北京大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)生物和環(huán)境名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第二章生物與環(huán)境環(huán)境與生態(tài)因子生物與環(huán)境關(guān)系基本原理生物與主要生態(tài)因子相互關(guān)系第1頁(yè)環(huán)境與生態(tài)因子環(huán)境概念生態(tài)因子類型自然環(huán)境基本特征第2頁(yè)環(huán)境和環(huán)境因子環(huán)境是指某一特定生物體或生物群體以外空間,以及直接、間接影響該生物體或生物群體生存一切事物總和，由許多環(huán)境要素組成，這些環(huán)境要素稱環(huán)境因子。第3頁(yè)生態(tài)因子(ecologicalfactors)

：環(huán)境中對(duì)生物生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖、行為和分布有著直接或間接影響環(huán)境要素。生態(tài)因子是環(huán)境中對(duì)生物起作用因子，而環(huán)境因子則是指生物體外部全部要素。第4頁(yè)生態(tài)因子分類生態(tài)因子通常分為非生物因子和生物因子兩大類生物因子（biOticfactors）：有機(jī)體（同種和異種）非生物因子（abioticfactors）：溫度、光、濕度、pH、氧氣等有學(xué)者將生態(tài)因子分為五類氣候因子(climaticfactors)、土壤因子(edaphicfactors)、地形因子(topographicfactors)、生物因子、人為因子(anthropogenicfactors)

Begon等將非生物因子分為條件和資源兩類條件：溫度、濕度、pH等資源：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水、輻射能等第5頁(yè)生態(tài)因子空間分布緯度地帶性：從赤道到兩極，整個(gè)地球表面含有過渡狀分帶性規(guī)律。太陽(yáng)輻射量差異太陽(yáng)輻射－－熱量帶－－水分差異－－植被分帶－－土壤分帶自然地理帶：赤道、熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶、亞寒帶、寒帶植被地帶性分布垂直地帶性：因太陽(yáng)輻射和水熱情況伴隨地形高度不一樣而不一樣，生物和氣候自山麓至山頂呈垂直地帶分異規(guī)律性改變(干燥空氣,-1℃/100m;濕潤(rùn)空氣,-0.6℃/100m)。經(jīng)度地帶性：地球內(nèi)在原因如大地結(jié)構(gòu)形成地貌和海洋分異引發(fā)經(jīng)度地帶性分異。如北美大陸和歐亞大陸。第6頁(yè)植被空間格局(據(jù)M.C.Molles,Jr,1999)第7頁(yè)生物與生態(tài)因子生態(tài)因子作用特點(diǎn)生物對(duì)非生物因子耐受程度生物對(duì)各生態(tài)因子耐受性之間相互關(guān)系生物對(duì)生態(tài)因子耐受程度調(diào)整生態(tài)位第8頁(yè)生態(tài)因子作用特點(diǎn)綜合性:如氣候作用非等價(jià)性（主導(dǎo)因子作用）:塜雉孵卵溫度控制；漁業(yè)高密度養(yǎng)殖增氧直接性和間接性：食物，降水限定性（因子作用階段性）：中華絨螯蟹孵化生態(tài)因子不可替換性和互補(bǔ)性：水體內(nèi)鈣和鍶第9頁(yè)生物對(duì)非生物因子耐受程度“最小因子定律”(Liebig’slawofminimum)植物生長(zhǎng)取決于那些處于最低量營(yíng)養(yǎng)元素，這些處于最低量營(yíng)養(yǎng)元素稱最小因子（JustusvonLiebig,1840,德國(guó)）。兩個(gè)補(bǔ)充條件（Odum,1983）：1）嚴(yán)格穩(wěn)定狀態(tài)；2）因子賠償作用(factorcompensation)：生物在一定程度和范圍內(nèi)，能夠降低溫度、光、水等生態(tài)因子限制作用?！澳褪苄远伞?Shelford’slawoftolerance)( V.E.Shelford,1913，美國(guó))每種生物對(duì)一個(gè)生態(tài)因子都有一個(gè)耐受范圍，即一個(gè)生態(tài)學(xué)上最低點(diǎn)和一個(gè)生態(tài)學(xué)上最高點(diǎn)，在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間范圍就稱為生態(tài)幅(ecologicalamplitude)或生態(tài)價(jià)(ecologicalvalence)。限制因子(limitingfactors)在眾多生態(tài)因子中，任何靠近或超出某種生物耐受性極限而阻止其生存、生長(zhǎng)、繁殖或擴(kuò)散因子稱限制因子限制因子概念意義為分析生物與環(huán)境相互作用復(fù)雜關(guān)系奠定了一個(gè)便利基點(diǎn)；有利于把握問題本質(zhì)，尋找處理問題微弱步驟。第10頁(yè)種群數(shù)量數(shù)量很低種群消失種群消失數(shù)量很低數(shù)量最高不能耐受區(qū)生理受抑制生理受抑制不能耐受區(qū)最適區(qū)環(huán)境梯度高低耐受性下限耐受性上限生物種耐受性程度圖解（據(jù)Smith,1980）第11頁(yè)生物對(duì)各生態(tài)因子耐受性之間相互關(guān)系對(duì)生物產(chǎn)生影響各種生態(tài)因子之間存在顯著相互影響：如溫濕關(guān)系；濕度和溶氧關(guān)系；溫度和鹽協(xié)同作用生物因子和非生物因子之間也是相互影響：物種之間競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生生態(tài)位分離第12頁(yè)生物對(duì)生態(tài)因子耐受程度調(diào)整馴化內(nèi)穩(wěn)態(tài)適應(yīng)第13頁(yè)馴化試驗(yàn)馴化(acclimation)與氣候馴化(acclimatization)：馴化(acclimation/acclimatization)：生物在試驗(yàn)／自然條件下，誘發(fā)生理賠償改變，前者需要較短時(shí)間，后者需要較長(zhǎng)時(shí)間。有機(jī)體對(duì)試驗(yàn)環(huán)境條件改變產(chǎn)生生理調(diào)整反應(yīng)稱試驗(yàn)馴化；有機(jī)體對(duì)自然環(huán)境條件改變產(chǎn)生生理調(diào)整反應(yīng)稱氣候馴化，試驗(yàn)馴化是對(duì)環(huán)境條件改變一個(gè)生理上而非遺傳上可逆反應(yīng)。馴化應(yīng)用：植物引種栽培第14頁(yè)內(nèi)穩(wěn)態(tài)內(nèi)穩(wěn)態(tài)(homeostasis):生物系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)在調(diào)整機(jī)制使內(nèi)環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定。內(nèi)穩(wěn)態(tài)經(jīng)過形態(tài)、行為和生理適應(yīng)實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制依賴于負(fù)反饋過程。依靠三個(gè)基本組成成份：接收器；控制中心；效應(yīng)器。第15頁(yè)負(fù)反饋過程（維持哺乳動(dòng)物血液滲透性）接收器（下丘腦）控制中心（下丘腦）效應(yīng)器（腎臟）血液太濃飲水血液滲透性上升口渴反應(yīng)血液太稀失水反應(yīng)血液滲透性下降失水(仿A.Mackenzieet.Al.,1999)第16頁(yè)適應(yīng)適應(yīng)(adapatation)：生物對(duì)環(huán)境壓力調(diào)整過程。分基因型適應(yīng)和表型適應(yīng)兩類，后者又包含可逆適應(yīng)和不可逆適應(yīng)。如樺尺蠖在污染地域色型改變。適應(yīng)方式（形態(tài)、生理、行為適應(yīng)）：形態(tài)適應(yīng)：保護(hù)、保護(hù)色、警戒色與擬態(tài)行為適應(yīng)：運(yùn)動(dòng)、繁殖、遷移和遷徙、防御和抗敵生理適應(yīng)：生物鐘、休眠、生理生化改變營(yíng)養(yǎng)適應(yīng)：食性泛化與特化適應(yīng)組合(adaptivesuites):生物對(duì)非生物環(huán)境條件表現(xiàn)出一整套協(xié)同適應(yīng)特征，稱適應(yīng)組合。如駱駝和仙人掌對(duì)酷熱干旱環(huán)境適應(yīng)。趨同適應(yīng)和趨異適應(yīng)脅迫適應(yīng)第17頁(yè)動(dòng)物保護(hù)色、警戒色與擬態(tài)A

樹皮紡織娘(Barkkatydid)B

梟蝶(Owlbutterfly)C枯葉蝶(Leaflikeinsect(Anaea))D

捕食花螳螂(Predatoryflowermantis)E

蛙魚(Frogfish)ABDEC第18頁(yè)趨同適應(yīng)和趨異適應(yīng)生活型生態(tài)型第19頁(yè)生態(tài)位生態(tài)位(niche)與棲息地(habitat)生態(tài)位－－有機(jī)體在環(huán)境中占據(jù)地位；棲息地－－有機(jī)體所處物理環(huán)境。超體積生態(tài)位(hypovolume)生態(tài)位每一個(gè)環(huán)境變量稱一維，生態(tài)位空間環(huán)境變量能夠是多個(gè)，超出3個(gè)維度生態(tài)位空間稱超體積生態(tài)位?；A(chǔ)生態(tài)位(fundamentalniche)和實(shí)際生態(tài)位(realizedniche)物種理論上占據(jù)生態(tài)位空間稱基礎(chǔ)生態(tài)位；實(shí)際占有生態(tài)位空間稱實(shí)際生態(tài)位。第20頁(yè)生物與主要生態(tài)因子相互關(guān)系生物與光關(guān)系生物與溫度關(guān)系生物與水關(guān)系生物與土壤關(guān)系第21頁(yè)生物與光關(guān)系太陽(yáng)輻射及其改變規(guī)律光質(zhì)改變對(duì)生物影響光強(qiáng)度改變對(duì)生物影響光周期現(xiàn)象第22頁(yè)太陽(yáng)輻射能(仿A.Mackenzieet.al,1999)光性質(zhì)：波長(zhǎng)150－4000nm,分紫外光、可見光和紅外光三類，波長(zhǎng)在380－760nm之間光為可見光。綠色植物光合作用有效范圍是380－700nm之間。紫外線可見光紅外線400630100025004000波長(zhǎng)(nm)能量強(qiáng)度第23頁(yè)光質(zhì)改變對(duì)生物影響海洋植物—光合作用色素對(duì)光譜改變含有顯著適應(yīng)性:海水表層植物色素吸收藍(lán)、紅光；深水植物光合色素有效地利用綠光。高山植物—對(duì)紫外光作用適應(yīng)，發(fā)展了特殊蓮座狀葉叢。動(dòng)物—不一樣動(dòng)物發(fā)展不一樣色覺。第24頁(yè)光強(qiáng)度改變對(duì)生物影響植物—光合作用率在光賠償點(diǎn)附近與光強(qiáng)度成正比，但達(dá)光飽和點(diǎn)后,不隨光強(qiáng)增加。水生生物—水生植物在水中分布與光照強(qiáng)度相關(guān)。陸生生物—對(duì)不一樣光照強(qiáng)度適應(yīng)產(chǎn)生陽(yáng)性植物和陰性植物和耐陰性植物。陽(yáng)性植物(cheliophytes)、陰性植物(sciophytes)和耐陰性植物(shadeplant)：陽(yáng)性植物對(duì)光要求比較迫切，只有在足夠光照條件下才能進(jìn)行正常生長(zhǎng)；陰性植物對(duì)光需要遠(yuǎn)較陽(yáng)性植物低，光賠償點(diǎn)低，呼吸作用、蒸騰作用都較弱，抗高溫和干旱能力較低；耐陰性植物對(duì)光照含有較廣泛適應(yīng)能力，對(duì)光需要介于前兩類植物之間。動(dòng)物—光照強(qiáng)度影響動(dòng)物行為，晝行性動(dòng)物在白天強(qiáng)光下活動(dòng)，夜行性動(dòng)物在夜晚或弱光下活動(dòng)。第25頁(yè)光合作用率光合作用率光強(qiáng)度光強(qiáng)度凈生產(chǎn)力光合作用呼吸作用ABABACP光賠償點(diǎn)CPCPabspsp光飽和點(diǎn)B光賠償點(diǎn)(compensationpoint)光飽和點(diǎn)(saturatepoint)：光合作用強(qiáng)度和呼吸作用強(qiáng)度相當(dāng)處光強(qiáng)度為光賠償點(diǎn)；當(dāng)光照強(qiáng)度到達(dá)一定水平后，光合產(chǎn)物不再增加或增加得極少，該處光強(qiáng)度即為光飽和點(diǎn)。植物光賠償點(diǎn)示意圖(Emberlin,1983)第26頁(yè)生物光周期現(xiàn)象光周期現(xiàn)象(photoperiodism)：Garner等人(1920)發(fā)覺明相暗相交替與長(zhǎng)短對(duì)植物開花堅(jiān)固有很大影響。這種植物對(duì)自然界晝夜長(zhǎng)短規(guī)律性改變反應(yīng)，稱光周期現(xiàn)象。植物光周期現(xiàn)象—對(duì)繁殖(開花)影響：區(qū)分為長(zhǎng)日照植物和短日照植物。長(zhǎng)日照植物(long-dayplants)和短日照植物(short-dayplants)：日照超出一定數(shù)值才開花植物稱長(zhǎng)日照植物；短日照短于一定數(shù)值才開花植物稱短日照植物，普通需要較長(zhǎng)黑暗才能開花。前者如小麥、油菜，后者如蒼耳、水稻。動(dòng)物光周期現(xiàn)象—對(duì)鳥類等遷徙影響；對(duì)繁殖影響：區(qū)分為長(zhǎng)日照動(dòng)物和短日照動(dòng)物。長(zhǎng)日照動(dòng)物(long-dayanimals)和短日照動(dòng)物(short-dayanimals)：在溫帶和高緯度地域許多鳥獸在春夏之際白晝逐步延長(zhǎng)季節(jié)繁殖后代，稱長(zhǎng)日照動(dòng)物；與些相反，一些動(dòng)物只有在白晝逐步縮短秋冬之際才開始性腺發(fā)育和進(jìn)行繁殖，稱短日照動(dòng)物。前者如雪貂、野兔、刺猬；后者如綿羊、山羊和鹿等。第27頁(yè)生物與溫度關(guān)系溫度對(duì)生物作用(溫度生態(tài)學(xué)意義)極端溫度對(duì)生物影響生物對(duì)極端溫度適應(yīng)第28頁(yè)溫度對(duì)生物作用溫度與生物生長(zhǎng)：溫度是最主要生態(tài)因子之一，參加生命活動(dòng)各種酶都有其最低、最適和最高溫度，即三基點(diǎn)溫度；不一樣生物三基點(diǎn)不一樣；在一定溫度范圍內(nèi)，生物生長(zhǎng)速率與溫度成正比；外溫季節(jié)性改變引發(fā)植物和變溫動(dòng)物生長(zhǎng)加速和減弱交替，形成年輪；外溫影響動(dòng)物生長(zhǎng)規(guī)模。溫度與生物發(fā)育：溫度與生物發(fā)育最普遍規(guī)律是有效積溫。溫度與生物繁殖和遺傳性：植物春化，動(dòng)物繁殖早遲。溫度與生物分布：許多物種分布范圍與溫度區(qū)相關(guān)。第29頁(yè)有效積溫法則及其意義有效積溫法則植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中必須從環(huán)境攝取一定熱量才能完成某一發(fā)育階段發(fā)育過程，而且各個(gè)發(fā)育階段所需總熱量是一個(gè)常數(shù)，稱總積溫或有效積溫，所以可用公式：N?T＝K表示，考慮到生物開始發(fā)育溫度，又可寫成：N(T－C)＝K,T＝C＋K／N，其中，N為發(fā)育歷期，即生長(zhǎng)發(fā)育所需時(shí)間，T為發(fā)育期間平均溫度，C是發(fā)育起點(diǎn)溫度，又稱生物學(xué)零度，K是總積溫（常數(shù)）。有效積溫法則意義預(yù)測(cè)生物發(fā)生世代數(shù)；預(yù)測(cè)生物地理分布北界；預(yù)測(cè)害蟲明年發(fā)生程歷；制訂農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，合理安排作物；應(yīng)用積溫預(yù)報(bào)農(nóng)時(shí)。第30頁(yè)極端溫度對(duì)生物影響低溫對(duì)生物影響：當(dāng)溫度低于臨界(下限)溫度，生物便會(huì)因低溫而寒害和凍害。凍害原因：冰結(jié)晶使原生質(zhì)破裂損壞胞內(nèi)和胞間微細(xì)結(jié)構(gòu)；溶劑水結(jié)冰，電解質(zhì)濃度改變，引發(fā)細(xì)胞滲透壓改變，造成蛋白質(zhì)變性；脫水使蛋白質(zhì)沉淀；代謝失調(diào)。高溫對(duì)生物影響：當(dāng)溫度超出臨界（上限）溫度，對(duì)生物產(chǎn)生有害作用，如蛋白質(zhì)變性、酶失活、破壞水份平衡、氧供給不足、神經(jīng)系統(tǒng)麻痹等。第31頁(yè)生物對(duì)極端溫度適應(yīng)生物對(duì)低溫適應(yīng)：保暖、抗凍－－形態(tài)、生理、行為適應(yīng)生物對(duì)高溫適應(yīng)：抗輻射、保水、散熱－－形態(tài)、生理、行為適應(yīng)第32頁(yè)生物對(duì)低溫適應(yīng)形態(tài)上適應(yīng)－－植物：芽具鱗片、體具蠟粉、植株矮??；動(dòng)物：增加隔熱層，體形增大（貝格曼規(guī)律），外露部分減小（阿倫規(guī)律）。阿倫規(guī)律(Allen’srule):嚴(yán)寒地域內(nèi)溫動(dòng)物較溫暖地域內(nèi)溫動(dòng)物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有顯著趨于縮小現(xiàn)象，稱阿倫規(guī)律，是降低散熱適應(yīng)。貝格曼規(guī)律(Bergman’srule):生活在嚴(yán)寒氣候中內(nèi)溫動(dòng)物身體比生活在溫暖氣候中同類個(gè)體更大，這種趨向稱貝格曼規(guī)律，是降低散熱適應(yīng)。約旦規(guī)律(Jordan’srule):魚類脊椎骨數(shù)目在低溫水域比在溫暖水域多。生理上適應(yīng)－－植物：降低細(xì)胞中水分和增加細(xì)胞中有機(jī)質(zhì)濃度以降低冰點(diǎn)，增加紅外線和可見光吸收帶（高山和極地植物）；動(dòng)物：超冷和耐受凍結(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度偏離熱中性區(qū)增加體內(nèi)產(chǎn)熱，維持體溫恒定，局部異溫等。行為上適應(yīng)－－遷移和冬眠／休眠等。第33頁(yè)生物對(duì)高溫適應(yīng)形態(tài)上適應(yīng)－－植物：密毛、鱗片濾光；體色反光；葉緣向上或暫時(shí)折疊，降低輻射傷害；干和莖具厚木栓層，絕熱。動(dòng)物：體形變小，外露部分增大；腿長(zhǎng)將體抬離地面；背部具厚脂肪隔熱層。生理上適應(yīng)－－植物：降低細(xì)胞含水量，增加糖或鹽濃度，減緩代謝率；蒸騰作用旺盛，降低體溫；反射紅外光。動(dòng)物：放寬恒溫范圍；貯存熱量，降低內(nèi)外溫差。行為上適應(yīng)－－植物：關(guān)閉氣孔。動(dòng)物：休眠，穴居，晝伏夜出等。第34頁(yè)生物與水關(guān)系水生物學(xué)意義生物體水分取得與損失路徑生物對(duì)水因子適應(yīng)第35頁(yè)水是生物體不可缺乏組成成份；水是生物體全部代謝活動(dòng)介質(zhì)；水為生物創(chuàng)造穩(wěn)定溫度環(huán)境；生物起源于水環(huán)境。第36頁(yè)生物體水分取得與損失路徑水分喪失路徑植物－－蒸發(fā)（蒸騰作用、擴(kuò)散作用）失水，分泌失水。動(dòng)物－－蒸發(fā)失水，排泄、分泌失水。水分取得路徑植物－－根部吸收，葉面吸收。動(dòng)物－－食物，體表吸收，代謝水。第37頁(yè)生物對(duì)水因子適應(yīng)水生植物對(duì)水環(huán)境適應(yīng)陸生植物水平衡調(diào)整機(jī)制水生動(dòng)物水平衡調(diào)整機(jī)制陸生動(dòng)物水平衡調(diào)整機(jī)制第38頁(yè)水生植物對(duì)水因子適應(yīng)適應(yīng)方式有發(fā)達(dá)通氣組織;機(jī)械組織不發(fā)達(dá)或退化;葉片薄而長(zhǎng),以增加光合和吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)面積。生態(tài)類型沉水植物浮水植物挺水植物第39頁(yè)陸生植物對(duì)水因子適應(yīng)陸生植物水平衡調(diào)整機(jī)制形態(tài)適應(yīng)：發(fā)達(dá)根系；葉面?。粏巫尤~植物中一些具扇狀運(yùn)動(dòng)細(xì)胞，可使葉面卷曲；具發(fā)達(dá)貯水組織；生理適應(yīng)：水分運(yùn)輸動(dòng)力原生質(zhì)滲透濃度高。陸生植物生態(tài)類型濕生植物中生植