第二章 能量环境

第二章能量环境

地球上的能量类型

太阳能（光能）: 植物可利用的能量；地热能；风能；化学能：少数低等生物可利用的能量；有机物中包含的化学能：高等生物可利用的能量；其他能量

地球上光的分布：

（1）太阳辐射及其光谱组成

紫外光：波长<380nm，9%

可见光：波长380～760nm，45%

红外光：波长>760nm，46%

（2）影响太阳辐射的因素和光的分布规律

影响地表太阳辐射的因素：大气圈，太阳高度角，纬度和季节，海拔、坡度和坡向

光质(光谱成分) ：（1）低海拔、高纬度长波光多，高海拔、低纬度短波光多（2）夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多

地球表面的太阳辐射

夏季昼长夜短、冬季昼短夜长

纬度升高、变化加大，两极有极昼、极夜

低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬度光照强度大

夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强度弱

(北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱光照强度

地球上温度的分布

（1）地表大气温度的分布与变化

空间分布与变化：

纬度升高1°，气温降低0.5℃

沿海地区气温变化小，内陆地区变化大

南坡气温较北坡高，海拔升高100m，气温降低0.6～1℃

逆温现象

时间变化：

日较差：随纬度增高减小，随海拔升高而增加

年较差：随纬度增高增大，大陆性气候越强越大

亚热带地区间季节性气候模式不同。

(a)墨西哥中部的奇瓦瓦荒漠在夏天有一个雨季；(b)Sonoran荒漠在冬天和夏天都有降雨；(c)太平洋沿岸和莫哈韦荒漠冬季下雨，夏季干燥(地中海气候)

山脉影响局部降雨模式。在加州的内华达山脉，风主要从西部穿过加州的中央谷。当高湿度空气沿着山脉上升时，它变冷且湿气浓缩，导致西坡大量降雨。当空气通过顶峰到达东坡时，它变温暖并开始吸收湿气，产生大盆地的干旱环境

（2）土壤温度的分布与变化

土壤温度与气温相关

土壤温度变化与深度有关

土壤温度变化时间较气温滞后，且与深度有关

温度变化周期与深度相关

土壤温度的年变化与纬度、海拔有关

土壤温度季节变化的特点：

(1)土壤表面温度的季节变化也像昼夜变化一样，比气温大。

(2)随着土壤深度加大，变化幅逐渐减小，最低和最高温度出现的时间往后延。

(3)一般在30米以下，土壤温度已无季节变化。

(4)大约深度每增加10米，最低和最高温出现时间要晚20～30天。

（3）水体温度的分布与变化

水温的时间变化：变化幅度较气温小、不同深度水体的日变化、不同深度水体的年变化

水温的成层现象：

水温分层：上湖层、斜温层(温梯层)和下湖层

春季环流和秋季环流

低纬度地区：雨季和干季

海洋：低纬度水域、中纬度水域

春末夏初，当每天太阳升得更高，湖上的空气变暖时，表层水比深层水获得热量更快，在中层深度形成一个温度迅速变化的区域，称为温跃层(thermocline)。一旦温跃层建立完好。水体就不再混合。这时，较温暖、密度较小的表层水漂浮在较冷、密度较大的水层上，这种情况称为分层现象(stratillcation)。温跃层的深度随当地风的情况、湖泊深度和混浊度而改变，可能存在于表层下5～20m之间的任意地方。水深不足5m的湖泊通常不发生分层现象。

湖上层(epilimnion) ：湖泊中的绝大部分初级生产量产生在湖上层，因为这里的阳光最强。由光合作用产生的氧气补充到湖水的表层，维持湖上层很好地透气，因此适合动物生活。

湖下层(hypolimnion) ：温跃层将湖下层和湖泊的表面分离，因此，生活在温跃层下面的动物和细菌，由于其环境中只有极少或没有光合作用，它们耗尽水中的氧气，形成了无氧环境。因此，夏末温带湖泊的生产力可能会显著下降，因为湖上层缺乏供植物生长的营养成分，而深水层缺乏供动物生活的氧气。

湖泊水体分层：温跃层分为上层和下层

秋季，湖泊的表层比深层降温更快，变得比下层水的密度更大并开始下沉。这种垂直混合称为秋季环流(fall overturn)，一直持续到秋末，直到湖水表层的温度低于4℃，接着发生冬季分层现象。秋季环流促进氧气向深水移动以及营养成分向表层移动。有一些湖泊的湖下层在仲夏时变得温暖，有可能在夏末发生深层的垂直混合，这时的温度仍然适合植物生长。营养成分向表层的扩散通常会引起浮游植物种群的大爆发——秋季水华…fall autumn) bloom]。在深且冷的湖泊中，垂直混合直到晚秋或早冬时才穿过所有的深度，而这时的水温太低，不能支持浮游植物的生长。

表层水温下降→比重增加，下沉→形成秋季环流→表层水温低于4℃→冬季分层现象

秋季环流的意义：秋季环流促进氧气向深水移动以及营养成分向表层移动。营养成分向表层的扩散通常会引起浮游植物种群的大爆发——秋季水华

温带湖泊中温度剖面的季节性变化影响着水层的垂直混台。风促进水垂直混匀，这时湖水表面温度和底部温度一致

光质的生态作用

叶绿素的吸收光谱

蓝紫光：430～450nm 红光：640～660nm

不同光质的作用

蓝紫光：促进蛋白质的合成红光：促进糖的合成

青光、蓝紫光和紫外线等短波光抑制植物的伸长生长，使植物向光性更敏感

紫外线能杀菌，对生物体造成损伤，促进维生素D的合成

红外线是地表的基本热源，对外温动物的体温调节和能量代谢有决定性作用

生物对光质的适应

太阳鱼视力的灵敏峰值为500～530nm

绿色植物和绿藻、红藻、褐藻和硅藻光合色素的差异

高山植物含花青素、页面缩小、毛绒发达

许多生物所利用的“可见”信号仅在紫外光区。(a)人的眼睛看到的黄色雏菊，反射光在400～700nm 波长范围内；(b)相同的花由蜜蜂看就是不同的模式，是光谱的紫外线部分(300～400 nm)。花瓣上亮的斑点是花粉颗粒(Leonard Lessin摄／Photo Researchers)

光照强度的生态作用和生物的适应

（1）光照强度的生态作用

影响动物的生长发育、影响动物的体色、影响植物叶绿素的形成-黄化现象

影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的生长和分化、影响植物花果的数量和质量

（2）植物对光照强度的适应：植物的向光性、植物秋季落叶；C3植物和C4植物-光合能力；阳性植物和阴性植物、耐阴植物：生理差异、形态差异

光合作用随光强度增加呈渐近地增长。补偿点是光合作用(通过测定二氧化碳同化量)和呼日发作用达到平衡时(黑线)的光水平，饱和点是光合作用不再增加时的光水平[引自

C3植物和C4植物光合能力

光合能力(photosynthetic capacity) ：当传入的辐射能是饱和的、温度适宜、相对湿度高、大气中CO2和O2的浓度正常时的光合作用速率，称为光合能力(photosynthetic capacity)。在不同植物种中，植物光合能力对光照强度的反应是有差异的。

C4植物：光合作用速率随有效辐射强度而增加,例如玉米(Zea maysys)、高粱(Sorghum vulgare)等。

C3植物：光合作用速率随光照强度的变化比较缓慢，如小麦(Triticum vulgare)和水青冈(Fagus grandifolia) 等。

生物对光周期的适应

生物的昼夜节律：光的周期性、生物的昼夜节律、外源性周期和内源性周期

生物的光周期现象

(1）植物的光周期现象

植物的光周期：长日照、短日照、中日照和日中性植物

植物光周期的应用：杂交、抗性选育、异地种植

(2)动物的光周期现象

动物繁殖的光周期：长日照和短日照动物，意义

昆虫滞育、动物换毛换羽和迁徙的光周期

内源性节律（endogenous rhythm），就是内源性生物钟假说（internal clock hypothesis）。现存生物的绝大多数种类的生理节律很可能是有有机体内的功能机构所发动、控制的。

外源性周期学说（theory of exogenous periodicity）：现存生物的绝大多数种类的生理节律很可能主要由有机体外的某些环境因子变化所发动、控制的。