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第3章 能量环境
3.1 地球上光及温度的分布
3.2 生物对光的适应
3.3 生物对温度的适应
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地球上的能量类型
太阳能（光能）: 植物可利用的能量
地热能
风能
化学能：少数低等生物可利用的能量
有机物中包含的化学能：高等生物可利用的能量
其他能量
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3.1 地球上光及温度的分布
3.1.1 地球上光的分布
（1）太阳辐射及其光谱组成
（2） 地球上光的分布规律
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500 1000 2000 3000 4000
可
见
光
红
外
线
紫
外
线
波长nm
能
流
强
度
（1）太阳辐射及其光谱组成
紫外光：波长<380nm，
9%
可见光：波长380～760nm，45%
红外光：波长>760nm， 46%
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（2）影响太阳辐射的因素和光的分布规律
影响地表太阳辐射的因素
大气圈，太阳高度角，纬度和季节，海拔、坡度和坡向
光质(光谱成分)
低海拔、高纬度长波光多，高海拔、低纬度短波光多
夏季、中午短波光多，冬季、早晚长波光多
日照时间
夏季昼长夜短、冬季昼短夜长
纬度升高、变化加大，两极有极昼、极夜
光照强度
低海拔、高纬度光照强度弱，高海拔、低纬度光照强度大
夏季、中午光照强度大，冬季、早晚光照强度弱
(北半球)南坡光照强度大，北坡光照强度弱
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地球表面的太阳辐射
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春
秋
夏
冬
秋
春
冬
夏
The seasons in the Northern and Southern Hemispheres
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3.1 地球上光及温度的分布
3.1.2 地球上温度的分布
（1）大气温度的分布与变化
（2）土壤温度的分布与变化
（3）水体温度的分布与变化
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（1）地表大气温度的分布与变化
空间分布与变化
纬度升高1°，气温降低0.5℃
沿海地区气温变化小，内陆地区变化大
南坡气温较北坡高，海拔升高100m，气温降低0.6～1℃
逆温现象
时间变化
日较差：随纬度增高减小，随海拔升高而增加
年较差：随纬度增高增大，大陆性气候越强越大
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（2）土壤温度的分布与变化
土壤温度与气温相关
土壤温度变化与深度有关
土壤温度变化时间较气温滞后，且与深度有关
温度变化周期与深度相关
土壤温度的年变化与纬度、海拔有关
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土壤与空气温度变化比较
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（3）水体温度的分布与变化
水温的时间变化
变化幅度较气温小
不同深度水体的日变化
不同深度水体的年变化
水温的成层现象
水温分层：上湖层、斜温层(温梯层)和下湖层
春季环流和秋季环流
低纬度地区：雨季和干季
海洋：低纬度水域、中纬度水域
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温带深水湖水温垂直变化
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3.2 生物对光的适应
3.2.1 光质的生态作用和生物的适应
（1）光质的生态作用
（2）生物对光质的适应
3.2.2 光照强度的生态作用和生物的适应
（1）光照强度的生态作用
（2）植物对光照强度的适应
（3）动物对光照强度的适应
3.2.3 生物对光周期的适应
（1）生物的昼夜节律
（1）生物的光周期现象
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3.2.1 光质的生态作用和生物的适应 （1）光质的生态作用
叶绿素的吸收光谱
蓝紫光：430～450nm 红光：640～660nm
不同光质的作用
蓝紫光：促进蛋白质的合成 红光：促进糖的合成
青光、蓝紫光和紫外线等短波光抑制植物的伸长生长，使植物向光性更敏感
紫外线能杀菌，对生物体造成损伤，促进维生素D的合成
红外线是地表的基本热源，对外温动物的体温调节和能量代谢有决定性作用
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（2）生物对光质的适应
太阳鱼视力的灵敏峰值为500～530nm
绿色植物和绿藻、红藻、褐藻和硅藻光合色素的差异
高山植物含花青素、页面缩小、毛绒发达
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3.2.2 光照强度的生态作用和生物的适应 （1）光照强度的生态作用
影响动物的生长发育
影响动物的体色
影响植物叶绿素的形成
黄化现象
影响植物细胞的增长和分裂、组织器官的生长和分化
影响植物花果的数量和质量
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（2）植物对光照强度的适应
植物的向光性
植物秋季落叶
C3植物和C4植物
光合能力
阳性植物和阴性植物、耐阴植物
生理差异
形态差异
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（3）动物对光照强度的适应
依活动时间的动物分类
动物开始活动的时间
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3.2.3 生物对光周期的适应
生物的昼夜节律
光的周期性
生物的昼夜节律
外源性周期和内源性周期
生物的光周期现象
植物的光周期现象
植物的光周期：长日照、短日照、中日照和日中性植物
植物光周期的应用：杂交、抗性选育、异地种植
动物的光周期现象
动物繁殖的光周期：长日照和短日照动物，意义
昆虫滞育、动物换毛换羽和迁徙的光周期
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实验室恒定条件下生物的节律
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鸟类节律
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植物开花对日照长度的反应
长日照植物：萝卜、菠菜、小麦、凤仙花、牛蒡等
短日照植物：玉米、高粱、水稻、棉花、牵牛等
中日照植物：甘蔗等少数热带植物
日中性植物：蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄
～
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3.3 生物对温度适应
3.3.1 温度与动物类型
3.3.2 温度对生物的影响
3.3.3 生物对极端环境温度的适应
生物对低温的适应
生物对高温的适应
3.3.4 生物对周期性变温的适应
3.3.5 物种分布与环境温度
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3.3.1 温度与动物类型
常温动物
变温动物
外温动物
内温动物
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3.3.2 温度对生物的影响
酶反应速率与温度域
生物发育和生长速度
驯化和气候驯化
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（1）酶反应速率与温度
温度系数Q10
高温对生物的伤害
高温的伤害：蛋白质(酶)变性、有机体脱水
不同物种对高温的耐受性不同
低温对生物的伤害
低温的伤害：冻害（freeze injury）、冷害 (chilling injury)
不同物种对低温的耐受性不同
生物的抗寒锻炼
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（2）生物发育和生长速度
发育阈温度(生物学零度)
总积温(有效积温)：K=N(T-C)
发育历期和发育速率
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（3）驯化和气候驯化
春化 (vernalization) ：植物在发芽前需要一个寒冷期，由低温诱导开花。
驯化 (acclimation)和气候驯化 (acclimatization)
概念和过程
生物对环境的适应
生态适应和基因变异
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3.3.3 （1）生物对低温的适应
植物
形态结构：油脂、鳞片、短小、匍匐状，厚皮
生理适应：细胞内物质含量变化(糖类、脂肪)
动物
形态：贝格曼规律、阿仑规律、毛、皮结构、脂肪层
生理：基础代谢和非颤抖性产热(褐色脂肪)，身体异温，水生哺乳动物的乳汁构成、热交换器等
行为：迁徙、冬眠、冬睡、滞育、集群、活动位置
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（2）生物对高温的适应
植物
形态适应：叶片毛、鳞片、颜色、排列
生理适应：细胞含水量(糖/盐浓度、代谢强度)
动物
形态适应：毛皮性质和颜色
生理适应：体温过热
行为适应：栖居地点、活动时间
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3.3.4 生物对周期性变温的适应
生物与昼夜变温
昆虫的发育历期
植物的产量与品质
动物的活动规律
物侯 -—生物与季节变温
植物春花秋实
动物休眠、换毛换羽、迁徙、回游、繁殖季节
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3.3.5 物种分布与环境温度
生物群落分布与温度带
低温的限制作用——致死
高温的限制作用——难以实现春化
温度与其它生态因子的综合作用
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蓝
紫
绿
橙
紅
红外线
400 500 600 700
波长nm
↑
相
对
吸
收
叶绿素α的吸收光谱
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阴性植物与阳性植物对光照强度的适应
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小时
植物光合作用的昼夜变化
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不同物种对高温的耐受性
水生植物：30～40℃
旱生植物：50～60℃

兽类：42℃
鸟类：46～48℃
爬行类：45℃
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贝格曼规律 (Bergmann’s rule)
内容： 高纬度的恒温动物比低纬度的
相似种类个体要大，如东北虎
大于华南虎。
原因： 一般认为，动物个体大则相同
质量所对应的体表面积就小，
对恒温动物来说在竞争中应付
体表散热所损失的能量相对较
少，在进化选择中是有利的。
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阿仑规律 (Allen’s rule)
内容：在寒冷地区生活的哺乳动物的四肢、耳、鼻、尾均有
明显缩短的趋势。
原因：寒冷地区对哺乳动物的主要生态问题是保持体温，躯
体突出部分缩短可减少散热，对动物在环境中竞争显
然是有利的。
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本 章 小 结
光照和温度的时空变化规律
光质、光强、光周期对生物的影响
生物对光质、光强、光周期的影响
温度的生态作用，极端温度对生物的影响
生物对极端低温、极端高温的影响
根据生物对光、温的反应规律进行引种驯化
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主要概念
春化、气候驯化、冻害、冷害、阴地植物、阳地植物、光合作用、温度三基点、发育阈温度、有效积温、贝格曼规律、阿仑规律
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思考题
1. 光在时空上的配置对植物和动物产生哪些
影响？它们又是如何适应这些变化的？
2. 低温和高温对生物会产生哪些影响?为什
么温度能够限制生物的分布?
3. 生物是如何适应极端温度条件的？
3、在引种驯化中应该注意光照和温度的哪些因素？
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建议读物
1. 孙儒泳, 李庆芬, 牛翠娟, 娄安如. 2002.
基础生态学. 高等教学出版社, 6-61
2. 孙儒泳, 李博, 诸葛阳, 尚玉昌编. 1992.
普通生态学. 高等教育出版社, 11-51
3. Walter Larcher (翟志席，郭玉等译)，
1997. 植物生理生态学. 中国农业大学出版社.
4. Robert E Ricklefs,2001. Ecology– The Economy of Nature (5th Ed). W.H.Freeman & Company. 12-23