中科院研究生高级生态学考试.docx
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中科院研究生高级生态学考试
绪论
1、生态学的定义
生态学是研究生物与环境之间相互关系的科学。
生物的组织层次:
基因、细胞、器官、个体、种群、群落、生态系统、景观、生物圈
2、生态学的发展过程
生态学的发展过程大致可分为4个时期:
生态学的萌芽时期、建立时期、巩固时期、现代生态学时期。
1萌芽时期(公元16世纪以前):
古代思想家、农学家对生物与环境关系的朴素整体观。
2建立时期(17世纪至19世纪):
当时的科学活动强调科学调查和科学研究,生态理论开始形成,并有了明确的生态学定义。
3巩固时期(20世纪初至20世纪50年代):
生态学理论形成,种群和群落由定性向定量描述及生态学验
方法发展的辉煌时期,“四大学派”出现(英美、法瑞、苏联、北欧)
4现代生态学时期(20世纪60年代至今):
研究层次向微观和宏观发展,研究手段不断更新,研究范围从纯自然现象研究拓展到自然——经济——社会复合系统。
3、生态学的研究对象:
生物类群、生态系统类型、研究性质和方法、应用领域
1生态学研究对象复杂多样,范围广,从分子、细胞到生物圈,从微生物到动植物。
2生态学研究对象尽管向宏观和微观两个方向发展,但其研究中心为种群、群落和生态系统,属宏观生物
学范畴。
3生态学研究的重点,在于生态系统和生物圈中各组分之间的相互作用。
4、生态学的分支学科
1根据研究对象的组织水平划分:
分子生态学、进化生态学、个体生态学(生理生态学)
种群生态学、
群落生态学、生态系统生态学、景观生态学、全球生态学。
2根据研究对象的分类学类群划分:
微生物生态学、植物生态学、动物生态学、人类生态学、陆地植物生态学、哺乳动物生态学、昆虫生态学、地衣生态学,以及各个主要物种的生
/\.,、、/
态学。
3根据研究对象的生境类别划分:
陆地生态学、海洋生态学、淡水生态学、岛屿生态学。
4根据研究性质划分:
理论生态学、应用生态学(农业生态学、森林生态学、草地生态学、家畜生态学、
自然资源生态学、城市生态学、保育生态学、恢复生态学、生态工程学、人类生态学、生态伦理学)。
5边缘学科:
数量生态学、化学生态学、物理生态学、经济生态学。
5、生态学的研究方法
1野外观察和定位站②试验方法:
原地实验和人工控制实验③数学模型与数量分析方法
6、现代生态学的发展趋势
1生态学的研究有越来越向宏观发展的趋势。
2系统生态学的产生和发展,是现代生态学在方法论上的突破,是划时代的认识论的提高,被称为“生态学领域的革命”。
3一些新兴的生态学分支如进化生态学、行为生态学、化学生态学等的相继出现。
4分子生态学的兴起是20世纪末生态学发展的最重要特征之一。
5强调生态学的机理、过程与功能研究,重视地上生态学与地下生态学的耦合。
从描述、解释走向机理的
研究是
现代生态学的重要标志之一。
6应用生态学的迅速发展也是现代生态学的重要特色之一。
7、生态学研究的热点
全球变化、生物多样性、可持续发展
2、论述生态研究的热点问题及发展趋势(04年生态中心)
答:
目前生态学研究的热点问题主要有:
全球变化、生物多样性和可持续发展。
1全球变化:
气候、大气、土壤和水化学的变化,以及土地种林利用所引起的生态学原理
及后果。
包括量
化和模拟生物圈与全球变化的各种关系,确定全球变化的生态学原因和后果;应用描述生态学系统调节生
物圈大气化学变化的模型及生态学后果;确定人类活动和其他环境变化对物种进化的影响等。
2生物多样性:
自然和人类活动引起遗传、物种和生境多样性的改变;决定多样性的生态因子和生态后果;
保护珍稀濒危物种;全球及区域变化对生物多样性的影响。
研究内容包括自然界不同时空尺度生物多样性
的类型和格局、决定生物多样性进化的生态学因子,以及进化与生态学过程;生物体形态、
生理和行为特
征的相互作用;在环境胁迫条件下,生物体形态、生理和行为的遗传类型可塑性及其限度;
决定物种散布
与休眠的生态条件,以及对种群和群落的效益;个体生活史对策为何影响种群对环境干扰的反应方式等。
3可持续发展的生态系统:
探索自然和经营生态系统的压力;受害生态系统的重建;可持
续发展生态系统
的经营;病、虫害的危害;生态学进程与人类社会系统间的相互作用;加速对稀有濒危物种生物学的研究,
为其发展提供必要的信息;建立监测生态系统健康状况,以及评价预测胁迫的方法和手段;
建立、检查并
应用重建生态学的原则,加速受损和退化生态系统的基础研究;建立和发展可持续人工生态
系统设计和管
理的生态学原理等。
现代生态学发展特点:
1研究层次向宏观和微观两极发展
2研究手段更新
3研究范围扩展
4提供解决问题的科学思想与技术手段
生物与环境
生态因子是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素。
利比希的最小因子定律:
在各种生态因子中,总是有一种或两种起者主导性的作用,当这个主导因子的量低到最小时,就成为成为限制性因素。
土壤吸热:
土壤白天受热后,热从土表向深层运动光形态建成:
植物依赖光进行生长、发育和分化的过程生物学零度:
植物需要在一定的温度以上,才能开始生长和发育。
有效积温法则:
植物在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。
各个发育阶段所需的总热量是个常数
干化耐性:
对植物来说,干旱抗性是植物抵抗干旱时期的一种能力,并且是一个综合特性。
一种植物在极度干旱胁迫下存活的前景愈好,原生质水势的一种有害降低能被延迟的愈长(逃避干旱),则更多的原生质能度过干旱而未受损伤(干化耐性)。
光合作用:
自养生物绿色细胞中发生的极其重要的代谢过程,是将太阳能转换为有机分子化学键能的过程。
光合磷酸化:
质子穿过类囊体膜上ATP合成酶复合体上的管道从类囊体腔流向叶绿体基质,将能量通过磷酸化而贮存在ATP中。
这一磷酸化过程是在光合作用过程中发生的,所以称为
光合磷酸化(photophosphorylation),以区别于在线粒体中发生的氧化磷酸化。
植物功能型:
具有确定植物功能特征的一系列植物的组合,是研究植被随环境动态变化的基本单元
5.1.1光的生态作用
1生物生活所需要的全部能量,都直接或间接地来源于太阳能;
2植物利用太阳光进行光合作用,制造有机物,动物直接或间接从植物中获得营养;
3光是生物的昼夜周期、季节周期的信号;
4光污染对生物和人类带来危害。
5.2.1温度的生态作用
1地球上的温度变化在时间、空间上表现出温度的节律性,使生物的生长发育与温度昼夜、
季节性变化同步(也称为温周期现象);
2每种生物都有其忍受的温度,极端温度限制了生物的生存和分布;
3温度的变化直接影响生物的生长发育,每一种生物都有其生长的最高、最低、最适温度;
4生物可从温度中获得能量,进行生物的热能代谢;
5热污染对生物和人类带来危害。
5.3.1水的生态作用
1水是生物体的重要组成部分,占体重的50%-98%;
2水是很好的溶剂,直接参与各种新陈代谢过程,影响生物的生理活性;
3水会影响生物的生长发育,对植物而言,水量有一个最高、最适和最低三个基点,高于
或低于一定的水量,植物生长发育都会受到影响;
4水是生物生存的重要条件,水影响着生物数量和分布,如湿润区、干旱区、荒漠区内生
物种类不同;
5水还影响生物产品的品质。
生态因子的几个基本观点:
1生物的本性与生态因子辨证统一的观点,在长期的历史发育和进化过程中,不同生
物对生态因子的要求不同
2生态因子综合性的观点,影响生物生长的各种生态因子是同等重要的,任何生态因
子都不是孤立地对生物发生作用
3生态因子主导性的观点,在各种生态因子中,总是有一种或两种起者主导性的作用
4生态因子联系性的观点,在自然界中,没有一种生态因子是孤立存在的,而是永远地
处于相互依赖的关系之中
5生态因子变动性的观点,一年四季或昼夜之间,日光、温度、水分、土壤肥力等是
不断变化着的
土壤矿质元素:
土壤矿质元素,土壤中含有大量植物必须的矿质元素,如C、H、0、N、P、K、S、Mg、
Ca、Fe、Cl、Mn、Zn、B、Cu、Mo等16种元素。
其中7种元素(Fe、Cl、Mn、Zn、B、CuMo)植物需要量极微,稍多即发生毒害,故称为
微量元素(minorelement,microelement或traceelement)。
另外9种元素(C、H、0、N、P、K、SMg、Ca)植物需要量相对较大,称为大量元素(major
element或macroelement)。
光合作用的基本构件:
1光合色素,光合色素存在于叶绿体中。
2光系统I
3光系统II
光合作用过程中的光反应和暗反应及其两者之间联系:
反应
简要过程
所需物质
最终产物
1.光反应
该过程发生在类囊体膜中。
利用太阳能使水光解,合成
ATP和还原NADP+(即
光化学
NADPH)
光能;光合
电子
反应
叶绿素激发,反应中心将高能电子传递给电子受体
色素
NADPH,O2,
电子传
电子沿着类囊体膜上的电子
电子,
H+
递
递链传递,并最终还原
NADP+,
NADP+;水的光解提供的H+积累于类囊体内
H2O
ATP
化学渗
质子穿越类囊体膜进入类囊
质子梯度
透
体;在类囊体和基质间形成质子梯度;质子通过由ATP合成酶复合物构成的特殊通道回到基质中;ATP生成
ADP+Pi
2.暗反
暗反应发生在基质中。
二磷酸核酮糖,CO2,
糖,ADP+Pi,
应
CO2固定,即CO2与一有
ATP,NADPH+H
NADP+
机化合物结合
+
光合作用分为光反应(lightreaction)和暗反应(darkreaction)两个部分在光反应中发生水的光解、02的释放和ATP及还原辅酶II(NADPH)的生成;暗反应则是利用光反应形成的ATP和
NADPH,将C02还原为糖。
光反应发生在叶绿体的类囊体膜中,需要光的参与;暗反应发生在叶绿体基质中,不需光。
光反应中生成的ATP和NADPH在C02的还原中分别被用作能源和还原物质。
提高农业产量的植物光合作用改良途径:
1农作物几乎都是喜光的阳性植物,要求充足的光照,这一点在考虑密植问题时很重要。
2在光照充足时,植物可以说是经常处于C02“饥饿”的状态。
施用有机肥,可以增
力口C02浓度
3一般在氮肥不够的情况下,施用速效氮肥,数日之内光合速率就会有显著提高,土
壤N和土壤C含量对植物的光合作用也有明显的作用。
此外,许多微量元素,如锰、钼、锌等对光合作用也会起一定的促进作用,有时在喷施后也可能使光合速率提高。
4只有源-库关系协调才能提高光合生产和产量。
在栽培措施上,必须考虑到这种相辅相成的作用,例如植株不可过密,要施肥适当等等。
环境因子对生物的影响:
5.1.2光对动植物的具体影响
光对动植物的影响体现在光质、光强和光照时间上。
1对动物的影响:
1)光的波长影响动物的趋光性,如夜蛾扑灯;2)光的强度影响动物昼夜
节律、交配产卵、取食和栖息,可分为长日照动物和短日照动物;3)光的周期影响动物的
生活史,如动物的越冬滞育、世代交替等。
2对植物的影响:
1)影响植物的光合作用效率;2)影响植物的开花、结实。
根据不同植物
对光照强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。
5.2.2对于大部分植物来说,适当的变温是有利的,但变温过大就会有害。
变温对植物的作
用主要表现在:
a)对种子萌发有利;b)对植物生长有促进作用,但夜间过低则抑制;c)在夜温低则抑制高生长;d)对开花结实有促进;e)对产品品质有促进作用,如温差越大,新
疆葡萄(Vitisvinifera)、甜瓜(Cucumismelo)的品质越好
生物对环境因子的适应:
5.1.3生物对光的适应性
①对光照的适应:
植物的生态型就是对光照适应的一种。
根据不同植物对光照的适应,可
分为:
1)阳性植物:
对光照要求比较高,只有在足够光照条件下才能正常生长,如蒲公英等;
2)阴性植物:
对光照要求远比阳性植物低,可低于全光照的1/50,如翠云草等;
3)耐阴之物:
对光照具有较广的适应能力,对光的需求介于以上二者之间,如麦冬、玉竹
等。
②对光周期的适应:
生物钟就是动物对光周期适应的一种现象。
5.2.2生物对温度的适应性
动物会采用各种生理学和行为学机理来调节体温。
根据动物的体温调节过程,可将动物分为:
恒温动物、内温动物、变温动物和外温动物。
(1)生物对极端温度的适应性
①生物对低温环境的适应长期生活在低温环境中的生物通过自然选择,在形态、生理和行为方面表现出很多明显的适应。
1)植物对低温环境的适应
在形态方面,植物的芽和叶片常受到油脂类物质的保护,芽具鳞片,植物体表面生有蜡粉和密毛;植物矮小并常成匍匐状、垫状或莲座状等,这种形态有利于保持较高的温度,减轻严寒的影响。
在生理方面,植物常通过以减少细胞中的水分和增加细胞中的糖类、脂肪和色素等物质来降低植物的冰点,增加抗寒能力。
2)动物对低温环境的适应在形态方面,动物的个体较大(个体大的动物,其单位体重散热量相对较少);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;在寒冷地区和寒冷季节增加毛或羽毛的数量和质量或增加皮下脂肪的厚度,从而提高身体的隔热性能。
在生理方面,靠增加体内产热量来增强御寒能力和保持恒定的体温。
动物对低温环境的适应主要表现在热中性区宽、下临界点温度低和在下临界点温度以下的曲线斜率小等几个方面。
②生物对高温环境的适应生物对高温环境的适应表现在形态、生理和行为3个方面。
1)植物对高温环境的适应在形态方面,有些植物有密绒毛和鳞片,能过滤一部分阳光;有些植物体呈白色、银白色,叶片革质发亮,能反射一大部分阳光,使植物体免受热伤害;有些植物叶片垂直排列使叶缘向光或在高温条件下叶片折叠,减少光的吸收面积;还有些植物的树干和根茎有很厚的木栓层,具有绝热和保护作用。
在生理方面,主要是降低细胞含水量,增加糖或盐的浓度,这有利于减缓代谢速率和增加原生质的抗凝结力,其次是靠旺盛的蒸腾作用避免使植物体因过热受害。
还有一些植物具有反射红外线的能力,夏季反射的红外线比冬季多,这也是避免植物体受到高温伤害的一种适应。
2)动物对高温环境的适应
动物对高温环境的一个重要适应就是适当放松恒温性,使体温有较大的变幅,这样在高温炎热的时刻身体就能暂时希叟和贮存大量的热并使体温升高,尔后在环境条件改善时或躲到阴凉处时再把体内的热量释放出去,体温也会随之下降。
5.3.2生物对水的适应性
由于生物对水分的适应不同,通常把生物分成水生生物和陆生生物两大类。
就植物来说,水生植物又分为沉水植物、浮水植物和挺水植物三种;陆生植物包括湿生、中生和旱生三种类型。
(1)植物对水体的适应:
水生植物通气组织发达,以保证各器官对氧的需要;机械组织不发达甚至退化,以增强植物的弹性和抗扭曲能力,以适应水体流动;植物在水下的叶片多分裂成带状、线状,而且很薄,以增加吸收阳光、无机盐和C02的面积。
(2)植物对沙漠的适应:
植物在形态结构上的特征表现在增加水分摄取和减少水分丢失,即具有发达的根系和特化的叶片,还有一类植物具有发达的贮水组织;在生理特征上表现为植物高的原生质渗透压。
(3)昆虫体内水分平衡维持及生态适应:
昆虫主要通过从食物中获得水分,或利用体内贮存的营养物质代谢所产生的水,或通过体壁或卵壳吸收水分或直接饮水而获得水分;而失水则是通过体表蒸发、呼吸和排泄失水。
光合作用过程及主要环境影响因子:
1)光反应与暗反应
光合作用分为光反应(lightreaction)和暗反应(darkreaction)两个部分在光反应中发生水的光解、02的释放和ATP及还原辅酶II(NADPH)的生成;暗反应则是利用光反应形成的ATP
和NADPH,将C02还原为糖。
2)电子传递与光合磷酸化
3)C02还原与糖的合成
光合作用的暗反应,即C02的还原,是在叶绿体基质中进行的。
光反应中生成的ATP和NADPH在C02的还原中分别被用作能源和还原物质。
光、温、水、气、矿质
种群生态学
周限增长率;单位时间(如一个世代或年月日)内种群的增长率。
种群空间格局;种群的个体在其生存空间的分布形式
生命表;按照种群的年龄阶段,系统地观察并记录种群的一个世代或几个世代之中各年龄阶段的种群初始值、年龄特征死亡率、年龄特征生育力和生命期望值,以一定的格式而编制成的统计表。
集合种群;一组局域种群构成的种群特定年龄生育力;每个雌性昆虫的产雌个数,如果是整个种群,则要转化成雌性个体数。
偏利共生;种间相互作用仅对一方有利,而对另一方无影响。
偏害作用;当两个物种在一起时,由于一个物种的存在,对另一个物种起抑制作用,而自身却无影响。
似然竞争;当一个捕食者捕食二种猎物物种,也即是二个物种共享相同捕食者时,一个物种
个体数量的增加将会导致捕食者种群个体数量增加,从而加重对另一物种的捕食作用。
a-选择;基于相互干扰的竞争选择
功能反应;每个捕食者的捕食率随猎物密度变化的一种反应。
灵敏度分析
绝对密度和相对密度异同及调查方法
绝对密度的常用调查方法:
(1)、数量调查法(totalcount)。
将一个地方所有个体直接计数,由此得到种群密度的方法。
常见有人口统计调查法。
(2)取样调查法(samplingmethods):
样方法、标记重捕法、去除取样法
通过在几个地方或一个地方取几点计数种群的一小部分,由此估计种群整体的密度,这一类
调查方法称为取样调查法。
相对密度的调查方法:
1.动物计数(countsofanimals)。
以单位时间内或单位距离内的动物数量作为衡量种群数量多少的相对密度指标。
2.动物痕迹的计数(countsofanimalsigns)。
即根据动物痕迹的数量与种群数量的多少成正比的关系间接估计种群数量。
3.单位努力捕获量(catchperuniteffort)。
这种方法较少使用,只能用于一些经济动物,
4.毛皮收购记录(peltrecords)通过分析长期的毛皮收购记录,分析种群密度。
dN/dt=rN((K-N)/K)模型中参数r,k的生物学意义及其r,k对策者的主要特征
k:
空间被该个体所饱和时的密度(环境容纳量)r:
每个个体的种群增长率(瞬时增长率)。
1/r称为自然反应时间TR
汪辭就魁有蹄鈿嵋
rm
MIK
1.鮭辭
tarn
Hut.
活静力
3・却精
4-It型小
1.
ft
种群调节的几种主要学说及其争论焦点
二大学派争论焦点:
一是种群是否存在着平衡密度;
二是种群动态是由生物因子(密度制约因子)决定的,还是由非生物因子(非密度制约因子)
决定的。
生物学派承认种群存在着平衡密度,且是由生物因子的作用所决定的(调节)。
而气候学派则认为种群不存在着平衡密度,并认为种群波动的关键是受气象因素的影响。
种群的内禀增长率的计算方法及其应用
1)计算R0(争生殖率,Netproductiverate):
第t+1世代的雌性幼体出生数
R0=,即世代倍增率。
第t世代的雌性幼体出生数
R0=lxmx,此例中R0=3,即经一世代后,个体数是原来的3倍。
2)求平均世代长度(T)(meangenerationtime):
以母世代生殖到子世代生殖的平均时间来度量的。
由于后代不是同时出生的,发育也不整齐,
可通过下式得到其近似值。
lxmxx
T=
RO
在此例中,T=4/3=1.33(年)。
3)内禀增长率rm
dN
=rmN
dt
Nt=N0•erm•t
设t=T,NT/N0=erm•t
/•InR0=T-rm
rm=(lnR0)/T
单位为每时间单位(在此例中为年),本例中rm=(ln(3))/1.33=0.824。
4)计算(周限增长率,finiterateofincrease):
=erm
在此例中,=e0.824=2.2796/年。
即今年的每一个动物到明年可发展为2.2796个。
种群调节的3个外源性因子调节学说和3个内源性因子调节学说的主要学术观点
9.1气候学派
多以昆虫为研究对象,认为种群参数受天气条件强烈影响。
强调种群数量的变动,否定稳定
性。
9.2生物学派
主张捕食、寄生、竞争等生物过程对种群调节起决定作用。
9.3食物因素
认为就大多数脊椎动物而言,食物短缺是重要的限制因子。
气候学派、生物学派、食物因素的研究焦点都集中于外源性因子。
9.4自动调节学说自动调节学说研究焦点在动物种群内部。
特点包括强调种内成员的异质性,异质性可能表现在行为上、生理特征上火遗传性质上;认为种群密度的变化影响了种内成员,使出生率、死亡率等种群参数变化;主张把种群调节看成是物质的一种适应性反应,它经自然选择,带来进化上的利益。
自动调节学说又分为行为调节、内分泌调节和遗传调节。
9.4.1行为调节种内划分社群等级和领域,限制了种群不利因素的过度增长,并且这种“反馈作用”随种群密度本身的升降而改变其调节作用的强弱。
9.4.2内分泌调节种群增长因生理反馈机制而得到抑制或停止,从而降低了社群压力。
9.4.3遗传调节
当种群密度增高时,自然选择压力松弛下来,结果是种群内变异性增加,许多遗传型较差的个体存活下来,当条件回到正常时,这些低质的个体由于自然选择的压力增加而被淘汰,于是降低了种群内部的变异性。
种群的增加必然为种群密度的建设铺平道路。
两个物种种间相互作用的7种主要类型及其作用特点
5.1中性作用即种群之间没有作用。
事实上,生物与生物之间是普遍联系的,没有相互作用是相对的。
5.2正相互作用正相互作用可按其作用程度分为偏利共生、原始协作和互利共生三类。
5.2.1偏利共生
特征:
偏利共生在自然界较常见。
其主要特征为种间相互作用仅对一方有利,而对另一方无影响。
类型:
附生植物和被附生植物之间是一种典型的偏利共生关系,如地衣、苔藓等附在树皮上生长,但对附生植物种群无多大影响。
5.2.2互利共生特征:
互利共生多见于需要极不相同的生物之间,其主要特征为两物种长期共同生活在一起,
彼此互相依赖、互相共存、双方获利。
如果离开了对方,另一方就不能生存。
类型:
①有花植物和传粉昆虫的关系。
②高等植物与真菌(菌根)的关系。
③动物消化道中的互利共生。
5.2.3原始协作特征:
原始协作可以认为是共生的另一
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