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生态学资料
第一章绪论
1.生态学:
是研究生物及环境间相互关系的科学
2.生态学的研究方法:
v野外研究:
优点:
直接观察,获得自然状态下的资料;缺点:
不易重复。
v实验研究:
优点:
条件控制严格,对结果的分析比较可靠,重复性强,是分析因果关系的一种有用的补充手段;缺点:
实验条件往往与野外自然状态下的条件有区别。
v系统分析与数学模型研究:
优点:
高度抽象,可研究真实情况下不能解决的问题;缺点:
有时与客观实际距离甚远,若应用不当,易产生错误。
第二章生物与环境
环境(environment)和环境因子(environmentalfactors):
环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和,由许多环境要素构成,这些环境要素称环境因子。
二、环境的类型
环境的分类尚未有统一的分类系统,一般按环境的主体、环境性质、环境的范围进行分类。
按环境的主体:
1、以人为主体(人类环境)
2、以生物为主体
按环境性质:
1、自然环境,2、半自然环境
3、社会环境
按环境的范围:
1、宇宙环境,2、地球环境
3、区域环境,4、微环境,5、内环境
三、环境因子分类
⏹环境因子具有综合性和可调剂性p.13
环境因子与生态因子
生态因子(ecologicalfactors):
环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素。
生态因子是环境中对生物起作用的因子,而环境因子则是指生物体外部的全部要素。
两者既有联系又有区别;
生境(habitat):
具体生物个体或群落生活地段上的生态环境。
一、生态因子作用的一般特征
二、综合作用
三、主导因子作用
四、生态因子的不可替代性和可补偿性
五、生态因子作用的阶段性
六、直接和间接作用
七、限制性作用
⏹综合作用
自然不存在孤立的生态因子,也不存在单一因子构成的生态环境。
生态因子间总是互相促进、相互制约,任何单一因子的变化必将引起其它因子的变化,如光强——土壤温度、空气湿度、水分平衡、气温等——植物生长。
⏹主导因子作用
生态环境中各因子地位不同,一般情况下,其中有一个或几个因子对其它因子的变化起主导作用,该因子即为主导因子。
主导因子是随时间、空间变化而变化的。
如光合作用时-光强是主导因子,温度和CO2为次要因子
⏹直接和间接作用
间接因子通过直接因子体现,如地形因子属间接因子
⏹生态因子作用的阶段性
生物在不同年龄阶段或发育阶段有不同需求,不同阶段同样生态因子(或组合)的生态作用不同。
(温度-春化作用)
⏹生态因子的不可替代性和可补偿性
生活因子同等重要,不可或缺,具不可替代性或同等重要性。
同时,在一定条件下,某一因子量的不足,可由其它因子的增加或增强而得到补偿,仍可获得相同的生态效应。
即为可补偿性。
(光-二氧化碳)
⏹限制性作用
生态因子的限制作用
限制因子limitingfactors:
限制生物生长和生存繁殖的任何因子,称为限制因子。
E.P.Odum(1973)建议做两点补充:
a.只适用于稳定状态,能量、物质处于平衡态时才适用;b.要考虑生态因子的可补偿性。
Liebig最小因子定律:
植物的生长取决于处于最小量状况的食物的量。
Shelford耐性定律(1913)
生态因子的量的过多或过少都会限制生物的生长、发育。
即为耐性定律。
该定律将最低量因子和最高量因子相提并论,把任何超过耐性下限或上限的因子均称为“限制因子”
生态幅ecologicalamplitude:
每一个物种对环境因子适应范围的大小。
光因子的生态作用及生物的适应
⏹太阳辐射及其变化规律
⏹光质变化对生物的影响
⏹光强度变化对生物的影响
⏹光周期现象
光周期现象(photoperiodism):
Garner等人(1920)发现明相暗相的交替与长短对植物的开花结实有很大的影响。
这种植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应,称光周期现象。
光补偿点(compensationpoint)光饱和点(saturatepoint):
光合作用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点;当光照强度达到一定水平后,光合产物不再增加或增加得很少,该处的光强度即为光饱和点。
长日照植物(long-dayplants)和短日照植物(short-dayplants):
日照超过一定数值才开花的植物称长日照植物;短日照短于一定数值才开花的植物称短日照植物,一般需要较长的黑暗才能开花。
前者如小麦、油菜,后者如苍耳、水稻。
温度是最重要的生态因子之一,参与生命活动的各种酶都有其最低、最适和最高温度,即三基点温度
温度与生物发育最普遍的规律是有效积温。
有效积温法则及其意义
⏹有效积温法则
Ø植物在生长发育过程中必须从环境摄取一定的热量才能完成某一发育阶段的发育过程,而且各个发育阶段所需的总热量是一个常数,称总积温或有效积温,因此可用公式:
N•T=K表示,考虑到生物开始发育的温度,又可写成:
N(T-C)=K,T=C+K/N,其中,N为发育历期,即生长发育所需时间,T为发育期间的平均温度,C是发育起点温度,又称生物学零度,K是总积温(常数)。
⏹有效积温法则的意义
Ø预测生物发生的世代数;
Ø预测生物地理分布的北界;
Ø预测害虫来年的发生程历;
Ø制定农业气候区划,合理安排作物;
Ø应用积温预报农时。
三、水因子的生态作用及生物的适应
*水的生物学意义
*生物体的水分获得与损失途径
*生物对水因子的适应
水的生物学意义
*水是生物体不可缺少的组成成份;
*水是生物体所有代谢活动的介质;
*水为生物创造稳定的温度环境;
*生物起源于水环境。
生物体的水分获得与损失途径
*水分的丧失途径
*植物--蒸发(蒸腾作用、扩散作用)失水,分泌失水。
*动物--蒸发失水,排泄、分泌失水。
*水分获得途径
*植物--根部吸收,叶面吸收。
*动物--食物,体表吸收,代谢水。
生物对水因子的适应
*水生植物对水环境的适应
*陆生植物水平衡的调节机制
*水生动物水平衡的调节机制
*陆生动物水平衡的调节机制
水生植物对水因子的适应
*适应方式
*有发达的通气组织;
*机械组织不发达或退化;
*叶片薄而长,以增加光合和吸收营养物质的面积。
*生态类型
*沉水植物
*浮水植物
*挺水植物
陆生植物对水因子的适应
*陆生植物的水平衡调节机制
*形态适应:
*发达的根系;
*叶面小;
*单子叶植物中一些具扇状的运动细胞,可使叶面卷曲;
*具发达的贮水组织;
*生理适应:
*水分运输的动力
*原生质的渗透浓度高。
*陆生植物的生态类型
*湿生植物
*中生植物
*旱生植物
*陆生植物的水势梯度
*空气中的水势--较低
*植物体的水势--中度
*土壤中的水势--较高
*等渗(isosmoticorganism):
体内和体外的渗透压相等,水和盐以大致相等的速度在体内外之间扩散。
仅排泄失水,通过食物、饮水、代谢水获得水,泌盐器官排出多余的盐分。
*高渗(hyperosmoticorganism):
体内的渗透压高于体外,水由环境中向体内扩散,体内的盐分向外扩散。
通过排泄作用排出多余的水,盐分通过食物和组织摄入。
*低渗(hypoosmoticorganism):
体内渗透压低于体外,水分向外扩散,盐分进入体内。
通过食物、代谢水和饮水获得水,多种多样的泌盐组织排出多余的盐分。
生物对水因子的适应
水生植物对水因子的适应
适应方式
•有发达的通气组织;
•机械组织不发达或退化;
•叶片薄而长,以增加光合和吸收营养物质的面积。
陆生植物对水因子的适应
•形态适应:
⏹发达的根系;
⏹叶面小;
⏹单子叶植物中一些具扇状的运动细胞,可使叶面卷曲;
⏹具发达的贮水组织;
•生理适应:
⏹水分运输的动力
⏹原生质的渗透浓度高。
水生动物的水平衡调节机制
⏹等渗(isosmoticorganism):
体内和体外的渗透压相等,水和盐以大致相等的速度在体内外之间扩散。
仅排泄失水,通过食物、饮水、代谢水获得水,泌盐器官排出多余的盐分。
⏹高渗(hyperosmoticorganism):
体内的渗透压高于体外,水由环境中向体内扩散,体内的盐分向外扩散。
通过排泄作用排出多余的水,盐分通过食物和组织摄入。
⏹低渗(hypoosmoticorganism):
体内渗透压低于体外,水分向外扩散,盐分进入体内。
通过食物、代谢水和饮水获得水,多种多样的泌盐组织排出多余的盐分。
陆生动物的水平衡调节机制
⏹失水的主要途径:
•皮肤蒸发、呼吸失水、排泄失水
⏹补充水的主要途径:
•食物、代谢水、饮水
⏹保水机制
•减小皮肤的透水性
•减少身体的表面蒸发
•减少呼吸失水
•减少排泄失水
•利用代谢水
植物对土壤因子的适应
主要表现在以下几个方面:
1)引起植物的生理干旱:
盐土中含有过多的可溶性盐类,降低了土壤溶液中的渗透势,引起植物的生理干旱
2)伤害植物组织
3)引起细胞中毒
4)影响植物的正常营养
5)在高浓度盐类的作用下,气孔保卫细胞的淀粉形成过程受到妨碍,气孔不能关闭,植物容易干旱枯萎
第三章种群及其基本特征
生物种:
形态相似的个体集合
林奈的定义:
形态相似的个体集合,并且同种个体可自由交配,能产生可育后代。
(p.44)
E.Matr的定义:
能实际地或潜在地彼此杂交的种群的集合构成一个种。
种的性状:
基因型和表型
基因型:
种的遗传本质,即生物性状表现所必须具备的内在因素
表型:
与环境结合后实际表现出的可见性状
种群population:
在一定空间中,同种个体的组合
*种群不是个体的简单叠加,是通过种内关系组成的一个有机统一体或系统。
*种群是一个自我调节系统,通过系统的自动调节,使其能在生态系统内维持自身稳定性。
作为系统还具有群体的信息传递、行为适应与数量反馈控制的功能。
*种群不仅是自然界物种存在、物种进化、物种关系的基本单位,也是生物群落、生态系统的基本组成成份,同时,还是生物资源保护、利用和有害生物综合管理的具体对象。
*一个物种,由于地理隔离,有时不只有一个种群。
*种群既可以作为抽象概念,也可作为具体存在的客体在实际研究中加以应用。
自然种群有3个基本特征:
1、数量特征;2、空间特征;3、遗传特征
种群生态学:
研究种群的数量、分布、生活史格局以及种群与其栖息环境中的非生物因素和其他生物种群的相互作用。
(p.46)
研究种群动态、特征及其生态规律的科学。
种群遗传学(populationgenetics):
研究种群的遗传过程
包括选择、基因流、突变和遗传漂变
种群生物学(populationbiology):
研究种群的结构、形成、发展和运动变化过程规律的科学。
最主要组成部分是种群遗传学和种群生态学。
种群的动态规律:
①种群的数量和密度
②种群的分布
③种群数量变动和扩散迁移
④种群调节
密度(density):
单位空间(面积或体积)内个体的数量
在对种群进行统计时,需要确定对被研究的种群边界
绝对密度和相对密度:
前者指单位面积中的实有的个体数,后者则表示数量高低的相对指标(p.47)
构件生物(modularorganism)
构件生物由一个合子发育成一套构件,由这些构件组成个体。
如水稻、浮萍、榕树等。
种群统计学
种群特征:
分3类
(1)种群密度
(2)初级种群参数
包括出生率、死亡率、迁入和迁出率
(3)次级参数
包括性比、年龄分布和种群增长率
种群年龄结构:
不同年龄组的个体在种群内的比例或配置情况
1)增长型种群(a)
2)稳定型种群(b)
3)下降型种群(c)
存活曲线:
●Ⅰ型存活曲线(typeⅠsurvivorship):
幼体和中年个体的存活率相对高,老年个体的死亡率高。
●Ⅱ型存活曲线(typeⅡsurvivorship):
各年龄段的死亡率恒定,曲线呈对角线型。
●Ⅲ型存活曲线(typeⅢsurvivorship):
一段极高的幼体死亡率时期之后,存活率相对高。
种群增长模型
●非密度制约种群增长模型
与密度无关的种群增长模型
●密度制约种群增长模型
与密度有关的种群增长模型
逻辑斯谛增长曲线的五个时期
①A开始期
②B加速期
③C转折期
④D减速期
⑤E饱和期
逻辑斯缔方程的意义
●它是两个相互作用种群增长模型的基础;
●它是渔业、林业、农业等实践领域中确定最大持续产量的主要模型;
●模型中的两个参数K和r已成为生物进化对策理论中的重要概念。
第四章种群生活史
生活史:
一个生物从出生到死亡所经历的全部过程。
生长:
生物物质增加、细胞数量增加。
发育:
伴随生长,生物体的结构和功能从简单到复杂、从幼体至成体的转变过程。
(p.69)
“S”生长曲线:
停滞期、指数期、静止期
绝对生长速度:
单位时间内个体的增长量。
(例子P.71)相对生长速度:
单位时间内单位重量的增长量。
繁殖:
生物形成新个体的所有方式的总称,包括:
无性繁殖asexualreproduction
营养繁殖vegetativepropagation
孢子繁殖sporereproduction
有性繁殖sexualreproduction。
注:
繁殖与生殖,虽然两者经常通用,但繁殖的含意更广
生态学意义:
1.在现存环境条件下的扩展性。
2.对多变环境的适应性
3.繁殖速度
4.繁殖潜力
5.在自然选择压力下的进化速度
扩散:
有机体扩展种群空间的一种行为。
分为主动扩散与被动扩散。
植物繁殖体的传播距离决定于3个方面因素:
可动性、传播因子、地形条件。
动物扩散形式:
迁出、迁入、迁移(鱼类称洄游,鸟类称迁徙)(外因性迁移:
环境变化;内因性迁移:
繁殖、密度控制等)
扩散的生态学意义:
1.可以使种群内和种群间的个体得以交换,防止长期近亲繁殖而产生不良后果。
2.可以补充或维持在正常分布区以外的暂时性分区域的种群数量。
3.扩大种群的分布区。
繁殖成效:
个体现时繁殖输出与未来繁殖输出的总和。
主要由遗传特性决定,同时具有一定的生态可塑性。
繁殖价值(RV):
是指时间内特定年龄个体相对于新生个体的潜在繁殖贡献,包括现时繁殖价值或繁殖价值和剩余繁殖价值。
RV=M+RRV(M当年生育力;RRV表示以后所有余生繁殖的期望值)
亲本投资(P.76):
有机体在产生子代以及抚育和管护时所消耗的能量、时间和资源量。
繁殖成本:
有机体在繁殖后代时对能量或资源的所有消耗。
繁殖成本:
有机体在繁殖后代时对能量或资源的所有消费。
一次繁殖与多次繁殖(P.80)
在生活史中,只繁殖一次即死亡的生物为一次繁殖生物semelparity;一生中能繁殖多次的生物称为多次繁殖生物iteroparity。
繁殖格局是自然选择的结果,不同生境条件下常拥有不同繁殖格局类型的植物。
r-选择、K-选择
r-对策者是不断地侵占暂时性生境的种类,基本上是机会主义者。
K-对策者具有稳定的生境,其进化的方向是使它们的种群保持在平衡水平上和增加种间竞争力。
若:
世代时间T,生境保持有利的时间长度H
则:
T/H<<1K-对策者;T/H>>1r-对策者
第五章种内与种间关系
生物种间相互关系基本类型
种内关系:
存在于各个生物种群内部的个体与个体之间的关系。
包括密度效应、动植物性行为、领域和社会等级。
种内的相互作用的主要形式有竞争、自相残杀和利他等
种间关系:
生活于同一生境中的所有不同物种之间的关系。
物种间相互作用的形式主要有竞争、捕食、寄生和互利共生(p.92)
正相互作用:
偏利共生、原始合作、互利共生
负相互作用:
竞争、捕食、寄生、和偏害
类型
1
2
1、偏利作用
+
种1偏利,种2无影响
2、原始合作
+
+
对两物种都有利,非必然
3、互利共生
+
+
对两物种都必然有利
4、中性作用
两物种彼此无影响
5、竞争(直接干涉)
-
-
一物种直接抑制另一物种
6、竞争(资源利用)
-
-
资源缺乏时的间接抑制
7、偏害作用
-
种1受抑制,种2无影响
8、寄生作用
+
-
种群1寄生者,种2宿主
9、捕食作用
+
-
种1捕食者,种2猎物
密度效应:
在一定时间内,当种群的个体数目增加时,就必定会出现邻接个体间的相互影响。
最后产量恒值法
W:
植物个体平均重量
d——密度
Y——单位面积产量
Ki——常数
-3/2自疏法则
——平均单株植物干重
d——密度
a——为一恒值,等于3/2
●同样年龄大小的固着生活生物中,竞争个体不能通过运动逃避竞争,因此竞争中失败者死去,这种竞争结果使较少量的较大个体存活下来,这一过程叫自疏
●自疏导致密度与个体大小之间的关系在双对数作图时,具有-3/2斜率,称Yoda–3/2自疏法则
一般认为,有性是对生存在多变和易遭不测环境下的一种适应。
(p.97)
例:
在春、夏季许多蚜虫兼营孤雌生殖(以回避减数分裂损失对策),秋季蚜虫营有性生殖(通过卵度过冬季)
领域:
指由个体、家庭或其他社群单位所占领的,并积极保卫不让同种其他个体进入的空间
种间竞争:
指具有相似要求的物种,为争夺空间或资源而产生的直接或间接抑制对方的现象。
高斯假说:
两个种越相似,它们的生态位重叠就越多竞争就越激烈。
生态位(niche)
●Grinell(1917)的定义:
种的最后分布单位(强调生态位的空间概念)。
●Elton(1927)的定义:
物种在生物群落或生态系统中的地位和作用。
●Hutchinson(1957)的定义:
在n维空间中的一个超体积。
●Maguire(1973)的定义:
种的位置和它对群落超空间中各因素的反应。
他感作用(allelopathy):
某些植物能分泌一些有害化学物质,阻止别种植物在其周围生长,这种现象称他感作用,或叫异株克生。
他感作用例子:
北美的黑胡桃(Juglansnigra)抑制离树干25m范围内植物的生长,其根抽提物含有化学苯醌,可杀死紫花苜蓿和番茄类植物。
协同进化:
在进化过程中,一个物种的性状作为另一物种性状的反应而进化,而后一种的这一性状本身又作为前一物种性状的反应而进货的现象。
寄生(parasitism):
一种从另一种生物的体液、组织或已消化物质中获取营养,并对宿主造成危害的情况。
互利共生(mutualism):
不同种两个个体间的一种互惠关系,可增加双方的适合度。
偏利共生:
仅对一方有利的共生,如藤壶附着在螺壳上,
鮣鱼附在鲨鱼腹部
第六章生物群落的组成与结构
*群落(community):
特定空间或特定生境下,生物种群有规律的组合,它们之间以及它们与环境之间彼此影响,相互作用,具有特定的形态结构与营养结构,并具特定功能的生物集合体。
群落的基本特征
●具有一定的外貌:
植物群落的外部特征。
●具有一定的种类组成:
物种数和个体数。
●具有一定的结构:
形态结构、生态结构、营养结构。
●形成群落环境:
定居生物对生活环境的改造结果。
●不同物种之间的相互影响:
必须共同适应它们所处的无机环境;它们内部的相互关系必须取得协调和发展(种群构成群落的二个条件)。
●一定的动态特征:
季节动态、年际动态、演替与演化。
●一定的分布范围:
特定的地段或特定的生境。
●群落的边界特征:
或明确或不明确的边界。
*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物种称为优势种(dominantspecies),对于植物群落来说,它们通常是那些个体数量多、投影盖度大、生物量高、体积大、生活能力强,即优势度较大的种;植物群落中,处于优势层的优势种称建群种(constructivespecies)。
优势度:
表示一个种在群落中的地位和作用。
定义和计算方法不统一。
重要值:
相对密度+相对频度+相对优势度(相对基盖度)。
综合优势比:
在密度比、盖度比、频度比高度比和重量比中取任意二项求其平均值,再乘100%。
生活型:
是生物对综合环境条件长期适应的外部表现形式,是植物对相同环境条件进行趋同适应的结果。
●植物的生活型类型(Raunkiaer生活型系统):
Ø高位芽植物:
休眠芽位于距地面25cm以上。
Ø地上芽植物:
更新芽位于土壤表面之上,25cm之下,多为半灌木或草本植物。
Ø地面芽植物:
又称浅地下芽植物或半隐芽植物,更新芽位于近地面土层内,冬季地上部分全枯死,即为多年生草本植物。
Ø隐芽植物:
更新芽位于较深土层中或水中,多为鳞茎类、块茎类和根茎类多年生草本植物或水生植物。
Ø一年生植物:
以种子越冬。
生长型:
根据植物的可见结构分成的不同类群。
生长型反映植物生活的环境条件,相同的环境条件具有相似的生长型,是趋同适应的结果。
叶面积指数定义为(Leafareaindex,LAI):
LAI=总叶面积(单叶面)/土地面积
或单位土地面积上的叶面积
层片:
是同一生活型的不同植物的组合
层片的层的区别
层可能属于一个层片,也可能属于不同的层片;由于一个层的类型可由若干生活型的植物所组成,因此,层片的范围比层的窄。
层片的特征
1、属于同一层片的植物是同一生活型类别。
但同一生活型的植物种只有其个体数量相当多,而且相互之间存在着一定的联系时才能构成层片。
2、每一层片在群落中都具有一定的小环境,不同层片小环境相互作用的结果构成了群落环境。
3、每一层片在群落中都占据一定空间和时间,而且层片的时空变化形成了植物群落不同的结构特征。
二、群落的外貌与季相
●群落的外貌是认识植物群落的基础,也是区分不同植被类型的主要标志。
●群落的外貌决定于群落优势的生活型和层片结构
●随着气候季节性交替,群落呈现不同的外貌,这就是季相。
群落的垂直结构(A草被层;B灌木层;C下木层;D林冠层)
●植物群落的分层现象
陆地群落的分层与光的利用有关,群落层次主要是由植物的生活型(或生长型)所决定。
●动物群落的分层现象
陆地动物群落的分层主要与食物有关,其次与不同层次的微气候条件有关。
●水生群落的分层现象
与阳光、温度、食物和溶氧等因素有关。
●干扰的意义
干扰→断层→〔抽彩式竞争与小演替
中度干扰假说:
中等程度的干扰水平能维持高多样性(理由-3条,p.147)。
理由:
1.在一次干扰后少数先锋中入侵缺口
2.如果干扰间隔很长,是演替过程能发展到顶级期
3.只有中等干扰程度使多样性维持最高水平,它允许更多的物种入侵和定居。
五、平衡说和非平衡说
平衡说认为:
共同生活在同一群落中的物种处于一种稳定状态(p.151)。
因为它们通过竞争。
捕食和互利共生等种间相互作用而形成相互牵制的整体,在非干扰状态下群落的物种组成和数量都变化不大,群落实际出现的变化是由环境变化,即所谓干扰引起的。
非平衡说认为:
组成群落的物种始终处于不断的变化之中,自然界中的群落不存在全局稳定,存在的只是群落的抵抗性和恢
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