第三章 物质环境

一.水的性质与存在形式
①水分子具有极性：是生物成分的最好溶剂，保证了营养 物质的转运； ② 水 具 有 高 热 容 量 ： 1kcal(4.1868kJ)/℃/L ； 空 气 的 仅 为 0.24kcal(1.01kJ)/℃/L；保证了水温的相对稳定； ③水具有特殊的密度变化：水的密度随着水温的下降而增 加，当降到4℃时密度最大也最重，水体自上而下结冰，保 护水生生物生存； ④水具有相变：水有三种形态，在气态、液态和固态间相 互转换过程中，伴随着大量热量的释放和吸收，对生物系 统能量利用起重要作用。
（2）水生动物对水密度的适应： 水的密度大约是空气的800倍，浮力很大，对水生动 物起了支撑作用，使水生动物可以发展成庞大的体形及 失去陆地动物的四肢，它们利用水的密度推进自己身体 前移。如蓝鲸体长可达30米，体重可达150t，而大象体 重7t,相差近15倍。很多鱼具有鱼鳔，调节浮力。
（3）鱼对水中低氧的适应： 由于O2难溶于水，水中溶氧（0℃淡水最高为 10ml/L）远低于大气中的氧含量（210ml/L），不到1/20 。显然，水生生物呼吸很困难，耗能也很大。溶氧还受 温度和盐度的影响。水中溶氧极不均匀，受水层、水流 、水生植物的光合作用、动物、微生物和有机物量的影 响。 低氧驯化的鱼类可增加血氧容量和血氧亲和力，从 而增强对低氧的耐受能力。部分鱼类能忍受缺氧，靠厌 氧代谢提供能量，如金鱼、鲫鱼。
第一部分 有机体与环境
§1 生物与环境 §2 能量环境
§3 物质环境
资源环境系 程彦林
第三章 物质环境
第一节 水的生态作用及生物对水的适应
第二节 生物对水分的适应
第三节 大气组成及其生态作用 第四节 土壤的理化性质及其对生物的影响
第一节 水的生态作用及生物对水的适应
地球上和环绕地球大气圈中各类型的水，统 称水圈。水以液态（淡水、海水、盐水、雨、云、 雾）、气态（水蒸气）、固态（冰、雪、霜）等 存在于空气、地表、地下、生物体内外。
地上部分只有几厘米，根深达 到15 m，扩展的范围达623 m
（2）气孔： 不同生境植物具有不同 的调节气孔开闭的能力。生 活在潮湿、弱光环境中的植 物，在轻微失水时，就减少 气孔开张度，甚至主动关闭 气孔以减少失水。阳生草本 植物在干燥环境中，气孔慢 慢关闭。有些植物气孔深陷 在叶内，或在夜晚进行气体 交换。
海洋硬骨鱼与海洋软骨鱼渗透压比较
④广盐性洄游鱼类 渗透调节机制： 具有淡水硬骨鱼与海水硬骨鱼的调节特征。靠肾脏 调节水，在淡水中排尿量大，在海水中排尿量少。在海 水中大量吞水，以补充水分。靠鳃调节盐的代谢，鳃在
海水中排出盐，在淡水中摄取盐。
调控广盐性鱼类在海水、淡水中渗透压的激素主要 有皮质醇、生长激素和促乳素。
③海洋软骨鱼：等渗性。 渗透压调节机制： 高渗透压的维持是依靠血液中储存大量尿素和氧化三钾 胺。 尿素本是蛋白质代谢废物，但在软骨鱼进化过程中，被 作为有用物质利用起来。但是尿素使蛋白质和酶不稳定，氧 化三钾胺正好抵消了尿素对酶的抑制作用。抵消作用最大出 现在尿素含量与氧化三钾胺含量为2:1时。这个比例数字正 好通常出现在海洋软骨鱼中。海洋软骨鱼血液与体液渗透压 虽与环境等渗，但仍然有有力的离子调节，如血液中Na+ 大约为海水的一半。排出体内多余Na+，主要靠直肠腺，其 次是肾脏。
第二节 生物对水分的适应
一.植物与水
1.陆地植物的水平衡 植物在得水（根吸水）和失水（叶蒸腾）之间保持 平衡，才能维持其正常生活。因此，在根的吸水能力与 叶片的蒸腾作用方面，植物对环境产生了适应性。
陆地植物对失水的适应性：
（1）根系： 在潮湿土壤上，植 物生长浅根系，仅在表 土下几寸的土层中，有 的植物根缺乏根毛。 在干燥土壤中，植 物具有发达的深根系, 侧 根扩展范围很广，有的 植物根毛发达，充分增 加吸水面积。
② 减少呼吸失水
昆虫通过气孔的开放与关闭，可使失水量相差数倍。黄粉虫的幼 虫气孔开放后失水增加2-3倍。多数陆生动物的呼吸系统采用逆流交换 机制，减少呼吸失水，对于恒温动物，如荒漠鸟兽的作用尤其强大。 骆驼可回收呼出气全部水分的95%。
③减少排泄失水
a.哺乳动物肾脏的保水能力: 肾脏通过吸水作用使尿浓缩。干旱环境的 动物，尿浓度高。 b.兽类大肠、鸟类与爬行类的大肠和泄殖腔、昆虫的直肠腺具重吸收 水的作用。 c.排泄尿酸:鱼类排氨，排氨1克需水300~500 ml。两栖类、兽类排泄尿 素，排1克尿素需水50 ml。爬行类、鸟类及昆虫排尿酸，排1克尿酸需水 10 ml。 d.行为适应：夜间活动、穴居、夏眠、滞育。
二.动物对水的适应
动物与植物一样，必须保持体内的水平衡才能维持生存。 • 水生动物保持体内的水平衡( water balance)是依赖于水 的渗透调节作用。

• 陆生动物则依靠水分的摄入与排出的动态平衡，从而 形成了生理的、组织形态的及行为上的适应。
1.水生动物
（1）鱼类的水平衡 水生动物，当他们体液溶质浓度高于环境中的溶质 浓度时，水将从环境中进入动物体，而溶质将从动物体 内出来进入水中，动物会‘涨死’；当体内溶质浓度低 于环境中时，水将从机体进入环境，盐将从环境进入机 体，动物会出现‘缺水’。解决这一问题的机制是靠渗 透调节。 渗透调节是控制 生活在高渗与低渗环 境中的有机体体内水 平衡及溶质平衡的一 种适应。
3.我国降水量的地域分布：从东南往西北降水逐渐减少。
等雨线：
华南年降水量为1500-2000 mm， 长江流域为1000-1500 mm， 秦岭和淮河大约为750 mm， 从大兴安岭西坡向西，经燕山
到秦岭北坡为500 mm，
黄河上中游约250-500 mm, 内蒙西部至新疆南部为100 mm 以下。
4 .植物生产力 植物生产力和降雨量密切相关。因为水既是植物细胞的 组成要素，又是光合作用的底物。在干燥地区，初级生产力 随降雨量的增加有近似的直线增长。而在比较潮湿的森林气 候中，生产力上升到平稳阶段后不再升高。 一般来说，植物每生产1克干物质，需300-600克水，但 不同植物类型需水量不同，C4植物（如玉米、狗尾草）比C3 植物（如小麦、油菜）需水量少。 干旱是造成低生产力的关键因素。
（2）动物与湿度 动物可通过行为选择其喜好的湿度，通过夏眠和滞育 躲过干旱的季节。 高湿度提高喜湿昆 虫(A)的生长发育、繁 殖、存活与寿命； 过湿会导致喜旱昆 虫(B)生长慢、生育率 低、死亡率高。
湿度对动物死亡率、发育速度、生育和寿命影响模式图
（3）动物与雪被
高纬度地区冬季降雪形成稳定的积雪覆盖称为雪被。雪 被是干旱地区的天然蓄水库。雪被有隔热、保温性能，对植 物有保护作用，为穴居动物提供温暖场所和丰富的食物。 对雪上动物造成危害，如行动不便，采食困难等。雪上 动物对雪被的适应：一是增大脚的支撑面积，增生刚毛、粗 毛、羽毛、角质片等，利于在雪上行走。二是取食，大型动 物拨开雪取食，小型动物依赖人类或大型动物，形成共生关 系。一些鸟类改变食性，如黑琴鸡，夏季吃种子、昆虫、浆 果，冬季吃针叶等。
2.两栖类的水平衡
在水中时肾脏功能同 淡水鱼，皮肤功能同鱼鳃。
在陆地上时皮肤可从空气
中吸收水分，靠膀胱的表 皮细胞重新吸收水分来保 持体液水分平衡。
3.陆生动物
（1）陆生动物水平衡
陆生动物失水的途径主要是皮肤蒸发失水、呼吸失水与 排泄失水。得水途径主要为饮水、食物和代谢水，少数动物 通过体表可以从大气中吸水。 自然界的某些环境中动物难以得到水，陆生动物失水过 多会因体液渗透压不平衡导致死亡，因而，陆生动物保水十 分重要。
2.大气湿度：
反映了大气中气态水含量。常用相对湿度来表示：R.H = e/E(%). 单位容积空气中实际水汽含量占饱和水汽含量百分 比。 大气湿度也常用饱和差（E-e）表示，饱和差值越大，水 分蒸发越快；相对湿度越大，大气越潮湿，水分蒸发越慢。 相对湿度受到温度、风等因素的影响，会随地理位置、 昼夜、季节等因素发生变化。 温度增加，相对湿度降低，温度降低，相对湿度增加。 相对湿度随着地理位置而异：热带雨林通常在80-100％ ，荒漠、半荒漠地带低于20％。
①淡水硬骨鱼： 淡水硬骨鱼血液渗透压高于水的渗透压，属于高渗性， 其本身处于低渗环境。 渗透压调节机制： 肾脏发育完善，有发达的肾小球，滤过率高，一般没 有膀胱，或膀胱很小，肾脏排出大量低浓度尿。丢失的溶 质可从食物中得到，而鳃能主动从周围稀浓度溶液中摄取 盐离子，保证了体内盐离子的平衡。
金花鲈
②海洋硬骨鱼类： 海洋硬骨鱼处于高渗环境中，其血液渗透压低于环境 渗透压，是低渗性的。 渗透调节机制： 经常吞海水，补充水分；肾小球退化，排出极少的低 渗尿，主要是二价离子Mg2+, SO42-；鳃主动向外排盐。
3.水生植物（沉水植物、浮水植物、挺水植物）： 沉水植物：整株植物沉没在水下。根退化或消失。植物 具有封闭式的通气组织系统。叶绿体大而多，适应水中 弱光。（充分利用自身光合作用生产的二氧化碳和氧） 浮水植物：叶片飘浮水面，气孔分布在叶上面，机械组 织不发达，不扎根（浮萍）或扎根（睡莲、眼子菜）， 植物体内存在大量通气组织，使植物体重减轻，增加了 漂浮能力。 挺水植物：植物体大部分挺出水面，如芦苇等。
（3）叶子： 外表面覆盖有蜡质的 、不易透水的角质层，以 降低叶表面的蒸腾量；干 燥地区植物尽量缩小叶面 积以减少蒸腾量。
2.陆生植物（湿生植物、中生植物与旱生植物） • 湿生植物：抗旱能力小，不能忍受长时间缺水，但抗涝性 很强，根部通过通气组织和茎叶的通气组织相连接，以保 证根的供氧。该类植物有秋海棠、水稻、灯芯草等。
水的生态作用
（ 1 ）水是地球上所有有机体的内部介质，是生 命物质的组成成分(60%-80%)； （ 2 ）水是有机体生命活动的基础，生物新陈代 谢及各种物质的输送都必须在水溶液中进行； （ 3 ）水作为外部介质，是水生生物获得资源和 栖息地场所； （ 4 ）陆地上水量的多少，又影响到陆生生物的 生长与分布。