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高中生物竞赛辅导-生态学


生物竞赛辅导3 ——生态学

?生态学概述
1. 什么是生态学(Ecology) ? 研究生物与环境相互依赖、制约和协调关系的科学。

? 1869,德国进化论者海克尔提出“oecology”。

? 1893(美)一次生态学会议, 把这个词简化确定为“ecology”。
? 1950s后,数学的引

入发展成定量科学

? 近代生态破坏所带来的恶果日益严重和明显,生态学才引起全社
会的重视。

生态学一览

1.2 生态学的分支学科

? 基础(纯粹)生态学
? 按组织层次分:个体(种群、群落、生态系统、 分子)生态学等 ? 按生物类别分 动物(植物、微生物、真菌) 陆地(海洋、河口、淡水)生

生态学等
? 按栖息环境分

态学等

主要范围:
一、生物与环境的相互关系: 二、种群生态学:

三、群落生态学:
四、生态系统: 五、环境问题:

一、 生物与环境的相互关系:
一)、环境与生态因子的概念 二)、生物与生态因子关系的基本规律
三)、主要生态因子及其生态作用

环境:是指某一特定生物体或生物群体以外的空间及直
接、间接影响该生物群体生存的一切事物的总和,包括 生物和非生物。环境总是针对某一特定的主体或中心而 言的,离开了这个主体或中心也就无所谓环境了。

一)、生态因子的概念
例题:
以下关于动物对温度的适应的说法正确的是 ( )。 A.在低温条件下,变温动物的寿命较长,随着温度的增高, 其平均寿命缩短 B.温暖地区,变温动物完成发育的时间比在冷的地区长 C.恒温动物在低温下保持恒定的体温,而变温动物随环境温 度的提高而有相应变化 D.温度是动物分布的限制因子,最重要的是地区平均温度

AC

像温度等环境中对生物的生长、发育、繁殖、行为和分 布有着直接或间接影响的环境要素就称为生态因子,除了温 度以外还包括湿度、食物、氧气、二氧化碳和其他相关生物 等等。生态因子中生物生存所不可缺少的环境条件,也称生 物的生存条件。

二)、生物与生态因子关系的基本规律
1.最小因子法则(law of the minimum)
任何特定因子的存在量低于某种生物的最 小需要量,因而成为决定该物种生存或分布的 根本因素。

2.耐受性法则(law of tolerance)
各种生态因子对某一种生物都存在生物学的上限 和下限,它们之间的幅度就是该种生物对某一生态因 子的耐受范围。耐受性定律可用钟性曲线来表示。

最适点
生 长 、 生 殖

0

低死 亡限

最适区 适宜区

高死 亡限

环境梯度

根据生物对环境因子的适应范围的大小

生 长、 生 殖

狭生 态幅

广生态幅

狭生 态幅

环境梯度
对同一生态因子,不同种类的生物耐受范围是不相 同的。有的可耐受很广的温度范围,称广温性动物;有 的只能耐受很窄的温度范围,称狭温性生物。

注意:

1).一般来说,如果一种生物对所有生态因子的耐受范围 都是广泛的,那么这种生物在自然界的分布也一定很广。 2).一种生物的耐受范围越广,对某一特定点的适应能力 也就越低;相反狭生态幅的生物,通常对范围狭窄的环 境条件具有极强的适应能力,但却丧失了在其它条件下 的生存能力。

3).自然界中的动植物很少能够生活在对他们来说是最适 宜的地方,而只能生活在它们占有更大竞争优势的地方。 例如:很多沙漠植物在潮湿的气候条件下能够生长得更 茂盛,但是它们却只分布在沙漠中,因为只有在那里它 们才占有最大的竞争优势。

生物对生态因子耐受限度的调整
1.驯化:
生物借助于驯化过程可以稍稍调整它们对 某个生态因子或某些生态因子的耐受范围。如 果一种生物长期生活在它的最适生存范围偏一 侧的环境条件下,久而久之就会导致该种生物 耐受曲线的位置移动。驯化在实验室条件下, 一般只需较短时间;而在自然环境中这个变化 通常要较长时间。驯化可以理解为生物体内决 定代谢速率地酶系统的适应性改变。

2.休眠:

休眠是动植物抵御暂时不利环境条件的 一种非常有效的生理机制,环境条件如果超 出了生物的适宜范围(但不能超出致死限度), 虽然生物也能维持生活,但却常常以休眠的 状态适应这种环境。动植物一旦进入休眠期, 它们对环境条件的耐受范围就会比正常活动 是宽得多。

3.限制因子定律(limiting factors)
任何一种生态因子,只要接近或超过生物的耐受范 围,它就阻止其生长、繁殖、分布、生理机能或者生存 的因素就是限制因子。 例题 :在下列情况下,测定了不同光照强度光合作用速率的影
响(4种实验条件): 0.10%CO2、30℃ (1) 0.10%CO2、20℃ (2) 0.03%CO2、30℃ (3) 0.03%CO2、20℃ (4) 从以上实验可以得知,对实验2、实 验4和P点起到限制作用的因素分别是 光 A.光强度、0.03%CO2、温度 合 B.0.10%CO2、光强度、温度 速 率 C.温度、光强度、CO2浓度 D.温度、0.03%CO2、光强度

D

1 2 3 和4

P 光强度

注意:
如果一种生物对某一生态因子的耐受范围很 广(窄),而且这种因子又非常稳定(不稳定),那么 这种因子就不太可能(很容易)成为限制因子。 例如:氧气对陆生动物来说,数量多,含量稳定, 因此一般不会成为限制因子;但是氧气在水体中 的含量是有限的,而且经常发生波动,因此常常 成为水生生物的限制因子。

4.贝格曼定律 (Bergman’s rule) 恒温动物(内温动物)在寒冷的气候条件下,体型趋 向于大,在温暖的气候条件下,体型趋向于小。因为个体 大的动物,其相对表面积小,单位体重散热量相对较少, 这样有利于保持体温。 5.阿伦定律(Allen’s rule) 恒温动物身体的突出部分如四肢、尾巴和外耳等在低 温环境中有变小变短的趋势,在温暖地区有变长的趋势。 这也是在寒冷地区减少散热和在温暖地区增加散热的一种 形态适应。 6.乔丹定律 (Jordan’s rule) 栖息于冷水水域中的鱼类,比栖息于温暖水域中的同 种鱼的脊椎骨数目多。解释:低温使鱼类的生长和发育速 度变慢,因而延长了其性成熟时间,从而产生更大的个体, 其脊椎骨的数目也增多。

7.葛洛格定律(Gloger’s rule) 一般来说,在干燥而寒冷的地区,动物的体色较 淡;而在潮湿而温暖的地区,其体色较深。解释:温 热地区动物毛色较深的原因,可能与色素产生和酶活 动有关,较高的湿度和温度能增强酶的活性,提高代 谢速率,使皮肤中产生较多的黑色素,体色则较深。 8.阿利氏定律 动物有一个最适宜的种群密度,种群过密或过疏 都可能对自身产生不利影响。随着种群密度过大,将 对整个种群带来不利影响,如它将抑制种群的增长率, 增大死亡率等。

三)、主要生态因子及其生态作用

1.光
光质的变化:
光质随空间发生变化的一般规律是短波光随 纬度增加而减少,随海拔升高而增加。在时间变 化上,冬季长波光增多,夏季短波光增多;一天 内中午短波光较多,早晚长波光较多。 深水中的红藻(紫菜)能够较有效的利用绿光。 紫外光的作用抑制了植物茎的伸长,所以很多高 山植物都具有特殊的莲座状叶丛。

(1)光对植物的影响
光对植物光合作用的影响
光 合 作 用 强 度
光合作用

呼吸作用

CP

光强度

光合作用和呼吸作用两条线的交叉点就是光补偿点。 在此处的光照强度是植物开始生长和进行净生产所需要 的最小光照强度。阳生植物和阴生植物有差异。

阳生植物和阴生植物的补偿点和饱和点
有 机 物 积 累 量 有 机 物 积 累 量 阳生植物 阴生植物

a
光补偿点

b
光饱和点 光照强度 光照强度

一般来说,植物个体对光能的利用率远不如群体 高,夏季当阳光最强时,单株植物很难充分利用这些 光能,但在植物群体中对反射、散射和透射光的利用 要充分的多。

对植物群体的总光能利用率产生影响的主 要因素是光合面积、光合时间和光合能力。 光合面积主要指叶面积,通常用叶面积指数 来表示,即植物叶面积总和与植株所覆盖的土 地面积的比值。光合时间是指植物全年进行 光合作用的时间,光合时间越长,植物体内就 能积累更多的有机物质并增加产量。延长光合 时间主要是靠延长叶片的寿命和适当延长植物 的生长期。光合能力是指大气中二氧化碳含 量正常和其它生态因子处于最适状态时的植物 最大净光合作用速率。

光对植物其它生理的影响
a.与代谢的关系: 对光照强度的要求不同植物分(阳 生植物、阴生植物、耐阴植物)。阳生 植物的光饱和点比阴生植物要高,当然 通常光补偿点也会高一些 b.与生殖的关系(光周期现象): 根据植物对日照长度的反应可分为 长日照植物、短日照植物、中日照植物 和中间型植物。(具体情况请看植物的 生殖生理)

(2)光对动物的影响
影响动物的体色、生长发育、繁殖、 行为、视觉。有很多的动物繁殖、行为都 由日照长度来决定。

原因:光周期变化很有规律、很稳定,以 它为信号一般不会“上当”。而其它因素 如温度等稳定性不强。(一年中的同一天 日照长短都是一致的,但是温度、湿度、 食物等因素可能不一致)

2.温度
最适点、最低点、最高点,在生态学上称为温度的三基点

(1)植物和温度 a. 植物的春化 b.昼夜温差与有机物积累:白天温度高有利于光合作 用,夜间温度低降低呼吸作用。 c .季节变温与物候:生物长期适应于一年中温度的 寒暑节律性变化,形成于此相适应的生物发育节 律称为物候,实质是生物对季节性变温的适应。 d. 极端温度对植物的影响:低温对植物的伤害可分 为冷害、霜害和冻害三种。

冷害
冷害是指喜温生物在零度以上的温度条件下受 害或死亡,例如海南岛的热带植物丁子香在气温降 到 6.1℃时叶片便受害,降到 3.4℃时顶梢干枯,受 害严重。冷害是喜温生物向北方引种和扩展分布区 的主要障碍。

冻害
冻害是指冰点以下的低温使生物体内 (细胞内或 细胞间隙)形成冰晶而造成的损害。冰晶的形成会使 原生质膜发生破裂和使蛋白质失活与变性。当温度 不低于 -3℃或 -4℃时,植物受害主要是由于细胞膜 破裂引起的;当温度下降到 -8℃或-10℃时,植物受 害则主要是由于生理干燥和水化层的破坏引起的。

e. 高温对植物的影响
高温可减弱光合作用,增强呼吸作用,使 植物的这两个重要过程失调。例如马铃薯在温 度达到40℃时,光合作用等于零,而呼吸作用 在温度达到50℃以前一直随温度的上升而增强, 但这种状况只能维持很短的时间。高温还可破 坏植物的水分平衡,加速生长发育,促使蛋白 质凝固和导致有害代谢产物在体内的积累。

注:高温和低温(极端温度)对植物的致死,使植物
的地理分布也受到温度的限制。植物水平分布的南界 和北界,垂直分布的海拔高低。

f. 植物对极端温度的适应:
低温适应: * 形态的适应。芽叶具有油脂类物质,芽具鳞片,植表 有蜡粉密毛,植株矮小。 * 生理的适应。减少细胞内的水,增加糖、脂、色素, 以降低冰点,增加吸热。 高温适应: * 加强反光、滤光,形成木栓层(隔热),降低含水量 增加糖、盐(减慢代谢速率、增强原生质抗凝结力)加 强蒸腾,反射红外线。

(2)动物和温度 a.影响动物的繁殖: b.温度与生物的发育: 有效积温法则:指生物(植物和变温动物)的生长发育过程中,必 须从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育。如:水稻在 浙江只能种两季,而在海南岛可以种三季。 有效积温法则的应用:①预测生物发生的世代数;②预测生物地理 分布的北界;③预测害虫来年发生程度;④推算生物的年发生历; c.温度影响动物的形态:贝格曼定律、阿伦法则。 d.影响动物的分布:有效积温和极端温度; e.极限温度对动物造成的影响:低温使动物致死,主要是由于细 胞内形成冰晶的损伤所致。高温对动物的有害影响主要是破坏酶的 活性,使蛋白质凝固变性,造成缺氧、排泄功能失调和神经系统麻 痹等。

例题:
以下关于动物对温度的适应的说法正确的是 ( AC )。 A.在低温条件下,变温动物的寿命较长,随着温度的增高, 其平均寿命缩短 B.温暖地区,变温动物完成发育的时间比在冷的地区长 C.恒温动物在低温下保持恒定的体温,而变温动物随环境温 度的提高而有相应变化 D.温度是动物分布的限制因子,最重要的是地区平均温度

3.水
植物与水: 水生植物(沉水植物、浮水植物、挺水植物) 陆生植物(湿生植物、中生植物、旱生植物) 各种生态类型的植物的形态、解剖学结构特点 (具体参照植物形态、解剖学) 动物与水: a.影响动物的分布; b.影响动物的体色;葛洛格定律(Gloger’s rule) c.影响动物的繁殖; d.影响动物的行为; e.影响动物的生长发育

一)水生植物

适应特点是体内有发达的通气系统;叶片常呈带状、丝状或 极薄,有利于增加采光面积和对CO2与无机盐的吸收;植物体具有 较强的弹性和抗扭曲能力以适应水的流动;淡水植物具有自动调 节渗透压的能力,而海水植物则是等渗的。
1.沉水植物 整株植物沉没在水下,为典型的水生植物。根退化 或消失,表皮细胞可直接吸收水中气体、营养物和水分,叶绿体 大而多,适应水中的弱光环境,无性繁殖比有性繁殖发达。如狸 藻、金鱼藻和黑藻等。 2.浮水植物 叶片飘浮水面,气孔通常分布在叶的上面,维管束 和机械组织不发达,无性繁殖速度快,生产力高。不扎根的浮水 植物有凤眼莲、浮萍和无根萍等,扎根的有睡莲和眼子菜等。 3.挺水植物 植物体大部分挺出水面,如芦苇、香蒲等。

二)陆生植物

1.湿生植物 抗旱能力小,不能长时间忍受缺水。生长在光照 弱、湿度大的森林下层,或生长在日光充足、土壤水分经常饱 和的环境中。前者如热带雨林中的各种附生植物(蕨类和兰科 植物)和秋海棠等;后者如水稻、毛茛、灯心草和半边莲等。
2.中生植物 适于生长在水湿条件适中的环境中,其形态结构 及适应性均介于湿生植物和旱生植物之间,是种类最多、分布 最广和数量最大的陆生植物。

3.旱生植物 能忍受较长时间干旱,主要分布在干热草原和荒 漠地区。又可分为少浆液植物和多浆液植物两类。前者叶面积 缩小,根系发达,原生质渗透压高,含水量极少,如刺叶石竹、 骆驼刺和夹竹桃等;后者体内有发达的贮水组织,多数种类叶 片退化而由绿色茎代行光合作用,如仙人掌、石蒜、景天和猴 狲面包树等。

动物与水:
水生动物的渗透压调节 生活在海洋中的动物大致有两种渗透压调节类型。 一种类型是动物的血液或体液的渗透浓度与海水的总渗 透浓度相等或接近;另一种类型是动物的血液或体液大 大低于海水的渗透浓度。 1.硬骨鱼类和甲壳动物体内的盐是通过鳃排泄出去的, 注意: 温度和降水是影响生物在地球表面分布 而软骨鱼类则是通过直肠腺排出。

的两个最重要的生态因子,两者共同作用决定着 2.淡水动物:丢失的溶质从两个方面得到弥补:一方面 生物群落在地球分布的总格局。 从食物中获得某些溶质,另一方面动物的鳃或上皮组织
的表面也能主动地把钠吸收到动物体内。

二、 种群生态学:
一)、种群的概念: 二)、种群的基本特征 三)、种群的数量变动 种群是指在特定的时间内,由分布在同一区域的许多同 种生物个体自然组成的生物系统。 例题: 下列生物属于种群的是 (

B)

A.一水田内的全部水稻、稗草
B.一棉田中的幼蚜,无翅、有翅成熟蚜 C.某池塘中的所有鱼 D.一根朽木上的全部真菌

二)种群的基本特征
种群密度、种群的空间分布格局、出生率与死亡率、 迁入与迁出、性别比例、年龄组成 1.种群密度:

种群密度是反映种群大小的一个参数。种群的大小 (总数)也可通过标志重捕法来测定。标志重捕法的 具体操作是:在调查样地上,捕获一部分个体进行标志, 经一定期限进行重捕。根据重捕取样中标志比例与样地 总数中标志比例相等的假定,来估计样地中被调查动物 的总数。 即:N/M=n/m (其中M为标志数,n为再捕 个体数,m为再捕中标记数。)

2.种群的空间分布格局:
组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或布 局,分为三类:均匀型、随机型、成群型(集群型)。 集群型是最常见的一种分布方式。

注:随机型往往被错误地认为是最多见的(受到独立分 配规律的影响,非等位基因之间随机组合),而事实上 是最少见的,由于资源均匀分布、种群之间的个体 间无吸引、无排拆的现象是不太可能出现的。
成群分布是最常见的内分布型。成群分布的形成原 因是:①环境资源分布不均匀,富饶与贫乏相嵌;②植 物传播种子方式使其以母株为扩散中心;③动物的社会 行为使其结合成群。 均匀分布的产生原因,主要是由于种群内个体间的 竞争。例如森林中植物为竞争阳光(树冠)和土壤中营 养物(根际)。分泌有毒物质于土壤中以阻止同种植物 籽苗的生长是形成均匀分布的另一原因。

2.3 种群统计
?2.3.1 种群的年龄结构
老年个体数 成体数 幼体数
增长型 稳定型 衰退型

?2.3.2 种群存活曲线
? 概念
在各年龄阶段种群的存活率曲线

? 基本类型
Ι型(凸型) 哺乳动物、人 Π型(直线型) 鸟类 Ⅲ型(凹型) 低等动物

凸型存活曲线
存 活 率

年龄

直线型存活曲线

存 活 率

年龄

凹型存活曲线

存 活 率

年龄

三)、种群的数量变动
1.种群数量变动的基本参数

a.出生率与死亡率;b.迁入与迁出;c.存活曲线;d.生命表
Ⅰ型 1000
存 活 100 数 10 n (log) 1

静态生 命表

动态生 命表

Ⅱ型 年 龄

0.1

Ⅲ型
年龄 存活曲线类型

t0

t1

时间

t2

t3

2.种群的增长模型
a.种群的指数增长 种群在无限的环境中,即假定环境中空间、食物等资源是无限 的,其增长率不随种群本身的密度而变化,种群呈指数增长格局, 其增长曲线为“J”字形。

数 量

注意:
指数增长的情况只有在实 验室内,人为控制的环境条 件下,才有可能发生,自然条 件下一般是不会出现的,由于 自然条件的环境都是有限的。 种群的指数增长

b.种群的阻滞增长(逻辑斯蒂增长) 因为野外种群总是处于有限的环境当中,种群增长因此 也是有限的。 逻辑斯蒂增长曲线的意义: 最大持续产量的模型(K/2);防治有害生物(K):

K

K/2
K:环境容纳量

逻辑斯蒂增长曲线 可划分为5个时期: 开始期、加速期、 转折期、减速期、 饱和期(稳定期)

种群的阻滞增长(逻辑斯蒂增长)

3.种群的数量波动调节
a.种群的生态对策 r-对策;k-对策;两种生态对策的特点。

大部分有害动物属于r-对策,大部分珍稀动物属于k-对策。
b.种群数量的调节

⑴ 密度制约:
影响种群个体数量的因素中,其作用随种群密度而变化的, 包括生物之间的相互作用——即生物因素。生物种群的相对稳 定和规则的波动与密度制约因素的作用有关。 ⑵ 非密度制约: 有些因素虽对种群数量起限制作用,但作用强度和种群密度 无关,主要是指气候等非生物因素。种群数量的不规则变动往 往同非密度制约因素有关。

例题:
下列哪一条线表示动物种群数量变动中的非密度制约。 (
不 利 效 应 (死亡 个体数) A

B)

B

C

D

种群密度

四)、种间关系

2.4

种内与种间关系
种群是物种在自然界中存在的基本单位。

?捕食(predation)
?竞争(competition) ?寄生(parasitism) ?共栖(commensalism)

?合作(protocooperation)与互利共生(
mutualism)

?化学互助和拮抗

山猫正在追捕雪兔

山猫和雪兔在 90 年间的数量消长

两种草履虫,分开培养和混合培养, 出现不同生长曲线

一 只 鸟 里 里 外 外 寄 生 物 大 20 多 种

(左) 兰花栖生在树干上

(右)双锯鱼和海葵共栖

蚂蚁和蚜虫合作

牛 尾 鸟 帮 助 河 马 清 除 寄 生 小 虫。

白蚁消化道中原生动物帮助白蚁消化木屑
(互利共生)

一种鼠尾草分泌化学物质,使周围成为不 毛之地。

种群关系总结
类型 竞争 捕食 中性 共生 合作 附生 偏害 寄生 A B - + O O + + + + + O - O + 特 点 彼此互相抑制 A种杀死或吃掉B种 彼此互不影响 彼此有利,分开后不能生活 彼此有利,分开能独立生活 A种有益,B种无影响 对A有害,对 B无利也无害 对A有利,对B有害

例题:
曲线1和曲线2(图5-4)代表物种1和物种2的耐热范围, 在什么温度情况下物种2 能竞争过物种1 ( B )
A.温度在t1—t2范围内 B.温度在t2—t3范围内

C.温度在t1以下
E.温度在t3以上

D.温度变化幅度很大时

N 2

1 t1 t2 t3 t

例题: 在一实验室中进行了两类细菌对食物竞争的实验。实验中,测 定了第Ⅰ类细菌在第一代存活期间混合培养中所占总数的百分比 (Zt),与第Ⅰ类细菌在第二代存活期间混合培养中所占总数的百 分比(Zt+1)之间的对应关系。如右图所示,实线表示观察到的Zt+1 和Zt的关系,虚线表示Zt+1=Zt时的情况。在较长的时间里,第Ⅰ类 细菌和第Ⅱ类细菌会发生什么情况? ( D ) A B C D 第Ⅰ类细菌和第Ⅱ类细菌共存 第Ⅰ类细菌和第Ⅱ类细菌共同生长 第Ⅰ类细菌把第Ⅱ类细菌排除掉 第Ⅱ类细菌把第Ⅰ类细菌排除掉
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 Zt 0.8 0 1.0

思考:
这条曲线如果改称凸形的, 结果又会怎么样。

Zt+1

三、群落生态学
?群落(community)
在一定地理区域内,生活在同一环境下的各种 动物、植物和微生物等的种群,彼此相互作 用,组成具有独特成分、结构和功能的不同 种群集合体。

群落生态学:
一)、群落中物种的多样性和优势种 二)、生态位

三)、群落结构
四)、陆地植物群落分布的地带性

五)、群落演替

一)、群落中物种的多样性和优势种
例题: 生态群落K到N包含以数字1到8代表的物种,每个物种的密度 不同,表5—5中给出了这些物种得密度(每平方米的个体数), 当受到大规模害虫袭击(危害程度逐步增加)时,这些群落中的 哪一个受到的影响最小? ( D )

群 落 种1 种2 种3 种4 种5 种6 种7 种8

A 50 30 10 10 0 0 0 0

B 92 4 0 0 1 1 1 1

C 75 5 5 5 5 5 0 0

D 0 25 20 20 20 5 0 0

1.群落多样性的含义: 生物多样性一般有三个水平:遗传多样性;物种多样性; 生态系统多样性。生态系统多样性中包含群落多样性,而群落多 样性包含两方面的含义 ⑴ 种的数目或丰富度;⑵ 种的均匀度
2.优势种和建群种: 对群落的结构和群落环境的形成有明显控制作用的植物种称 为优势种。它们通常是个体数量多,投影盖度大,生物量高,体 积较大,生活能力较强。群落的不同层次有各自的优势种,而其 中优势层的优势种常称为建群种。 3.群落的交错区和边缘效应 群落的交错区又称生态交错区或生态过渡区,是两个或 多个群落之间的过渡区域。群落的交错区是一个交叉地带或 种群竞争的紧张地带,在这里,群落中种的数目及一些种群 密度比相邻的群落大,这种现象称为边缘效应。

二)、生态位 1、生态位的概念 生态位是指物种在生物群落或生态系统中的地位和角色。

生态位重叠;基础生态位;实际生态位。 例题:
下图是种间竞争排斥图,如果供应点在①区,供应率低于A、B两 物种的零增长线(ZNGI),那么A、B两物种的结果是 ( D) A.都能生存 B.共存

x ②



供 应 点

(B) ZNGI (A) ZNGI

C.物种A生存, B排斥
D.都不能生存


y

二)、生态位 1、生态位的概念 生态位是指物种在生物群落或生态系统中的地位和角色。

生态位重叠;基础生态位;实际生态位。

2.生态位分化 同一地区共存的物种,它们生态位的关系从理论上有三种情况: ① ② ③ 生态位完全分离; 生态位彼此部分重叠; 生态位基本上重叠

三)、群落结构
群落结构是指群落中各种生物在空间上的配置状 况,包括垂直结构和水平结构。垂直结构:指群落的 分层现象,群落中植物的分层导致动物的分层。群落 的分层结构是自然选择的结果,它显著提高了利用环 境资源的能力。水平结构:群落内水平的二维空间中 生态因子常常不均匀,或由于人类和动物活动的影响, 使群落在外形上表现为斑块相间,我们称之为镶嵌性, 每一斑块就是一个小群落。

四)、陆地植物群落分布的地带性
1.经度地带性; 2.纬度地带性 3.垂直地带性

五)、群落演替 1.概念 不同的群落在同一地方相继出现,即一种群落转变为另一 种群落的过程,叫做群落演替。 2.演替的基本类型 1)按照演替发生的时间进程,可以分为: a.世纪演替:延续时间相当长久,一般以地质年代计算; b.长期演替:延续达几十年,有时达几百年; c.快速演替:延续几年或十几年。 2)按演替发生的起始条件分,可以分为: a.原生演替:开始于原生裸地或原生芜原(完全没有植被 并且也没有任何植物繁殖体存在的裸露地段) 上的群落演替 b.次生演替:开始于次生裸地或次生芜原(不存在植被, 但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸地) 上的群落演替

3)按基质的性质划分,可分为:

a.水生演替:
演替开始于水生环境中,但一般都发展到陆地群落。 如淡水 湖或池塘中水生群落向中生群落的转变过程。

b.旱生演替:
演替从干旱缺水的基质上开始。如裸露的岩石表面上生物群落 的形成过程。 4)按群落代谢特征来划分,可分为: a.自养性演替:

自养性演替中,光合作用所固定的生物量积累越来越多,例如 由裸岩→地衣→苔藓→草本→灌木→乔木的演替过程。
b.异养性演替:

有机物质是随演替而减少的。如:出现有机污染的水体,由于 细菌和真菌分解作用特别强,有机物质是随演替而减少。

5)按控制演替的主要因素划分:
a. 内因性演替: 群落中生物生命活动的结果首先使它的生境得到改造, 然后被改造了的生境又反作用于群落本身,如此相互促进,使 演替不断向前发展。 b. 外因性演替:

这种演替是由于外界环境因素的作用所引起的群落变化。 其中包括气候发生演替、地貌发生演替、土壤发生演替、火成 演替和人为发生演替。

注意:
一切源于外因的演替最终都是通过内因生态演替来实现的,所 以说,内因生态演替是群落演替的最基本和最普遍的形式。

3.演替顶极
1)单元顶极论: 无论是水生演替,还是旱生演替,最后都发展成为一个与 当地气候相适应的相对稳定的中性群落——气候顶极群落; 2)多元顶极论: 在一个气候区内,群落演替的最终结果不一定都形成一个 相同的气候顶极群落。除了气候顶极外,还可有土壤顶极、 地形顶极、火烧顶极等。 3)顶极——格局假说: 实际是多元顶极的一个变型,认为随着环境梯度的变化, 构成一个顶极群落连续变化的格局 。

四、生态系统
一)、生态系统的概述 1 、概念: 二)、生态系统的营养结构 生态系统是指在一定的时间和空间内生物成分和非生物成 三)、生态系统的功能 分通过物质循环和能量流动而相互作用、相互依存所形成的一个 生态学功能单位。⑴生态系统内部具有自我调节能力;⑵能量流 动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。 2、组成: 非生物成分 生态系统
(非生物的物 质和能量)

气候因子(太阳辐射、温度、湿度、风等) 无机物质

生物成分
(生物群落)

有机物质 生产者 消费者 分解者

二)、生态系统的营养结构
食物链和食物网的概念
生态系统中储存于有机物中的化学能,通过一系 列吃与被吃的关系,把生物与生物紧密地联系起来, 这种以食物营养关系彼此联系起来的生物序列,称为 食物链(food chain)。 生物群落中错综复杂的食物关系,使多条食物 链彼此交联,形成食物网(food web)。

食 物 链

4.2.2 食物链中的功能类群
?生产者(producers)
?消费者(consumers) ?还原者或称分解者(decomposer)

1.食物链和食物网 ⑴ 碎屑食物链: 以死生物或腐屑为起点的食物链。在大多数 陆地 生态系统和浅水生态系统中,生物量的大部分不是 被取食,因此能流是以通过碎屑食物链为主。

⑵ 捕食食物链:
又叫活食链,直接以生产者为基础。捕食食物链虽 然是人们最容易看到的,但只在某些水域生态系统中才 能成为能流的主要渠道。 ⑶ 寄生食物链: 是以寄生方式取食活有机体而构成的食物链

4.2.4

食物链的基本特点

?同一食物链中常包含有食性和其它生活习性极不相 同的多种生物;

?同一生态系统中,可能有多条食物链,长短不同,
营养级数目不等;

?不同生态系统,各类食物链的比重不同;
?生态系统中,各类食物链总是协同起作用的。 ?食物网不仅维持生态系统的相对平衡,并推动生物 进化,是自然界发展演化的动力

2.营养级和生态金字塔
⑴ 营养级: 一个营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物物种 的总和。通常一条食物链上的营养级只有4~5级。为什么? ⑵ 生态金字塔: 数量金字塔: 是利用各营养级所包含的各种生物的总数的多少来构成的 生态金字塔 生物量金字塔: 以生物组织的干重表示每一个营养级中生物的总重量 能量金字塔: 是利用各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态金 字塔

注意:
生态金字塔一般都是上窄下宽的,但是也有例外 的。比如:前一营养级的个体比后一营养级的个体明显 大的多,就又可能构成上宽下窄的倒置金字塔(数量金 字塔);还有在湖泊和开阔海洋的水域生态系统中常常 出现上宽下窄的倒置的生物量金字塔。

注:能量金字塔不可能出现上宽下窄的倒置金字塔。

3. 生态效率:

a.同化效率 = 固定的日光能/吸收的日光能(植物)
= 同化的食物能/摄取的食物能(动物) b.生长效率 = n营养级的净生产量能量/ n营养级的同化能量 c.利用效率 = n+1营养级的摄食能量/n营养级的净生产量 d.林德曼效率 = n+1营养级的摄食能量/ n营养级的摄食能量

注:
一般大型动物的生长效率要低于小型动物;老年动物的生 长效率要低于幼年动物;肉食动物的同化效率要高于植食动物。 但随着营养级的增加,呼吸消耗所占的比例也相应增加,因而 导致在肉食动物营养级净生产量的相应下降。但是林德曼效率 在各个营养级之间的统计几乎都是一个常数——即10%。以上 也可以看出每个营养级的净生产量都绝大多数通向碎屑食物链

4. 生态系统的反馈调节和生态平衡
反馈调节分为负反馈调节和正反馈调节。负反馈调 节:较常见的一种反馈,它的作用是能够使生态系统达 到和保持平衡或稳态,反馈的结果是抑制和减弱最初发 生变化的那种成分所发生的变化。正反馈调节:比较少 见,它的作用刚好与负反馈调节相反,即生态系统中某 一成分的变化所引起的其他一系列变化,反过来不是抑 制而是加速最初发生变化的成分所发生的变化,因此正 反馈的作用常常使生态系统远离平衡状态或稳态。

由于生态系统具有自我调节能力,所以在通常情况 下,生态系统会保持自身的生态平衡。生态平衡是指生 态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况,它包括 结构上的稳定、功能上的稳定、能量输入和输出的稳定。 当生态系统达到稳定状态时,它能在很大程度上克服和 消除外来的干扰,保持自身的稳定性。这一现象就是生 态系统的反馈调节。

三)、生态系统的功能 1.生态系统的能量流动
a.生态系统的初级生产和次级生产 ⑴ 生产量(或称生产力):在一段时间内,生态系统中某 个种群或群落生产出来的有机物总量。 ⑵ 初级生产量:绿色植物通过光合作用,把太阳能转变成 植物体内的化学能,这过程称为“初级生产”,它所固定 的总能量(或形成的有机物总量)称为初级生产量。又分 ①总初级生产量:在某单位时间内生产者所固定的全部太 阳能;②净初级生产量:总初级生产量减去生产者自身呼 吸消耗后余下的数值。 ⑶ 次级生产量:在单位时间内动物体的同化量减去其呼吸 量余下的值。实际上它就是动物用于生长、发育和繁殖的 那部分能量。一级、二级、三级消费者的生产量都属于次 级生产量。 次级生产量=同化量-次级呼吸量=个体增重+新个体重量

b.能量流动特点: 单向流动,不可逆转,逐级递减。 2.物质循环: 又称生物地化循环,特点:反复出现,循环流动。 ⑴ 水循环,全球性 ⑵ 气体型循环 ⑶ 沉积物循环

?能流和营养水平(trophic levels)
? 各类生物以地球生态系统初级生产者的总生产 量/年为起点,能量按食物链顺序的流动,即能 流

? 能流过程中,各类生物所处的地位称为营养水
平。营养水平和食物链的环节是有限的(通常4 ~5个)

?4.3.1.4 能量转化效率和生态金字塔
? 能量转化效率:指某一营养级所固定的能量与上

一营养级所携有的能量之比。
? 十分之一定律:营养水平每上升一级所得能量只

有原来营养水平的10%。
? 生态金字塔(ecological pyramid)

生态系统中,当能量传递其营养级由低向高推
进时,每级的个体数目、生物量或所含能量呈递 减式塔型分布,称生态金字塔。

2.物质循环: 又称生物地化循环,特点:反复出现,循环流动。 ⑴ 水循环,全球性 ⑵ 气体型循环 ⑶ 沉积物循环

? 生物地球化学循环(biogeochemical cycle)
在生态系统乃至生物圈内,各种化学元素沿特定 途径,从环境到生物体,又从生物体再回归到环境, 这种不断流动和循环过程。

? 生物富集作用(biological enrichment)
生态系统中同一营养级上众多种群或个体,从环 境中积蓄某种元素或难于分解的化合物,致使生物体 内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象。例:DDT 的富集现象。

?水循环 ?气体循环(碳、氧、氮的循环)
?碳的循环

?氮的循环

?沉淀循环(钙、钾、纳、镁、磷等

盐类的循环)
?磷的循环

3。 生态系统中的信息传递
生态系统中信息流(传递、接受和感应)存在 于不同组织水平,是生物长期进化的结果。 ? 生态系统中的信息种类 ?物理信息:声、光、电、热等 ?化学信息:代谢分泌物、植物次生代谢物等 ?营养信息:影响生物的迁徙等 ?行为信息 ? 生态系统中信息传递的特征 ?具有可传扩性、永续性; ?具有时效性、分享性与转化性

? 生态系统中的信息传递
? 动物之间的信息传递是通过神经系统和内分泌 系统进行的; ? 动物之间的信息传递决定生物的多种行为。
? 取食:视觉、味觉、听觉信号对动物 取食的影响
? 居住:物理信号和食物信号影响栖息地的选择。 ? 防护行为:拟态(imicry)、警戒色、保护色 ?性行为:性外激素(pheromone);

?生物的群集作用:食物、环境和信息素的作用。

防 卫
甲 壳 虫 喷 出 毒 液

防 卫

蝴蝶用鲜艳的“眼 睛”吓走敌人

? 信息在生产实践中应用
?光信息的应用:调节控制生物的发生发展 ?化学信息的应用:趋光性和趋化性的利用, “迷向法”防治害虫; ?声信息的应用:超声处理种子;声纳捕鱼;

番茄听音乐。

五、 环境问题:
(一)人类对大气层的破坏 1.酸雨污染:(不是单纯的雨,他还包括雪、雾、尘埃等 各种含有酸性物质的沉降物) a.形成原因:SO2、NO b.酸雨的危害: c.酸雨的防治: 2.光化学烟雾: a.形成原因:NO和碳氢化合物在阳光中的紫外线的作用下; b.光化学烟雾的成分:O3、NO2、醛类、过氧乙酰基硝酸酯 (PAN)与大气的粒状污染物混合,形成前蓝色烟雾。 c.光化学烟雾的危害:空气污染达到毒害的程度常常伴随着 一种气候条件——逆温现象

温度

温度

更冷空气
高 高

冷空气

冷空气 度
暖空气

暖逆温层


冷空气

地表

地表

逆温现象图解 (左)暖空气上升,扩散污染物; (右)由于逆温现象,压在冷空气上面 的暖空气层阻碍污染物上升和进行扩散

3.温室效应与气候变暖:

a.温室气体:CO2、CH4、氮氧化物、氯氟烃。温室气体能无 阻挡地让太阳的短波辐射设想地面,并部分吸收地表向 外辐射的长波辐射(红外线)。全球增温作用中以 CO2 为主,约占 60%以上。但是 CO2 并不是温室效果最强的 气体,比如 N2O 的温室效应要比 CO2 高的多( 200 倍左 右),但是由于浓度比较低。所以………… b.温室效应与气候变暖的危害:影响植被分布、海平面上 升、陆地减少 c .温室效应与气候变暖的防治:提高森林覆盖率,改善生 态环境。 4.臭氧层的破坏 a.臭氧层的作用: b.臭氧层破坏的原因:氯原子能催化分解 O3,制冷剂氟里 昂(CFCl3)、CCl4、此外超音速飞机、汽车废气以及氮 氧化合物也能分解臭氧。

(二)水体污染
1.有机污染:有机污染物在水中分解时需要消耗大量的氧,
固又称需氧污染物。被有机物严重污染的水体中,溶解氧急 剧下降,甚至产生无氧层,大部分鱼类会窒息死亡。同时, 水中厌氧菌迅速发展,分解有机物并放出CH4和H2S等有毒气 体,发出臭气。

2 .水体富营养化:由于生活污水、工业废水和农田排水
中含较多的N、P等元素,这些元素大量的进入水体后使藻类 植物等大量繁殖,这些生物死亡后,先被需氧微生物分解, 使水体中溶解氧的含量明显减少。接着,生物遗体又会被厌 氧微生物分解,产生出CH4和H2S等有毒气体,使鱼类和其他 水生生物窒息或中毒死亡,水体变臭。富营养化发生在淡水 中叫“水华或水花”,发生在海水中叫做“赤潮”。

3.有毒污染物与生物富集作用:水体中的有毒污染物有两类
①重金属(汞、铅、镉、铬、砷(类金属)等等), ②人工合成的有机物(有机氯、有机磷、多氯联苯和芳香族 氨基化合物)。有毒污染物的危害除造成生物急性中毒外, 还有一种重要危害是生物富集作用带来的不良后果。生物 从环境摄取重金属和脂溶性的DDT、六六六等有机氯杀虫 剂后,在体内积累,并延食物链转移。其结果是污染物的 浓缩,营养级越高,富集能力越强,积累越多,呈现倒金 字塔形。(著名例子是“水俣病”) 4.海洋石油污染:污染石油的来源:河流、油轮事故、海底油 田的泄漏和大气降雨。 5.水体热污染:许多工厂向水体排放废热水及其它形式的“废 热”,使水体温度显著上升,影响水生生物的生存。(可 以从生态幅的角度考虑)

(三)土壤污染: 是指人类活动产生的污染物通过各种途径输入土壤,其 数量和速度超过了土壤净化作用的速度,导致土壤正常 功能失调。

(四)其它环境问题: 淡水资源短缺、土地荒漠化、生物多样性遭受严重破坏。 (五)人口增长与环境问题 (六)生物在环境保护中的作用 a.森林在环保中的作用: 涵养水源、调节气候、保持水土、防风固沙………… b.生物监测: 监测植物,如烟草对低浓度的光化学烟雾极为敏感, 且叶片伤害程度与臭氧浓度正相关。地衣、苔藓等许 多植物都可作为监测植物。 c.生物的净化作用: 有些污染物能被生物吸收,在体内积累或转化成无害 的物质,这一过程称为生物的净化,或称为环境的自 净。如柳杉、悬铃木、橙能释放杀菌素

不同污水中生物体系和指示生物
污水类型 在显微镜下观察 到的生物(个/升) 纤毛虫10~50,000 新排出的城市生活污水和类 鞭毛虫1,000~2,000 似的工业废水 变形虫0~1,000 指示生物 腐生草履虫、豆形虫、 闪瞬目虫、布氏尾丝 虫、小口钟虫、旋毛 虫 长尾波豆虫、大鞭毛 虫、多毛虫旋毛虫

细菌大量,真菌大量
鞭毛虫5,000~300,000

含大量硫化氢的腐败废水

纤毛虫0~5 细菌大量

刚排出的高浓度工业废水, 细菌少量,真菌少量 亚硫酸法造纸厂废水,制糖 工业废水 无生物
有毒废水 无生物,最多仅见少数的休眠孢子

虫类生物大多不存在

六、生态平衡及其重大问题
5.1 生态平衡 (ecological equilibrium)
? 概念: 一个生态系统在长时间内,其结构和功能相对 稳定,物质与能量的输入、输出接近平衡,在外来干 扰下,通过自然调节(或人为调控)能恢复原初的稳 定状态。
? 生态平衡是动态的平衡过程。自然界生态系统的发展 过程与各类群落的演替过程是一致的,因此生态平衡 是长期生态适应的结果。 ? 生态平衡失调 当外来干扰超过生态系统自我调节能力 ,而不能恢复到原初的稳定状态。

5.2 生态系统退化
? 问题是怎样产生的
- 人口和技术能力的增长,造成自然生态系统的破坏在全 世界范围内有增无减,尤其在经济发展中国家更为严重; - 受威胁的自然生态系统包括热带雨林、萨瓦纳群落、亚 热带森林、温带森林、温带草原、水生生态系统、荒漠; - 城市化、资源开发造成新的废弃地如建筑废地、农田撂 荒地、垃圾填埋场、矿山废弃地等; ? 列出世界范围内受威胁的生态系统清单、受害等级、分布 面积,并在此基础上开展这类生态系统的恢复与抚育工作 为当前最为紧迫的任务

? 恢复生态学理论
? 生态因子原理 [地球上的一切植物群落及其组成的植物种类 的存在都时刻离不开它们所需要的外界生态因子,如日光、

温度、水分、矿物质、氧气和二氧化碳等]
? 最小因子定律 [在构成对生物必要组成部分的众多生态因子 中,其中某一种的量缺少成为限制因子] ? 种间关系原理 [种间关系原理则强调在长期的自然演化过程 中存在的生物物种之间存在的各种关系,主要是正相关关系 (相生或共生)和负相关关系(相克或竞争)] ? 群落演替理论 [群落演替包括正向演替(向顶极群落发展)和 逆向演替(向反顶极群落发展, 即退化)。在具体实践中应考 虑在人工辅助下,群落正向演替的能力以期获得最大的生物 生产力或生物多样性]

重大生态学问题
? 全球变化(global change)的概念
- 是由于人类活动加剧(主要是燃烧化石燃料和砍伐森 林等), 造成大气中的温室气体(CO2, NOx, CH3, CFCs)增加, 由此造成全球性的气候变化, 并带来一 系列生态环境变化的过程, 包括气温升高、海平面增 高、生物多样性丧失、环境污染加剧、荒漠化扩大等
- 全球变化是迄今为止人类面临的最大生态环境问题, 引起了各国政府的广泛关注 - 全球变化研究是一个多学科的领域,不同的国际机构 单独或联合提出了众多的研究计划

? 全球变化的几个典型事件举例
“生物圈二号”实验失败的教训 1991-1995 美国人在亚利桑那进行的大
规模住人控制环境实验。实验的失败恰好预测了人类地球将面临的问题 --CO2升高,元素循环中断和生物多样性变化等。该事件告诉人们,地 球是目前最完美的生态系统,人们利用高科技不可能创造象地球这样完 美的生态系统

长江特大洪灾 1998中国从南到北, 从东到西的大部分地区, 都发生了
洪水灾害或洪水影响,造成的直接经济损失就超过2000亿人民币!造 成2150多万hm2农作物受灾。问题的原因是由于江河上游乱砍乱伐森林 造成的

沙尘暴 2000年北方发生14次沙尘暴,2001年16次。2000年12月31日2001年1月2日,内蒙古锡林浩特市持续时间25-75小时,风力达6-11级 ,风速达到每秒14-26米,降温8-10度,最大能见度为100米,最低为0 米。在这场沙尘暴中共走失104人,其中27人冻死,走散丢失牲畜30万 头,其中确认死亡15.66万头。沙尘暴主要是由于草原地区的人口增加 和过度放牧引起

? 各国政府采取的相应对策

- 京都议定书 (Kyoto Protocol) 关于减少CO2 等温室气体排放的国际协议, 1994年3月21 日生效
- 联合国气候变化公约 (The United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCC) 控制全球温暖化的国际公 约,1992年6月生效,143个国家签约

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