《地球科学导论》学习指导第十章Word格式.docx
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这样的生态因素称作限制因素,它是最易阻挠和限制生物生存的因素。
限制因素随时间地点而变,也因生物种类而异。
在干旱和半干旱地区,水分条件往往是植物生存的限制因素。
在严重污染的水域中,有毒的污染物常常是水生生物生存的限制因素。
在研究环境对生物的生态作用时,既要注意生态因素的综合作用,又要找出在一定条件下影响生物生存的限制因素,为采取相应管理措施提供科学依据。
生物在其生存过程中,对生态因素的忍耐不仅有一个生态上限和下限,同时在它的耐性限度内还有一个比较小的生态上的最适范围,在这里生物生长发育得最好。
在自然界,生物种并非经常处于其最适生境条件下,因为生物间的相互作用和外界自然条件的变化,妨碍生物去利用最适宜的环境。
不同的生物种对生态因素和环境的适应能力有差异。
一般来说,对环境适应能力较强种类,其分布范围较广。
(2)生物的适应性和指示现象
①生物的适应性
生物的适应性是指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与其生存的一定环境条件互相统一、彼此适合的现象。
生物与环境之间所表现出的这种协调与适合,在一定程度上保证了生物的生长、发育和传留后代。
生物适应环境的方式多种多样,高等植物的各种器官都明显地表现出对于生活条件的适应。
深入土壤的根系,直立于地面上的茎枝和形状扁平、面积广阔、呈现绿色的叶子,都是植物加强吸收、固着、输导和进行光合作用等机能,以保证进行正常的营养生活。
色彩鲜丽的花冠,芬芳的气味和甘甜的花蜜,是虫媒花借以招蜂引蝶,进行传粉,完成繁殖后代的适应特征。
仙人掌叶子退化成针刺,减少水分蒸腾;
肥厚的肉质茎贮存大量水分;
这些旱生化的特征是它们对干热气候条件的适应。
动物对环境的适应方式更是形形色色。
例如许多动物借助于保护色、警戒色和拟态躲避捕食者而获得生存的机会。
水中的鱼,一般体扁如梭,具鳍无颈,眼睛位于两侧,体色上深下淡,体内有鳃和鳔等,这些性状使鱼适于水中生活。
生物所以能够产生某些适应性状而与环境间保持协调关系,是生物与生物之间以及生物与无机环境之间在长期的生存斗争中通过自然选择逐渐产生与形成的。
生物的适应现象并非固定不变,出于有节奏的季节和昼夜变化,使适应性具有动态特征。
在温带地区,许多树木春夏展叶、开花,秋冬落叶、休眠就是植物适应环境变化的现象。
生物对环境的适应虽是非常巧妙与合理,保证了生物的生存与发展,然而适应是相对的、暂时的。
这主要是因为环境条件的经常变化与生物遗传上的稳定性发生矛盾所致。
因此,生物的适应性仅在特定的生活环境中具有意义。
环境一旦变化,以前的适应性便会失去作用或不甚适应了。
此外,当生物的适应性状沿着一个不变的方向继续发展,可能会导致出现高度特化的现象,使生物绝对依赖于这种适应的环境,结果可能使生物的生态适应范围变得很狭窄而易遭毁灭。
②生物的指示现象
根据生物种或它们的群体、或生物的某些特征来确定地理环境中其他成分的现象,叫做生物的指示现象。
生物能够指示环境或环境的某些组成成分,是由于地理环境的全部成分或要素处于紧密的相互依赖和相互联系之中,它们中每一个成分的发展不是独立的而是共轭地进行的,即一个要素的改变会引起一系列其他要素的改变。
由于全部成分的这种发生上的和有规律的联系,才有可能利用一个成分来认识其他成分,根据自然环境中的一个环节确定其余的环节。
在各种自然要素中,生物,特别是植物及其群体对于其他要素所施加的影响反应最灵敏并具有最大的表现能力。
植物在颇大程度上是地理环境的一面镜子,并且是集中而明晰地表现这种环节的焦点。
一般认为,生态幅比较狭窄的生物比生态幅宽广的指示意义大;
生物群落的指示性要比一个种或其个体的指示性更为可靠。
植物对于气候的指示作用早已被人们所熟知。
椰子(Cacaonucifera)正常开花结果是热带气候的标志。
铁芒萁(Dcranopterisdichotoma)占优势的群落是我国亚热带气候的指示体。
此外,还可利用树木的年轮推测过去气候的状况,例如气温和降水量的年际变化和11年的太阳黑子周期等。
生物的水指示现象一直受到重视,特别是利用生物指示水质变化早已为生物学家、防疫工作者所熟悉,可借此对水质污染程度作出评价。
植物和植物群落还能够指示土壤水分和地下潜水状况。
香蒲生长的地方,土壤水分过剩,针茅大量出现的地方,土壤干旱。
植物或植被还可判断土壤类型、分布和土壤的酸碱度、机械组成等。
铁芒萁是我国热带和亚热带强酸性土壤中(pH值约4-5)的指示植物,而蜈蚣草是钙质土的指示体。
大气受到有毒气体污染后,生存在这种环境中的某些植物表现出明显的变化,据此可利用植物监测大气污染的程度、污染物和其相对浓度。
植物和它们的群落还具有指示岩石、矿体的所谓地质指示现象。
在表示地质构造方面,最简单的联系是植被常沿断裂带呈线性分布。
在断层错动地区因岩性不同,植被类型也因之发生变化,借此可判断断层的存在。
土壤及其下垫岩石中某种元素或化合物的过剩对植物有非常明显的影响,它或者表现在植物的化学成分上,或者表现在植物的种类或形态、生理特点上,因此生长在环绕矿体的任何元素或化合物的分散晕范围内的植物,常常表现出不同一般的特点,例如,安徽钼官山铜矿分布区地表生长特殊的“铜草”(海州香糯)。
利用这些特点可以判断土壤中某种元素或化合物的存在,根据这种线索可能找到某种矿床。
借助于植物指示现象可以寻找的矿藏,金属有锌、铜、镍、铬、银、金、锡、铝、铀、钍等;
非金属有硫、硒、硼、石油和天然气等。
在古生物学中利用生物化石确定地层的地质时代,根据古生物的生态学特性和共生沉积物情况重建古地理环境演变史等,也是生物地质指示作用的应用。
1.2生态系统
1.
种群
地球上任何一种动物或植物都由许多个体组成,这些个体在地表总是占据着一定的地区,我们把占据着一定环境空间的同一种生物的个体集群叫做种群。
换句话说,种群就是在一定空间中同种生物的个体群。
种群是由个体组成的,但是当生物进入到种群水平时,生物的个体已成为较大和较复杂生物体系中的一部分,此时,作为整体的种群出现了许多不为个体所具有的新属性,如出生率、死亡率、年龄结构、分布格局和某些动物种群独有的社群结构等特征。
在自然界,种群是物种存在、物种进化和表达种内关系的基本单位,是生物群落或生态系统的基本组成部分,同时也是生物资源开发、利用和保护的具体对象。
种群个体数目的增加称为种群增长。
如果一个单独的种群(在自然界,常常是若干种群的个体生长在一起)在食物和空间充足,并无天敌与疾病以及个体的迁人与迁出等因素存在时,按恒定的瞬时增长率(r)连续地增殖,即世代是重叠时,该种群便表现为指数式增长,即dN/dt=rN。
其积分就得到经过时间t后种群的总个体数,可用一条个体数目不断增加的J形曲线来表示(图10-4)。
种群如按此方式增长,那么一个细菌经过36小时,完成108个世代后,将繁殖出2107个细菌,可以布满全球一尺厚。
达尔文也曾计算过繁殖缓慢的大象的个体。
一对大象任其自由繁殖,后代都能成活,750年后将会有19000000头大象的存在。
这些显然是一种推算。
实际上,这种按生物内在增长能力即生物潜力呈几何级数或指数方式的增长在自然界是不可能实现的。
因为限制生物增长的生物因素和非生物因素即环境阻力的存在(如有限的生存空间和食物,种内和种间竞争,天故的捕食,疾病和不良气候条件等)和生物的年龄变化等必然影响到种群的出生率和存活数目,从而降低种群的实际增长率,使个体数目不可能无限地增长下去。
相反,通常是当种群侵入到一个新地区后,开始时增长较快,随后逐渐变慢,最后稳定在一定水平上,或者在这一水平上下波动。
此时个体数目接近或达到环境最大容量或环境的最大负荷量(K)。
在这种有限制的环境条件下,种群的增长可用逻辑斯谛方程表示:
dN/dt=rN(K-N/K)=rN(1-N/K),1-N/K代表环境阻力。
增长曲线表现为S形。
一般认为,这种增长动态是自然种群最普遍的形式。
种群动态与调节机能的研究,对于管理和保护生物资源,以及对于了解自然界的生态平衡都具有重要意义。
2.
生物群落
①群落的概念
在自然界,任何生物物种都不是孤立地生存,总有许多其他生物种与之同群共居,形成一个完整的生物群休。
正如种群是个体的集合体一样,群落是种群的集合体,是一个比种群更复杂更高一级的生命组织层次。
群落因成分中生物类别不同而有不同的名称。
如果在一定地段上,共同生活在一起的植物种以多种多样的方式彼此发生作用,形成一种有规律的组合,这种多植物种的组合就叫做植物群落。
它是不同种类植物松散地组织起来的单位。
河漫滩上的一块草地,山坡上的一片松林,湖岸浅水处的一片芦苇丛,乃至一块人工管理的稻田,都是植物群落。
其类型繁杂多样,其面积差别悬殊,彼此之间的边界明显或不明显。
动物同植物一样,也常常是以群落的形式组合在一起共同生活着。
只是由于动物的流动性很大,群落组合更松散,在科学研究上多以种群为对象而很少应用“动物群落”一词。
植物群落是动物的食物资源库、隐蔽所和繁殖生息的地方。
所以地球上没有毫无动物栖居的植物群落,也没有不与植物群落发生关系的动物群落。
在动植物生活的地方,甚至其躯体上都布满着微生物的群体。
因此,在一定地段的自然环境条件下,由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的生物群体,叫做生物群落。
每个生物群落都是自然界真实存在的一个整体单位,占据着生物圈的一定地区,具有一定的组成和结构,在物质和能量交换中执行着独特的功能。
生物群落中以陆地植物群落的外貌最为突出,在生物群落的结构和功能中所起作用最大。
一个地区全部植物群落的总体,叫做该地区的植被。
如北京的植被、秦岭山地的植被都是指该地区范围内分布的全部植物群落。
地球上所存在的各种自然群落,如森林、草原、荒漠、沼泽等都是亿万年来地球历史发展的产物,是通过长期自然选择在一定地区产生的最合理、最有效的生物群体。
人们研究它,可从中得到启示,以便更合理地创造人工群落,改造自然群落。
②生物群落的动态
生物群落同其他自然现象一样是一个动态系统,处在不断发展变化之中。
生物群落作为一个由多种有机体构成的生命系统,既有季相变化和年变化,又有群落的演替和演化等。
其中,以群落的季节性变化和演替比较重要。
在气候季节变化明显的地区,植物在不同季节通过发芽、展叶、开花、结果和休眠等不同的物候阶段,使整个群落在各季表现出不同的外貌,叫做群落的季相。
不同气候带群落季相表现很不一致,在终年炎热多雨的热带雨林变化很不明显;
温带地区四季分明,变化最为突出。
群落的季节性变化除季相更替外,群落的生产力、植物的营养成分和群落的内部环境也都相应地发生周期性变化。
由于气候变迁、洪水、野火、山崩、动物的活动和植物繁殖体的迁移散布,以及因群落本身的活动改变了内部环境等自然原因,或者由于人类活动的结果,可使群落发生根本性的变化。
这种在一定地段上一个群落被性质不同的另一个群落所替代的现象叫做演替。
例如,在某一林区,一片土地上的树木被砍伐后辟为农田,种植作物;
以后这块农田被废弃,在无外来因素干扰的情况下,就发育出一系列植物,并且依次替代。
首先出现的是一年生杂草群落;
然后是多年生杂类草与禾草组成的群落;
再后是灌木群落和乔木的出现,直到一片森林再度形成,替代现象基本结束。
在这里,原来的森林群落被农业植物群落所代替,就其发生原因而论是一种人为演替。
此后,在撩荒地上一系列天然植物群落相继出现,主要是由于植物之间和植物与环境之间的相互作用,以及这种相互作用的不断变化而引起的自然演替过程。
群落的演替按发生的基质状况可分为两类。
发生于以前没有植被覆盖过的原生裸地上的群落演替叫做原生演替。
原来有过植被覆盖,以后由于某种原因原有植被消灭了,这样的裸地叫做次生裸地。
土壤中常常还保留着植物的种子或其他繁殖体,发生在这种裸地上的演替称做次生演替。
上述出现于撩荒地上的演替即属此类。
原生演替如果是发生在森林气候环境下,其演替系列可概括为:
裸岩-地衣群落-苔藓群落-草本群落-灌木群落-乔木群落。
如果发生在淡水湖泊里,演替系列为:
开敞水体-沉水植物群落-浮叶植物群落-挺水植物群落-湿生植物群落-陆地中生或旱生植物群落(图10-5)。
从图中可以看出,与植物群落发生演替的同时,栖居于其中的动物种群也发生更替,每一阶段的动物群都与一定的植物群落类型相联系。
群落演替还因其发展方向不同分为顺行演替与逆行演替。
当发生于裸露地面或撩芜地面的群落经过一系列发展变化,总趋势朝向逐渐符合于当地主要生态环境条件(如气候和土壤)的演替过程,叫做顺行演替。
顺行演替的结果,群落的特征一般表现为生物种类由少到多,结构由简单到复杂,由不稳定变得比较稳定。
最后会发展成为与当地环境条件协调一致的、结构稳定的顶极群落,整个群落的物质与能量的输入和输出保持相对平衡。
群落由于受到干扰破坏而驱使演替过程倒退,即逆行演替。
强度放牧下的草原,因适口性强的牧草逐渐减少或消失,品质低劣或有毒和有刺的植物得以繁生蔓延,草群总盖度下降,甚至出现裸露地面。
草原发生的这种退化现象即是逆行演替。
河流中上游地区的森林或其他类型的植被被过度砍伐,如遇大雨、河水暴涨造成危害,是植被逆行演替带来的恶果。
群落演替的速度随具体条件不同而有差异。
一般在演替系列的早期阶段比较迅速,群落稳定性差;
后期演替速度逐渐变慢;
最后阶段的群落保持相对稳定的状态。
次生演替比原生演替快些。
研究群落的演替对于认识它们的性质,预测未来发展的趋向,以及合理利用、改造和保护等方面都有重要意义。
3.
生态系统
在自然界,任何生物群落总是通过连续的能量-物质交换与其生存的自然环境不可分割地相互联系和相互作用着,共同形成统一的整体,这样的生态功能单位就是生态系统。
按照生态系统的上述定义,我们既可以从类型上去理解,例如森林、草原、荒漠、冻原、沼泽、河流、海洋、湖泊、农田和城市等;
也可以从区域上理解它,例如分布有森林、灌丛、草地和溪流的一个山地地区或是包含着农田、人工林、草地、河流、池塘和村落与城镇的一片平原地区都是生态系统。
生态系统是地球表层的基本组成单位,它的面积大小很悬殊,从整个最大的生物圈,到最小的一滴水及其中的微生物。
所以整个地球表层就是由大大小小各种不同的生态系统镶嵌而成。
作为一个开放系统,生态系统并不是完全被动地接受环境的影响,在正常情况下的一定限度内,其本身都具有反馈机能,使它能够自动调节,逐渐修复与调整因外界干扰而受到的损伤,维持正常的结构与功能,保持其相对平衡状态。
因此,它又是一个控制系统或反馈系统。
生态系统概念的提出,使我们对生命自然界的认识提到了更高一级水平。
它的研究为我们观察分析复杂的自然界提供了有力的手段,并且成为解决现代人类所面临的环境污染、人口增长和自然资源的利用与保护等重大问题的理论基础之一。
生物多样性
生物多样性包括几个方面:
遗传多样性,包括一个物种内个体之间和种群之间的差别;
物种多样性,指一个区域内动植物和其它生物的不同类型;
生物群落或生态系统多样性,指一个地区内(例如草原、沼泽和森林地区等)各种各样的生境。
有人还增加了第四个方面:
功能多样性,指在一个生态系统内生物的不同作用,例如,植物的作用是吸收能量,而草食动物的作用在于使植物的生长受到控制。
每个水平的生物多样性都具有实用价值。
例如,遗传多样性对玉米的收成是很重要的,因为某些玉米群落具有抵抗某些害虫的独特天性。
农民们遇到虫害时,可以选用这些特性而避免使用大量农药或受到收成的重大损失。
物种多样性为我们提供大量野生的家养的植物、鱼类和动物产品,用作药品、化妆品工业品、燃料与建筑材料、食物及其它物品。
从野生物种中提取出来的产品是传统及现代医学的基础。
例如,美国已有1/4配制的药品含有从植物产品中提取出来的有效成分。
适于于在不良气候和土壤中生存的新的药用植物及食品来源可以改善全球日益增长的人口健康和生活水平。
多样性在生态系统中的重要性有一部分是由于它们可以为人类服务&
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水、气体、营养物和其它物质的循环。
例如,湿地可以改善降雨时的水流,并在此过程中滤去沉积物。
又如菌根真茵和土壤中的动物有助于植物获取营养物,对于维持粮食、饲料和木材作物的生产具有极为重要的作用。
此外,生物多样性还由于野生生物和荒野地区所提供的旅游、娱乐效益而备受青睐。
2、生态系统的结构与功能
2.1生态系统的组成成分
任何一个生态系统都可以分为两个部分:
无生命物质无机环境和有生命物质生物群落。
无机环境包括作为系统能量来源的太阳辐射能;
温度、水分、空气、岩石、土壤和各种营养元素等物理、化学环境条件;
以及生物物质代谢的原料如CO2、H2O、O2、N2和无机盐类等,它们构成生物生长、发育的能量与物质基础,又称为生命支持系统。
生物群落是生态系统的核心,可以分为三大类群:
第一类为自养型生物,包括各种绿色植物和化能合成细菌,称为生产者。
绿色植物能够通过光合作用把吸收来的水、CO2和无机盐类转化成为初级产品----碳水化合物,并将其进一步合成成为脂肪和蛋白质等,用来建造自身,这样,太阳能便通过生产者的合成与转化源源不断地进入生态系统,成为其它生物类群的唯一食物与能量来源。
化能合成细菌也能将无机物合成为有机物,但它们利用的能量不是来自太阳,而是来自某些物质在发生化学变化时产生的能量。
例如,氮化细菌能将氨(NH3)氧化成亚硝酸和硝酸,利用这一氧化过程中放出来的能量把CO2和水合成为有机物。
第二类为异养型生物,包括食草动物和食肉动物,称为消费者。
顾名思义,这些消费者不能直接利用太阳能来生产食物,只能通过直接或间接地以绿色植物为食获得能量。
根据不同的取食地位,又可以分为直接依赖植物的枝、叶、果实、种子和凋落物为生的一级消费者,如蝗虫、野兔、鹿、牛、马、羊等食草动物;
以食草动物为食的食肉动物为二级消费者,如黄鼠狼、狐狸、青蛙等;
食肉动物之间存在着弱肉强食的关系,其中的强者成为三级和四级消费者。
这些高级的消费者是生物群落中最凶猛的食肉动物,如狮、虎、鹰和水域中的鲨鱼等。
有些动物既食植物又食动物,称为杂食动物,如某些鸟类和鱼类等。
第三类为异养型微生物,如细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物,它们靠分解动植物残体为生,称为分解者。
微生物分布广泛,富含于土壤和水体的表层,空气中含量较少且多数为腐生的细菌和霉菌。
微生物是生物群落中数量最大的类群,据估计,1克肥沃土壤中含有的微生物数量可达1亿个。
细菌和真菌主要靠吸收动植物残体内的可溶性有机物来生活,在消化过程中,把无机养分从有机物中释放出来,归还给环境。
可见,微生物在生态系统中起着养分物质再循环的作用。
土壤中的小型无脊椎动物如线虫、蚯蚓等将植物残体粉碎,起着加速有机物在微生物作用下分解和转化的作用。
此外,这些土壤动物也能够在体内进行分解,将有机物转化成无机盐类,供植物再次吸收、利用。
2.2生态系统的结构
生态系统的结构包括有空间结构、时间结构和营养结构。
空间结构主要表现为生物群落在沿水平和垂直方向上的分布特征,时间结构则表现为生物群落,特别是植物群落的昼夜、季节和年际变化特征,这与生物群落的空间和时间结构相同,本节不再详述。
营养结构是指生态系统中的无机环境与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间,通过营养或食物传递形成的一种组织形式,它是生态系统最本质的结构特征。
生态系统各种组成成分之间的营养联系是通过食物链和食物网来实现的。
食物链是生态系统内不同生物之间类似链条式的食物依存关系,食物链上的每一个环节称为营养级。
每个生物种群都处于一定的营养级,也有少数种兼处于两个营养级,如杂食动物。
生态系统中的食物链包括活食食物链和腐食食物链两个主要类型。
活食食物链从绿色植物固定太阳能、生产有机物质开始,它们属于第一营养级,食草动物属于第二营养级,各种食肉动物构成第三、第四及更高的营养级。
腐食食物链则从有机体的残体开始,经土壤动物的粉碎与分解和细菌、真菌的分解与转化,以无机物的形式归还给环境,供绿色植物再次吸收。
从营养级来划分,分解者处于第五或更高的营养级。
老鼠以谷物为食,鼬鼠以老鼠为食,鹰又以鼬鼠为食,鹰死后的残体被各种微生物分解成无机物质,便是简单食物链的一个例子。
然而,自然界中的食物链并不是孤立存在的,一个易于理解的事实是,几乎没有一种消费者是专以某一种植物或动物为食的,也没有一种植物或动物只是某一种消费者的食物,如老鼠吃各种谷物和种子,而谷物又是多种鸟类和昆虫的食物,昆虫被青蛙吃掉,青蛙又是蛇的食物,蛇最终被鹰捕获为食;
谷物的秸杆还是牛的食物,牛肉又成为人类的食物(图10-7)。
可见,食物链往往是相互交叉的,形成复杂的摄食关系网,称为食物网。
一般来说,一个生态系统的食物网结构愈复杂,该系统的稳定性程度愈大。
2.3生态系统的功能
生态系统的功能主要表现为生物生产、能量流动和物质循环,它们是通过生态系统的核心部分生物群落来实现的。
(1)生态系统的生物生产生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的过程中,将能量、物质重新组合,形成新的产物(碳水化合物、脂肪、蛋白质等)的过程。
绿色植物通过光合作用,吸收和固定太阳能,将无机物转化成有机物的生产过程称为植物性生产或初级生产;
消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢,经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程称为动物性生产或次级生产。
植物在单位面积、单位时间内,通过光合作用固定的太阳能量称为总初级生产量(GPP),单位是J·
m-2·
a-1或gDW·
a-1。
总初级生产量减去植物因呼吸作用的消耗(R),剩下的有机物质即为净初级生产量(NPP)。
它们之间的关系为:
NPP=GPP-R
与初级生产量相关的另一个概念是生物量,对于植物来说,它是指单位面积内植物的总重
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