第二章 能量环境---2011级

第二章能量环境太阳表面以电磁波的形式不断释放能量，为地球上所有生命系统提供了能量。

绿色植物将太阳能转化成化学能储存于植物体内，这一过程是生物圈与太阳能发生联系的唯一环节，也是生物圈赖以生存的基础。

太阳辐射又温暖了地球表面，使生物能够生长、发育和繁衍，并对生物的分布起了重要的作用。

因此，光和温度组成了地球上的能量环境。

另外，风、水流和火也可看作能量环境的一部分。

2.1光的生态作用及生物对光的适应太阳辐射能通过大气层时，其辐射强度大大减弱。

而地球截取的太阳能约为太阳输出总能量的20亿分之一，地球上绿色植物光合作用所固定的太阳能，只占从太阳接受的总能量的千分之一。

地球表面太阳辐射受以下几方面因素的影响：①大气层物质：臭氧、二氧化碳、尘埃、氧气、水汽和雨滴等可吸收、反射和散射光线，直接辐射到地球表面的仅为24%，散射到地面的为23%；总太阳辐射为47%。

②太阳高度角：太阳入射光与地面的夹角即为太阳高度角。

太阳高度角越小，太阳辐射穿过大气层的路程越长，辐射面积越大，辐射强度越弱。

③黄赤交角：地球一面自转,一面公转。

有自转,地球就有赤道和赤道平面。

有公转,地球就有公转轨道平面,即黄道平面。

地球公转的黄道面与地球自转形成的赤道面之间的夹角称为黄赤交角，这个夹角的度数为23°26′。

这就导致地球南北半球的季节不同，不同纬度在不同季节的太阳辐射时间成周期性变化。

④地貌：地面的海拔高度、朝向和坡度，都会引起太阳辐射强度和日照时间的变化。

太阳辐射的强度、时间（代表辐射的量）和光谱成分（代表辐射的光质）对生物的生长发育和地理分布产生重要的影响。

2.1.1 地球上光质的组成和变化光的生物学作用表现在三个方面：光质、光照强度和光照周期三个方面。

太阳辐射光谱（光质）主要由短波(紫外线、波长小于380 nm)、可见光(波长380-760 nm之间)和红外线（波长大于760 nm）组成(图2-1)，大气层外缘三者分别占太阳辐射总能量的9%、45%和46%，大约辐射能的一半是在可见光谱范围内。

（1）光的组成①微波和无线电波（0.4mm以上，一般1m以上）：微波通讯、广播、电视等。

②红外线（0.4mm-760nm）：产生热效应。

③可见光（760-380nm）：分七色，红光（760-620nm）和蓝光（490-435nm）是光合作用的主要光谱。

④紫外线(380-4nm)：紫外线对生物有杀伤和致癌作用，大气层允许290-380nm的紫外线到达地球表面。

⑤X射线和γ射线 (10-10-4nm)：高能辐射，可伤害原生质，主要来自原子能。

（2）光质的变化①空间：高纬度，短波光少；高海拔，短波光多。

②时间：季节，夏天短波光多，冬天短波光少。

日，中午短波光多，早晚长波光多。

③地貌：陆地，主要被植物的叶子吸收和反射。

水体，水体吸收和散射作用强，大部分红外线被吸收，紫蓝光散射（水色），绿光深入水中。

在海水中10米深处，可见光消减50％，100米处仅剩7％。

2.1.2 光质的生态作用及生物的适应（1）光质影响植物的光合作用。

光质影响植物的光合作用强度，绿色植物的叶绿素吸收最强的光谱是640-660nm的红光和430-450nm的蓝紫光，绿光最差。

海带等红藻的类胡萝卜素吸收最强的是绿色光。

光合细菌的叶绿素的吸收峰值在800-890nm。

（2）光质影响植物的形态建成、向光性与色素形成。

青、蓝紫光与紫外线抑制植物茎的伸长，使植物成矮小形态，茎干粗短，叶小、毛绒发达。

高山上无高大树木，植物具特殊的莲座状叶丛。

短波光（青蓝紫光）使植物向光性更敏感，促进植物色素的形成，高山植物茎叶富含花青素。

（3）光质影响动物的活动和水生植物的分布。

灵长类、鸟类、鱼类、节肢动物等都有很发达的色觉，鱼类对绿、蓝、红光比较敏感。

太阳鱼（Lepomis）的视力灵敏峰值在500-530 nm 波长，有利于鱼在水中觅食。

昆虫的可见光范围偏重于短光波，这便是用利用黑光灯诱杀农业害虫的机理。

红外线和紫外线在水的上层被吸收，红光在4 m深水中光强度降到1%，只有500nm波长范围内的辐射能达到较深的深度，使海洋深处为蓝绿光。

从而导致绿藻分布在上层水中，褐藻分布在较深水层中，红藻分布在最深层，可达200 m左右。

（4）光质影响光合作用产物。

红光对糖的合成有利，蓝紫光有利于蛋白质的合成。

红光促进鸡的繁殖，短波光（蓝光）有助于生长。

（5）红外和紫外光对动物的影响：短波的紫外线有杀菌作用，可引起人类皮肤产生红疹及皮肤癌，和促进体内维生素D的合成。

紫外线又是昆虫新陈代谢所依赖的。

长波红外线是地表热量的基本来源，对外温动物的体温调节和能量代谢起了决定性的作用。

2.1.3地球上光强度的变化①空间：高纬度，低强度。

高海拔，高强度；海拔1000m，入射光能的70％，海平面为50％。

坡向：北纬23°26′以北，南坡、平地和北坡强度越来越低。

与坡度有关，不同纬度的最强光照的坡度不同。

②时间：季节，夏天高强度；冬天强度低日，中午强度最高；早晚强度较低③生态系统：上层，强度大；下层，强度低。

植物和水体都分层。

清澈静止的水体15m深处，50％衰减。

根据光照强度将水体分为：光亮带（euphotic zone）：光合作用大于等于代谢能。

弱光带（dysphotic zone）：光合作用小于代谢能。

无光带（aphotic zone）：无光合作用。

2.1.4 光照强度的生态作用及生物的适应2.1.4.1 光照强度影响生物的生长、发育与形态建成光照强度影响生物的生长速度，植物这种关系很普遍。

光照强度影响植物器官、组织的生长发育；果实的产量与品质；且能提高果实花青素含量，色彩好看。

水生植物只能生活在水体的透光带（0--100米），海带等巨型藻类在大陆沿岸生活，单细胞浮游植物只能在海洋上层生活。

黄化现象：一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，而形成胡萝卜素，导致叶子发黄，称为黄化现象。

黄化植物在形态、色泽和内部结构上都与正常植物不同，表现为茎细长软弱、节间距离拉长，叶片小而不展开，植株长度伸长而重量显著下降。

只是光对植物形态建成作用的典型例子。

在动物中，蛙卵、昆虫卵和海星卵的发育与光照强度正相关，但过强的光照也会使发育延缓或停止；中华鳖在低光照光强度下生长更快。

光照还会引起动物的体色变化，蛱蝶在光照环境中体色变淡，黑暗环境中体色变深。

2.1.4.2 植物对光照强度的适应性(1) 植物叶子的日运动反映了光强度和光方向的日变化。

(2) 温带树叶脱落是对光强度的年周期变化的反映。

(3) 光强度影响植物的光合作用速率，不同种植物光合能力不同。

C4植物（如玉米、高粱）光合作用速率随光强度而增加，能够利用低浓度的CO2，水的利用效率也较高；C3植物（如小麦）光合作用速率也随光强度而增加，但曲线变平。

植物光合作用达到最大值时的光照强度，称为该种植物的光饱和点。

光合作用和呼吸作用相等时的光照强度称为光补偿点。

根据植物对光强度表现出的适应性差异，把植物分为：阳地植物：适应于强光照地区生活的植物称。

光补偿点较高，光饱和点一般也较高，可利用强光，如杨、柳、桦等。

光合作用的速率和代谢速率都比较高，阴地植物：适应于弱光照地区生活的植物称。

光饱和点较低，光补偿点一般较低，可有效利用弱光，如云杉、人参、三七等。

其光合速率和呼吸速率都比较低。

阴地植物多生长在潮湿背阴的地方或密林内，常见种类有连钱草、观音座莲、铁杉、紫果云杉和红豆杉等。

很多药用植物如人参、三七、半夏和细辛等。

另外，植物苗期和生育后期光饱和点较低，生长旺期光饱和点较高。

2.1.4.3 动物对光照强度的适应（1）光照强度影响动物的视觉器官夜行性动物眼大，有的啮齿类的眼球突出于眼眶外；猫头鹰，懒猴，飞鼠。

终生营地下生活的兽类，眼睛一般退化；鼹鼠，鼢鼠深海鱼或者具有发达的视觉器官，或者是本身具有发光器官。

(2) 光照强度影响动物的行为：昼行性动物，多数鸟类，多数灵长类，松鼠等夜行性动物，家鼠，刺猬，壁虎，夜猴等动物每天开始活动的时间是由光照强度决定的。

2.1.5光周期北半球：夏至最长，冬至最短。

南半球：相反赤道：昼夜平分两极：半年白天，半年黑夜。

2.1.6 生物对光周期的适应2.1.6.1生物的昼夜节律生物的生理活动具有昼夜周期性变化，称为昼夜节律。

如动物的活动行为、体温变化、能量代谢、激素水平，植物的光合作用、蒸腾作用、积累与消耗等。

一般认为，生物的昼夜节律受两个周期的影响，即外源性周期（除光周期外，还有温度、湿度、磁场等的昼夜变化）和内源性周期（内部生物钟）。

只有光周期使动植物的似昼夜节律与外界环境的昼夜变化同步起来。

2.1.6.2 生物的光周期现象生物借助于自然选择和进化而形成的对日照长短的规律性变化的反应方式，称为光周期现象。

(1) 植物的光周期现象根据植物开花对日照长度的反应，将植物分成四种类型：①长日照植物：日照超过某一数值或黑夜小于某一数值时才能开花的植物，如萝卜、菠菜、小麦等。

②短日照植物：日照小于某一数值或黑夜长于某一数值时才能开花的植物, 如玉米、高粱、水稻、棉花等。

③中日照植物：昼夜长度接近相等时才开花的植物，如甘蔗只在12.5小时的光照下才开花。

仅少数热带植物属于这一类型。

④日中性植物：开花不受日照长度影响的植物，如蒲公英、四季豆、黄瓜、番茄及番薯等。

植物的光周期现象在农林业生产中具有很大的应用价值。

如新品种培育, 引种驯化，园艺上控制开花时间，便于观赏等等。

（2）动物的光周期现象①影响动物的生殖时间。

长日照动物：春季交配繁殖，雉鸡，水貂，刺猬等，短日照动物：秋季交配，羊、鹿、麝等，但产子也在春夏。

②影响动物的冬眠和昆虫滞育（常与温度有关）。

③影响换毛与换羽: 温带和寒带地区，大部分兽于春秋两季换毛，许多鸟每年换羽一次。

④决定动物迁徙、迁移或洄游的时间。

夏候鸟杜鹃、家燕，冬候鸟大雁。

2.2 温度的生态作用及生物对温度的适应2.2.1地球上温度的分布地球表面大气温度变化很大，它主要取决于太阳辐射量和地球表面水陆分布。

2.2.1.1 地表大气温度的分布与变化低纬度地区太阳高度角大，太阳辐射量也大。

随着纬度逐渐增加，太阳辐射量逐渐减少(极地只有赤道的40%)，地表气温也逐渐下降（下图）。

大约纬度每增加1度，年平均温度降低0.5℃。

因此，从赤道到北极形成了热带、亚热带、北温带和寒带。

(1) 空间海洋--陆地比海洋表面反射热少、升温快、降温快，因而，从我国的东南到西北，由海洋性气候逐渐明显地转变为大陆性气候。

山脉--地表温度会受到山脉走向、地形变化及海拔高度的影响。

特别是东西走向的山脉，对南北暖冷气流常具阻挡作用，使山坡两侧温度明显不同。

封闭山谷与盆地，白天受热强烈, 热空气又不易散发, 使地面温度增高, 夜晚冷空气又常沿山坡下沉, 形成逆温现象。