第三章 物质环境第一节 生物与水的关系一 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%)。3 水作为外部介质，是水 生生物获得资源和栖息地 场所；陆地上水量的多少 ，又影响到陆生生物的生 长与分布。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。引自：http:/article.yeeyan.org二 陆地上水的分布1. 降雨量：降雨量随纬度变 化很大。在赤道南北两侧纬 度0-20，降雨量最大，年 达100-200cm。纬度20- 40地带，由于空气下降吸 收水分，降雨量减少，是主 要沙漠撒哈拉、大戈壁滩分 布带；在南北半球40- 60 地带，由于南北暖冷气团相 交形成气旋雨，年降雨量超 过25cm，为中纬度湿润带 。极地降水很少，为干燥地 带。陆地上降雨量的多少还 受到海陆位置，地形及 季节的影响。 引自Ricklefs et al., 2000)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。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。引自： http:/news3.xinhuanet.com/zhengfu/2003- 04/14/content_831369.htm3 我国降水量的地域分布：基本规律：从东南往西北降 水逐渐减少。等雨线：华南 年降水量为15002000 mm ，长江流域为10001500 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。三 植物与水的关系1 陆地植物的水平衡陆地植物光和作用获得1mlCO2需要交换3000ml空 气，因而易失水，一株玉米一天需水2Kg。植物必 须在得水（根吸水）和失水（叶蒸腾）之间保持平 衡，才能维持其正常生活。水与植物生产力密切相 关。引自：http:/zjphoto.yinsha.com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。骆驼刺Alhagi pseudathagi 地下部分(根)和地上部分( 茎叶）比。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。 （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。中生植物，如大多数农作物，森林树种。由于环境中 水分减少，而逐步形成一套保持水分平衡的结构与功 能。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。如阴性湿生植物大海芋，生长在热带雨林下层隐蔽 潮湿环境中，大气湿度大，植物蒸腾弱，易保持 水分，因此其根系极不发达。该类植物有秋海棠、 水稻、灯芯草等。旱生植物：生长在干热草原和荒漠地区，其抗旱能力 极强。少浆液旱生植物：体内含水量极少，当失 水50%时仍能生存；叶面积缩小，叶片极度退化成针刺状，或 小鳞片状; 以绿色茎进行光合作用；叶片结 构改变，气孔多下陷；根系发达，可从深 的地下吸水；细胞内有大量亲水胶体物质 ，使胞内渗透压高，能使根从含水量很少 的土壤中吸收水分。刺叶石竹 (Acanthophyllum pungens)多浆液旱生植物：根、茎、叶薄 壁组织逐渐变为储水组织，成为 肉质性器官。能在极端干旱的荒 漠地带长的很高大；大多数失去 叶片，由绿色茎代行光合作用； 白天气孔关闭以减少蒸腾量，夜 间气 孔张开，CO2进入细胞内被 有机酸固定。到白天光照下， CO2被分解出来，成为光合作用 的原料。由于其代谢的特殊性， 植物生长缓慢，生产量很低。3 水生植物: （沉水植物、浮水植物、挺水植物）体内具发达的通气系统；叶片很薄，有利于增加 采光面积和对营养物的吸收；身体弹性和抗扭 曲能力较强；有些植物可调节渗透压。能耐受 高盐。如红树林。红树林（Conocarpus erecta ）叶子的特殊盐腺分泌盐， 沉淀在叶子的外表面上丝柏树（Taxodium distichum）的出水 通气根从侧根上长出水面来。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 泽 泻黄 花 狸 藻图片引自：http:/www.liyi.com水芹菜 水蕹菜 茭 白 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。四 动物与水的关系动物与植物一样，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。 水生动物的渗透压调节水生动物，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压调节。引自：http:/news.southcn.com1 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。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。（引自Ricklefs, 2001）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。图3-10 海洋硬骨鱼与海洋软骨鱼渗透压比较（引自 Ricklefs, 2001） 5 海洋无脊椎动物：渗透压顺应者海龟、海鸟：具盐缐海洋兽类（鲸）：排高浓度的尿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。图片引自：http:/www.nipic.com水生哺乳动物通过高度浓缩尿液、乳液、保持水分 。对比 动物乳 汁 成 分（100克）能量水（克）脂肪（克 ）蛋白质（克）碳水化合物（克）奶牛87.33.73.54533人奶87.63.81.2733海豹A45.342.710.5041海豹B43.642.214.1-44（极端情况下）27.457.919.5-96失去四肢；身体庞大；具有鳔；深海鱼类皮肤组织 的通透性很大，骨骼和肌肉不发达，没有鳔。鲸肋 骨无胸骨附着，或无肋骨，潜入深海时可把肺泡内 气全部排出，不得减压病。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，靠膀胱重新吸收水分来 保持体液水分平衡。（二）水生动物对水密度的适应 ：（三） 陆生动物的渗透 压调节 有机体在陆地生存中面对的最严重问题之一是连续地 失水（皮肤蒸发失水、呼吸失水与排泄失水），使有机体 有可能因失水而干死，因而陆生动物在进化过程中形成了 各种减少失水或保持水分的机制。脊椎动物羊膜动物卵的 产生就代表了一种机制，使脊椎动物在发育过程中能阻止 水的丢失，而允许脊椎动物去开拓陆地。生物体水分得水：1）如蟑螂、蜘蛛等昆虫类通过体表可直接从较潮湿 的大气中吸水。2）各种物质氧化产生的代谢水。如蜂鸟。 3) 骆驼, 大量饮水贮存得水饮水食物 水 代谢 水排泄失水皮肤失 水呼吸失水1 动物减少失水的适应形式：1）减少蒸发失水。节肢动物体表具厚厚的角质 层及其上面的腊膜; 爬行动物体表具鳞片，可阻 碍体表水的蒸发。兽类与鸟类皮肤也具有防止 水分蒸发的作用。生活在不同环境中的 龟失水率。池龟、箱 龟与沙龟分别栖息在 湿的、微湿的与干燥 环境中。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 幼虫在0-15% 相对湿度 下的失水率。“”表示加入5% CO2，使气孔开放（转引自孙儒 泳，1992）图片引自：http:/zggjyz.com逆流交换机理(荒漠鸟兽)：即当吸气时，空气 沿着呼吸道到达肺泡的巨大表面积上，使空气 变成核温时的饱和水蒸气；而呼出气在通过气 管与鼻腔时，随着外周体温的逐渐降低，呼出 气的水气沿着呼吸道表面凝结成水，使水分有 效地返回组织，减少呼吸失水。如骆驼，通过 逆流交换可回收呼出气全部水分的95%。 图片引自：http:/www.hudong.com3）减少排泄和粪便失水（1）哺乳动物肾脏的保水能力: 肾脏通过亨利氏 袢和集合管的吸水作用使尿浓缩。亨利氏袢越长( 相应肾脏髓质越厚），回收水越多，尿浓缩越高 。（2）鸟类与爬行类的大肠和泄殖腔以及昆虫的直 肠腺具重吸收水的作用。兽类虽无泄殖腔，但大 肠也能重吸收水，使排出粪便的含水量随所栖环 境干燥程度增加而减少。返回图片引自：Randall et al., 2001（3）排泄尿酸: 鱼类排氨，排氨1克需水300500 ml。 两栖类、兽类排泄尿素，爬行类、鸟类 及昆虫排尿酸。排1克尿素与尿酸，需 水分别为50 ml及10 ml。4) 行为适应：夜间活动、穴居、夏眠图片引自：Randall et al., 20012 陆生动物对湿度的适应动物可通过运动、迁徙选择其喜好的湿度。通过夏 眠和滞育躲过干旱的季节。湿度可影响昆虫的生长 发育、繁殖、存活与寿命。昆虫个体小， 相对表面积大 ，水分丢失快 ，对空气湿度 最敏感。喜湿 昆虫：A; 喜旱 昆虫: B 有一 个最适的相对 湿度。