基础生态学-第一部分-有机体与环境-物质环境

基础生态学-第一部分-有机体与环境-物质环境的思维导图，水是地球上所有有机体的内部介质，是生命物质的组成成分，没有水生命就会终止。

3.  物质环境

• 3.1  水的生态作用
  • 水的生态作用表现
    • ①水是地球上所有有机体的内部介质，是生命物质的组成成分，没有水生命就会终止
    • ②水是有机体生命活动的基础，生物新陈代谢及各种物质的输送都必须在水溶液中进行
    • ③水作为外部介质，是水生生物获得资源和栖息的场所
    • ④陆地上水量的多少，影响到陆生生物的生长与分布
  • 3.1.1  水的性质与存在形式
    • (1)水分子具有极性
      • 水分子由具有105°角的氢-氧-氢组成，其形状导致有氢的一边显正电性，另一边显负电性，使得水分子能被吸附到带电的离子上
    • (2)水具有高热容量
      • 使1L水升高 1℃需要 1 kcal(1 kcal=4.186 8kJ)热量, 而 1 L空气需要 0.24 kcal热, 一般金属需0.1kcal或更少
    • (3)水具有特殊的密度变化
      • 水的密度随着水温的下降而增加，当降到4℃时，水的密度最大。低于4℃时，体积膨大，密度变小，依3℃、2℃、1℃和0℃顺序密度逐步减小
    • (4)水具有相变
      • 水有3种形态：液态(雾、露、云、雨)、气态(构成大气湿度)和固态(霜、雪、冰雹)
  • 3.1.2  陆地上水的分布
    • 潮湿冷空气遇冷形成降雨，降雨是陆地上最重要的降水形式
    • 3.1.2.1  降雨量
      • 地球上的降雨量随着纬度发生很大变化
        • 在赤道南北两侧20°范围内，湿热空气的急剧上升，造成降雨量最大，年降雨量达1000~2000 mm，成为低纬度湿润带
        • 纬度为20°~40°地带，由于空气下降吸收水分，使这一地带成为地球上降雨量最少的地带
        • 在南北半球40°~60°地带，由于南北暖冷气团相交形成气旋雨，致使年降雨量超过250mm，成为中纬度湿润带
        • 极地地区降水很少，成为干燥地带
      • 陆地上降雨量的多少还受到海陆位置、地形及季节的影响
        • 离海近的地区降雨量多，离海越远，降雨量越少
        • 在迎风坡降雨量多，背风坡降雨量很少
        • 一般夏季降雨量约占全年降雨量的一半，冬季降雨量最少
    • 3.1.2.2  大气湿度
      • 一般夏季降雨量约占全年降雨量的一半，冬季降雨量最少
      • 饱和差值越大，水分蒸发越快；相对湿度越大，大气越潮湿，水分蒸发越慢
      • 相对湿度受到环境温度的影响
        • 温度增加，相对湿度降低，温度降低，相对湿度增加
      • 相对湿度的季节变化还随各地区的具体情况而异
        • 我国东南季风地带，冬季受干燥大陆气流控制，夏季受湿热海洋气流影响，因而冬季干燥，夏季潮湿
      • 相对湿度随着地理位置而异
        • 热带雨林带，相对湿度通常在80%~100%，而在荒漠与半荒漠地带，相对湿度低于 20%
    • 3.1.2.3  我国降水量的地域分布
      • 由于我国纬度与海陆位置的差异，以及地形起伏的不同，导致各地降水总量很不相同
      • 基本规律是从东南往西北降水逐渐减少
        • 华南降水量为1500~2000mm
        • 长江流域为1000~1500mm
        • 秦岭和淮河大约为 750mm
        • 从大兴安岭西坡向西，经燕山到秦岭北坡为500mm
        • 黄河上中游为250~500mm
        • 内蒙古西部至新疆南部为 100mm以下
      • 由于降水量的地域分布不同，影响了我国生物的分布特征
• 3.2  生物对水的适应
  • 3.2.1  植物与水
    • 3.2.1.1  陆地植物的水平衡
      • 陆生植物随生长环境的潮湿状态而分为三大类型
        • 湿生植物(hygrophyte)
          • 湿生植物抗旱能力小，不能忍受长时间缺水，但抗涝性很强，根部通过通气组织和茎叶的通气组织相连接，以保证根的供氧
        • 中生植物(mesophyte)
          • 中生植物，如大多数农作物、森林树种，由于环境中水分减少，而逐步形成一套保持水分平衡的结构与功能
        • 旱生植物(xerophyte)
          • 旱生植物生长在干热草原和荒漠地区，其抗旱能力极强
            • 根据其形态、生理特性和抗旱方式，又可划分为
              • 少浆液植物
                • 少浆液植物体内含水量极少，当失水50%时仍能生存(湿生和中生植物失水1%~2%就枯萎)
              • 多浆液植物
                • 在多浆液的旱生植物中，根、茎、叶薄壁组织逐渐变为储水组织，成为肉质性器官。这是由于细胞内有大量五碳糖，提高了胞汁液浓度，能增强植物的保水性能
    • 3.2.1.2  水生植物
      • 根据水生植物在水环境中的分布与生长状态的不同，又可将其分为三类
        • 沉水植物(submerged plant)整株植物沉没在水下，根退化或消失，植物具有封闭式的通气组织系统，叶绿体大而多，适应水中弱光
        • 浮水植物(floating plant)叶片飘浮水面，气孔分布在叶上面，机械组织不发达，不扎根(浮萍)或扎根(睡莲、眼子菜)，植物体内存在大量通气组织，使植物体重减轻，增加了漂浮能力
        • 挺水植物(emerged plant)的植物体大部分挺出水面的水生植物，如芦苇、菖蒲等
    • 3.2.1.3  植物生产力
      • 在干燥地区，初级生产力随降雨量的增加有近似的直线增长。而在比较潮湿的森林气候中，生产力上升到平稳阶段后不再升高
      • 有些植物显示出低的生产力，它们的特征表现为潜在的蒸发蒸腾量远大于降水量，也就是说，干旱是造成低生产力的关键因素
  • 3.2.2  动物对水的适应
    • 3.2.2.1  水生动物
      • (1)鱼类的水平衡
        • 靠渗透调节，渗透调节是控制生活在高渗与低渗环境中的有机体体内水平衡及溶质平衡的一种适应
        • ① 淡水鱼类
        • ②海洋鱼类
        • ③广盐性洄游鱼类
      • (2)水生动物对水密度的适应
        • 很多鱼具有鱼鳔，通过鱼鳔充气调节鱼体的密度。在上层水中时，鱼鳔中充气多，使鱼身体密度小，利于漂浮，当鱼下沉中层水时，鳔中气体减少，身体密度加大
      • (3)鱼对水中低氧的适应
        • 大气中的氧扩散到水中
        • 水中植物营光合作用时释放出氧
    • 3.2.2.2  两栖动物
      • 两栖动物的肾功能与淡水鱼的肾功能相似，而皮肤像鱼的鳃一样，能够渗透水和主动摄取无机盐离子
    • 3.2.2.3  陆生动物
      • (1) 陆生动物水平衡
        • 得水的途径可通过直接饮水，或从食物所含水分中得到水
        • 各种物质氧化产生的代谢水(如100g脂肪氧化产生110g水，100g糖类氧化产生55g水)，也是重要的获水途径
        • 荒漠中生活的大动物如骆驼，与荒漠中生长的树形仙人掌在水收支平衡中有相似处。当能得到水时，它们都取得大量水，储存并保持着
        • 首先是减少呼吸失水。随着动物呼吸，大量的水分在呼吸系统潮湿的交换表面上丢失
        • 其次是减少蒸发失水。栖息在干燥环境中的节肢动物体表厚厚的角质层及其上面的蜡膜，以及爬行动物体表的鳞片都阻碍体表水的蒸发
        • 第三是减少排泄失水。在减少排泄失水中，哺乳动物肾的保水能力代表了另一种陆地适应性。肾通过髓袢(medullary loop) 和集合管的吸水作用使尿浓缩
        • 陆生动物在蛋白质代谢产物的排泄上也表现出陆地适应性
        • 陆生动物还通过行为变化适应干旱炎热的环境
      • (2)动物与湿度
        • 动物对所栖环境的湿度(humidity)有嗜好，可通过行为选择其喜好的湿度
        • 由于昆虫个体小，相对表面积大，水分丢失快，对空气湿度非常敏感
      • (3)动物与雪被
        • 高纬度地区冬季降雪常形成稳定的积雪覆盖，这就是雪被(snow cover)
          • 在雪被厚的年份，雪下生活的啮齿类越冬存活率升高，一方面雪被给它们提供温暖的筑巢场所，另一方面，为它们提供了丰富的食物(绿色植物)
        • 在干旱地区，雪被成了天然的蓄水库。当气温升高时，积雪融化形成灌溉系统，对植物生长起了重要作用，同时利于动物生存
• 3.3  大气组成及其生态作用
  • 大气是指从地球表面到高空1 100km范围内的空气层
  • 在大气层中，空气密度分布是不均匀的，越往高空，空气越稀薄
  • 3.3.1  氧与生物
    • 大气中的氧主要来源于植物的光合作用，由光能分解水释放出氧。少部分氧来源于大气层的光解作用，即紫外线分解大气外层的水汽放出氧
    • 在25~40km的大气高空层，紫外线促使氧分子与具有高浓度活性的氧原子结合生成臭氧(O₃)，臭氧能阻止过量的紫外线到达地球表面，保护了地面生物免遭短光波的伤害
    • 3.3.1.1  氧与动物能量代谢(energy metabolism)
      • 动物生存必须消耗能量，这些能量来自食物的氧化过程
    • 3.3.1.2  内温动物对高海拔的低氧适应( hypoxiaadaptation)
      • 动物体对低氧环境的适应策略，体现在一方面要解决氧的摄入和运输能力，另一方面是要提高组织和细胞对氧的充分利用能力
    • 3.3.1.3  植物与氧
      • 植物与动物一样呼吸消耗氧，但植物是大气中氧的主要生产者
        • 植物光合作用中，每呼吸 44gCO₂，能产生32gO₂
        • 白天，植物光合作用释放的氧气比呼吸作用所消耗的氧气大20倍
  • 3.3.2  CO₂的生态作用
    • 3.3.2.1  大气中 CO₂浓度与温室效应
      • 大气圈是CO₂的主要蓄库。大气中的CO₂来源于煤、石油等燃料的燃烧及生物呼吸和微生物的分解作用
    • 3.3.2.2  CO₂与植物
      • 植物在光能作用下，同化CO₂与水，制造出有机物
      • CO₂对植物生长发育具有重要作用
        • 在高产植物中，生物产量的90%~95%是取自空气中的 CO₂,仅有5%~10%是来自土壤
      • 空气中CO₂浓度是高产作物的限制因素，这是因为CO₂进入叶绿体内的速度慢，效率低，主要是受叶内表皮阻力和气孔阻力的影响
      • 在强光照下，作物生长盛期，CO₂不足是光合作用效率的主要限制因素，增加CO₂浓度能直接增加作物产量
• 3.4  土壤的理化性质及其对生物的影响
  • 3.4.1  土壤的物理性质及其对生物的影响
    • 土壤是由固体、水分和空气组成的三相复合系统
    • 3.4.1.1  土壤质地与结构
      • 组成土壤的各种大小颗粒按直径可分为粗砂(0.2~2.0mm)、 细砂(0.02~0.2mm)、粉砂(0.002~0.02mm)和黏粒(0.002mm以下)
      • 根据土壤质地，土壤可分为砂土、壤土和黏土三大类
        • 砂土土壤颗粒较粗，土壤疏松，黏结性小，通气性能强，但蓄水性能差，易干旱，因而养料易流失，保肥性能差
        • 壤土质地较均匀，土壤不太松，也不太黏，通气透水，是适宜农业种植的土壤
        • 黏土土壤的颗粒组成细，质地黏重，结构致密，湿时黏，干时硬，保水保肥能力强，但透水透气性能差
      • 土壤质地影响生物的分布与活动
      • 土壤颗粒排列形式、孔隙度及团聚体的大小和数量称为土壤结构(soil structure)，影响了土壤中固、液、气三相比例
      • 土壤结构可分为微团粒结构、团粒结构和比团粒结构更大的各种结构
        • 团粒结构(aggregate structure)是腐殖质(humus)把矿质土粒互相黏结成0.25~10mm的小团块，具有泡水不散的水稳定性特点，是土壤中最好的结构
        • 团粒结构的土壤能统一土壤中水和空气的矛盾，因团粒内部的毛细管孔隙可保持水分，团粒之间的大孔隙可充满空气。在下雨或灌溉时，大孔隙能排出水和通气，有利于植物根系伸扎和呼吸；流入团粒内的水分被毛细管吸力所保持，有利于根系吸水
        • 团粒结构还能统一保肥和供肥的矛盾，使土壤中水、气、营养物处于协同状态，给植物的生长发育和土壤动物生存提供了良好的生活条件。无结构的和结构不良的土壤，土体坚实，通气透气性差，土壤肥力差，不利于植物根系伸扎和生长，土壤微生物和土壤动物的活动受到抑制，而这些动物在土壤形成和有机物分解中又起重要作用
    • 3.4.1.2  土壤水分
      • 土壤水分(soil moisture)能直接被植物根吸收利用
      • 土壤水分有利于矿物质养分的分解、溶解和转化，有利于土壤中有机物的分解与合成，增加了土壤养分，有利于植物吸收
      • 土壤水分过多或过少，对植物、土壤动物与微生物均不利
      • 土壤水分影响了土壤动物的生存与分布
    • 3.4.1.3  土壤空气
      • 土壤空气主要来自大气，但由于土壤动物、微生物和植物根系的呼吸作用和有机物的分解作用，不断消耗 O₂，产生CO₂，再加上土壤的通气性能差，使土壤空气中的O₂含量和CO₂含量与大气有很大的差异
    • 3.4.1.4  土壤温度
      • 土壤温度(soil temperature)对植物的发育生长有密切的关系
      • 土温的变化，导致土壤动物产生行为的适应变化
  • 3.4.2  土壤的化学性质及其对生物的影响
    • 3.4.2.1  土壤酸度
      • 土壤酸度(soil acidity)包括酸性强度和酸度数量两方面，或称活性酸度和潜在酸度
      • 土壤酸度影响矿质盐分的溶解度，从而影响植物养分的有效性
      • 土壤酸度影响了土壤动物区系及其分布
    • 3.4.2.2  土壤有机质
      • 土壤有机质是土壤的重要组成成分，与土壤的许多属性有关，是土壤肥力的一个重要标志
      • 土壤有机质可分成腐殖质和非腐殖质
        • 非腐殖质是死亡动植物组织和部分分解的组织，主要是糖类和含氮化合物。腐殖质是土壤微生物分解有机质时，重新合成的具有相对稳定性的多聚体化合物，主要是胡敏酸和富里酸，占土壤有机质总量的85%以上
        • 腐殖质是植物营养的重要碳源和氮源。土壤中99%以上的氮素是以腐殖质的形式存在的
      • 土壤腐殖质还是异养微生物的重要养料和能源，能活化土壤微生物
      • 土壤有机质对土壤团粒结构的形成、保水、供水、通气、稳温也有重要作用，从而影响植物生长
    • 3.4.2.3  土壤矿质元素
      • 地壳中有90多种元素，但植物生命活动所需的仅有9种大量元素(钾、钙、镁、硫、磷、氮、碳、氧和氢)和7种微量元素(铁、锰、硼、锌、铜、钼和氯)。除碳、氢、氧以外，植物所需的全部元素均来自土壤矿物质和有机质的矿物分解
      • 土壤的无机元素对动物的生长和动物的数量也有影响
  • 3.4.3  土壤的生物特性
    • 土壤微生物是土壤中重要的分解者或还原者，在土壤形成过程中起重要作用
    • 土壤动物是最重要的土壤消费者和分解者，在土壤中有上千种动物，主要包括线虫、环虫、软体动物、节肢动物和脊椎动物
    • 土壤中的动物、扎根于土壤中的植物与众多的土壤微生物对土壤的作用，促进了成土作用，改善了土壤的物理性能，增加了土壤中的营养成分
  • 3.4.4  植物对土壤的适应
    • 3.4.4.1  盐碱土植物
      • 盐碱土是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土的统称
      • 盐碱土对植物生长的危害表现在伤害了植物组织，特别是根系；由于过多盐积累引起植物代谢混乱；能引起植物生理干旱，植物易枯萎；影响植物的营养状况；使土壤的物理性质恶化，土壤结构破坏
      • 形态上，盐土植物(halic)矮小、干硬，叶子不发达，蒸腾表面缩小，气孔下陷，表皮具厚的外皮，常具灰白色绒毛
      • 内部结构上，细胞间隙小，栅栏组织发达。有的具有肉质性叶，有特殊的贮水细胞，能使同化细胞不受高浓度盐分的伤害
      • 生理上，盐土植物具一系列的抗盐特性
        • 根据对过量盐类的适应特点，又可分为聚盐性植物、泌盐性植物和不透盐性植物
          • 聚盐性植物的原生质抗盐性特别强，能忍受6%甚至更高浓度的NaCl溶液
          • 泌盐性植物能把根吸入的多余盐，通过茎、叶表面密布的盐腺排出来，再经风吹和雨露淋洗掉
          • 不透盐性植物的根细胞对盐类的透过性非常小，它们几乎不吸收或很少吸收土壤中的盐类
    • 3.4.4.2  沙生植物
      • 沙生植物在长期自然适应过程中，形成了抗风蚀沙割、耐沙埋、抗日灼、耐干旱贫瘠等特征
      • 被流沙埋没时，在埋没的茎上能长出不定芽和不定根，甚至在风蚀露根时，从暴露的根系上也能长出不定芽
      • 它们的根系生长速度极为迅速，比地上部分生长快得多。根上具有根套，是由一层团结的砂粒形成的囊套，能保护暴露到沙面上的根免受灼热砂粒灼伤和流沙的机械伤害
      • 沙生植物也具有旱生植物的许多特征，如地面植被矮，主根长，侧根分布宽，以便获取水，同时起了固沙作用；植物叶片极端缩小，有的甚至退化，以减少蒸腾；有的叶具贮水细胞；有的在叶表皮下有一层没有叶绿素的细胞，积累脂质物质，能提高植物的抗热性