水域生態(tài)學(xué)：02 水環(huán)境--術(shù)語

1、Chapter 1 Aquatic Environment水環(huán)境Outline Basic ecological terms and conceptsWater properties and hydrological cycleMain physio-chemical factors and their effects on aquatic organismsMajor features of lakesMajor features of streams and riversMajor features of Wetlands 1. 生態(tài)學(xué)術(shù)語和概念Common Ecological Term

2、s and Concepts1.1 生態(tài)學(xué)術(shù)語(Ecological terms)環(huán)境(Environment)：某一特定生物體或生物群體周圍一切事物的總和。生物因子(Biotic factors)：對特定有機(jī)體產(chǎn)生影響的生物成分，即該有機(jī)體與其他有機(jī)體的相互關(guān)系。非生物因子(Abiotic factors)：非生物成分，影響特定有機(jī)體的物理環(huán)境和化學(xué)環(huán)境。非生物環(huán)境因子包括土壤、水、空氣、光、營養(yǎng)鹽等等。 環(huán)境(生態(tài))因子作用的基本特點綜合性非等價性：directing, controlling, limiting主導(dǎo)因子(dominant factor)：對生命系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的因子限制因子

3、(limiting factor)：任何接近或超過生命系統(tǒng)的耐受限而阻止其生存、生長、繁殖或擴(kuò)散的因素可補(bǔ)償性和不可替代性-階段性 直接性和間接性條件(Conditions)：引起有機(jī)體對之作出反應(yīng)的可變環(huán)境因子為條件，如溫度、酸度、鹽度等。條件是不可消耗的 (not depletable)資源(Resources)： 有機(jī)體利用或消耗 (deplete ) 的任何東西屬于資源，如：花蜜是蜜蜂的資源，光是所有植物的資源，水是所有生物的資源環(huán)境變化(Environmental variation)：大多數(shù)有機(jī)體都面臨著在不同時間尺度上外部環(huán)境的連續(xù)變化，有些環(huán)境因子每秒或每分鐘都在改變，如光照強(qiáng)

4、度；另一些因子則有日變化、季節(jié)變化甚至更長時間內(nèi)的變化（如冰川周期）生命系統(tǒng)與非生物環(huán)境關(guān)系的基本形式生態(tài)作用(ecological action)：環(huán)境對生命系統(tǒng)的影響生態(tài)適應(yīng)(ecological adaptation)：生命系統(tǒng)改變自身的結(jié)構(gòu)與過程，以便與其生存環(huán)境相協(xié)調(diào)的過程生態(tài)反作用(ecological reaction)：生命系統(tǒng)反過來對環(huán)境的影響和改變生境/棲息地(Habitat)：動物或植物日常生活的地方，通常以優(yōu)勢植物類群或特定物理特征進(jìn)行描述，如溪流生境、森林生境微生境(microhabitat): 棲息地中的一個特定部分，是一個個體在任何特定時間的活動過程中所遇到的部分

5、適應(yīng)(Adaptation) ：有機(jī)體所具有的有助于生存或繁殖的任何可遺傳特征，可以是行為、形態(tài)或生理的特征。適應(yīng)是自然選擇的結(jié)果趨同適應(yīng)(Convergence)：在相同條件下，不同種類的有機(jī)體產(chǎn)生彼此相似的特征的過程-是對特定的選擇性條件產(chǎn)生相似的適應(yīng)性反應(yīng)。e.g. 全球分布的紅樹植物，具有典型的革質(zhì)或肉質(zhì)葉、支撐根、胎生(viviparity)。生活型(Growth form): Morphological categories of plants, such as trees, shrubs, and vines.水草：挺水、漂浮、浮葉、沉水趨異適應(yīng)適應(yīng)輻射(Adaptive rad

6、iation)：從同一祖先分化出不同形態(tài)，以適應(yīng)顯著不同的生活方式的進(jìn)化(Evolution)。從一個祖系而來的大量遺傳分化(Divergence)使得很多新種得以出現(xiàn)，每一新種適應(yīng)于利用新的資源或新的（或剛空出的）生境。生態(tài)型(Ecotype) ：Subspecies or race adapted to a particular set of environmental conditions 桔生淮南則為橘，生于淮北則為枳Victoria湖的麗魚科魚類 ,Mwanza Gulf的東非人稱為 furu，意為漫游者 (wanderer)一組關(guān)系密切的種類，來自于同一祖先(ancestor);在

7、相對短的時期內(nèi)，進(jìn)化出多樣的形態(tài)、色彩、行為模式；令科學(xué)家高興的是，新種的出現(xiàn)、變化和消失，就實實在在地發(fā)生在他們的眼前；麗魚科魚類的適應(yīng)輻射（趨異）從少數(shù)祖先產(chǎn)生出很多種類，是最令人驚嘆的事件之一，而且作為活的有機(jī)體，其進(jìn)化的各個不同階段都可被觀察到。我國云南也存在：洱海四種土著鯉The adaptive radiation of cichlid fish in Lake Malawi, East Africa, into a vast number of niches.(from Lowe-Mcconnell 1987)(短期)馴化（Acclimation）：較長時間暴露于特定條件下，個體

8、的生理速率或行使某一功能的能力發(fā)生改變適應(yīng)環(huán)境(長期馴化Acclimatization) ：對于環(huán)境條件變化，有機(jī)體產(chǎn)生相應(yīng)的生理或形態(tài)的改變泛化種(Generalist)：對食物、生境等適應(yīng)范圍寬的種特化種(Specialist)：只利用某一嚴(yán)格生境或資源的種特化(Specialization)：形態(tài)或功能上的適應(yīng)，使得個體能特別好地適應(yīng)于某一有限的生境、資源或環(huán)境條件范圍；這是受限制條件下的進(jìn)化過程生態(tài)耐受性(Ecological tolerance): 一個種類所能生存的條件范圍調(diào)節(jié)者(Regulators)：不論處于何種溫度、pH 或溶解物下，都能維持體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的生物順應(yīng)者(Conf

9、ormers)：內(nèi)環(huán)境隨外部條件變化的生物最適(Optimum): 有機(jī)體最適合的窄小的環(huán)境條件范圍1.2 生態(tài)學(xué)定律利比希最小因子定律(Liebigs Law of the Minimum)：任何生物學(xué)過程都受對其需求而言相對最少的因子所限制。亦即，個體或種群的生長受其必需營養(yǎng)物中量最少的一種的限制。現(xiàn)代觀點：任何過程都不可能只有一個限制因子，可能有多種營養(yǎng)物同時限制生長，而混合營養(yǎng)物可能聯(lián)合促進(jìn)生長。謝爾福德耐性定律(Shelfords Law of Tolerance)：物種的分布受有機(jī)體耐受范圍最窄的環(huán)境因子所控制。亦即，有機(jī)體生活于限制它們存活的物質(zhì)或條件的最大值和最小值范圍之內(nèi)。物

10、種在環(huán)境條件方面表現(xiàn)的一般模式圖 繁殖 生長 存活 環(huán)境條件有機(jī)體表現(xiàn)另外兩個因子使得耐受限的確定變得復(fù)雜化：其一，物種能在生理上馴化適應(yīng)某些環(huán)境因子；其二，對一個環(huán)境因子的耐受限取決于其它環(huán)境因子的水平，例如，pH變化會影響很多魚類對溫度的耐受性。動物和植物都進(jìn)化出了很多逃避機(jī)制，如遷徙 (Migration)(e.g., birds & insects etc.)、冬眠(hibernation) (e.g. squirrel, snake)、蟄伏(dormancy) (plant)、滯育(diapause) (insects)。2. 水的性質(zhì)和水循環(huán)Water Properties & H

11、ydrological Cycle2.1 水的性質(zhì)(Properties of Water)1. 密度(Density )：水溫4時最大，唯一固化(成冰)時，體積變大，比重變小的物質(zhì)2. 粘滯性(Viscosity)：大 水的特殊性質(zhì)3.比熱(Specific Heat)：大4. 熱傳導(dǎo)性：好(除水銀外)5. 良好溶劑(Solvent)：離子和極性分子6. 表面張力(Surface Tension) ：大7. 太陽輻射的吸收和散射(Absorption & Scattering of Solar Radiation)8. pH中性水的物理化學(xué)特性極性分子a polar molecule是離子和

12、極性溶質(zhì)的良好溶劑氫鍵(hydrogen bonds)內(nèi)聚力(cohesive)附著力(adhesive)表面張力(Surface tension)高比熱(high specific heat)水的特性A.密度 水的密度特點導(dǎo)致水溫的分層(stratification)現(xiàn)象溫 度密 度300.99565200.99821100.9997040.99997 00.999840冰 0.917水的特性B.粘滯性Temperature ()Viscosity( cP)01.7951.52101.31151.14201.00250.89300.80350.72490.65水的粘滯度隨水溫升高而下降水的特

13、性C. 熱力學(xué)特性高比熱(high specific heat)利于有機(jī)體維持穩(wěn)定的體溫；使海洋和大水體保持相對穩(wěn)定的水溫。高蒸發(fā)熱 (或潛熱latent heat)蒸發(fā)的冷卻效應(yīng)冰比水輕避免環(huán)境極端化水的性質(zhì)熱力學(xué)特性性質(zhì) 定義 值 比熱將1 g 水溫度升高 1 所需的熱能1 cal 或 4.2 J 融化熱把1 g 0 的冰融化成0的水所需要的熱能 80 cal 或 335 J 蒸發(fā)熱蒸發(fā)1 g水所需要的熱能0， 597 cal 或 2498 J 100, 536 cal 或 2243 J熱導(dǎo)性在1 cm-1 梯度下穿過 1 cm2 橫截面的熱通量 (J cm-1s-1C-1) 0冰 0.0

14、22 0 0.005520 0.006040 0.0063水的特性D.表面張力和毛細(xì)管現(xiàn)象表面張力(surface tension)水分子間的氫鍵 水的表面張力體比水重，依靠腿上的疏水性微絨毛分散重量水上飄的蜥蜴 毛細(xì)管作用(Capillary action)(a) 毛細(xì)管中，附著力(adhesive forces )把水分子吸向管壁，其他分子受內(nèi)聚力(cohesive forces)影響而被吸上去；(b) 較粗的管子中，少量水分子被吸向管壁，附著力不足以克服容器表面下水分子的內(nèi)聚力，水面僅升高稍許。水的特性E.溶解性由于其極性，水是強(qiáng)溶劑幾乎所有物質(zhì)或多或少都可以溶于水幾乎所有的水都含有一些

15、溶解物質(zhì)：雨水含有溶解氣體和微量礦物質(zhì)湖水和河水含有0.1-0.2溶解礦物質(zhì)海洋含有34溶解礦物質(zhì)水的特性F.光學(xué)特性水表面反射510%吸收: 最先吸收紅外、紫外和長波光紅色光，短波光吸收相對較弱綠色光散射: 短波光強(qiáng)烈潔凈水的顏色；當(dāng)含懸浮物增加時，長波光散射增加渾濁IzI0ez 垂直消光系數(shù)，可從實測計算而來 =1/z2.303(lgI0 -lgIz)水生生活的利弊(Pros and Cons of aquatic life)優(yōu)越性(Advantages): 穩(wěn)定的溫度環(huán)境支持自身總量的能量消耗少乃至無（浮力)水的流動性方便生物移動不利方面(Disadvantages):氧氣含量低 (溶解

16、度低, 擴(kuò)散受限制)水的粘滯性阻礙(retards)生物的運(yùn)動(某些生物具有流線型身體, 其它的具有緩降裝置).光照可能不足水生生物取得與水環(huán)境中性(neutral)密度的途徑減少 (真骨魚類bony fish) 或除去 (鯊魚等) 硬骨骼部分充氣的鰾 (植物也有類似現(xiàn)象!)積累脂質(zhì)等代謝產(chǎn)物含較高的水分一些水生生物的運(yùn)動方式2.2 水循環(huán)The Hydrological Cycle水圈循環(huán)示意圖水的自然循環(huán)降水地下水或地表河流海洋。任何靜止的水體，從樹葉上的水滴到整個大洋的表面，都在不停蒸發(fā)。蒸發(fā)向大氣補(bǔ)充水汽。即使是在積貯了千萬年的冰川和冰帽、深海以及地下的水，都通過降雨或降雪的補(bǔ)充，而與

17、地表水和大氣中水汽聯(lián)系在一起局部地區(qū)的水循環(huán)，示主要途徑A simplified depiction of the global water cycle. Flows are approximate, in cubic kilometers per year. Downward arrows signify precipitation, upward arrows evapotranspiration (ET). The upper horizontal arrow represents the transfer of moisture from sea to land; the lower

18、arrow represents runoff from land to sea. (Reproduced from Postel et al. 1996, after Gleick 1993.)Water balances of the continents. (From Dingman 2002.)地球上水的主要存儲處、體積和平均滯留年限(mean residences times) (仿 Brown 1983修改) 庫體積 (103 km3)百分比 循環(huán)時間 (年) 海洋1 370 000 94.2023 000 地下水 (積極交換的地下水)60 000 (4 000) 4.126 (0.275) 5 000 (300) 冰川/冰蓋 24 000