第二章 个体生态学-生物与环境

太阳光谱(Solar radiation spectrum)
太阳辐射有其本身的光谱组成。其中 波长在0.38--0.76μm的可见光:
植物主要吸收
——0.29——0.38 —— 0.49 —— 0.58 ——0.76—— 紫外线 蓝紫光 绿光 红橙光 红外线区
在生态学上被植物色素吸收具有生理活性的波段成为光合 有效生理辐射（photosynthetic radiation）。它与可见 光谱相符。
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生物对非生物因子的耐受限度



“最小因子定律”(Liebig’s law of minimum) – 植物的生长取决于那些处于最低量的营养元素，这些处于最低量的营 养元素称最小因子（Justus von Liebig,1840,德国） 。 – 两个补充条件（Odum,1983）：1）严格的稳定状态；2）因子补偿作 用(factor compensation) ：生物在一定程度和范围内，能够减少温 度、光、水等生态因子的限制作用。 “耐受性定律”(Shelford’s law of tolerance)( V.E.Shelford,1913，美国) – 每种生物对一种生态因子都有一个耐受范围，即一个生态学上的最低 点和一个生态学上的最高点，在最高点和最低点之间的范围就称为生 态幅 (ecological amplitude) 或生态价(ecological valence)。 限制因子(limiting factors) – 在众多生态因子中，任何接近或超过某种生物的耐受性极限而阻止其 生存、生长、繁殖或扩散的因子称限制因子 – 限制因子概念的意义 为分析生物与环境相互作用的复杂关系奠定了一个便利的基点； 2013-7-9 10 有助于把握问题的本质，寻找解决问题的薄弱环节。
动物的保护色、警戒色与拟态
A 树皮纺织娘(Bark katydid) B 枭蝶(Owl butterfly) C 枯叶蝶 (Leaflike insect(Anaea)) D 捕食花螳螂 (Predatory flower mantis) E 蛙鱼(Frog fish)
A B
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C
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生物对生态因子耐受限度的调整

驯化 内稳态 适应
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驯化


实验驯化(acclimation)与气候驯化(acclimatization) 驯化(acclimation/acclimatization) ：生物在实验 ／自然条件下，诱发的生理补偿变化，前者需要 较短的时间，后者需要较长的时间。有机体对实 验环境条件变化产生的生理调节反应称实验驯化； 有机体对自然环境条件变化产生的生理调节反应 称气候驯化，实验驯化是对环境条件改变的一种 生理上而非遗传上的可逆反应。 驯化的应用：植物的引种栽培
第二章 个体生态学-生物与环境

环境与生态因子 生物与环境关系的基本原理 生物与主要生态因子的相互关系
参考文献 思考题

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环境与生态因子

环境概念 生态因子的类型 自然环境的基本特征
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环境概念



环境(environment)和环境因子(environmental factors) ：环境是指某一特定生物体或生物群体以外 的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存 的一切事物的总和，由许多环境要素构成，这些环境 要素称环境因子。 条件(conditions)和资源(resources)：环境因子可分为 条件和资源二类，不可消耗的称条件，可被消耗的称 资源。 生态因子(ecological factors) ：环境中对生物的生长、 发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境 要素。生态因子是环境中对生物起作用的因子，而环 境因子则是指生物体外部的全部要素。 2013-7-9
– 阳性植物(heliophytes)、阴性植物(sciophytes)和耐阴性植物 (shade plant)：阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照 条件下才能进行正常生长；阴性植物对光的需要远较阳性植 物低，光补偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温和 干旱能力较低；耐阴性植物对光照具有较广泛的适应能力， 对光的需要介于前两类植物之间。
口渴反应
接受器 （下丘脑）
血液 太浓
血液 太稀
饮水
控制中心 （下丘脑） 失水 效应器 （肾脏）
失水反应
血液渗透性下降
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血液渗透性上升
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(仿A. Mackenzie et. Al.,1999)
适应




适应(adapatation) ：生物对环境压力的调整过程。分基因型 适应和表型适应两类，后者又包括可逆适应和不可逆适应。 如桦尺蠖在污染地区的色型变化。 适应方式（形态、生理 、行为的适应） ： – 形态适应：保护、保护色、警戒色与拟态 – 行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防御和抗敌 – 生理适应：生物钟、休眠、生理生化变化 – 营养适应：食性的泛化与特化 适应组合(adaptive suites): 生物对非生物环境条件表现出一 整套协同的适应特性，称适应组合。如骆驼和仙人掌对炎热 干旱环境的适应。 趋同适应和趋异适应 2013-7-9 17 胁迫适应
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太阳辐射的生态效应 太阳辐射光谱的生态效应 A 紫外线： 能杀死细胞，抑制细胞分裂。 B 可见光： 对植物的生理活性及光合产物有影
响，是生态学上研究的重点。
影 片
红、橙光：叶绿素吸收最多，红光亦能促进叶绿素的形成； 蓝、紫光：亦可被叶绿素、类胡罗卜素吸收； 绿光：很少利用，因被叶子透过和反射，绿色即因此。


高山植物— 对紫外光作用的适应，发展了特殊的 莲座状叶丛。 动物— 不同动物发展不同的色觉。
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光强度变化对生物的影响

植物—光合作用率在光补偿点 附近与光强度成正比， 但达光饱和点后, 不随光强增加。 水生生物— 水生植物在水中的分布与光照强度有关。 陆生生物— 对不同光照强度的适应产生阳性植物和阴 性植物和耐阴性植物。
植被的空间格局(自
M.C.Molles,Jr,1999)
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生物与环境关系的基本原理

生态因子作用的特点 生物对非生物因子的耐受限度 生物对各生态因子耐受性之间的相互关系 生物对生态因子耐受限度的调整 生态位
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生态因子作用的特点



综合性: 如气候的作用 非等价性（主导因子作用）:塜雉孵卵的温度控制； 渔业高密度养殖增氧 直接性和间接性 限定性（因子作用的阶段性） 生态因子的不可替代性和互补性
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内稳态


内稳态(homeostasis): 生物系统通过内在的调节机制使 内环境保持相对稳定。 内稳态通过形态、行为和生理适应实现。 大多数内稳态机制依赖于负反馈过程。依靠三个基本组 成成份：接受器；控制中心；效应器。
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负反馈过程（维持哺乳动物血液渗透性）
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生物与主要生态因子的相互关系

生物与光的关系 生物与温度的关系 生物与水的关系 生物与土壤的关系
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20生物与光的关系 太阳辐射及其变化规律 光质变化对生物的影响 光强度变化对生物的影响 光周期现象
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太 阳 辐 射
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动物— 光照强度影响动物的行为，昼行性动物在白天 强光下活动，夜行性动物在夜晚或弱光下活动。
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植物的光补偿点示意图(仿Emberlin,1983)
光补偿点 (compensation point)光饱和点(saturate point)：光合作 用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到 一定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光 饱和点。

Мончадский（蒙恰斯基）将生态因子 分为稳定 因子和变动物因子
– 稳定因子(steady factors)：地心引力、地磁、太阳辐 射常数等长年恒定的因子 – 变动物因子(variable factors)：周期性变动：春夏秋冬、 2013-7-9 5 潮夕涨落；非周期性变动：风、降水、捕食
生态因子的空间分布特 征



纬度地带性：从赤道到两极，整个地球表面具有过渡状的 分带性规律。 – 太阳辐射量差异 太阳辐射－－热量带 －－水分差异 －－植被分带－－土壤分带 – 自然地理带：赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、 寒温带、亚寒带、寒带 – 植被地带性分布 垂直地带性：因太阳辐射和水热状况随着地形高度的不同 而不同，生物和气候自山麓至山顶呈垂直地带分异的规律 性变化(干燥空气,-1℃ /100m;湿润空气,-0.6℃ /100m)。 经度地带性：地球内在因素如大地构造形成地貌和海洋分 异引起经度地带性分异。如北美大陆和欧亚大陆。 2013-7-9 6
C 红外线： 热线，提高植物体的温度，促进茎的
延长生长，太阳辐射强度的生态效应 有利于种子和孢子的萌发。 案例应用：彩色薄膜的应用、 动物体色变化
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光质变化对生物的影响

海洋植物— 光合作用色素对光谱变化具有明显的 适应性:
– 海水表层植物色素吸收蓝、红光； – 深水植物光合色素有效地利用绿光。
D
E
生态位



生态位(niche)与栖息地(habitat) – 生态位－－有机体在环境中占据的地位； – 栖息地－－有机体所处的物理环境。 超体积生态位(hypovolume) – 生态位的每一个环境变量称一维，生态位空间的环 境变量可以是多个，超过3个维度的生态位空间称超 体积生态位。 基础生态位(fundamental niche)和实际生态位(realized niche) – 物种理论上占据的生态位空间称基础生态位； – 实际占有的生态位空间称实际生态位。
生物种的耐受性限度图解（仿 Smith,1980）
耐受性下限 不能耐受区 生理受抑制 最适区 耐受性上限 生理受抑制 不能耐受区
种 群 数 量
种群消失
数量很低
数量最高
数量很低
种群消失
低
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环境梯度
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高
生物对各生态因子耐受性之间的相互关系


对生物产生影响的各种生态因子之间存在明显的相互影 响：如温湿的关系；温度和溶氧的关系；温度和盐的协 同作用 生物因子和非生物因子之间也是相互影响的：物种之间 的竞争产生的生态位分离
太阳辐射能(仿A. Mackenzie et. al,1999)
紫外线 可见光 红外线
能 量 强 度
400

630
1000 波长(nm)
2500
4000
光的性质：波长150－4000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380－ 2013-7-9 25 760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380－700nm之间。

Begon等将非生物因子分为条件和资源两类
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生态因子的类型

Simith等将生态因子分成密度制约因子和非密度 制约因子
– 密度制约因子(density independent factors)：食物、 天敌等生物因子 – 非密度制约因子(density dependent factors)：温度、 降水、气候等因子
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生态因子的类型

生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类
– 生物因子（ biOtic factors） ：有机体（同种和异种） – 非生物因子（ abiotic factors） ：温度、光、湿度、 pH、氧气等

有的学者将生态因子分为五类
– 气候因子(climatic factors)、土壤因子(edaphic factors) 、地形因子(topographic factors) 、生物因子、 人为因子(anthropogenic factors) – 条件：温度、湿度、 pH等 – 资源：营养物质、水、辐射能等
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太阳辐射的变化规律(自A. Mackenzie et. Al.,1999)
N W E S 23°27' 夏至

N W E S 23°27' 冬至
地球自转时，赤道附近照射的时间长（日周期） 地球公转时，夏天北半球照射的时间长；冬天南半球照射的 时间长（季节周期） 低纬度地区有较为恒定的热量，高纬度比低纬度地区接受的 能量更少 2013-7-9 24