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基础生态学-第一部分-有机体与环境-能量环境

基础生态学-第一部分-有机体与环境-能量环境的思维导图，内容有光的生态作用及生物对光的适应、温度的生态作用及生物对温度的适应、风对生物的作用及防风林、火对生物的影响及防火管理。

编辑于2023-10-22 09:10:24

有机体与环境
能量环境

阿克

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2.  能量环境

2.1  光的生态作用及生物对光的适应

2.1.1  地球上光的分布

地球截取的太阳能约为太阳输出总能量的20亿分之一，地球上绿色植物光合作用所固定的太阳能，只占从太阳接受的总能量的千分之一

太阳辐射的强度、时间(代表辐射的量)和光谱成分(代表辐射的光质)对生物的生长发育和地理分布产生重要的影响

太阳辐射光谱

紫外线(波长小于400 nm)

占太阳辐射总能量的9%

可见光(波长400~760 nm)

占太阳辐射总能量的45%

红外线(波长大于 760 nm)

占太阳辐射总能量的46%

地球表面的太阳辐射受到以下主要因素的影响

当太阳光射向地球表面时，因经大气圈内各种成分，如臭氧、氧、水汽、雨滴、二氧化碳和尘埃等的吸收、反射和散射，最后到达地球表面的仅是总太阳辐射的47%，其中直接辐射为24%，散射为23%

太阳高度角影响了太阳辐射强度

地球公转时，轴心以倾斜的位置(晨昏线与地轴的夹角为23°26')接受太阳辐射，这导致地球表面不同纬度在不同季节每天所接受太阳辐射的时间呈周期性变化

地面的海拔高度、朝向和坡度，也引起太阳辐射强度和日照时间的变化

以上原因导致地球表面上太阳光的分布不同

从光质上看

低纬度地区短波光多，随纬度增加长波光增加，随海拔升高短波光增加

夏季短波光较多，冬季长波光较多

早晚长波光较多，中午短波光较多

从日照时间上看

除两极外，春分和秋分时全球都是昼长与夜长相等

在北半球，从春分至秋分昼长夜短，夏至昼最长，并随纬度的升高昼长增加

在北半球，从秋分至春分昼短夜长，冬至昼最短，并随纬度升高昼长变短

北极夏半年全为白天，冬半年全为黑夜

赤道附近终年昼夜相等

地表的光照强度也随时间和空间而变化

随纬度升高光照强度减弱 一般来说 随海拔升高光照强度增加

一年中，夏季光照强度最大，冬季最弱。 一天中，中午光照强度最大，早晚最弱

2.1.2  光质的生态作用及生物的适应

人类和许多脊椎动物能看见的光只是在可见光波范围内，因而可见光的强度及照射时间的变化对动物的生殖、生长、发育、行为、形态及体色有显著的影响

绿色植物依赖叶绿素进行光合作用(photosynthesis), 将辐射能转换成具丰富能量的糖类

光合作用系统只能够利用太阳光谱的一个有限带，即380~710 nm 波长的辐射能，称为光合有效辐射(photosynthetically active radiation)

叶绿素吸收最强的光谱部分是640~660 nm波长的红光和430~450 nm波长的蓝紫光，吸收最少的是绿光

红光对糖的合成有利

蓝紫光有利于蛋白质的合成

其他有机体产生的色素能够利用绿色植物光合有效辐射区之外的光波

光质不同对植物形态建成、向光性及色素形成的影响也不同

短波的紫外线有杀菌作用，可引起人类皮肤产生红疹及皮肤癌，但促进体内维生素D的合成

紫外线又是昆虫新陈代谢所依赖的

长波红外线是地表热量的基本来源，对外温动物的体温调节和能量代谢起了决定性的作用

2.1.3  光照强度的生态作用及生物的适应

2.1.3.1  光照强度对生物的生长、发育和形态建成的作用

光照强度影响动物的生长发育

光是影响叶绿素形成的主要因素

光照强度促进植物细胞的增长和分化，对植物组织和器官的生长发育及分化有重要的影响

在开花期与幼果期，光照减弱会引起结果不良或结果发育中途停止，甚至落果

在开花期与幼果期，光照强度增加，有利于果实的成熟与品质的提高

2.1.3.2  植物对光照强度的适应

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(photoshopstynthetic capacity)

光合作用速率不再随光强增加而增加的点的光照强度叫光饱和点(light saturation point, LSP)

光合作用固定的能量与呼吸作用消耗的能量相等的点的光照强度叫光补偿点(light compensation point, LCP)

植物物种间对光强度表现出的适应性差异，是已经进化了的两类植物间的差异

生长在阳光充足、开阔栖息地为特征的阳生植物(heliophyte)

阳叶更小、更厚，含有更多的细胞、叶绿体和密集的叶脉，干重重

生长在遮阴栖息地为特征的阴生植物(skiphyte)

阴叶通常更大、更透明，干重轻

2.1.3.3  动物对光照强度的适应

光照强度使动物在视觉器官的形态上产生了遗传的适应性变化

动物的活动行为与光照强度有密切关系

有些动物适应于白天强光下活动，称为昼行性动物

例如大多数鸟类，哺乳类中的黄鼠、旱獭、松鼠和许多灵长类

有些动物适应于黑夜或晨昏的弱光下活动，称为夜行性动物或晨昏性动物。

例如夜猴、家鼠、刺猬、蝙蝠、壁虎

自然条件下，动物每天开始活动的时间常常是由光照强度决定的，当光照强度达到某一水平时，动物才开始活动，因此在不同季节随着日出日落的时间差异，动物活动时间也有改变

2.1.4  生物对光照周期的适应

2.1.4.1  生物的昼夜节律

动物的活动行为、体温变化、能量代谢以及内分泌激素的变化等等，都表现出昼夜节律性

植物的光合作用、蒸腾作用、积累与消耗等也表现出昼夜节律性的变化

生物的昼夜节律受两个周期的影响

外源性周期

除光周期外，还有温度、湿度、磁场等的昼夜变化

内源性周期

内部生物钟

只有光周期使动植物的似昼夜节律与外界环境的昼夜变化同步起来

2.1.4.2  生物的光周期现象

植物的开花结果、落叶及休眠，动物的繁殖、冬眠、迁徙和换毛换羽等，是对日照长短的规律性变化的反应,称为光周期现象(photoperiodism或photoperiodicity)

(1)植物的光周期现象

长日照植物(long-day plant)：日照超过某一数值或黑夜小于某一数值时才能开花的植物，如萝卜、菠菜、小麦、凤仙花及牛蒡

短日照植物(short-day plant)：日照小于某一数值或黑夜长于某一数值时才能开花的植物，如玉米、高粱、水稻、棉花、牵牛等

中日照植物(internetate-day plant): 昼夜长度接近相等时才开花的植物,如甘蔗

日中性植物(day-neutral plant)：开花不受日照长度影响的植物，如蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄及番薯等

(2)动物的光周期现象

繁殖的光周期现象：根据动物繁殖与日照长短的关系，也可将动物分成长日照动物(long-day animal) 和短日照动物(short-day animal)

昆虫滞育的光周期现象：很多昆虫在它们生命周期的正常活动中，能插入一个休眠相，即滞育(diapause)，这经常是由光周期决定的

换毛与换羽的光周期现象：温带和寒带地区，大部分兽类于春秋两季换毛，许多鸟类每年换羽一次，少数种类换两次

动物迁徙的光周期现象：鸟类的长距离迁徙都是由日照长短的变化引起的。

2.2  温度的生态作用及生物对温度的适应

温度的生态作用

①生物体内的生化反应过程必须在一定温度范围内才能正常进行

②环境中温度的改变会引起其他生态因子的改变，如湿度、降水、风、水中溶氧含量等的改变，从而间接影响生物

2.2.1  地球上温度的分布

2.2.1.1  地表大气温度的分布与变化

(1)温度的空间分布与变化

低纬度地区太阳高度角大，太阳辐射量也大。随着纬度逐渐增加，太阳辐射量逐渐减少，地表气温也逐渐下降

由于陆地和海洋吸收热量的特征不同，陆地表面比水表面升温快，同时降温也快，因而海洋对海岸区域有调节效应，使得同一纬度不同地区的温度有很大差异

地表温度还受到山脉走向、地形变化及海拔高度的影响

(2)温度的时间变化

温度的时间变化指日变化和年变化，这是由地球的自转和公转引起的

一年内最热月和最冷月的平均温度之差，称年较差。年较差受纬度、海陆位置及地形等众多因素的影响

大陆性气候越明显的地方温度年较差越大，纬度越高年较差越大

2.2.1.2  土壤温度的变化

① 土壤表层的温度变化远较气温剧烈，随土壤深度加深，土壤温度的变化幅减小

②随土壤深度增加，土壤最高温和最低温出现的时间后延，其后延落后于气温的时间与土壤深度成正比

③土壤温度的短周期变化主要出现在土壤上层，长周期变化出现在较深的位置

④ 土壤温度的年变化在不同地区差异很大，中纬度地区由于太阳辐射强度与照射时间变化较大，土温的年变幅也较大

2.2.1.3  水体温度的变化

(1) 水体温度随时间的变化

(2)水体温度的成层现象

2.2.2  温度与动物类型

通常可将动物划分为“温血动物”和“冷血动物”

更满意的划分是将动物分为常温动物(homeotherm)和变温动物(poikilotherm)

根据动物热能的主要来源，把动物分为外温动物(ectotherm)和内温动物(endotherm)

2.2.3  温度对植物和外温动物的影响

2.2.3.1  酶反应速率与温度阈

酶催化反应的速率随温度而增加，但每一种酶的活性都有最适温度范围、低温限与高温

代谢速率随温度增加能够用温度系数(temperature coefficient, Q₁₀)描述: Q₁₀=t°C体温时的代谢率/(t-10)℃体温时的代谢率

当环境温度超过生物耐受的高温限和低温限时，酶的活性将受到制约

高温可能导致动植物的蛋白质凝固变性、酶失活或者代谢的组分不平衡

极端低温对生物的伤害有两种

当温度低于-1℃时，很多物种被冻死，这是由于细胞内冰晶形成的损伤效应，使原生质膜发生破裂，蛋白质失活或变性，这种损伤称冻害(freezing injury)

另一种是冷害(cold injury), 指喜温生物在0℃以上的温度条件下受害或死亡，这可能是通过降低了生物的生理活动及破坏生理平衡造成的，它是喜温生物向北方引种和扩张分布区的主要障碍

变温动物对极端低温的适应较典型的两种方式是耐受冻结与超冷现象

耐受冻结(freezing tolerance)是指少数动物能够耐受一定程度的身体冻结，而避免冻害的现象

超冷现象(supercooling)是指动物(昆虫)体液温度下降到冰点以下而不结冰的现象

2.2.3.2  生物发育和生长速率

温度直接影响了外温动物和植物的发育和生长速率

发育生长是在一定的温度范围上才开始,低于这个温度,生物不发育, 这个温度称为发育阈温度(developmental thresholdtemperature ) 或者称生物学零度(biological zero point )

外温动物与植物的发育不仅需要一定的时间，还需要时间和温度的结合(称生理时间, physiological time ), 即需要一定的总热量,称总积温(sum of heat)或有效积温(effectiveaccumulated temperature)

有效积温法则(law of effective temperature): K=N(T-C)

2.2.3.3  驯化和气候驯化

温度能够作为一种刺激物起作用，决定有机体是否将开始发育。很多植物在发芽之前都需要一个寒冷期或冰冻期

这种由低温诱导的开花,称为春化(vernalization)

内温动物经过低温的锻炼后，其代谢产热水平会比在温暖环境中高。这些变化过程是由实验诱导的，称为驯化(acclimation)，如果是在自然界中产生的则称为气候驯化(acclimatization)

驯化或气候驯化是需要时间的，这是生物机体使自身变化去适应于环境变化,以争取生存的生态适应(ecological adaptation)

2.2.4  生物对极端环境温度的适应

2.2.4.1  生物对低温的适应

(1)植物对低温的适应

形态上，高纬度地区和高山植物的芽和叶片常有油脂类物质保护，芽具鳞片，体表有蜡粉和密毛，树干粗短弯曲，枝条常呈匍匐状，树皮坚厚，有发达的木栓层，这种形态有利于保温

生理上，耐低温的植物细胞内自由水相对含量减少，束缚水相对含量增加；胞质内糖等保护物质含量增加以降低冰点；细胞膜不饱和脂肪酸指数提高，增加膜透性稳定

在低温下生活的植物，通常减少细胞中的水分，增加糖类、脂肪和色素等物质以降低植物的冰点，使细胞液冰点常在-5~-1℃,增加了抗寒防冻能力

(2) 内温动物对低温的适应

形态上，来自寒冷气候的内温动物，往往比来自温暖气候的同种内温动物个体更大，导致相对体表面积变小，使单位体重的热散失减少，有利于抗寒

内温动物在冬季增加了羽、毛的密度，提高了羽、毛的质量，增加了皮下脂肪的厚度，从而提高身体的隔热性

内温动物肢体中动静脉血管的几何排列，增加了逆流热交换(countercurrent heat exchange), 减少了体表热散失, 有利于动物在寒冷中保持恒定的体温

在寒冷季节依靠生理调节机制，增加体内产热量来增强御寒能力和保持恒定的体温。通常是靠增加基础代谢产热和非颤抖性产热, 而颤抖性产热(shivering thermogenesis, ST)只在急性冷暴露中起重要作用。非颤抖性产热(nonshiveringthermogenesis, NST)是小型哺乳动物冷适应性产热的主要热源,主要发生在褐色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT) 中

产生冬眠的内温动物又称异温动物(heterotherm)。异温动物在冬眠之前体内贮存大量低熔点脂肪，冬眠期时，代谢率比活动状态下低几十倍(图2-27)，甚至近百倍，核体温可降到与环境温度相差仅1~2℃，心率及呼吸速率都大大降低，从而降低了生物对能量的需求，内温动物的这种受调节的低体温现象又称为适应性低体温(adaptive hypothermia)，外温动物在冬眠(或称休眠、滞育)时，代谢率几乎下降到零，体内水分也大大减少，以防冻结

2.2.4.2  生物对高温的适应

(1)植物对高温的适应

在形态上，有些植物有密绒毛和鳞片，能过滤一部分阳光；有些植物体色呈白色、银白色，叶片反光，可反射大部分阳光，减少植物热能的吸收；有些植物叶片垂直主轴排列，使叶缘向光，这可使组织温度比叶片垂直日光排列的低3~5℃；在高温条件下叶片对折，叶片吸收的辐射可减少一半，如苏木科的某些乔木；有的植物树干和根茎生有厚的木栓层，具绝热和保护作用

降低细胞含水量，增加糖或盐的浓度，这有利于减慢代谢率，增加原生质的抗凝结能力。其次，靠旺盛的蒸腾作用避免植物体过热

在分子水平上，植物在遭遇高温胁迫后会大量表达一种蛋白对自身蛋白形成保护，称为热激蛋白或热休克蛋白(heat shock protein, HSP)

(2)动物对高温的适应

动物的皮毛在高温下起隔热作用，防止太阳的直接辐射，而夏季毛色变浅，具光泽，有利于反射阳光，再就是利用热窗(heatwindow)散热。动物身体上有些皮薄、无毛、血管丰富的部位，利于散热，如兔子耳朵

内温动物的脑与精巢是对高温敏感的组织，易受高温伤害。多数哺乳动物的精巢持久地或季节性地下降到腹腔外，比体核温低几度。羚羊类和其他的有蹄动物有特殊的血管结构可防止脑过热。它们的颈动脉在脑下部形成复杂的小动脉网，包围在从较冷的鼻区过来的静脉血管外，通过逆流热交换而降温，使脑血液温度比总动脉血低3℃

生理上，动物对高温适应的重要途径是适当地放松恒温性，使体温有较大幅度的波动，在高温炎热的时候，将热量储存于体内，使体温升高，等夜间环境温度降低时或躲到阴凉处后，再通过自然的对流、传导和辐射等方式将体内的热量释放出去

2.2.5  生物对周期性变温的适应

动物对昼夜温差适应，表现在动物的活动节律上，有昼行性的、夜行性的及晨昏性的

植物适应温度及水的年周期变化，形成了春天发芽、生长，夏季开花、结果，秋季落叶，随即进入休眠的生长发育节律

动物对季节性变温产生冬眠与夏眠的适应。动物的换毛换羽、迁徙、洄游及春夏季繁殖均是对年周期温度节律的适应性表现

2.2.6  物种分布与环境温度

低温能够成为致死温度，限制生物向高纬度和高海拔地区分布，从而决定它们水平分布的北界和垂直分布的上限

应用最广泛的例子是相对湿度和温度间的关系，两者共同作用决定了地球上生物群系分布的总格局

2.3  风对生物的作用及防风林

2.3.1  风对生物生长及形态的影响

风对植物的影响是多方面的，强风常能降低植物的生长高度

强风还能使树木形成畸形树冠，常称为“旗形树”

风影响了鸟兽的体表形态特征，因风加速了动物水分的蒸发和体表散热的速率

2.3.2  风是传播运输工具

风是许多树种的花粉和种子的主要传播者，禾本科植物和许多森林树种借助风力进行授粉，称为“风媒植物”，这类植物的花一般不鲜艳，花的数目很多，花粉一般小，但数量多，易被风吹动而传送

风影响了能飞行动物类群(如昆虫、蝙蝠和鸟类)的地理分布。在常有大风的地区，飞行动物种类往往贫乏，只有最善于飞行或不会飞行的动物才能生存

风是动物物种传播及运输的重要工具，许多无脊椎动物在休眠期被大风带到别的地方，条件合适时就生长繁殖

风传播着化学信息，许多捕食者动物和猎物都善于利用风向，决定自己的去向

2.3.3  风的破坏作用

风对植物的机械破坏作用——风折、风倒、风拔等，取决于风速、风的阵发性、环境的其他特点和植物种的特征

谷物在大风中易倒伏而减产

2.3.4  防风林

防风林能够削弱风力，降低风速，减少风害

林带的防风效应与植物群落结构、紧密程度、个体的排列、高度、宽度、横断面形状等有关

防风林有3种不同的林带类型

紧密林带、疏透林带和通风林带

中通风林带的防风效果最好，疏透林带次之

防风林的效应还和风速、风向有关。防风林带与主风向成垂直角时，防风效果最好，若交角减低到65°，防风效率降低25%

防风林不仅能减风，减轻台风的危害，还能固沙护田、蓄水、调节小气候，营造了绿色环境，还提高了农作物产量，从而为人类造福

2.4  火对生物的影响及防火管理

火有两个主要的类型： 林冠火(crown fire) 与地表火(surface fire)

林冠火发生在林冠上，其破坏性大,可毁灭地面上全部的植物群落，以及动物的组成成分，使群落的恢复要经历一段较长的时期

地表火发生在林地表面，没有林冠火那样的毁灭性，其破坏性具有选择性，仅容易烧死幼苗和抗火性差的物种(如树皮薄的植物)，对抗火性强的植物反而有利

地面火的作用经常是有利的，它仅仅烧掉了地面上的枯枝落叶层，从而促进了植物和动物群落的再生和稳定性

2.4.1  火对生物的作用

火对植物的作用受火的强度、植物的年龄、茎干粗细、植物内的易燃性物质(挥发油、油脂、纤维素)含量、植物生长的环境及植物的品种等多种因素的影响

一般来说，草本植物火烧后长得快，长得更茂盛，灌木在火后比乔木更易生长

(1)火的有益作用

火的有益作用之一，是把枯枝叶烧成灰，使有机物变成无机物，形成物质再循环的无机肥料，成为新一轮生命周期的开始。这种作用比微生物的分解作用要快

有些植物种子需高温刺激才能萌发，如高冷杉和牛松。对于大多数松柏类的幼苗，火烧有利于它们存活

(2)火的有害作用

一场严重的林冠火及地面火的最大冲击是破坏了自然界的生态平衡，特别是破坏了生物群和它们的错综复杂的关系

大火使大面积的森林与草地被毁，火后生长的群落的植物构成发生显著变化

大火使野生动物大批死亡，特别是体弱多病的动物，而其余的通过迁移可躲过劫难，但造成动物种群数量的下降与物种的贫乏

林冠火和严重的地面火使土地表面受到侵蚀，改变了土壤的结构与化学成分，降低了土壤吸水与保水能力

2.4.2  防火管理

(1)开展生物工程防火，建立火灾阻隔系统

(2)开展计划烧除，加强可燃物管理

(3)加强防火管理