《个体生态学》PPT课件

1、第四章 生理生态学3-1 生物体的生态因子3-2 动物生理生态学3-3 植物生理生态学3-3 植物生理生态学 基本概念 植物生理生态学（Plant physioecology）：是研究植物随环境因子变化而发生的生理现象的科学。 限制因子定律：某种物种受到数种因子影响时，其速度受到最小提供因子所决定。一 植物生理生态学概述1.植物生理生态学的概念 植物生理生态学或植物生态生理学（Plant Ecophysiology）概念基本相同。两者所强调的内容策略有所不同，前者更强调生态，而后者更强调生理。 植物生理生态学是植物生态学的一个分支，研究的问题包括：(1)“植物与环境”系统内的相互作用和基本机制；（2）植物的生命过程；（3）环境因素影响下的植物代谢作用和能量转换；（4）以及有机体适应环境因子改变的能力。 近20年来，植物生理生态学的研究从细胞到生态系统各个组织层次放大的同时，又重新将重点集中到个体水平。研究对象从过去的作物和常见种为主转向生物多样性和全球变化的关键植物种类。 当前植物生理生态组织的新动向是植物适应和进化的机制，对有限资源的合理利用，植物在全球变化中的行为表现，光、温、水、

2、气、营养等多种环境因子的互相作用对植物行为的影响，植物的抗逆性潜能和植物生长过程的自动检测和动态模拟等。 二 植物生理生态学概述2.植物生理生态学研究方法 从萌芽开始，植物生理生态学已经经历了5个阶段： 思辨方法和准实验方法阶段 观察与描述方法阶段 Bills（1957）最早把植物生理生态学看作一门独立的学科。 实验方法阶段 理论方法与综合方法阶段二 光的生态作用 光是一个十分复杂而重要的生态因子，包括光强、光质和光照长度。光因子的变化对生物有着深刻的影响。 （1）光强与植物 光对植物的形态建成和生殖器官的发育影响很大。植物的光合器官叶绿素必须在一定光强条件下才能形成，许多其他器官的形成也有赖于一定的光强。 在黑暗条件下，植物就会出现“黄化现象”。在植物完成光周期诱导和花芽开始分化的基础上，光照时间越长，强度越大，形成的有机物越多，有利于花的发育。光强还有利于果实的成熟，对果实的品质也有良好作用。 （1）光质与植物 植物的光合作用不能利用光谱中所有波长的光，只是可见光区（400-760nm），这部分辐射通常称为生理有效辐射，约占总辐射的40-50%。 可见光中红、橙光是被叶绿素吸收最多

3、的成分，其次是蓝、紫光，绿光很少被吸收，因此又称绿光为生理无效光。 此外，长波光（红光）有促进延长生长的作用，短波光（蓝紫光、紫外线）有利于花青素的形成，并抑制茎的伸长。 3光照长度与生物的光周期现象 地球的公转与自转，带来了地球上日照长短的周期性变化，长期生活在这种昼夜变化环境中的动植物，借助于自然选择和进化形成了各类生物所特有的对日照长度变化的反应方式，这就是生物的光周期现象。 如果把长日照植物栽培在热带，由于光照不足，就不会开花。同样，短日照植物栽培在温带和寒带也会因光照时间过长而不开花。这对植物的引种、育种工作有极为重要的意义。中日照植物昼夜长短比例接近相等（12小时左右）长日照植物日照时间长于一定数值（14小时）才能开花的植物短日照植物日照时间短于一定数值（一般14小时以上的黑暗）中间型植物任何日照条件下都能开花的植物二 光的生态作用 1.辐射能与光合作用 光合有效辐射（photosynthetically active radiation,PAR）:植物光合作用和生长发育有直接关系的太阳光辐射，PAR约占太阳照射地球表面入射光的44。直射、反射、散射20%被大气选择吸收并使

4、能量降解富能的碳水化合物，构成生态系统中生物能的最初来源光合作用太阳能植物群落二 光的生态作用 2.能量转换效率 光合作用的能量转换效率（efficiencyofphotosynthesis）：光合作用固定太阳能的效率，光合作用产生的自由能，可通过下面的化学平衡式得出： 6CO2+12H20=C6H12O6+6O2 24个电子PSIPSII48个光电子每摩尔光量子产生172kj的能量8240kJ 能量转换效率：2872kj（葡萄糖中的化学能）/8240kj（48个光 量子中的能量）35二 光的生态作用 3.不同植物光合能力 C3植物：在光合作用暗固定过程中CO2首先结合于RuBP受体（1，5二磷酸核酮糖）在RuBP羧化酶（rubisco）的催化下进行羧化，一个6碳分子的羧化产物立即可以分解成两个分子的3磷酸甘油酸（PGA)。这些最初固定的有机分子均含有3个碳原子，故此过程称为CO2同化的C3途径，具C3途径的植物称为C3植物。 C4植物：在光合作用下固定过程中，所固定的最初产物不是3碳分子，而是草酰乙酸，即具有4个碳原子的二羧酸，是由磷酸稀酸式丙酮酸（PEP）的羧化形成的，故称为C4途

5、径，具C4途径或以此为主的植物称为C4植物。 CAM植物：具景天酸代谢途径的植物，多为多浆液植物。在夜间通过开放的孔吸收CO2，然后借助PEP羧化酶与磷酸稀醇式丙酮酸结合，形成草酰乙酸，然后在苹果酸脱氢酶（NADPH）作用下还原成苹果酸，进入液泡并累计变酸（从pH5-3）；第二天光照后苹果酸从液泡中转运回细胞质和叶绿体中脱羧，释放CO2被RuBP吸收形成碳水化合物。 二 光的生态作用 4.自然界中植物光和生长的生态类型 群体生长的生产扩展型 光能自养单细胞就碳而论是自身供养的，而不必供应其他细胞。在细胞内部，在光合产物的生产区隔和消费区隔之间有一个适应的比率， 如在小球藻中，色素体约占原生质体积的一半。产生这种优越性是在只要有充足的养分和光供应时，藻细胞就能积累大量光合产物的余量，迅速地达到最大体积并进行分裂。 由此，光能自养单细胞生物使用它的碳来增加个体数量，即繁殖。强大的正碳平衡导致群体密度的快速增长。 快速碳增加投入型 一年生植物是植物投入型的最好例证。它们必须以一种在近可能短的时间内形成的大量组织的方式来利用它们的光合产物，这一阶段植物具有高的净光合速率。在有利的环境条件下，同

6、化产物的这种转化的方式，既保证了茂盛的生长，又保证了丰硕的果实。 反之，当局部条件不利时，特别是当水分供应短缺，或当土壤养分贫瘠时，迫使植物建立起一个庞大的根系。 安全储存保守收支型 两年生和多年生的草本植物，它们的光合产物的收支即采用这种方式 木本植物光合产物季节性分配型 通过寿命增加生物量寿命增加型二 光的生态作用 5.光合作用的鉴定 光合作用的测定 早期的植物光合作用测定方法为半叶法，后来发展了气流法和红外CO2气体分析仪法，近年来，国际上开发了便携式的光合作用测定系统 植物叶绿素荧光的测定 叶绿素荧光测定在植物生理生态学中作用可用于植物生理生态学、农业科学、森林科学、大气污染及全球变化研究。 三 环境因素与植物 (光的影响见二) 1温度对生物生长的影响 生物正常的生命活动一般是在相对狭窄的温度范围内进行，大致在零下几度到50左右之间。 温度对生物的作用可分为最低温度、最适温度和最高温度，即生物的三基点温度。 当环境温度在最低和最适温度之间时，生物体内的生理生化反应会随着温度的升高而加快，代谢活动加强，从而加快生长发育速度； 不同生物的三基点温度是不一样的，即使是同一生物不同的发

7、育阶段所能忍受的温度范围也有很大差异。 三 环境因素与植物 温度对生物发育影响的有效积温法则 有效积温法则的主要含义：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，而且植物各个发育阶段所需要的总热量是一个常数。 用公式表示：K=N(T-T0) 式中，K为有效积温（常数），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，T0为生物发育起点温度（生物零度）。发育时间N的倒数为发育速率。 植物对温度的适应 物候是指生物长期适应于一年中温度的节律性变化，形成的与此相适应的发育节律。例如大多数植物春天发芽，夏季开花，秋天结实，冬季休眠。休眠对适应外界严酷环境有特殊意义。植物的休眠主要是种子的休眠。 植物对低温的形态适应表现在芽及叶片常有油脂类物质保护，芽具有鳞片，器官的表面有蜡粉和密毛，树皮有较发达的木栓组织，植株矮小，常呈匍匐、垫状或莲座状； 对高温的适应表现在有些植物体具有密生的绒毛或鳞片，能过滤一部分阳光，发亮的叶片能反射大部分光线，以及叶片垂直排列，减少吸光面积等。 三 环境因素与植物2.水的生态作用与生物的适应 水是生物最需要的一种物质，水的存在与多寡

8、，影响生物的生存与分布。水对稳定环境温度有重要意义。水的热容量很大，吸热和放热过程缓慢，因此水体温度不象大气温度那样变化剧烈。 根据栖息地，通常把植物划分为水生植物和陆生植物。水生植物陆生植物挺水植物湿生中生旱生浮水植物沉水植物三 环境因素与植物 3、土壤因子对生物的影响 土壤是生物进化的过渡环境。土壤是植物生长的基质和营养库。土壤提供了植物生活的空间、水分和必需的矿质元素 土壤的物理化学性质对生物的影响（1） 土壤温度对植物种子的萌发和根系的生长、呼吸及吸收能力有直接影响，还通过限制养分的转化来影响根系的生长活动。（2）土壤水分与盐类组成的土壤溶液参与土壤中物质的转化，促进有机物的分解与合成。土壤的矿质营养必需溶解在水中才能被植物吸收利用。土壤水分太少引起干旱，太多又导致涝害，都对植物的生长不利。 （3）土壤空气组成与大气不同，土壤中O2的含量只有10-12%，在不良条件下，可以降至10%以下，这时就可能抑制植物根系的呼吸作用。 （4）土壤酸碱度与土壤微生物活动、有机质的合成与分解、营养元素的转化与释放、微量元素的有效性、土壤保持养分的能力及生物生长等有密切关系。 植物对土壤的适应

9、植物对长期生活的土壤会产生一定的适应特性。因此，形成了各种以土壤为主导因素的植物生物形态。 例如，根据植物对土壤酸碱度的适应范围和要求，可把植物分成酸性土植物（）、中性土植物（）和碱性土植物（）。三 自然胁迫环境与植物 1.胁迫环境 胁迫（环境）：一个地区永久的或者暂时的多种不利但不立即使植物致死的环境条件。如高温、低温、强光、弱光、干旱、盐渍化等。 胁迫因子：胁迫刺激生命体生长发育的因子。 胁迫反应或胁迫状态：对刺激的反应或适应的即刻状态。三 自然胁迫环境与植物 2.自然界中主要的胁迫环境及危害 主要的自然胁迫环境类型：强光胁迫、极端温度、冻土、雪和冰、干旱胁迫、盐胁迫等。 强光胁迫 过量的光合有效辐射和增加紫外辐射在植物中产生光胁迫。 强光给叶提供超过光合作用所利用的光化学能，光合过程的超负荷引起更低的量子利用和更低的光合产量（光抑制）。极高的辐射破坏光合色素和类囊体结构（光损伤）。光损伤使老叶光合能力下降。 紫外线辐射 紫外光对原生质损伤的分子机制是切断蛋白质分子的二硫键和DNA的二聚体胸嘧啶基，造成转录的中断。 紫外光抑制紫黄素脱环氧酶，以致在极强光下叶黄素循环不能充分完成其保

10、护功能。 植物的措施 由于UV被表皮蜡质和溶于细胞液中的类黄酮有效吸收，高等植物细胞的原生质则避免辐射损伤，保护性色素合成被UV诱导，并随UV胁迫的增加而积累。 极端温度 （1）高温：引起生物膜物理化学状态和蛋白质分子构型的可逆变化。因为类囊体膜对热特别敏感，光合作用失调是热胁迫的初始指标。 光合系统I受抑，此后，碳代谢逐渐失去平衡。光系统II也受到光抑制影响，热和辐射的结合有一加和效应。 极端温度 （2）低温胁迫 温度低于一定数值，生物便会受害，这个数值称为临界温度。在临界温度以下，温度越低生物受害越重. 随温度降低，化学反应速度变慢，导致平衡反应向能量释放方向明显转移。因此，低温下有效代谢能减少，水分和养分吸收受限制，生物合成减少，同化作用降低和生物停止。低温时间越长，发生越频繁，温度越低，对植物的影响就越严重。 当温度升高时，仅有很少植物能从冷胁迫状态立即恢复 与热胁迫一样，冷胁迫致死是生物膜损伤和细胞能量失调的结果。 冻土、雪和冰 如果土壤结冰（冻土），即使蒸发损失小，植物也不再能吸收足够的水分以供应自身需要。对植物而言，结冰土地意味着干旱土地。冬季条件下，施加与水分平衡的限制

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