生物与环境

《陈阅增普通生物学》第7篇生态学与动物行为32生物与环境33种群的结构、动态与数量调节34群落的结构、类型及演替35生态系统及其功能36动物的行为第32章生物与环境32.1.1环境与生态因子是两个重要的概念环境是指某一特定生物体以外的空间及直接、间接影响该生物体生存的一切事物的总和。生态因子是指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接影响的环境要素，如温度、湿度、食物、氧气和其他相关生物等。生态因子是生物生存不可缺少的环境条件，也称生物的生存条件。32.1环境与生态因子生态因子的种类虽然很多，但可根据其性质归纳为5类，即气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子和人为因子。把人从生物因子中分离出来是为了强调人的作用的特殊性和重要性。3.1.2生物对生态因子的耐受性是有限的最小因子法则：早在1840年，德国化学家李比希就认识到了生态因子对生物生存的限制作用，他认为，每一种植物都需要一定种类和一定数量的营养物。如果其中某一种营养物少于一定的量，即使其他其他营养物足够的话，那么植物的生长发育就决定于这种营养物的数量，这就是李比希的最小因子法则。最小因子法则对温度和光等其他生态因子都是适用。耐受性法则：1913年，美国生态学家谢尔福德在最小因子法则的基础上又提出了耐受性法则的概念。就是说生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上、下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围。不同种类的生物耐受范围是很不相同的，例如：耐受的温度范围是-2~2℃。根据生物对生态因子耐受范围的宽窄，可将生物区分为广温性和狭温性、广湿性和狭湿性、广食性和狭食性、广栖性和狭栖性等。一般来说，如果一种生物对所有生态因子的耐受范围都是广的，那么这种生物在自然界的分布也一定很广，甚至是世界性分布，反之亦然。32.2生物与非生物环境之间的关系32.2.1没有水就没有生物①水的重要性首先表现在水是任何生物体都不可缺少的组成成分。其次，各种生物之所以能够生存至今，都有赖于水的一个特性，即水在3.98℃时密度最大，这对地质史上的冰河时期和现今寒冷地区生物的生存和延续来说至关重要。此外，水的热容量很大，因此水体温度不向大气温度那样变化剧烈，这样，水为生物创造了一个非常稳定的温度环境。②对陆生植物来说，缺水是一个严重的问题。依据植物对水的依赖程度可把陆生植物分为湿生植物、中生植物和旱生植物，而水生植物可分为沉水植物、浮水植物和挺水植物。③水的溶氧量是水生生物最重要的限制因素之一。氧气在水中的分布是极不均匀的，因此水生生物的呼吸常会把水域的氧气耗尽，造成缺氧环境并看减缓或终止生命过程。32.2.2阳光是生命的能量源泉。阳光不仅为生物创造着适于生存的温度条件，而且也为一切生命活动提供了取之不尽的能源，这主要依赖于光合作用。光在水中的穿透性限制着植物在海洋中分布。由于动植物长期生活在具有一定昼夜变化格局的环境中而形成了各类生物所特有的对日照长度的反应方式，这就是生物的光周期现象，如植物在一定光照条件下的开花、落叶和休眠、以及动物的迁移、生殖、冬眠和换羽毛等。在日照长度周期变化的作用下，各种生物都形成了自己所固有的活动节律，以便他们的活动与环境条件的周期变化保持同步，有利于生物的生存和发展。32.2.3温度限制着生物的分布温度是一种无时无处不起作用的重要生态因子，任何生物都是生活在具有一定温度的外界环境中并受着温度变化的影响。极端温度常常成为限制生物分布的重要因素。例如，由于高温的限制，白桦、云杉不能在华北平原生长；苹果、梨、桃不能在热带地区栽培。32.3生物与生物之间的相互关系32.3.1食植和捕食是种群中最常见的种间关系。食植现象是指动物吃植物，动物吃植物是自然界食物链的基础环节，食物链的其他环节都依赖于这一环节存在，可见一切动物都直接或间接依赖植物为食。32.3.2两个物种因利用同一有限资源而发生竞争捕食现象是指动物吃动物，前者称为捕食者，后者称为被捕食者。捕食者和被捕食者在形态、行为和生理上有着多方面的适应性，表现为协同进化的性质。32.3.3互利共生是对双方都有利的一种种间关系32.3.4寄生与拟寄生虽然都是寄生但存在本质差异寄生是生活在一起的两种生物，一方获利并对另一方造成伤害但不把对方杀死。拟寄生的特点则总是导致寄主死亡，凡是昆虫对昆虫的寄生都属于拟寄生。第33章种群的结构、动态与数量调节33.1种群的概念和特征33.1.1种群是同一物种个体的集合体33.1.2出生率和死亡率是决定种群动态的两个重要参数33.1.3年龄结构预示着种群未来的增长趋势33.1.4动物种群密度调查的常用方法是标志重捕法33.1.5种群中的个体有3种分布型分布型是指种群中个体的空间分布格局，包括集群分布，均匀分布和随机分布。其中，集群分布是最常见的。33.2种群的数量动态33.2.1种群在资源无限的条件下呈指数增长指数增长的特点是：增长不受资源限制，不受空间和其他生物制约，虽然开始增长缓慢，但随着种群基数的加大，增长会越来越快，每单位时间都按种群基数的一定百分数或倍数增长，其增长势头惊人，威力强大，俗称“种群爆炸”。33.2.2种群在资源有限条件下呈逻辑斯蒂增长在自然界中种群增长都是有限的，因为种群增长所需要的资源是有限的，种内、种间关系和气候等因素也会抑制种群增长。由环境资源决定的种群数量称为环境容纳量（K）。逻辑斯蒂增长总是使种群数量趋向于环境容纳量K。33.3种群的数量调节33.3.1密度制约因子和非密度制约因子影响或调节着种群数量密度制约因子相当于生物因子如捕食、寄生、流行病和食物等。非密度制约因子相当于气候等非生物因子。密度制约因子的作用强度随种群密度的加大而增强，而且种群受影响个体的百分比也与种群密度的大小有关。非密度制约因子对种群的影响则不受种群密度本身的制约，在任何密度下总群总是有一固定的百分数受到影响或被杀死。种群的密度制约调节是一个内稳态反馈过程。这种反馈调节机制将会导致种群数量的上下波动。第34章群落的结构、类型及演替34.1群落的结构和主要类型34.1.1不同生长型植物自下而上配置成了群落的垂直结构群落的垂直结构即群落的层次性，主要是由植物的生长型决定的。生长型是指植物的外貌特征，主要生长型有苔藓、草木、灌木和乔木，它们自下而上配置在群落的不同高度上，形成群落的垂直结构。34.1.2从赤道到北极分布着多种多样的陆地生物群落地球各地因气候、地形和其他环境条件的不同而分布着不同类型的生物群落，其中主要的陆地生物群落有热带森林、温带森林、寒带针叶林、草原和热带稀树草原、荒漠、苔原等。34.2物种在群落中的生态位34.2.1生态位表示物种在种群中的地位、作用和重要性生态位是指物种利用种群中各种资源的总和，以及该物种与种群中其他物种相互关系的总和，它表示物种在群落中的地位、作用和重要性。一个物种的生态位不仅决定于它生活在什么地方，而且决定于它与食物、天敌和其他生物的关系，包括它吃什么和被什么动物吃，以及其他各种种间关系，如互利共生、寄生、竞争等。一个物种按其生理上的要求及所需的资源可能占领的全部生态位，称为基本生态位。但由于物种间的相互作用，主要是种间竞争，一个物种实际上所占领的生态位称为实际生态位。实际生态位比基本生态位要窄。34.2.2生态位重叠和同域物种的资源分配当两个物种利用同一资源时就会发生生态位重叠。在两个生态位完全重叠的物种竞争有限的资源时，竞争优势较大的物种就会把另一物种完全排除掉，这就是生态学上的竞争排斥原理。该原理决定了在同一群落中不可能有两个物种的生态位是完全相同的。当两个物种的生态位发生部分重叠时，每个物种都会占有一部分无竞争的生态位空间，因此可以实现共存；而那部分重叠的生态位空间，最终将会被具有竞争优势的物种所占有。如果资源很丰富，两种生物就可以共同利用同一种资源而彼此不给对方造成伤害，这就是说，生态位重叠本身并不一定伴随着竞争，只有当资源短缺时才会发生竞争。同域分布的物种之间通过生活于生境的不同部位，利用不同的食物和其他资源来减少生态位的重叠，减少和避免种间竞争。这种资源分配的方式是自然选择的过程造成的。34.3群落的演替34.3.1群落的演替是有规律的、有一定方向的和可以预测的。随着时间的推移，一个群落取代另一个群落的过程，直到出现一个稳定群落才会终止。群落的这种依次取代现象就称为演替，群落的演替是一个有规律的、有一定方向的和可以预测的自然过程。从草本植物到灌木、从灌木到森林、从森林到稳定群落这一完整的演替过程就称为一个演替系列，而演替所经历的每一个具体的群落就称为演替系列阶段。34.3.2群落演替的终点是顶级群落群落的演替是一个漫长的过程，一个人一生很难看到一个完整的演替系列，但演替也不是一个永恒的延续过程。当一个群落演替到同环境处于平衡状态的时候，演替就不在进行下去了。这个平衡状态只要不受外力的干扰，它将永远保持原状。演替所达到的这个平衡状态就称为顶级群落。顶级群落的性质与正在演替中的非顶级群落有明显的不同：1、在顶级群落中生物的适应特征与非顶级群落有很大的不同；2、处于演替早期阶段的生物体积小、生活史短且繁殖速度快，以便最大限度的适应新环境和占有空缺空间。处于顶级群落的生物则往往个体较大、生活史较长并且长寿，这有利于提高竞争能力。3、在群落演替的早期阶段，群落生产量大于群落呼吸量，因此净生产量很高并使生物量不断增加。达到顶级群落阶段时，总生产量等于呼吸量，演替便不再进行，此时的总生产量将全部用于群落的维持。第35章生态系统及其功能35.1生态系统的基本结构35.1.1食物链相互交叉形成食物网35.1.2营养级和生态金字塔营养级是指处于食物链某一环节上的全部生物种的总和。生态金字塔是指各营养级之间的某种数量关系，这种数量关系可以采用个体数量单位、生物量单位或能量单位表示，采用这些单位所构成的生态金字塔分别是数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。35.1.3生物圈是地球上最大的生态系统。35.2生态系统中的生物生产力35.2.1初级生产量是生态系统的基石初级生产量或称第一性生产量是指绿色植物借助光合作用所制造的有机物质，因为这是生态系统中最基本的能量固定，所以具有奠基石的作用，所有消费者和分解者都直接或间接依赖初级生产量为生。因此没有触及生产量就不会有消费者和分解者，也就不会有生态系统。在初级生产量中，有一部分是被植物自己的呼吸作用（R）消耗掉了，剩下的部分才用于植物的生长和繁殖，这部分就是净初级生产量（NP），而把包括呼吸消耗在内的全部生产量称为总初级生产量（GP），这三者之间的关系是：GP=NP+RNP代表着植物可提供给动物和人利用的能量。35.2.2次级生产量是消费者生产的有机物质次级生产量或称第二性生产量是指动物靠吃植物、吃其他动物和吃一切现成的有机物质而生产出来的有机物，包括动物的肉、蛋、奶、毛皮、血液、蹄、角以及内脏器官等。这类生产在生态系统中是有机物质的再生产，所以称为次级生产量。对一个动物种群来说，能量收支情况可以用一个公式表示，即C=A+FU，其中C代表动物从外界摄取的能量，A代表被同化的能量，而FU代表以粪便形式损失的能量。A又可以分为两项，即A=P+R，其中P代表次级生产量，R代表呼吸消耗。由此可以得到P=C-FU-R，其含义是：次级生产量等于动物吃进的食物减掉粪便中所含有的能量，再减掉呼吸代谢所释放的能量。综合以上的介绍可知：在所有生态系统中次级生产量都要比净初级生产量少的多。35.3生态系统中的能量流动和物质循环35.3.1能量在流动过程中的传递效率很低能量流动有两个重要特点：①、能量流动是单方向的和不可逆转的，所有能量迟早迟早都会通过生物呼吸被耗散掉。②、能量在流动过程中会急剧减少，主要是因为资源利用率不高和生物的呼吸消耗。因此，任何生态系统都需要不断得到来自外部的能量补给，如果在一个较长时期内断绝对一个生态系统的能量输入，这个生态系统就会自行消亡。35.3.2物质循环可分为3种不同类型能量流动和物质循环是生态系统的两大基本功能。能量流动是单方向不可逆的，而物质的流动则是循环式的。生态系统中的物质循环