第三章 生态系统中的生物与环境

第三章生态系统中的生物与环境第三章生态系统中的生物与环境第一节生物与环境关系的基本概念第二节生态作用的基本规律第三节生态适应的基本规律第四节生态因子对生物的影响及生物的适应第五节生物的生态反作用第一节生物与环境关系的基本概念一、生物种与个体生态学1、物种是指一类生物个体的集合，其中的个体之间在自然条件下能相互交配产生具有生殖能力的正常后代个体。2、个体生态学是以生物个体及栖息地为研究对象，研究栖息地环境因子对生物的影响及生物对栖息地的适应和生态适应的形态、生理及生化机制。狮虎兽虎狮兽老虎和狮子属于不同的物种，不同种属的物种之间为何偶尔可以交配，但杂交所产生的后代却常常没有生育能力？中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、博士生导师马润林告诉记者，自然界的物种均是在几百万年乃至几千万年的生物进化过程中产生并逐步稳定遗传下来。在这个漫长的历史过程中，一些物种由于不适应变迁的环境而消亡了，另有一些新的物种又会应运而生。总体而言，生物界形成了一个个固定的种系，所有这些物种在遗传基因上都是相对稳定的。物种最大的特征之一就是物种间的生殖的隔离。我们所说的物种之所以能成为物种，是因为它们本身是非常稳定的。如果一个物种和别的物种可以不断的杂交并产生可育的后代，那么，它本身就一直处于分化变异之中。不同物种理论上是不能交配的，这是因为形成每一物种的遗传基因程序、染色体组的结构，特别是染色体的数目是不同的，这种不同决定了物种之间都不能进行种面的杂交。二、环境与生态因子1、环境的概念与类型（1）定义：是指某一主体周围一切事物的总和。（2）类型：按环境的主体分类可分为：人类环境、生物环境按环境性质可分为:自然环境、半自然环境、人工环境按人类对环境的影响可分为:原生环境、次生环境按环境范围大小可分为：宇宙环境(星际环境)、地球环境、区域环境、微环境、内环境自然环境半自然环境人工环境2、生态因子的概念与类型（1）定义：环境因子：构成环境的各要素。生态因子：环境因子中一切对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的因子。生存因子：生态因子中生物生存不可缺少的因子。生态环境：所有生态因子综合作用构成生物的生态环境。生境：具体的生物个体或群体生活区域的生态环境与生物影响下的次生环境统称为生境。（2）生态因子的类型根据生态因子的性质：气候因子：如光、温、湿度、降水量和大气运动等因子。土壤因子：主要指土壤物理、化学性质、营养状况等，如土壤的深度、质地、母质、容重、孔隙度、PH值、盐碱度、肥力等。地形因子：指地表特征，如地形起伏、海拔、山脉、坡度、坡向、高度等地貌特征。生物因子：指同种或异种生物之间的相互关系，如种群结构、密度、竞争、捕食、共生、寄生等。人为因子：指人类活动对生物和环境的影响。三、生物与环境的基本关系1、生态作用是指由于生态因子对生物发生作用，使生命系统的结构、过程和功能发生相应的变化。因子的质；因子的量；因子的持续时间2、生态适应是指生物处于特定环境条件之下时发生的结构、过程和功能的改变，这种改变有利于生物在新的环境下生存和发展。短期适应——长期适应3、生态反作用与Gaia假说生命系统在其生命活动中对环境也起着改造作用。小麦、早熟的马铃薯需要10℃以上的有效积温为1000~1600℃，春播谷类作物、番茄等需要1500~2100℃，玉米、棉花等为2000~4000℃，南方的柑橘和椰子为4000~5000℃。美女兰花螳螂枯叶蝶枯叶蝶Gaia假说——地球自我调节理论生物是被动地适应地球环境的理化条件的。英国科学家JamesLovelock于20世纪60年代提出一个地球自我调节的理论——Gaia假说（Gaia）：1、大气中活性气体的组成、地球表面的温度及地表沉积物的氧化还原电位和pH值等是受地球上所有生物总体的生长和代谢所主动调控的。2、上述环境受到人为破坏或自然条件的各种干扰而发生相应变化时，地球上的生命总体就会通过改变其生长、活动和代谢来对这些变化做出相应的反应，缓和地球环境的这些变化。珊瑚：只愿天空也生云气温上升时，珊瑚礁可能会自己制造出云来降温对世界最大珊瑚礁——澳大利亚大堡礁进行的一项新研究显示，珊瑚里充满了一种称为二甲基硫(DMS)的化学物质，当这种物质被释放到大气中时，会变成气溶胶悬浮微粒，水蒸气容易聚集在微粒上,可能促进云的形成，对所在地区的气候产生很大影响。澳大利亚南十字大学GrahamJones及其同事测量了大堡礁珊瑚及周围海水里的二甲基硫含量，发现珊瑚分泌的粘液中的二甲基硫含量是迄今发现所有生物中最高的。这使珊瑚礁上方的海面水层富含二甲基硫，被风带入大气。大堡礁可能在为自己制造凉爽气候盖娅式反馈(Gaia)这项研究还提出了另一个有趣的可能性：珊瑚可能使用一种盖娅式的反馈机制，来调节它们的阳光照射量。“盖娅理论”认为，地球能够调节环境以保持自身的健康。Jones及其同事在实验室中显示，当珊瑚体内的共生海藻面临高温或强紫外线辐射的压力时，珊瑚会产生更多的二甲基硫。如果这些二甲基硫能导致产生更多的云，那么珊瑚或许进化出了一套降低水温或减少紫外线射的方法。“要最后证明这一点还有很长的路要走，但我们已经有了不少证据，”Jones说。在过去20年里，科学家一直在努力寻找证据，显示自由漂浮的海藻能通过一种与二甲基硫有关的反馈机制来削弱温室效应。Jones说，珊瑚礁是固定不动的二甲基硫来源，它可能更容易产生这种效果。“珊瑚礁可能是一个很好地显示盖娅在行动的地点，”他说，“这是第一次发现珊瑚礁里的（生物）过程与气候过程有关。”第二节生态作用的基本规律一、限制因子定律二、生态因子综合作用定律三、生态因子的时空变化规律一、限制因子定律1、最小因子定律1840年德国化学家李比希在《有机化学及其在农业和生理学中的应用》一书中，分析了土壤表层与植物生长的关系，他认为植物生长环境中的水和二氧化碳数量较多，容易满足植物的需要，作物的产量往往取决于最小量矿质营养元素的供应状况；作物的增产与减产是与作物从土壤中所能获得的矿物营养的多少呈正相关的；每一种植物都需要一定种类和一定数量的营养物质，如果其中有一种营养物质完全缺乏，植物就不能生存，如果这种营养物质数量极微，植物的生长就会受到不良影响，这就是最小因子定律。2、限制因子生物在一定环境中生存，必须得到生存发展的多种生态因子，当某种生态因子不足或过量都会影响生物的生存和发展，这个因子就是限制因子。德国化学家Liebig，于1840年提出利比希最小因子定律。泸沽湖这里是借“女儿国”之名，来说明化学土元素对生男育女的确有影响。在广东省某一山区的村寨，前数年连续出生的都是女孩子，人们急了，照这样下去，这个地区岂不会变成了女儿国了吗？有的人求神佛，也不济于事。有位风水老者开言到：“地质队在后龙山寻矿，把龙脉破坏了，这是破坏了风水的报应啊！”于是，迷信的村民，千方百计地找到了原来在此地探矿的地质队，闹着要他们赔偿“风水”。地质队又回到了这个山寨，进行了深入的调查，终于找到了原因。原来在探矿的时候，钻机把地下含铍的泉水引了出来，扩散了铍的污染，使饮用水的铍含量大为提高，长时间饮用这种水，而导致生女而不生男。经过治理，情况得到了好转，在女儿国里又生出了男孩子。二、生态因子综合作用定律1、生态因子的综合作用2、生态因子的交互作用3、生态因子作用的主次4、直接作用和间接作用5、生态因子的阶段性作用6、不可代替性和补偿作用温度（℃）淡水（ml/L）海水（ml/L）010.297.97108.026.35157.225.79206.575.31305.574.46水温上升，水中的溶氧量随之下降。水体温度与盐度、溶解氧的关系204060弱光204060中光204060强光土壤湿度/%光照强度/lx不施肥不施肥不施肥施肥施肥施肥主导因子:在一定条件下起综合作用的诸多生态因子中，有一个或少数几个对生物起主要的、决定性的作用的因子。次要因子：其他的因子。例如：光合作用——光强；温度和CO2浓度等；春化作用——温度；光强、湿度和通气条件等；地形对气候因子重新分布的影响示意图发育阶段适宜土壤持水量/%适宜温度/℃播种至出苗60~7028~35苗期60~7015~20拔节至抽雄70~8022~24花期8026~27灌浆至成熟7022~24玉米不同生长阶段对水分和温度的要求10020030040050060070080012010080604020二氧化碳质量浓度/（mg·L-1）吸收二氧化碳/（mg·g-1鲜重·min-1）700lx350lx70lx植物光合作用中光照强度与二氧化碳的相互补偿作用三、生态因子的时空变化规律1、生态因子的纬向递变性2、生态因子的经向递变性3、生态因子的垂直递变性4、生态因子的非地带性变化纬度50°45°40°35°30°25°20°太阳辐射年总和/(kcal·cm-2)168.1183.3195.7194.0194.7211.0205.1我国不同纬度太阳辐射年总和值纬度地点年平均温度/℃月均温变幅范围/℃50°15′黑河-0.4-25.8~19.843°53′长春4.8-16.9~22.939°57′北京11.8-4.7~26.132°04′南京15.72.2~28.023°08′广州21.913.7~28.3我国不同纬度地区年平均温度值我国不同纬度太阳辐射年总和值(单位：h)纬度0°10°20°30°40°50°60°65°66.5°最长日12.0012.5813.2213.9314.8516.1518.5021.1524.00最短日12.0011.4210.7810.079.157.855.502.850.00中国温带、暖温带植被、降水、土壤的经向分布经度80°~90°90°~100°100°~110°110°~120°120°~125°125°~130°代表地区及分界线准噶尔盆地马鬃山阿拉善高原内蒙古高原东北平原长白山脉年降水量Mm100~12050~80100~120250~350400~500600~1000区域干旱区极端干旱区干旱区干旱区半湿润区湿润区植被半荒漠荒漠、裸露荒漠半荒漠、荒漠草原森林草原森林土壤灰棕漠土棕漠土灰棕漠土、灰漠土栗钙土、淡栗钙土黑钙土、暗栗钙土暗棕壤陆地生态系统的水平分布格局热带雨林常绿阔叶林落叶阔叶林亚高山针叶林高山灌丛高山草甸高山荒漠积雪雪雪高山寒漠土高山草原土山地灰化土山地棕壤山地黄壤红壤热带山体亚热带山体温带山体海拔纬向山地气候垂直带与植被、土壤分布台湾玉山天山长白山吐鲁番盆地第三节生态适应的基本规律一、生物的耐受性二、胁迫与生态适应三、生态适应方式与机制四、生态适应与生物进化一、耐性定律（谢尔福特耐性定律）1、相关定义：耐性范围：1913年美国生态学家谢尔福特经大量调查后指出，生物对其生存环境的适应有一个生态学最小量和最大量的界限，生物只有处于这两个限度范围之间生物才能生存，这个最小到最大的限度称为生物的耐受范围。耐性定律：生物对环境的适应存在耐性限度的法则称为耐性定律。2、耐性的变化(1)不同生物的耐性不同；(2)同一生物在不同时期的耐性不同；(3)同一生物对不同因子的耐性限度不同；(4)不同因子的耐性可相互影响；(5)生物的耐性可人为改变(驯化)。南北较高纬度地区的低温是影响非洲蜂进一步向高纬度范围扩散的限制因子。高纬度地区低温对生物分布的限制最适范围亚适范围亚适范围不适范围不适范围不能生存因子梯度渐增生命活动或数量生物对环境因子的耐受曲线Shelford耐受性定律最适范围不适范围不能生存因子梯度渐增生命活动强度或数量生物对环境因子耐受曲线的实际表现亚适范围亚适范围不适范围Shelford耐受性定律广温性生物狭温喜热生物生命活动或数量温度变化梯度低→高狭温喜冷生物生物对温度的耐受大麻哈鱼在生殖季节成群溯河进入我国黑龙江、长江及其支流中产卵。繁殖活动结束后，大麻哈鱼因长