能量环境PPT课件.ppt

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1、 Department of Environmental Science and Engineering第二部分 有机体与环境1 1、光的生态作用及生物对、光的生态作用及生物对光的适应光的适应2 2、生物对温度的适应、生物对温度的适应 二二、能能量量环环境境 Department of Environmental Science and Engineering1 1、光的生态作用及生物对光的适应、光的生态作用及生物对光的适应1.1 地球上光的分布1.1.1 太阳辐射及其光谱组成太阳辐射能通过大气层时，其辐射强度大大减弱。而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

2、所固定的太阳能，只占从太阳接受的总能量的千分之一。Department of Environmental Science and Engineering500 1000 2000 500 1000 2000 3000 40003000 4000可可 见见 光光红红 外外 线线紫紫 外外 线线波长波长nmnm能能 流流 强强 度度紫外光：波长760nm，46%Department of Environmental Science and Engineering1.1.2 影响太阳辐射的因素（1）大气层物质臭氧、二氧化碳、尘埃、氧气、水汽和雨滴等可吸收、反射和散射光线，达到地球的总太阳辐射为47%

3、其中直接辐射到地球表面的仅为24%，散射到地面的为23%。Department of Environmental Science and Engineering（2）太阳高度角：太阳入射光与地面的夹角即为太阳高度角。太阳高度角越小，太阳辐射穿过大气层的路程越长，辐射面积越大，辐射强度越弱。Department of Environmental Science and Engineering（3）黄赤交角：地球公转的黄道面与自转形成的赤道面之间的夹角称为黄赤交角，其度数为2326。这就导致地球南北半球的季节不同，不同纬度和季节的太阳辐射时间成周期性变化。23262326黄道面黄道面赤道面赤道面

4、 Department of Environmental Science and Engineering春春 秋秋夏夏 冬冬秋秋 春春冬冬 夏夏The seasons in the Northern and Southern Hemispheres Department of Environmental Science and Engineering（4）地貌地面的海拔高度、朝向和坡度，都会引起太阳辐射强度和日照时间的变化。Department of Environmental Science and Engineering1.1.3 光的分布规律光质光质(光谱成分光谱成分)低海拔、高纬度长波

5、光多，高海拔、低纬度短波光多夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多 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、极夜光照强度光照强度 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 日照时间日照时间(北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱 Department of Environmental Science and Engineering1.2 光质的生态作用及生物的适应1.2.1 光质影响植物的光合作用 光质影响植物的光合作用强度，绿色植物的叶叶绿素绿素吸收最强的光谱是640-660nm的红光和430-450nm的蓝紫光，绿光最

6、差。海带等红藻的类胡萝类胡萝卜素卜素吸收最强的是绿色光。光合细菌的叶绿素的吸收峰值在800-890nm。Department of Environmental Science and Engineering1.2.2 光质影响植物的形态建成、向光性与色素形成 青、蓝紫光与紫外线抑制植物茎的伸长，使植物成矮小形态，茎干粗短，叶小、毛绒发达。高山上无高大树木，植物具特殊的莲座状叶丛。短波光（青蓝紫光）使植物向光性更敏感，促进植物色素的形成，高山植物茎叶富含花青素。Department of Environmental Science and Engineering1.2.3 光质影响动物的活动和水

7、生植物的分布 灵长类、鸟类、鱼类、节肢动物等都有很发达的色觉，鱼类对绿、蓝、红光比较敏感。太阳鱼（Lepomis）的视力灵敏峰值在500-530 nm波长，有利于鱼在水中觅食。昆虫的可见光范围偏重于短光波，这便是用利用黑光灯诱杀农业害虫的机理。红外线和紫外线在水的上层被吸收，红光在4 m深水中光强度降到1%，只有500nm波长范围内的辐射能达到较深的深度，使海洋深处为蓝绿光。Department of Environmental Science and Engineering1.2.4 光质影响光合作用产物 红光对糖的合成有利，蓝紫光有利于蛋白质的合成。红光促进鸡的繁殖，短波光（蓝光）有助于生

8、长。1.2.5 红外和紫外光对动物的影响 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，和促进体内维生素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。Department of Environmental Science and Engineering1.3 光照强度的生态作用及生物的适应1.3.1 地球上光照强度的变化（1）空间：高纬度，低强度。高海拔，高强度。坡向：北纬2326以北，南坡、平地和北坡强度越来越低。与坡度有关，不同纬度的最强光照的坡度不同。（2）时间：季节，夏天高强度；冬天强度低 日，中午强

9、度最高；早晚强度较低（3）生态系统：上层，强度大；下层，强度低。植物和水体都分层。清澈静止的水体15m深处，50衰减。Department of Environmental Science and Engineering根据光照强度将水体分为：光亮带（euphotic zone）：光合作用大于等于代谢能。弱光带（dysphotic zone）：光合作用小于代谢能。无光带（aphotic zone）：无光合作用。Department of Environmental Science and Engineering1.3.2光照强度影响生物的生长、发育与形态建成 光照强度影响生物的生长速度，植物这

10、种关系很普遍。光照强度影响植物器官、组织的生长发育；果实的产量与品质；且能提高果实花青素含量，色彩好看。水生植物只能生活在水体的透光带（0-100米），海带等巨型藻类在大陆沿岸生活，单细胞浮游植物只能在海洋上层生活。Department of Environmental Science and Engineering 黄化现象黄化现象(etiolation phenomenon)(etiolation phenomenon)：一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，而形成胡萝卜素，导致叶子发黄，称为黄化现象。黄化植物在形态、色泽和内部结构上都与正常植物不同，表现为茎细长软弱、节间距离拉长，叶片小而不展

11、开，植株长度伸长而重量显著下降。这是光对植物形态建成作用的典型例子。Department of Environmental Science and Engineering 在动物中，蛙卵、昆虫卵和海星卵的发育与光照强度正相关，但过强的光照也会使发育延缓或停止；中华鳖在低光照光强度下生长更快。光照还会引起动物的体色变化，蛱蝶在光照环境中体色变淡，黑暗环境中体色变深。Department of Environmental Science and Engineering总结：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

12、和分化 影响植物花果的数量和质量 Department of Environmental Science and Engineering1.3.3 植物对光照强度的适应 (1)植物叶子的日运动反映了光强度和光方向的日变化。(2)温带树叶脱落是对光强度的年周期变化的反映。Department of Environmental Science and Engineering（3）光强度影响植物的光合作用速率，不同种植物光合能力不同。C4植物（如玉米、高粱）光合作用速率随光强度而增加，能够利用低浓度的CO2，水的利用效率也较高；C3植物（如小麦）光合作用速率也随光强度而增加，但曲线变平。21 小时小

13、时植植物物光光合合作作用用的的昼昼夜夜变变化化 Department of Environmental Science and Engineering植物光合作用达到最大值时的光照强度，称为该种植物的光饱和点。光合作用和呼吸作用相等时的光照强度称为光补偿点。根据植物对光强度表现出的适应性差异，把植物分为：阳地植物：光补偿点较高，光饱和点一般也较高，可利用强光，如杨、柳、桦等。阴地植物：光饱和点较低，光补偿点一般较低，可有效利用弱光，如云杉、人参、三七等。另外，植物苗期和生育后期光饱和点较低，生长旺期光饱和点较高。Department of Environmental Science and E

14、ngineering Department of Environmental Science and Engineering阳地植物：松，杉，柳，小麦，Department of Environmental Science and Engineering阴地植物：阴地植物：人参，三七，半夏，红豆杉，蕨，苔藓人参，三七，半夏，红豆杉，蕨，苔藓 Department of Environmental Science and Engineering1.3.4 动物对光照强度的适应 (1)光照强度影响动物的视觉器官p 夜行性动物眼大，有的啮齿类的眼球突出于眼眶外；猫头鹰，懒猴，飞鼠。p 终生营地下生活

15、的兽类，眼睛一般退化：鼹鼠，鼢鼠p 深海鱼或者具有发达的视觉器官，或者是本身具有发光器官。Department of Environmental Science and Engineering(2)光照强度影响动物的行为：p 昼行性动物，多数鸟类，多数灵长类，松鼠等p 夜行性动物，家鼠，刺猬，壁虎，夜猴等p 动物每天开始活动的时间是由光照强度决定的。Department of Environmental Science and Engineering1.4 生物对光照周期的适应 光周期 北半球：夏至最长，冬至最短。南半球：相反 赤道：昼夜平分 两极：半年白天，半年黑夜。Department o

16、f Environmental Science and Engineering1.4.1 生物的昼夜节律(daily rhythm)生物的生理活动具有昼夜周期性变化，称为昼夜节律。如 动物的活动行为、体温变化、能量代谢、激素水平，植物的光合作用、蒸腾作用、积累与消耗等。一般认为，生物的昼夜节律受两个周期的影响，即外源性周期（除光周期外，还有温度、湿度、磁场等的昼夜变化）和内源性周期（内部生物钟）。只有光周期使动植物的昼夜节律与外界环境的昼夜变化同步起来。Department of Environmental Science and Engineering1.4.2 生物的光周期现象生物借助于自

17、然选择和进化而形成的对日照长短的规律性变化的反应方式，称为光周期现象(photoperiodism 或photoperiodicity)。如植物的开花结果、落叶及休眠，动物的繁殖、冬眠、迁徙和换毛换羽等。Department of Environmental Science and Engineering(1)植物的光周期现象根据植物开花对日照长度的反应，将植物分成四种类型：长日照植物：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、小麦等。短日照植物：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、棉花等。中日照植物：昼夜长度接近相等时才开花的植物，

18、如甘蔗只在12.5小时的光照下才开花。仅少数热带植物属于这一类型。日中性植物：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。植物的光周期现象在农林业生产中具有很大的应用价值。如新品种培育,引种驯化，园艺上控制开花时间，便于观赏等等。Department of Environmental Science and Engineering(2)动物的光周期现象影响动物的生殖时间。长日照动物：春季交配繁殖，雉鸡，水貂，刺猬等，短日照动物：秋季交配，羊、鹿、麝等，但产子也在春夏。影响动物的冬眠和昆虫滞育（常与温度有关）。影响换毛与换羽:温带和寒带地区，大部分兽于春秋两季换毛，许多鸟每

19、年换羽一次。决定动物迁徙、迁移或洄游的时间。夏候鸟杜鹃、家燕，冬候鸟大雁。Department of Environmental Science and Engineering2 2、生物对温度的适应、生物对温度的适应2.1 地球上温度的分布2.1.1 地表大气温度的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(极地只有赤道的40%)，地表气温也逐渐下降（下图）。大约纬度每增加1度，年平均温度降低0.5。因此，从赤道到北极形成了热带、亚热带、北温带和寒带。Department of Environmental Science and Engineeri

20、ng(1)空间变化陆地比海洋表面反射热少、升温快、降温快，因而，从我国的东南到西北，由海洋性气候逐渐明显地转变为大陆性气候。Department of Environmental Science and Engineering山脉-地表温度会受到山脉走向、地形变化及海拔高度的影响。特别是东西走向的山脉，对南北暖冷气流常具阻挡作用，使山坡两侧温度明显不同。封闭山谷与盆地，白天受热强烈,热空气又不易散发,使地面温度增高,夜晚冷空气又常沿山坡下沉,形成逆温现象。气温还随海拔升高而降低，在干燥空气中海拔每升高100 m，气温下降 1，潮湿空气中下降 0.6。Department of Environm

21、ental Science and Engineering(2)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。最高和最低气温之差称日较差。日较差随纬度增高而减少，随海拔升高而增加，并受地形特点及地面性质等因素的影响。如赤道处的高山，白天气温可达30或更高，夜间却降到霜冻的程度。沙漠地带的日较差有时可达40。气温有四季变化。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。一般来说，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。Department of Environmental Science and Engin

22、eering2.1.2 土壤温度的变化(1)土壤表面的温度变化比气温剧烈，但随土壤深度加深温度变化幅度减小，1米以下的土壤无昼夜变化，30米以下的土壤无季节性变化。(2)随土壤深度加深，土壤最高温度和最低温度出现的时间后延，其比气温后延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，土壤的年变幅也较大。热带地区太阳辐射年变化小，土壤温度受雨量控制。高纬度与高海拔地区，土壤温度的年变化与积雪有关。Department of Environmental Scie

23、nce and Engineering2.1.3 水体温度的变化（1）时间变化：水体热容量大，温度变化幅度较小。海洋昼夜温差小于4，随深度增加变幅减小，15米以下无昼夜变化，140米以下的无季节性变化。赤道和两极地带海洋的温度年较差不超过5，温带为1015，有时可达23。（2）成层现象：以淡水为例，中、高纬度地区春季风力环流；夏季分层，上层热，下层冷，中层变化大；秋季环流；冬季上层0，下层4。低纬度地区成层现象不是很明显。在低纬度水域的全年和中纬度地区的夏季，海洋水温有成层现象，两极地区全是冷水层。Department of Environmental Science and Engineer

24、ing2.2 温度与动物类型 根据有机体和环境温度的相互关系，动物可划分为常温动物和变温动物。当环境温度升高时，常温动物维持大致恒定的体温，而变温动物的体温随环境温度而变化。根据有机体热能的主要来源，还可分为外温动物和内温动物。内温动物是根据自己体内氧化代谢产热来调节体温（如鸟兽），而外温动物依赖外部热源（如鱼类、两栖类、爬行类）。Department of Environmental Science and Engineering2.3 生物对温度的反应2.3.1 酶反应速率与温度阈 外温动物及植物的代谢速度随温度变化而变化。其代谢速度随温度增加通常用温度系数Q10 来描述：Q10=T体温时

25、的代谢率/(T-10)体温时的代谢率 即：温度每升高10 ，变温动物与植物代谢率的变化。通常Q10的值大约为2。Department of Environmental Science and Engineering 当环境温度超过生物耐受的高限和低限时，酶的活性将受到抑制。高温可能导致蛋白质凝固变性、酶失活、失去水平衡。不同物种对高温的耐受性不同物种对高温的耐受性水生植物：3040 旱生植物：5060 兽类：42 鸟类：4648 爬行类：45 Department of Environmental Science and Engineering 低温对生物的伤害可以分为：冻害(freeze i

26、njury)：冰点以下低温使生物体内形成冰晶，蛋白质失活变性。冷害(chilling injury)：温度在冰点以上，但低于喜温生物对温度的耐受下限而使生物受害或死亡。可能是通过破坏膜结构造成的，是喜温生物向北方引种和扩张分布区的主要障碍。Department of Environmental Science and Engineering2.3.2 生物发育和生长速率 温度直接影响外温动物和植物的发育和生长速率。菜白蝶在温度阈10.5以上，从卵到蛹的发育 Department of Environmental Science and Engineering有效积温法则：植物和某些外温动物完成

27、某一发育阶段所需总热量即有效积温（sum of effective temperature），是一个常数。K=N*T (式中K为有效积温，N为发育时间，T为环境平均温度)生物都有一个发育的起点温度，即生物开始生长发育的温度（最低有效温度C，发育阈温度或生物学零度biological zero），所以，应对平均温度进行修饰。上式变为：K=N*(T-C)或 T=C+K/N,温度T与发育时间N呈双曲线关系，由于发育速度V=1/N,所以，T=C+KV，温度与发育速度呈线性关系。Department of Environmental Science and Engineering发育历程发育速率 Dep

28、artment of Environmental Science and Engineering2.3.3 驯化和气候驯化 见有机体与环境中耐受限度调整。Department of Environmental Science and Engineering2.4 生物对极端环境温度的适应2.4.1 生物对低温的适应（1）植物形态适应：芽和叶片受到油脂类物质保护、表面有蜡粉和密毛、植株矮小，常呈垫状或莲花状。（2）植物生理适应：减少细胞中水分，增加糖类、脂肪和色素等物质以降低冰点、增加抗寒能力。Department of Environmental Science and Engineering

29、3）内温动物的形态适应：贝格曼规律：高纬度地区的恒温动物个体比低纬度同类个体大。例如东北虎的颅骨长331-345 mm，而华南虎的仅283-318 mm 长。阿伦规律：高纬度地区的恒温动物个体身体突出部分，如四肢、尾巴和外耳有变小变短的趋势。Department of Environmental Science and Engineering 寒冷地区的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。Department of Environmental Science and Engineering（4）内温动物的生理适应：A 增加产热：颤抖性产热与非颤抖性产热

30、B 逆流热交换机制：肢体中动静脉血管的几何排列，增加了逆流热交换。C 局部异温性：肢体末端温度比核心温度低，减少了体表热 散失。D 热中性区：热中性区宽，下临界点温度低、下临 界点温度以下曲线斜率小（增加产热）。E 适应性低体温，冬眠。（5）动物的行为适应：迁徙、集群、穴居 Department of Environmental Science and Engineering2.4.2 生物对高温的适应（1）植物的形态适应：生有密绒毛和鳞片；体色呈白色、银白色，叶片发光；有些植物叶片垂直主轴排列，使叶缘向光；在高温条件下叶片对折；有的植物树干和根茎生有厚的木栓层，具绝热和保护作用。（2）植物的

31、生理适应：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；靠旺盛的蒸腾作用避免植物体过热。Department of Environmental Science and Engineering（3）动物的形态适应皮毛在高温下起隔热作用；夏季毛色变浅，具光泽；多数哺乳动物的精巢持久的或季节性的下降到腹腔外，比体温低几度。有蹄动物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 Department of Environmental Science and Engineering（4）动物的生理适

32、应：放松恒温性，使体温有较大幅度的波动。（5）行为适应：穴居；昼伏夜出；夏眠或夏季滞育。Department of Environmental Science and Engineering2.5 生物对周期性变温的适应（1）许多生物在昼夜变温环境中比在恒温环境中发育更好。如加拿大黑蝗。（2）大多数植物种子，在昼夜变温中萌发率高（如水稻），有些需光萌发的种子，经变温处理后，在暗处也能萌发。（3）植物在昼夜变温中，生长、开花结实及产品质量均有提高。这是由于白天适当高温有利于光合作用，夜间适当低温减弱了呼吸作用，增加光合产物的积累。Department of Environmental Scien

33、ce and Engineering2.6 物种分布与环境温度2.6.1 对变温动物和植物的分布，有低温限制与高温限制（1）低温限制：低温限制生物向高纬度和高海拔地区分布。如橡胶、椰子只能生长在热带。长江流域地区的马尾松只生长在海拔10001200 m以下。玉米分布在气温15以上的天数必需超过70天的地区。东亚飞蝗的北界为等温线13.6的地区。Department of Environmental Science and Engineering（2）高温限制：高温限制生物向低纬度和低海拔地区分布。如春化作用(vernalization)限制苹果、梨、桃在热带地区栽种。在长江流域地区，黄山松只能

34、生长在海拔10001200 m 以上的高山。菜粉蝶的分布南限是26。2.6.2 温度变化也可能和其它的环境因素或资源紧密联系影响生物分布。2.6.3 温度和降水是影响地球生物群落分布的两个最重要因子。Department of Environmental Science and Engineering热带雨林 Department of Environmental Science and Engineering阔叶林 Department of Environmental Science and Engineering针叶林 Department of Environmental Scienc

35、e and Engineering垂直分布：随着海拔的升高，植物的类型也出现变化，垂直分布：随着海拔的升高，植物的类型也出现变化，海拔较低处为阔叶林，随着海拔的升高，依次是混叶林、海拔较低处为阔叶林，随着海拔的升高，依次是混叶林、针叶林、高山草甸。针叶林、高山草甸。珠峰垂直自然带的分布景观珠峰垂直自然带的分布景观 Department of Environmental Science and Engineering61本本 章章 小小 结结光照和温度的时空变化规律光照和温度的时空变化规律 光质、光强、光周期对生物的影响光质、光强、光周期对生物的影响 生物对光质、光强、光周期的影响生物对光质、光强、光周期的影响 温度的生态作用，极端温度对生物的影响温度的生态作用，极端温度对生物的影响 生物对极端低温、极端高温的影响生物对极端低温、极端高温的影响 Department of Environmental Science and Engineering本本 章章 作作 业业1、光质的生态作用是什么？、光质的生态作用是什么？2、什么是黄化现象？、什么是黄化现象？3、光照强度的生态作用是什么？、光照强度的生态作用是什么？4、什么是光周期现象？、什么是光周期现象？5、什么是有效积温？、什么是有效积温？6、什么是贝格曼规律？什么是阿伦规律？、什么是贝格曼规律？什么是阿伦规律？