复习生态学概论.docx
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复习生态学概论
1生态学
①定义:
生态学是有关生物与环境(栖息地)相互关系的科学。
或者,生态学是研究生物与环境相互关系的科学
赫克尔于1869年首先提出
②组织层次:
个体、种群、群落、生态系统等是生态学的研究内容
③研究生态学的目的及意义(了解)
人类面临严重的生存危机,5大危机即人口、粮食、能源、资源、环境的解决,生物多样性的保护,可持续发展等课题均需要借助于生态学的知识
④研究方法(了解)
可归纳为野外调查、实验研究、模型模拟研究等三方面。
野外调查是对难以或无法在实验室进行的生态现象、生态过程的实地考察;实验研究包括控制实验和实验室分析,控制实验是模拟自然生态系统中单项或多项因子相互作用及其对生物影响的方法;模型模拟研究是把研究对象视为系统,用各种模型,包括数学模型、研究和解决问题的方法
2生态因子
概念-----生态因子(ecologicalfactor):
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
生态因子的作用特征
①综合性与主导因子---每一个生态因子是在与其它因子的相互影响、相互制约中起作用的,任何一个因子的变化都会在一定程度上引起其他因子的变化。
因子的综合作用并不意味着对有机体起作用的诸多因子是等价的,恰恰相反,在诸多起作用的因子中,必然有一个起着主导作用
②不可替代性和互补性---生态因子虽非等价,但一般都不可缺少,一个因子的缺失不能由另一个来完全顶替。
但某一因子在数量上的不足,有时可以靠另一个因子的加强而得到调剂和补偿
③限定性---生物在生长发育的不同阶段往往需要不同的生态因子或生态因子的不同强度。
某一生态因子的有益作用常常只限于生长发育中的某一阶段
生物对环境的适应------适应包括趋同适应和趋异适应(了解)
趋同适应:
亲缘关系相当疏远的生物,由于长期生活于相同的环境中,通过变异、选择和适应,在器官形态等方面出现很相似的现象
趋异适应:
有些生物虽然同出一源,但在进化过程中在不同的环境条件的作用下变得很不相同
最小因子定律
-----在稳定状态下,当某种物质的可利用量最接近于该物种所需的临界最小量时,生物生长就会受到这种最小量因子的限制
木桶理论(Buckettheory):
木桶的盛水量取决于最短的那块木板。
最小因子定律和木桶理论相似。
耐受性定律(定义)
-----当任何一个生态因子在数量上或质量上不足或过多,超过某种生物能够耐受的极限时,均会使该种生物不能生存,甚至灭绝
限制因子定律
限制因子定律的定义:
在众多环境因子中,任何接近或超过某种生物的耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散的因素,这个因子称为限制因子
3生态位
概念---生物在环境中占据的位置【格林尼尔是第一个给生态位下定义的学者,他1917年提出空间生态位的概念】
应用
基础生态位(Fundamentalniche):
在生物群落中能够为某一物种所栖息的理论最大空间【但是实际上,当有竞争者时,很少有一个物种能全部占据基础生态位】
实际生态位(Realizedniche):
物种实际所能占有的生态位空间
4温度
耐受低温的方式(小题)
a.耐受冻结(Freezingtolerance):
有机体能耐受机体中水的结冰而不受冻害。
如摇蚊幼虫可以反复进行-25℃的冻结;
b.超冷(Supercooling):
体液低于冰点而不结冰。
某些昆虫可以超冷。
c.具有抗冻物质(Withantifreezesubstance):
南极鱼类具有抗冻物质(Trematomusborch-yrevink,一种糖蛋白),生活在-1.8℃的温度下体液不结冰
范霍夫定律(VantHoff’slaw)
定义:
在一定范围内,体温每增加10℃,变温动物的生理过程速率加快约2倍,我们把这种关系称为范霍夫定律或Q10定律。
表达式
t1、t2分别是时间1和时间2的体温,R1、R2分别是时间1和时间2的代谢率.
发育起点温度或生物学零度的定义
动物的生长发育是需要一定温度范围的,低于某一温度,动物就停止生长发育,高于这一温度,动物才开始生长发育,这一温度阈值就叫做发育起点温度或生物学零度
有效积温法则
外温动物完成其发育史所需要的一定总热量(热常数[thermalconstant]、总积温[sumofheat])
有效积温法则的表达式
上式中,K=热常数,即完成某一发育阶段所需要的总热量,用“日度”表示;N=发育历期,即完成某一发育阶段所需要的天数;T=发育期的平均温度;C=发育期点温度,即生物学零度。
意义:
植物熟制的安排;农业生产和虫害预报
生物对温度的进化反应
(1)阿伦定律:
在寒冷地区,动物的突出物比温和地区的要小。
适用范围宽。
(2)贝格曼定律:
在温和地区,鸟类和哺乳动物的个体大小比寒冷地区的小。
仅适用于种内比较。
(3)乔丹定律:
冷水鱼类的脊椎数量比温水的要多
5光照
①光合有效辐射:
绿色植物依靠叶绿素固定碳,这些叶绿素只能利用波长为380-710nm的太阳辐射,我们将380-710nm的波段称之为光合有效辐射
②植物对太阳辐射战略和战术响应(小题)
a.战略响应:
阴性和阳性物种,阴性物种比阳性物种能更有效地利用低强度的辐射光。
阳性物种的叶倾斜、多层排列。
阴性物种的叶水平、单层排列。
b.战术响应:
在同一棵树上,叶子可分为阴性叶和阳性叶。
阳性叶:
小、厚、含有较多的细胞、叶绿体和叶脉。
阴性叶:
大、透明、干重轻。
通常,阳性叶的光和作用能力是阴性叶的五倍
③光补偿点、光饱和点(重点之中,各种题型)
光补偿点:
光合作用随着光照强度增加而增加,光合作用率与呼吸作用率的交叉点就是光补偿点,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。
光饱和点(Saturationpoint):
在一定范围内,植物光合作用的效率与光照强度成正比,但是到达一定强度,倘若继续增加光强,光合作用的效率不仅不会提高,反而下降,这一转折点称为光饱和点
④长日照、短日照动物(掌握)
根据动物繁殖时间与日照长度的关系将动物划分为长日照动物和短日照动物。
长日照动物:
长日照动物在日照长度开始增加时开始繁殖,如鼬和大多数鸟类等。
短日照动物:
短日照动物在日照长度开始缩短时开始繁殖,如鹿类、绵羊、山羊等
6水分与体温
田间持水量
--------Fieldcapacity(田间持水量):
通过土壤孔隙抗重力所蓄积的水
土壤水中可供植物的利用量
可利用量的上限:
田间持水量。
可利用量的下限:
取决于植物从微土壤空隙中吸取水分的能力(Permanentwiltingpoint,永久萎蔫点)
影响土壤形成的五个因素(小题)
土壤生物、气候、地形、母质、时间
7种群
定义:
在一定空间中的同种个体的集合
单体生物与构件生物(小题)
(1)单体生物:
每个单体生物个体是由一个合子直接发育而来,个体的形态结构与发育具有高度的可预测性,如哺乳动物、鸟类、两栖动物、鱼类、昆虫等。
(2)构件生物:
由一个合子发育成一套构件组成的个体,其发育时间及形态结构是不可预测的。
如高等植物、水螅、珊瑚等。
种群密度包括绝对密度与相对密度了解掌握
绝对密度:
单位面积内的个体数量。
相对密度:
代表种群大小的相对指标。
D=n/(a·t)
【D是相对密度,n指个体数目,a指地区面积,t指时间】
种群密度的调查方法
绝对密度调查方法
(1)总数量调查:
对某一区域内的生物数量进行具体的点数,每个生物个体都要调查到。
(2)取样调查方法
a.样方法、b.标志重捕法、c.去除取样法
a.样方法:
在某一区域内,设置若干个样方,然后调查样方内的种群数量,由此推断总体的绝对密度。
b.标志重捕法的步骤如下
第一步:
从种群中,捕获M个个体,然后标记,则标记个体数量=M(本例中M=10)
第二步:
将标记的M个个体释放到原种群中,并留下足够的时间使这些个体与原种群中的未标记个体充分混合。
假设原种群的总体密度为N。
第三步:
再次捕获,共捕获到C个个体,本例中C=12。
第四步:
在再次捕获的12个个体中,有2个个体是前2步中标记后释放的个体,即重捕的个体数为R。
本例中R=2。
第五步:
重捕个体数:
第二次捕获的个体数=R:
C
第六步:
假设第一二步标记释放的个体数:
种群总体数量=重捕个体数:
第二次捕获的个体数。
即M/N=R/C。
故N=MC/R
在本例中,N=10*12/2=60。
c.去除取样法
⏹方法和原理:
在一个封闭的种群里,随着连续的捕捉,种群数量逐渐减少,因此化同样的捕捞力量所取得的收益——捕获数也逐渐降低,但另一方面,随着连续捕捉,逐次捕捞的累积数逐渐增加,因此如果将逐次捕捉数/单位努力量作为Y轴,对捕获量累积数(X轴)作图,就可以得到一个回归线。
可以想象,当单位捕捉量为零,意味着捕获累积量为种群的全部个体数(估计值)。
⏹例题
⏹适用:
鱼类、鸟类、昆虫等活动性动物。
⏹缺点:
使用时也有两个假设——即每一个体有相同受捕机会;在调查期间没有数量变动。
相对密度调查方法
a.捕捉法:
如放100个夹子,捕获10只东方田鼠,则东方田鼠的相对密度为捕获率即10/100*100%=10%;
b.粪堆计数,将粪堆数转化为动物个体数,如林麝每天排粪5堆,在野外调查中,调查面积为100公顷,一天调查完后你发现了6堆粪便,则相对密度为6堆/5(堆/天)/100(公顷)=0.012只/公顷。
c.鸣叫计数,将鸣叫数转化为鸟类数量;
d.毛皮收购记录,一张兽类毛皮对应一个兽类个体,则收购站每年收购毛皮的数量可以作为兽类密度的间接指标,即相对密度;
e.单位渔捞努力的鱼数或生物量,如一艘船每日捕捞刀鱼1000条,则刀鱼的相对密度为1000条/天/船;
f.痕迹计数,如足迹、巢穴等,可以将兽类每天留下来的足迹数转化为一个个体,如林麝每天留下100个足迹,在野外调查中,调查面积为100公顷,一天调查完后你发现了60个足迹,则相对密度为60(个)/100(个/天)/100(公顷)=0.006只/公顷。
种群特征重点小题大题
初级种群参数(Primarypopulationparameters)
出生率(Natality),死亡率(mortality),迁入(immigration),迁出(emigration)
次级种群参数(Secondarypopulationcharacteristics)
年龄结构(Agedistribution),性别比例(sexratio),种群增长率(populationgrowthrate),分布型(patternofdistribution)
出生率(Natality,orbirthrate)
出生率:
每个个体生产新个体的能力。
可分为最大出生率和生态出生率。
最大出生率:
在理想的条件下(即食物、空间等资源不受限制时,排除疾病的干扰)种群的出生率(此时的出生率只受生物的生理特征限制)。
生态出生率,又称为实际出生率,在特定的条件下种群的实际出生率。
特定年龄出生率是指种群某年龄组每个个体平均产生的新个体(后代)数(即生育力或繁殖力)。
死亡率(Mortality,ordeathrate)
死亡率:
特定时间段内,死亡个体数与该时间段内种群平均数量的比值。
最低死亡率:
在理想环境条件下(即食物、空间等资源不受限制时,排除疾病的干扰)种群的死亡率,此时所有个体均活到生理寿命才死亡。
生态死亡率,又称为实际死亡率,在特定环境条件下,种群受到食物短缺、捕食及疾病干扰等的情况下的死亡率。
迁入与迁出(immigrationandemigration)
⏹扩散(Dispersal)包括迁入与迁出,扩散有助于种群内与种群间个体的交流、防止近亲繁殖、提高种群的遗传多样性。
⏹迁入率与迁出率测度方法
年龄结构(Agestructure)小题大题
⏹定义:
不同年龄组在种群中所占的比例或配置情况。
⏹按生态时间可以将种群的年龄结构划分为3种:
繁殖前期、繁殖期和繁殖后期。
⏹年龄金字塔:
横柱的宽度表示处于不同生态时期的个体数量,从低到高表示年龄依次增加,以这样的多层横柱所绘制的图就叫年龄金字塔。
年龄金字塔是分析年龄结构的有用工具。
⏹
⏹年龄金字塔分为三种类型:
增长型种群、稳定型种群和下降型种群
⏹三种年龄金字塔的特征
类型
特征
形状
增长型
1.幼年个体数量多,老年个体少
2.出生率大于死亡率
3.种群增长
正金字塔型
稳定型
1.幼年、中年、老年个体数量大于相等
2.出生率等于死亡率
3.种群数量保持不变
钟型
下降型
1.幼年个体少,老年个体多
2.出生率小于死亡率
3.种群下降
壶型
存活曲线(Survivorshipcurve)小题大题
⏹存活曲线可以用来研究与描述种群的死亡过程,以相对年龄为横坐标,存活lx的对数为纵坐标,可以绘制成存活曲线图。
⏹存活曲线的种类
⏹三种存活曲线的特征
类型
特征
例如
Ⅰ型
幼年存活率高,大多数个体在老年时死亡。
人类、大熊猫、大角羊、山羊、华南虎等
Ⅱ型
幼年、中年、老年个体死亡率相似
小型哺乳动物、成鸟、水螅等。
Ⅲ型
幼年个体死亡率高,之后死亡率低。
鱼类、大多数无脊椎动物、牡蛎等。
种群的空间分布型(Spatialdistributionpatternofpopulation)小题
⏹三种空间分布型的特征及其形成过程
类型
特征
形成过程
随机分布
个体在任何地方
出现的机会相同
个体间的相互作用及个体与环境间的相互作用表现为中性
均匀分布
任何两个个体
间距离相等。
由个体间相互敌对作用或资源的局域性耗竭造成。
聚集分布
个体多度高的地方
由多度低的地方隔离开。
个体间相互吸引或者为共同资源所吸引。
⏹检验方法:
方差/平均数比率法
上式中S2为样方个体数的方差,m为样方个体的平均数,x为样方中的个体数,f为出现的频率,n为样方总数。
●均匀分布:
S2/m=0
●随机分布:
S2/m=1
●聚集分布:
S2/m>1(明显大于1)
⏹样方大小对种群空间分布格局的影响
阿利效应(Alleeeffect)(名词解释、看图说话)
种群过剩(overpopulation)和种群过低(underpopulation)对种群都是不利的,可能对种群产生抑制性影响,只有种群密度适中时对种群最为有利,此时种群增长率最大。
FigureBshowsAlleeeffect
密度制约与非密度制约
(1)密度制约(densitydependence):
种群参数如出生率、死亡率随着密度的改变而改变。
一般情况下,随着栖息地变得越来越拥挤,死亡率增加;由于竞争及资源缺乏,出生率下降。
在有些情况下,死亡率随着密度的增加而下降,出生率随着密度的增加而上升。
(2)非密度制约(densityindependence):
出生率和死亡不随密度的改变而改变。
非密度制约增长模型(Densityindependencegrowthmodel)小题不做重点
几何增长模型(Geometricgrowthmodel),又称为离散增长模型(Discretegrowthmodel),曲线呈“J”型。
(1)模型的假设(Assumptions)
①种群增长是无界的,即设种群在无限的环境中增长,没有受资源、空间等条件的限制[Resourceunlimited];
②世代不相重叠,增长是不连续的,或称离散的[Non-overlappinggeneration]
③种群没有迁出、迁入[Unconsideringimmigrationandemigration]
④没有年龄结构[Agestructureisnotconsidered]
(2)增长模型(Mathematicalmodel)
Nt+1=λNt
由上式可以推出下式
Nt=λtN0
上式中λ为周限增长率,Nt是t时刻的种群数量。
Whereλisthefiniterateofincrease(周限增长率),Ntisthepopulationsizeattimet
(3)模型参数或模型行为(Parameterorbehaviorofmodel)
当λ大于1时,种群增长[Whenλismorethan1,thepopulationsizeincreases];
当λ=1时,种群保持稳定[Whenλisequalto1,thepopulationstaysstable];
当λ小于1时,种群下降[Whenλislessthan1,thepopulationdecreases]。
如图所示(此处R0=λ)
指数增长模型(Exponentialgrowthmodel)
(1)模型的假设(Assumptions)
①种群增长是无界的,即设种群在无限的环境中增长,没有受资源、空间等条件的限制[Resourceunlimited];
②世代重叠,增长是连续的[Overlappinggeneration]
③种群没有迁出、迁入[Unconsideringimmigrationandemigration]
④没有年龄结构[Agestructureisnotconsidered]
(2)数学模型(Mathematicalmodel)
dN/dt=rN
由上式得到下式
Nt=N0ert
N0开始时的种群密度,其他定义如前,r是种群的瞬时增长率。
⑶模型的行为(Behaviorofmodel)
r>0,种群增长;
r=0,种群数量保持不变;
r<0,种群下降。
由于er=λ,所以有如下关系(下表)
生物入侵:
由于某种原因,某生物进入新分布区并得到迅速扩展蔓延的过程,即为生物入侵(ecologicalinvasion)。
(了解)
气候学派(climateschool)小题
最早提出气候是决定昆虫种群密度的是以色列的博登海默,他认为天气条件通过影响昆虫的发育与存活来决定种群密度,如昆虫早期死亡率有80%-90%是由于天气条件引起的。
●主要观点:
气候因子在种群调节中的决定性因素。
●主要支持者:
博登海默(Bodenheimer,Israelite,1928)、安德烈沃斯(Andrewartha,Australian)、伯奇(Birch,Australian),etc。
●气候学派属于非密度制约种群调节。
●生物潜能:
生物种群具有一个固有的不变的增殖能力,称为生物潜能或生殖潜能。
种群增长=生物潜能-环境阻力。
生物学派(bioticschool)小题
●主要观点:
生物因子如种间竞争、捕食、寄生等种间关系,食物等等生物因子对种群调节起决定性的作用。
●主要支持者:
尼科森、史密斯(Smith)、拉克(Lack)等。
●属于密度制约种群调节。
以上各种有关种群调节的学说,都集中在外源性因素上,均未涉及到种群自身的内部调节因素问题。
下面介绍强调内因的自动调节学派。
自动调节学派(Self-regulationschool)小题
自动调节学派属于种群的内源性调节(endogenousregulation),按其强调点不同又可分为行为调节学说、内分泌调节学说和遗传调节学说三派。
●三种自动调节学说的三个共同点:
(1)自动调节学派强调种群调节的内源性因素,而其他学派(如气候学派、生物学派)都是强调外因的。
强调外因的学派都有一个共同的特点,即把种群内的个体都看成是相同的,忽视种群内个间的异质性。
(2)自动调节学派的另一个共同前提是,种群密度自身影响本种群的出生率、死亡率、迁入、迁出、性成熟等种群特征、参数。
自动调节学派是建立在负反馈理论的基础之上的。
(3)第三个共同特点是,种群的自动调节是各物种所具有的适应性特征,这种适应性特征对于种内成员整体来说,能带来进化上的利益。
因此,它将经受自然选择的考验。
●行为调节学说[Behavioralregulation-WynneEdwards’(温•爱德华)theory]
种群中的成员——选择最适合地段作为个体领域,保证存活和繁殖,但栖息地中这样的地段总是有限的,随着密度的提高,全部最适地段被占,次适地段成为余下个体的首选,——直到全部栖息地被占,此时,若种群密度过大,还有剩余个体,则每个个体的领域被迫缩小(调整),但这种调整也有限度,因此,必然有部分个体成为“多余”,它们因为得不到应有的资源(食物、栖息地和繁殖条件等)而易于遭捕食、疾病或不良天气的侵害而死亡率大增,从而从种群中消失,或因不能繁殖导致种群出生率的下降;或种群外迁,直接导致种群密度的降低。
●内分泌调节学说[Endocrinalregulation–Christian’s(克里斯琴1950)theory]
当种群数量上升时,种群内个体间的“紧张”(社群压力)显著增加,——中枢神经系统——脑垂体——肾上腺:
一方面使生长激素分泌减少,种群生长和代谢受到障碍,有的个体因低血糖休克病而直接死亡,大多数个体也因此降低了对外界不利环境条件的抗性而使种群死亡率增加;另一方面,社群压力的增加,还会使促肾上腺皮质激素的增加,导致性激素分泌的减少,使种群的生殖能力受到抑制,种群出生率降低。
●遗传调节学说[Geneticregulation-Chitty’s(奇蒂1974)theory]
种群普遍存在遗传多型(或者多态性):
最简单的例子来说是遗传二型:
一部分个体(具有遗传一型)适合于低密度环境,繁殖率高,喜居留,不富进攻性;另一型适合于高密度,富进攻性,繁殖率低,活动性强,喜迁徙。
因此,当种群数量低且处于上升期时,自然选择适合于低密度的基因型的个体,繁殖率升高,使种群数量增加,但是,种群数量上升到很高时,自然选择又有利于高密度基因型个体,这时个体间进攻性增加,死亡率增加,繁殖率下降,有的个体外迁,种群密度下降。
主要定律及效应掌握
●哈温定律(哈代-温伯格定律,Hardy-Winberg’slaw)
在一个很大的种群中,个体的交配完全随机,没有优先配对,没有其他因素干扰(如突变、选择、迁移或漂变等),则种群的基因频率和基因型频率在各代将保持不变。
●遗传漂变(geneticdrift)
在一个大的种群中,由于一个或一些个体的死亡而导致某种基因从种群中消失的可能性是很低的,因为其他个体具有相同的基因。
在小种群中,一些个体的死亡常导致携带在这些个体上的那些基因从种群中消失。
遗传漂变的定义:
指基因频率在小的种群里随机增减的现象。
●遗传瓶颈(geneticbottleneck)
A、定义:
种群遭到环境灾变和过度利用影响之后,其数量将急剧下降,这种情况下,种群将受到遗传瓶颈效应的影响。
B、种群经历遗传瓶颈效应影响后的二种后果:
a、种群走向灭绝
b、种群崩溃后,数量又得到恢复,一些世代后,其遗传多态型仍将会很低。
●奠基者效应(Foundereffect)
定义:
当一个种群是由
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