生态学00001.docx

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生态学00001

生态学

第一章

地球上生物圈中所有的生物（动物、植物、微生物）

生物多样性的三个层次：

基因多样性、物种多样性、生态多样性。

地球上存在生命的部分称之为生物圈。

生物圈的范围:

水平面向上10km,向下10km.

包括：

大气圈的底层（对流层）、水圈、岩石圈的上层（风化壳）。

生态学定义：

是研究生物与环境相互作用的学科，生物受制于环境，又受惠于环境。

是研究生物在其生活过程中与环境关系的学科。

生态学的研究方法

野外：

观察和记载收集资料。

实验：

是分析生态事例因果关系有用的补充手段，

理论：

是最常用的研究方法，主要是利用数学模型进行模拟研究。

第二章

环境指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。

生态因子：

是指环境中对生物生长、发育生殖、行为和分布有直接影响的环境要素。

生态因子作用的五大特征：

综合作用、主导因子作用、直接作用和间接作用、阶段性作用、不可替代性和补偿作用。

限制因子：

在众多环境因子中，任何接近或超过某生物的耐受性极限而阻止其生存、生长、繁殖或扩散的因素称为限制因子

Liebig最小因子定律与Shelford耐性定律区别：

前者主要考虑到最小限制因素，后者则考虑最高有考虑到最低。

生态幅（生态价）：

每种生物对一种生态因子都有一个耐受范围，即一个生态学上的最低点和一个生态学上的最高点，在最高点和最低点之间的范围就称为生态幅或生态价。

生态因子的生态作用：

光、温度、水、土壤

绿色植物的光合作用有效范围是380－700nm之间。

光补偿点：

在透光带的下部，植物光合作用量等于呼吸作用消耗量时的光照强度。

在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：

一定范围内，光合作用的效率与光强成正比，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再增加，或者增加很少，这时的光强度称为光饱和点。

阳性植物：

对光的要求较高，需要的光补偿点较多。

阴性植物：

只需一点光就可达到饱和点，需要的光补偿点少。

光周期现象：

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。

花期调控的方法是对光敏感植物进行长日照、短日照、光暗颠倒来处理。

长日照处理

长日照植物——促进开花

短日照植物——抑制开花

短日照处理

长日照植物——抑制开花

短日照植物——促进开花

光暗颠倒

昙花都是在夜间开花，到零点左右败谢，时间只有4个小时，全株上的花朵还具有同时开放的习性。

三基点温度：

最低、最适宜、最高温度；

植物的春化作用、树木年轮的形成。

有效积温法则

概念：

生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。

K——该生物所需的有效积温，它是一个常数

N——发育历程，生长发育所需时间

T——发育期间的平均温度

T0——发育起点温度，又称生物学零度

有效积温K和生物学零度C的计算

最简单方法：

在两种实验温度（T1和T2），分别观察和记录两个相应的发育时间N1和N2值。

因为K1=N1（T1-T0）

K2=N2（T2-T0）

K1=K2

所以T0=（N2*T2-N1*T1）/（N2-N1）

代入有效积温公式即可求出K。

有效积温法则的意义

预测生物发生的世代数；

预测生物地理分布的北界；

预测害虫来年的发生程度；

制定农业气候区划，合理安排作物；

应用积温预报农时。

生物对极端温度的影响和适应

低温对生物的影响：

当温度低于一定数值，生物便会因低温而受害，这个数值称为临界（下限）温度。

低温对生物的伤害可分为冷害、霜害和冻害。

、

冷害：

喜温生物在零度以上的温度条件下受害或死亡。

霜害：

当地气温下降到零度，空气中过饱和的水气凝结成白色冰晶而使生物受害的现象。

冻害：

指冰点以下的低温使生物体内（细胞内和细胞间隙）形成冰晶而造成损害。

高温对生物的影响：

当温度超过某一数值，即临界（上限）温度，对生物产生有害作用，如蛋白质变性、酶失活、破坏水份平衡、氧供应不足、神经系统麻痹等。

生物对低温的适应

植物

通过特殊的形态适应低温。

减少细胞中的水分并增加糖类、脂肪、色素以降低冰点

动物

增大体形，个体大的动物，单位体重的散热量小（贝格曼规律）

减少突出部位，以减少散热量（阿伦定律）

增加羽毛和皮下脂肪，并具有隔热性良好的皮毛，可不增加或少增加新陈代谢以御寒

贝格曼规律：

生活在寒冷气候中的内温动物的身体比生活在温暖气候中的同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是减少散热的适应。

阿伦规律：

寒冷地区的内温动物较温暖地区内温动物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明显趋于缩小的现象，称阿伦规律，是减少散热的适应。

生物对高温的适应（形态、生理、行为适应）

v形态上的适应

▪植物：

密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或暂时折叠，减少辐射伤害；干和茎具厚的木栓层，绝热。

▪动物：

体形变小，外露部分增大；腿长将体抬离地面；背部具厚的脂肪隔热层，背部色素变淡。

v生理上的适应

▪植物：

降低细胞含水量，增加糖或盐浓度，减缓代谢率，增强原生质抗凝结能力；蒸腾作用旺盛，降低体温；反射红外光。

▪动物：

放宽恒温范围；贮存热量，减少内外温差。

v行为上的适应

▪动物：

休眠，穴居，避阴，昼伏夜出等。

渗透作用：

两种不同浓度的溶液隔以半透膜（允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜），水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。

或水分子从水势高的一方通过半透膜向水势低的一方移动的现象

根据植物对土壤酸度的反应，可以把植物划分为酸性土、中性土、碱性土植物生态类型；

盐土：

盐土所含的盐类主要为NaCl、Na2SO4，这两种盐类都是中性盐，所以一般盐土的pH是中性的，土壤结构尚未破坏。

盐土对植物生长发育的不利影响：

引起植物的生理干旱；

伤害植物组织；

引起细胞中毒；

影响植物的正常营养；

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，即使在干旱期也是如此，因此植物容易干旱枯萎。

第三章

种群：

是指在同一时期内占有一定空间的同种生物个体的集合。

种群密度:

单位面积上的个体数目，以符号N来表示。

绝对密度:

指单位面积或空间的实有个体数。

相对密度:

单位面积或空间上个体数量的相对多少程度，常用百分比表示。

绝对密度的调查方法

总数量调查法、样方法、标志重捕法

标志重捕法

N:

M=n:

m

N为样地个体总数；M为标志数；n为重捕个数；m为重捕中标志数。

单体生物:

个体很清楚，各个个体保持基本一致的形态结构，它们都由一个受精卵发育而成

构件生物：

由一个合子发育而成一套构件组成的个体。

在其生长发育的各个阶段，基本构件单位反复形成，有机体逐渐增加。

种群的年龄结构：

不同年龄组的个体在种群内的比例或配置状况。

年龄金字塔（年龄锥体）：

用从自上到下一系列不同宽度的横柱做成的图，横柱的高低表示由幼体到老年的不同年龄组，横柱的宽度表示各个年龄组的个体数或其所占的百分比。

年龄金字塔的三种类型：

（1）增长型种群：

基部宽，顶部窄。

表示种群有大量幼体而老年个体较小，反映该种群比较年轻并且种群的出生率大于死亡率，是迅速增长的种群

（2）稳定型种群：

大致呈钟型，从基部到顶部具有缓慢变化或大体相似的结构，说明幼年个体和中老年个体数量大致相等，出生率与死亡率大致相等，种群数量处于相对稳定状态（图b）。

（3）下降型种群：

呈壶型，基部比较窄、而顶部比较宽。

表示种群中幼体比例很小而老的个体的比例较大，种群的死亡率大于出生率。

说明种群数量趋于下降，为衰退种群（图c）

种群增长率:

ｒ＝lｎRo/Ｔ

Ro（世代净增长率）：

经过一个世代后的净增长率。

Ｔ为世代时间，指种群中子代从母体出生到子代再产子的平均时间。

从上式来看，r值的大小，随R0增大而增大，随T值增大而变小。

控制人口途径：

降低Ro值：

降低世代增值率，限制每对夫妇的子女数；

Ｔ值增大：

推迟首次生殖时间或晚婚来达到。

内禀增长率:

指当环境（空间、食物和其他有机体）是无限制的，在该理想条件下，稳定年龄结构的种群所能达到的恒定的、最大增长率（rm）。

也称为生物潜能或生殖潜能。

一、种群在无限环境中的指数式增长

1、世代不重叠种群的离散型增长模型

（1）模型的假设

a种群在无限环境中生长，不受食物、空间等条件的限制

b世代不相重叠，种群增长是离散的，无年龄结构

c种群无迁出和迁入

（2）数学模型

Nt+1=λNt或Nt=N0λt

其中N为种群大小，t为时间，λ为种群周限增长率

（3）模型的生物学意义

a根据此模型可计算世代不相重叠种群的增长情况；

b根据λ值可判断其种群动态。

λ>1，种群上升

λ=1，种群稳定；

1>λ>0,种群下降；

λ=0，种群无繁殖现象，

且在下一代灭亡

2、世代重叠种群的连续增长模型

（1）模型的假设

a种群在无限的环境中生长，不受食物、空间等条件的限制

b世代重叠，种群增长是连续的，具有年龄结构。

c种群无迁出和迁入

（2）数学模型

dN/dt=rN（积分形式Nt=N0ert）

其中N为种群大小，t为时间，e为自然对数的底，r为种群的瞬时增长率。

（3）模型的生物学意义

a根据此模型可计算世代重叠种群的增长情况；

b根据r值可判断其种群动态。

r>0，种群增长；

r=0,种群稳定；

r<0，种群下降；

r=-∞,种群无繁殖现象，且在下一代灭亡。

d以1/r作为估计种群受到干扰后恢复平衡的时间。

r值越大，种群增长越快，种群恢复平衡所需时间越短；

r值越小，种群增长越慢，种群恢复平衡所需时间越长。

e用生命表数据求种群瞬时增长率（r）与周限增长率（λ）

r=lnλ或λ=er

（1）r值为正值、负值或零，分别表示种群的正增长、负增长或零增长；而λ表示的是t+1时刻与t时刻的种群数量的比值（Nt+1/Nt）。

（2）r值具有可加性，例如某一褐家鼠种群的瞬时增长率r，若以周为时间单位来表示，则r=0.104，但若以年为时间单位（每年52周），则r=0.104×52≈5.4。

二、种群在有限环境中的逻辑斯谛增长

（1）模型的假设

a设想有一个环境条件所允许的最大种群值，此最大值称为环境容纳量或环境负荷量，通常用K表示。

当Nt=k时，种群的增长率是多少？

b密度对种群增长率的影响是简单的，即种群中每增加一个个体，对种群增长力的降低就产生1/K的影响。

c种群密度的增加对其增长率降低的作用是立即发生的，无时滞。

d世代重叠，种群增长是连续的，具年龄结构，无迁移现象。

（2）逻辑斯谛增长的数学模型

在前述指数增长方程（dN／dt=rN）上增加一个密度制约因子（1-N／K）

t时间种群增长率=内禀增长率×种群大小×密度制约因子

其积分式为：

式中参数α的值取决于N0，表示曲线对原点的相对位置。

逻辑斯谛曲线常划分为五个时期：

（1）开始期：

也可称潜伏期，种群个体数很少，密度增长缓慢；

（2）加速期：

随着个体数增加，密度增长逐渐加快；

（3）转折期：

当个体数达到饱和密度一半（即K／2）时，密度增长最快；

（4）减速期：

个体数超过K／2以后，密度增长逐渐变慢；

（5）饱和期：

种群个体数达到K值而饱和。

逻辑斯谛增长模型的意义：

（1）它是许多两个相互作用种群增长模型的基础；

（2）它也是渔业、林业、农业等实践领域中，确定最大持续产量（maximunsustainedyield）的主要模型；

（3）模型中两个参数r、K，已成为生物进化对策理论中的重要概念。

r为物种的潜在增殖能力：

不受环境约束时的理论值；

K为环境容纳量：

制约着r，也可随环境改变。

自然种群的数量变动

增长、季节消长、不规则波动、周期性波动、种群爆发、种群平衡、种群的衰落与灭亡、生态入侵

繁殖：

有机体生产出与自己相似后代的现象。

是生物形成新个体的所有方式的总称，包括营养繁殖、孢子生殖和有性生殖。

无性生殖

营养繁殖：

从生物营养体的一部分生长发育为一个新个体的繁殖方式；

孢子生殖：

生殖细胞即孢子，不经过有性过程而直接发育成新个体的繁殖方式；

有性生殖：

通过两性细胞核的结合形成新个体的繁殖方式。

繁殖成效：

个体现时的繁殖输出与未来繁殖输出的总和。

它是衡量个体在生产子代方面对未来世代生存与发展的贡献。

繁殖价值（RV）：

指在相同时间内特定个体相对于新生个体的潜在繁殖贡献。

包括现时（当年）繁殖价值和剩余繁殖价值两部分。

前者表示当年生育力（M），后者表示余生中繁殖的期望值（RRV）

亲本投资：

有机体在生产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费。

繁殖策略

生态对策（生活史对策）：

生物适应于所生存的环境并朝着一定的方向进化的对策。

繁殖策略：

表示生物繁殖方面对它所处生存条件的适应方式。

非密度制约因子：

与种群数量无关的因素，如：

温度、降水等环境因素和食物因素。

密度制约因子：

由于种群内各个体自身的关系，其密度的变化影响着种群数量的波动。

r-选择

r-选择：

生活在条件严酷和不可预测环境中，种群死亡率通常与密度无关，种群内的个体常把较多的能量用于生殖，而把较少的能量用于生长、代谢和增强自身的竞争能力。

r-策略者：

采取r-选择的生物称r-对策者，通常是短命的，生殖率很高，可以产生大量的后代，但后代的存活率低，发育快，成体体形小。

r-选择的优缺点

优点：

生殖率高，发育速度快，世代时间短。

后代数量多，通常具有较大的扩散迁移能力，可迅速离开恶化的环境，在其他地方建立新种群，由于高死亡率、高运动性和连续面临新环境，可能使其成为物种形成的新源泉。

缺点：

死亡率高、竞争力弱、缺乏对后代的关怀，高的瞬时增长率必然导致种群的不稳定性，因此，种群的密度经常激烈变动。

K-选择

K-选择：

生活在条件优越和可预测环境中，其死亡率大都取决于密度相关的因素，生物之间存在着激烈的竞争，因此种群内的个体常把更多的能量用于除生殖以外的其他各种活动。

K-策略者：

采取K-选择的生物称K-对策者，通常是长寿命的物种，种群数量稳定，竞争能力强，个体大但生殖力弱，只能产生很少的后代，亲代对后代有很好的关怀，发育速度慢，成体体形大。

K-选择的优缺点

优点：

种群的数量比较稳定，一般保持在K值附近，一般不超过此值。

因此，导致生境退化的可能性较小。

具有个体大和竞争能力强的特征，保证其在生存竞争中取胜。

缺点：

由于繁殖率较低，一但遇到危害，种群数量很难恢复，甚至灭绝。

r-对策生物与K-对策生物的差异

二者在生物学特性上存在差异。

在生存竞争中，k-对策生物以质取胜，r-策生物以量取胜。

k-对策生物将大部分能量用于提高存活力，r-对策生物将大部分能量用于繁殖。

植物的密度效应：

植物种群个体数增加到一定程度时，邻接个体间的互相影响,称之为密度效应或邻接效应。

1.最后产量恒值法则

在一定范围内，当条件相同时，不管植物种群的密度如何变化，但最后的产量是基本一致的。

最后产量恒值法则的原因：

在高密度时，个体间竞争加剧，个体生长受阻，个体变小，构件数减少。

单位面积产量可用密度和平均单株重量表示：

Y=W·d

Y-单位面积产量，W-植物个体的平均干重，d-密度。

当密度不断加大时，平均单株重量不断下降，最终出现最后产量恒值现象。

2.“-3/2”自疏定律

在高密度的种群中，某些个体因竞争而死亡，即出现种群“自疏现象”。

在种群自疏过程中，存活个体的平均单株重量（w）与种群密度（d）的关系为：

w=c·d-a

Harper等发现，黑麦草在播种密度最高的样方首先出现自疏。

其斜率为-3/2。

即：

w=cd-3/2

lgw=-3/2lgd+lgc

领域性：

由个体、家庭或其他社群单位所占据，并积极保卫不让同种其他成员侵入的空间。

影响领域行为的因素

领域占有者的体重

领域占有者的食性

生活史

领域的特征

排他性

伸缩性

替代性

领域的意义

隔离作用：

领域行为将可利用栖息地划分为若干单元，促进个体或群体的合理分布，减少种内竞争。

调节种群数量：

无领域者不能繁殖。

有利于繁殖：

有利于繁殖的领域会长期占领，否则，将另择他地。

自然选择：

领域剔除了弱小个体，因此成为一种进化力量。

他感作用：

植物通过向体外分泌化学物质，直接或间接影响其他植物生长发育的现象。

这也是种间关系的一部分，是生存竞争的一种特殊形式

他感作用的生态学意义

歇地现象

连作影响作物长势，降低产量的现象。

影响植物群落中的种类组成

影响植物群落的演替

他感作用是引起植物群落演替的重要内因。

种间竞争模型

i.Lotka-Volterra模型

假设有两个种群，单独生长时符合Logistic模型,

即：

物种1：

dN1/dt=r1N1（K1-N1/K1）

物种2：

dN2/dt=r2N2（K2-N2/K2）

（K-N）/K为剩余空间

当两物种共用空间时，物种1和物种2的剩余空间：

（K1-N1-αN2）/K1（物种1）

（K2-N2-βN1）/K2（物种2）

其中：

α：

物种2对物种1的竞争系数

β：

物种1对物种2的竞争系数

二种群增长模型为：

dN1/dt=r1N1（K1-N1-αN2）/K1（物种1）

dN2/dt=r2N2（K2-N2-βN1）/K2（物种2）

K1>K2/β;K2

K2>K1/α，K1

群落：

在特定空间或特定生境下，具有一定的生物种类组成及其与环境之间彼此影响、相互作用，具有一定的外貌及结构（形态结构和营养结构），并具有特定功能的生物集合体。

群落的基本特征

1.具有一定的外貌

2.具有一定种类组成（物种数和个体数）：

是区别不同群落的首要特征

3.具有一定结构：

形态结构、生态结构、营养结构。

4.形成群落环境：

定居生物对生活环境的改造结果。

5.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（种群构成群落的两个条件）。

6.具有一定的动态特征：

季节动态、年际动态、演替与演化。

7.具有一定的分布范围：

特定的地段或特定的生境。

8.群落的边界特征：

或明确或不明确的边界。

植物群落研究中常用的群落成员型分类（4类）

优势种和建群种、亚优势种、伴生种、偶见种或罕见种

边缘效应：

群落交错区种的数目及一些种的密度增大的趋势被称为边缘效应。