称为盐土，在自然界中这两种土壤往往同时存在，统称为盐碱土。如聚盐性植物、泌盐性植物、抗盐植物在自然界中，我们罕见以孤立的个体长期存在的生物，而看到的往往是在一定的区域中生长着同种植物个体群，它们或构成明显的单优势群体，或与其他植物群体混生。因此，植物不仅与非生物因子有着密切关系，而且与其周围生长的同种植物（种内）和不同种植物（种间）也同样有着千丝万缕的联系。除此之外，在植物所生长的区域内一定还生存有相应的动物和微生物。通常将一定空间里同种个体的集合称为种群，而将种群个体间的关系称为种内关系，如个体间的授粉、繁殖关系、竞争等；将同一生境中不同种群间的关系称为种间关系。需要说明的是：无论是种内关系还是种间关系，都不要在脱离一定环境条件下来讨论。一、种内关系种群是一个客观的生态生物学单位，是具有自己独立的特征、结构和机能的整体。故在讨论种内关系时，不能忽略其种群的属性。以下我们仅从种群分布格局、种内繁殖与增长、种内竞争、种内化感作用等方面说明种间关系。1.种群的分布格局每个种群中的个体空间分布方式或配置特点称为种群的分布格局，它与该种群内、外条件及物种特性有关。种群的分布格局一般分为群聚型、随机型和均匀型等3种类型。2.种内繁殖与增长植物的个体本身可以进行繁殖，包括营养繁殖、无性生殖和自花授粉繁殖以及同株异花授粉繁殖。这些繁殖已在前面课中都已提过。植物种群内个体与个体间的杂交在高等植物中更为常见。各个个体基因型的相对稳定是种群繁殖的基础，但个体间的基因型并不完全相同，同时其生长又受环境条件的影响，各自的表现型常常有些差异。因而，种群个体内在的生存和繁殖差异（变异），使得那些能比较好地适应环境的个体产生更多的后代，并在自然选择中保留下来，结果使种群更适应于环境。在某一个空间内的种群，其个体数量的多少一方面取决于种群本身的生物学和生态学特性，另一方面又与环境的容量密切相关。种群的数量是指一定面积或容积中某个种的个体数目。如果用单位面积或容积的个体数目来表示种群的大小，则为种群密度。在一定的空间里，种群的个体数量取决于种群出生率（繁殖率）、死亡率、迁入和迁出数量等参数。假定有一个资源充足的环境，植物种群的增长将随着时间的推移而呈现几何增长（也称指数增长）。事实上，自然界中的种群总是在一个有限的空间中生长的，随着种群数量的增加，对有限空间资源(如光照，养分、空间)的种内竞争也将增加，种群的增长速率将降低。当种群个问：植物是孤立生长的还是群生的？以图说明复习强调提问导入展示相关体的数目增加到接近于环境所能容纳的最大值，即环境负荷量时，种群将不再增长而达到“饱和”状态。这种受环境负荷量限制的种群增长称为逻辑斯蒂增长，种群增长曲线呈“S”形。3.种内竞争在自然界中，一株植物必须占据一定的空间才能获得阳光、雨水、营养物质等必要的生存条件，因此，在有限的生境中，随着个体的增长或数量的增多，所占据的空间越来越多，对资源的需求就越大，竞争就越激烈，这也将导致对每个个体的影响、可能加大死亡率和降低出生率。由此可以看出，种内竞争是与密度相关的。植物是构件生物，因此其生长的可塑性很大。如同种植物在某个生境中生长的枝繁叶茂，而在另一个生境中枝叶稀疏。研究人员由此也发现了最终产量恒定法则和自疏现象。(1)最终产量恒定法则是指在相同条件和一定空间内，当种群密度达到一定值之后，再增加种群密度，其最终产量是基本一致的。（2）自疏现象是指在一定空间内，随着植物生长或密度不断增加而导致种群密度下降的现象。4.化感作用在农业生产中，有些作物是不易连作的，如果连作会发现后茬作物生长受限，产量降低。造成这种现象的原因往往是同种作物所残留的物质（如根系分泌物、枯枝落叶根系降解后产生的化学物质）抑制了下茬作物的生长。这就是植物间的化感作用，下面我们还会继续讨论化感问题。二、种间关系从理论上看，2个物种之间的相互作用的基本形式有：无作用，正作用和负作用三种类型。下面我们讲几个种间关系的类型。1.竟争竞争是指同种或异种的两个或两个以上的个体生长于同一生境中利用共同的有限资源，从而发生对环境资源争夺而产生的相互抑制作用。两个种越相似，它们的生态需求重叠的就越多，竞争也就越激烈。这一现象被称为高斯假说、，现也称为竞争排斥原理、，即在一个稳定的环境中，竞争相同资源的两个种不能无限期共存，其中一个最终会成为优势种。2.共生在1899年德国植物学家DeBarry为描述地衣中某些藻类和真菌之间的相互关系首次提出了共生一词而今，共生可以划分为两类：互惠共生和附生。互惠共生是指所有有利于共生双方的相互作用，如菌根、根瘤、地衣等。偏利共生,也称附生(epiphytism),是指两个种之间的关系只对一方有利，对另一方无利害的共生。偏害共生是植物在相互作用中一方受到抑制，而另一方不受影响的共生。3.寄生是指某一物种的个体依靠另一物种个体的营养而生活的现象。寄生于其它植物上并从中获得营养的植物称寄生植物，如兔丝子。有些植物为半寄生植物，如槲寄生，而有些寄生植物为全寄生