1、ISBN 978-7-5499-9383-39 787549 993833审批号： 苏费核 （2021年） 0380号举报电话： 12315定价： 10.57元主编责任编辑出版发行排版印刷厂址开本印张版次印次书号定价盗版举报普通高中教科书生物学 选择性必修2生物与环境汪 忠李?江苏凤凰教育出版社（南京市湖南路1号A楼 邮编210009）南京紫藤制版印务中心江苏凤凰盐城印刷有限公司（电话：0515-88153008）盐城市亭湖开发区希望大道中路70号（邮编224001）890毫米 240毫米/8.7521年6月第1版21年6月第1次印刷 978-4999383-310.57元83658579苏教
2、版图书若有印装错误可向出版社联系调换质量热线：025-83658528025-83658526书名第一节 种群的特征5种群特征6种群数量变化的数学模型10走进实验室 探究培养液中某种酵母菌种群数量的动态变化13第二节 影响种群特征的生态因子17生态因子18水对种群特征的影响18阳光对种群特征的影响19温度对种群特征的影响21土壤对种群特征的影响23第三节 种间关系26种间的负相互作用27种间的正相互作用29第二章群落第一节 生物群落的结构36生物群落具有水平结构和垂直结构37边做边学 调查和分析池塘生物群落中某种植物的生态位38群落随时间而改变39目录第一章种群绪论1第三章生态系统第一节 生态
3、系统的结构63生物与环境构成生态系统64边做边学 调查和分析一个生态系统65生物圈是最大的生态系统66生态系统的营养结构食物链和食物网69特定生态系统的生物与非生物因素决定其营养结构71第二节 生态系统的能量流动76生态系统能量流动的特点77生态金字塔79能量流动规律在生产中的应用80边做边学 调查农田生态系统的能量流动81第三节 生态系统的物质循环84生态系统的物质是不断循环的85边做边学 制作腐叶土86有害物质通过食物链呈现富集现象87第四节 生态系统的信息传递92生态系统的信息种类93生态系统的信息传递作用94第二节 生物群落的类型43多种多样的生物群落44物种丰富度46走进实验室 测定
4、土壤动物的物种丰富度47不同群落中的生物与环境相适应49边做边学 搜集荒漠生物群落中生物适应环境的资料49第三节 生物群落的演替53群落的初生演替和次生演替54影响群落演替的因素56第一节 人口增长和人类活动影响环境111世界人口日益增长112人口增长和人类活动引发全球性环境问题113边做边学 调查当地环境中存在的主要问题116第二节 创造人与自然的和谐119生物多样性影响人类的生存和可持续发展120边做边学 调查生物多样性的间接价值120? ?生物多样性的保护措施122边做边学 搜集生物多样性保护的实例122? ?保护生物多样性要求合理利用资源123保护环境需要从我做起127第四章生态环境的
5、保护第五节 生态系统的稳态及维持99生态系统的稳定性是动态的100边做边学 观察不同生态瓶中生态系统的稳定性101生态系统的稳定性依赖自我调节102自然或人为因素影响生态系统的稳定性103绪绪论论一、为什么要学习“生物与环境”模块？生物包括人和各种动物、植物、微生物。 “生物与环境”模块的内容是生物学的重要组成部分，是主要研究生物与其环境之间相互关系的学科。我们为什么要学习“生物与环境”模块的内容呢？首先，人类的活动对环境产生了重大影响，环境保护已经成为全人类共同关心的问题。学习“生物与环境”模块的内容，有助于我们担当起保护环境的社会责任。在人类社会发生日新月异变化的同时，各种环境问题也不断出
6、现，包括气候变化异常、水资源短缺、臭氧层破坏、土地荒漠化和环境污染等，严重影响着人类的生存和可持续发展。据新华社报道，2016年9月3日中国国家主席习近平出席了在杭州举办的气候变化巴黎协定批准文书交存仪式。习近平指出，签署巴黎协定并向联合国交存批准文书是中国政府作出的新的庄严承诺（图1）。巴黎协定的目标是通过各国共同减排，争取把全球平均气温相比工业化之前，升高幅度控制在2 之内，到2030年全球碳排放总量控制在400亿吨，到2080年实现净零排放。巴黎协定目标的实现，需要我们每一个人的努力。通过学习“生物与环境”模块，我们能形成“绿水青山就是金山银山”的环境保护理念，真正成为绿水青山的守护者。
7、图1巴黎协定宣传图片1其次，通过学习“生物与环境”模块的内容，我们能基于所学内容，积极而科学地参与个人与社会相关问题的讨论，作出理性解释和判断，积极探讨解决环境保护问题的方法。人与自然是生命共同体，人类必须尊重自然、顺应自然、保护自然，许多生态问题仍有待我们解决。例如，社会经济发展与自然生态保护之间的矛盾等问题。通过学习“生物与环境”模块，我们就能初步具备解决环境保护问题的能力。在面对相关问题的讨论时，我们就能基于所学知识，独立地作出判断，不仅自觉地践行环境保护理念，还能主动参与保护环境的宣传教育活动，为保护生态环境作出积极贡献。二、“生物与环境”模块有哪些学习内容？我们平时也会关注到生态与环
8、境问题，如日常生活中的垃圾分类问题、碳循环问题。解决这些问题，都需要相关的科学知识。那么，我们将在“生物与环境”模块中学习哪些内容呢？“生物与环境”模块仅选取了生物学相关方面的最基本的知识。例如，我们会学习有关种群的特征和影响种群特征的生态因子的内容、群落的结构和类型以及群落演替的内容、生态系统的结构和类型以及生态系统自我调节作用的内容等。这将有助于我们形成“生态系统中的各种成分相互影响，共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递，生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态”这一大概念（图2）。学习了这些内容，我们能运用相关概念阐述生命系统（如人）与环境的关系，树立人与自然和谐相处的观念；也能分析
9、和探讨我们的生活和生产对各种生态系统稳态维持的影响，并自觉践行绿色低碳生活方式；还能参与有关“绿水青山”就是“金山银山”社会议题的讨论，并作出自己的贡献等。三、如何学习“生物与环境”模块的内容？“生物与环境”模块要求我们重点理解“生态系统中的各种成分相互影响，共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递”“生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态”这样的大概念和若干重要概念。这些内容有些我们在必修模块已经有了初步的了解，有些则可能是第一次接触。学习本模块的内容特别要注意以下几个方面。图2“生物与环境”模块主要学习内容生态系统具有一定的结构和类型生态系统的能量流动、物质循环和信息传递群落具有一定的结
10、构和类型，会发生演替生态系统中的各种成分相互影响，共同实现系统的物质循环、能量流动和信息传递，生态系统通过自我调节保持相对稳定的状态人类活动对生态系统的动态平衡有影响种群具有一定的特征许多生态因子影响种群的特征2首先，要重视学科间的横向联系。自然界是一个统一的整体，自然科学中的物理学、化学、生物学等学科的思想方法、基本原理、研究内容有着密切的联系。生物学与数学及人文社会学科等也相互渗透、共同发展。在“生物与环境”模块的学习过程中，许多概念的学习与其他学科有横向联系。例如，联系物理学“能量守恒定律”，我们可以更好地理解生态系统中能量流动以及能量流动过程的特点等内容；联系物理学“散热方式”的知识，
11、可以更好地理解仙人掌和野骆驼能适应荒漠和干旱少雨的环境等知识。再如，联系数学的相关知识，我们可以轻松地构建“种群数量变化的数学模型”，理解“物种丰富度”的知识，掌握“生物富集”的原理等。而理解这些概念将有助于我们形成“结构与功能观”“稳态与平衡观”“物质与能量观”等生命观念。其次，要联系身边真实的环境问题。在“生物与环境”模块的学习过程中，我们不仅要学习理论知识，形成生命观念，还需要联系身边真实的环境问题，解决实际问题。我们可以通过观察、动手类的实践活动，也可以通过以问题解决为特点的探究活动，分析问题和解决问题。我们在联系自己已有前概念的基础上，通过对事实的抽象和概括建立新的生物学概念，建构相
12、应的知识框架，为在新情境下解决相关环境问题奠定基础。科学家就是通过科学探究的方法取得新成果、获取新知识的。在学习“生物与环境”模块的过程中，我们不仅要领悟生物学家在研究过程中所持有的观点、解决问题的思路和方法，而且要像科学家一样，通过提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律等过程，获得生物学知识，形成生命观念，养成科学思维的习惯，秉持积极的科学态度，发展终身学习的能力。我们还应在学习“生物与环境”模块的过程中运用所学知识，参与到当地生态与环境问题的讨论中去，承担并践行保护环境从自身做起的社会责任。3一方荷塘宋朝词人李清照在如梦令常记溪亭日暮中描述了她眼中一方荷塘的美景：“常记溪亭日暮，
13、沉醉不知归路。兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。 ”我们对此美景可能会有自己的视角。从生物学视角看，上述一方荷塘中的这种莲组成一个种群。那么，由这种莲组成的种群具有哪些特征呢？一个种群会有哪些变化呢？种群的变化受哪些因素的影响呢？从上述模拟活动可以看出，通过数学方法可以估算出一包黄豆的数量。用这样的方法也可以估算出一个封闭的区域内某种动物的数量，即该地域中该种群的个体数量。其实，一个种群的个体数量一直处于动态变化之中，这是种群的一种特征。种群个体数量为什么会变化？种群还有哪些特征？第第一一节节种种群群的的特特征征除气候、病害和虫害外，鼠害也对农作物产量有一定的影响。在农业生产
14、上，消除鼠患很有必要。但为了提高经济效益，一般只有当农田鼠类数量达到一定指标时，才会采取相应的措施进行防鼠灭鼠。那么，有什么办法可以估算出一片农田中某种鼠的数量呢？事实：1.在估算一片农田中某种鼠的数量前，我们先开展一个模拟活动：每组准备一包黄豆（250 g），黄豆颗粒数代表这片农田中某种鼠的数量；与黄豆大小一致的红豆50粒，红豆代表将这种鼠捕获后，用记号标志并放回原农田中的鼠；500 mL烧杯和培养皿各一个。2.将黄豆全部倒入烧杯中后，从烧杯中取出50粒黄豆，并将50粒红豆倒入烧杯中，充分搅动烧杯中的黄豆与红豆，使它们混合均匀。3.让被蒙着双眼的实验操作者每次从烧杯中随机抓取一粒豆子放入培养
15、皿中。其他同学随即充分混匀烧杯中的豆子，实验操作者再随机抓取一粒豆子放入培养皿。依此方法，实验操作者连续抓取豆子20次(也可以更多次数)。统计实验结果，并运用数学知识估算这包黄豆的数量（图1-1-1）。思考：1.估算 运用数学方法估算出的黄豆数量与真实的数量有差异吗？2.推理 如果这包黄豆代表一片农田中的某种鼠的数量，我们能否运用上述方法估算这片农田中该种鼠的总数？积积极极思思维维如何模拟估算一片农田中某种鼠的数量？图1 - 1 - 1模拟估算动物的数量5图1 - 2特定时空内生物的种群密度集群迁飞时的君主斑蝶种群密度很高国家一级保护动物普氏原羚种群密度很低种群特征生态学上把在特定时间占据一定
16、空间的同种生物的所有个体的集合称为种群（）。因此，种群不是生物个体数量的简单相加，而是由同种生物个体组成的具有整体性和统一性的群体。种群密度及其常用测定方法种群密度是种群最基本的数量特征。种群密度（populationdensity）是指单位面积或空间内某种群的个体数量。所以，单位面积或空间内，某种群的个体数量越多，种群密度就越高；种群的个体数量越少，种群密度就越低（图1 1 - 2）。表1 - 1 - 1不同生境中的毛茛叶报春的种群密度调查研究表种群生活环境海拔/m面积/m21林下溪边1 3101 365502林下溪边42050种群数量/株25215种群密度/（株m-2）0.54.3研究种群
17、密度的变化，需要进行长期的数量统计和数据分析。例如，一些科学家对某一地域不同生境中的毛茛叶报春的种群密度进行了调查研究，获得了相应的数据（表1 - 1 - 1）。上述种群密度的调查数据是科学家通过一株一株地计数获得的，这种方法称为直接计数法。这种方法适用于较小范围内、种群个体数量较少的情况。在生物种群个体数量较多或面积较大的情况下，种群密度的数据需要运用一定的方法才能获得。测定种群密度常用的方法有样方法（quadrat method）和标志重捕法（mark鄄recapture method）。通过计算若干样方中某种生物的全部个体数，再以其平均数估算种群整体数量的方法称为样方法。样方法更适用于调
18、查个体分布比较均匀的植物（如蒲公英）或移动能力较弱的动物（如蜗牛）的种群密度。6五点取样法等距取样法图1 - 1 - 3常用的取样方法示意图图1 1 - 4菠菜常会受到蜗牛的危害事实：在评估一块菠菜地受蜗牛危害的程度时，可采用样方法测定蜗牛的种群密度。在菠菜地内随机选取若干个样方（面积一般为1 m2的正方形），计数每个样方内的蜗牛个体，求得每个样方内的蜗牛密度，再算出所有样方内的蜗牛密度平均值，以此估算这块菠菜地中蜗牛的种群密度（图1 - 1 - 4）。理论上，布设的样方数量越多，测得种群密度的数值与实际偏差越小。但是，在实践中，取样的样方数量过多会增加实验实施的难度。2.一般根据样地的特点选
19、择适合的取样方法。对于一块面积为20m30m的菠菜地，采用五点取样法比较适宜。假设调查结果是5个样方内捕捉到的蜗牛数量分别为18只、20只、19只、21只和17只。思考:? ? 1.计算 根据上述相关数据，估算该菠菜地里蜗牛的种群密度。2.分析 随机取样时，样方的数量和面积会影响种群密度的测定值吗？积积极极思思维维如何估算一块菠菜地里蜗牛的种群密度？在采用样方法估算种群密度时，关键是要保证取样的随机性，使种群中每个个体被抽选到的机会均等，避免受到任何主观因素的干扰。样方法中常用的取样方法有五点取样法、等距取样法等（图1 - 1 - 3）。7采用标志重捕法的前提是被标志个体与未被标志个体在重捕时
20、被捕获的概率相等。这样重捕取样中的被标志个体所占比率与样地个体总数中的被标志个体比率就相等，通过计算才能得出种群的个体数量。在采用标志重捕法时，要注意以下几个方面：标志物和标志方法不能影响被标志动物的正常活动，也不能导致它们产生疾病或被感染等；标志符号必须能够维持一定的时间，至少在调查期间不能消失；标志符号也不能过分醒目，否则被标志动物可能容易受到捕食者的攻击。标志重捕法的应用比较广泛，可用于对哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类、鱼类和昆虫的种群密度或数量的调查。对于移动能力较强的动物种群来说，直接计数或采用样方法统计它们的个体数量都很困难，一般采用标志重捕法计算它们的种群密度。具体方法是在调查种群
21、所处的地域中，捕获一部分个体（数量记为M），将这些个体标志（图1 -1 - 5）后放回原来的生活环境。一段时间后在该区域对动物进行重捕，对被重捕的动物个体数量（n）进行统计，同时统计重捕动物中被标志的个体数量（m），最后就能计算出被调查动物种群的个体数量（）。计算公式如下：（种群个体数量）（重捕个体数量）（重捕中被标志个体数量）（被标志个体数量）跨学科视角如果从一片样地中捕获20只黄毛鼠，对它们进行标志后放回样地中；一段时间（如48 h）后，再次从此样地中捕获30只黄毛鼠，发现其中有5只黄毛鼠被标志。该样地中黄毛鼠的种群个体总数是多少？这种用数学方法计算出来的数量与该样地中黄毛鼠的实际数量完全
22、一致吗？为什么？对鱼进行标志图1 - 1 - 5不同动物的标志方式示意图标志后的蝴蝶如果标志符号发生部分脱落，则计算出来的某种鸟类种群数量和实际数量相比是偏大还是偏小？8图1 1 - 6人种群年龄结构的三种类型示意图老 年成 年幼 年增长型稳定型衰退型年龄岁种群的主要特征种群是由个体组成的，但是种群的特征和个体的特征并不完全相同。种群特征除种群密度外，还主要包括出生率（natality）和死亡率（mortality）、迁入率和迁出率、年龄结构、性别比例（sex ratio）。种群的这些特征都是一个种群的群体性特征，是种群中的每个个体所不具有的。出生率和死亡率是决定种群数量变化的主要因素。出生率
23、是指某一个种群在单位时间内产生的新个体数占个体总数的比率。一个种群的出生率代表了这个种群产生新个体的能力。死亡率是指某一个种群在单位时间内死亡的个体数占个体总数的比率。当种群的出生率超过死亡率时，种群的数量会增加；当种群的出生率低于死亡率时，种群的数量会减少；当种群的出生率接近死亡率时，种群的数量会保持相对稳定。可见，出生率和死亡率与种群数量的变动密切相关。种群中个体的迁入（immigration）或迁出（emigration）也决定了种群数量的变化。通常把单位时间内迁入某种群的个体数占该种群个体总数的比率称为迁入率，把单位时间内迁出某种群的个体数占该种群个体总数的比率称为迁出率。由于受到个体
24、迁入或迁出的影响，许多生物种群都存在数量变化的现象。例如，一个地区每年春天或秋天家燕的种群数量会增加或减少，主要就是由家燕从其他地区迁入或从该地区迁出造成的。种群的年龄结构是指一个种群中各年龄段的个体数占整个种群个体总数的百分比。它对种群数量的变化有很大影响，一般用年龄金字塔来表示。以人为例，种群的年龄结构可分为增长型、稳定型和衰退型三种类型（图1 1 - 6）。种群的出生率和死亡率受环境条件的影响很大。以草原上的某种兔种群为例，说出影响该兔种群数量变化的环境因素有哪些。9问题与讨论定期开展全国人口普查，对于掌握全国人口状况和制订未来国家人口发展战略意义重大。我们可以通过统计自己家庭祖辈（祖父
25、、祖母、外祖父、外祖母）、父辈（父、母）和自己这一辈的人数比例，并在汇总全班同学信息的基础上，推测出我国目前人口年龄结构的模型吗？在增长型种群中，幼年个体数量较多，老年个体数量较少，出生率大于死亡率，种群数量会在一段时间内越来越多；在稳定型种群中，各年龄段的个体数量比例相当，出生率和死亡率大致相等，种群数量会在一段时间内保持相对的稳定；在衰退型种群中，幼年个体数量较少，老年个体数量较多，死亡率往往大于出生率，种群数量会越来越少。种群的性别比例是指种群中雌雄个体数量的比例。具有生殖能力的雌雄个体数量比例的失调，将引起种群内个体数量的变化，在一定程度上也会影响种群密度的变化。总之，出生率和死亡率、
26、迁入率和迁出率、年龄结构、性别比例都可以影响种群数量的变化，其中出生率和死亡率、迁入率和迁出率是决定种群数量变化的主要因素，年龄结构、性别比例常作为预测种群数量变化的主要依据。种群数量的变化还受到种内关系、种间关系、外界环境等因素的影响。开展种群数量的调查，对于珍稀濒危生物的保育、有害生物的监测和控制，以及人口数量的监控等均具有重要的实践意义。在研究种群数量动态变化时，要对相关数据进行分析、预报、决策和控制，这些过程往往都离不开数学知识的应用。数学模型（mathematical model）是生物学研究的重要工具之一。种群数量变化的数学模型知识链接生物学研究的一种工具数学模型利用数学模型描述客
27、观世界是科学研究和技术开发的一种重要方法。这种方法在物理学和化学中早已被运用并获得了巨大的成功。20世纪以来，数学在生物学中的应用越来越广，数量遗传学和数量生态学等新兴学科的相继诞生，标志着数学已经成为生物学研究的一种重要工具。建立数学模型主要包括表达与验证两个过程。表达是根据建模的目的和掌握的信息（如数据、现象），将实际问题转换成数学问题，用数学语言准确地表述出来；验证是用现实对象的信息检验得到的解答，以确认结果的正确性。这两个过程循环作用，使得数学模型不断完善（下图）。数学模型的应用能较明确地表达生命活动的动态过程，进而帮助我们深入了解生命活动的本质。现实对象和数学模型的关系抽象的数学模型
28、现实对象的信息表达验证10建立生物种群数量动态变化的数学模型，可以阐明自然种群动态变化的规律及其调节机制。如果利用计算机来建立模型，不仅有助于预测种群数量，而且还能对原先无法进行的或一些大规模的实验活动进行模拟实验。“J”型增长模型在环境资源不受限制的理想条件下，如食物充裕、空间充足、气候适宜且没有天敌，种群数量的变化主要取决于出生率、死亡率和种群的起始个体数量等。以一年生植物为例，如果用表示某种群的起始数量，t表示时间，表示该种群数量相对于前一年种群数量的倍数，那么年后种群数量（）可用数学模型表示为：如果在理想环境中，种群数量年复一年地增长（大于1），以时间为横坐标、种群数量为纵坐标，将种群
29、数量的连续增长在坐标图中表示出来，形成的曲线形状像字母“”，因此被称为种群数量增长的“”型曲线（图1 1 - 7）。例如，某个一年生生物种群，开始的个体数为10个，到第二年为200个，那么其种群数量是原来的20倍。在绝大多数情况下，种群数量的“J”型增长都是暂时的，并且这种增长情况一般发生在种群密度很低、资源相对丰富的条件下。“S”型增长模型在自然界中，由于受环境条件和生物自身因素的限制，自然种群数量不可能按照“J”型曲线那样无限增长。例如，受种群密度增大、环境资源缺乏、代谢产物积累以及捕食者数量增加等各种因素的影响，种群内个体可利用的生存空间变小、资源减少，结果是种群的出生率会降低，死亡率会
30、增加。当出生率与死亡率相等时，种群数量就会停止增长，种群数量达到最大值。在环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的种群最大数量称为环境容纳量（carryingcapacity），即K值。一定空间中的环境容纳量一般是有限的。种群数量达到环境容纳量时，往往会稳定在一定的水平，不再增长。如果将这种种群数量的增长过程用曲线在坐标图上表示出来，得到的曲线形状像字母“S”，这就是种群数量增长的“S”型曲线（图1 1 - 8）。种群数量/个O时间/年图1 1 - 7种群数量增长的“”型曲线O图1 1 - 8种群数量增长的“”型曲线时间/年种群数量/个11182018401860188019001920
31、012图1 - 1 - 9某地区一个塔斯马尼亚绵羊种群数量波动示意图绵羊的数量/106只年份种群数量的波动气候、食物、天敌、疾病等多种因素都会使种群数量发生波动。例如，一年生的草本植物一般有明显的季节消长；温带湖泊中的浮游生物（如硅藻）一般每年有春秋两次种群密度高峰；遭遇连年干旱的地区，东亚飞蝗可能出现种群数量的大爆发。图1 1 - 9显示了100年内某地区一个塔斯马尼亚绵羊种群数量波动的情况。在某些不利因素的影响下，有些种群会急剧衰退，甚至灭绝。通常个体较大、出生率低、生长缓慢、成熟较晚的物种，其种群数量受环境影响后，容易发生较大波动。人为干扰也会使种群数量发生一定的变化。例如，在人类过度捕
32、猎、种群栖息地遭破坏的不利条件下，某些动物种群数量会长期下降，严重时甚至会导致该物种灭绝。知识链接种群的衰落和灭亡当种群长久处于不利的自然条件下，或在人类过度捕猎、栖息地被严重破坏的情况下，其数量会出现持久性下降，即种群衰落，甚至灭绝。例如，蓝鲸是世界上最大的须鲸，曾捕获到的最大的蓝鲸体长33.58 m，体重170 t。由于第二次世界大战期间捕鲸业停顿，各种鲸的种群数量得到增长；战后随着捕鲸船的吨位上升和捕鲸技术的提高，鲸的被捕获量节节上升。结果导致蓝鲸种群衰落，濒临灭绝。由于同样的原因，其他鲸类也日渐减少。据调查，一些种群衰落和灭亡的速度正大大加快。究其原因，不仅与人类的过度捕猎有关，而且因
33、为人类活动造成野生生物栖息地的破坏，导致它们的生存状况进一步恶化。如果一个种群的数量减少到一定程度，种群的繁殖能力和生活力就会大大降低，种群的衰落和灭亡也就不可避免了。问题与讨论上图记录了塔斯马尼亚绵羊在18201850年期间种群数量的快速增长变化，以及随后70年间的种群个体数量的相对稳定和不规则的小幅度波动情况。怎样解释导致该绵羊种群密度发生这些变化的原因呢？12走进实验室探究培养液中某种酵母菌种群数量的动态变化酵母菌种群数量的动态变化与培养条件密切相关。在培养液中营养物质减少、代谢产物增加的情况下，种群数量增长会受到环境因素的限制。实验目的通过探究活动，学会测定种群数量的方法，并建立反映种
34、群数量动态变化的数学模型，说明种群数量的增长规律。实验器材和试剂活性干酵母，载玻片、盖玻片、滴管、试管、锥形瓶、血球计数板（图1 - 1 - 10）、显微镜、天平，质量分数为的葡萄糖溶液。实验指导.问题与假设：尝试提出一个关于酵母菌种群数量增长的问题。针对问题，作出假设。例如，提出问题：培养液中酵母菌种群的数量增长曲线是“S”型曲线吗？作出培养液中酵母菌种群的数量增长曲线是“S”型曲线的假设。.设计与实验：根据假设，考虑选用哪些器材和哪种实验方法。在小组充分讨论的基础上，设计探究方案，并按照探究方案实施实验。（1）用天平称量 活性干酵母，放入盛有 质量分数为的葡萄糖溶液的锥形瓶中，将锥形瓶置于
35、适宜的条件下（如室温25 ）培养1天，记录初始种群数量。（2）定时取样和计数：在此后连续6天的培养中，每天定时取样，在显微镜下用血球计数板计数。：操作时，先将盖玻片盖在计数板上，用滴管将培养液滴在盖玻片的边缘，让培养液自行渗入计数室，多余的培养液用滤纸吸去；片刻后，待酵母菌沉降到计数室底部，将计数板放在载物台的中央，运用样方法计数小方格内的酵母菌数量（图1 - 1 - 11）。图1 - 1 - 10血球计数板正面观图侧面观图 ?血球计数板盖玻片 计数室小方格中方格大方格（25个中方格）妖妖图1 - 1 - 11某种血球计数板的结构示意图计数室13种群数量的变化受到多种因素的制约。我们通过研究种
36、群的各种特征，可以掌握种群数量变化的规律，有利于维持各类种群数量相对稳定的状态。3.计算样品中的酵母菌种群数量：根据计数结果，推算小方格内酵母菌数量的平均值，再根据单位体积内的平均值，参照计数板的规格，通过换算求出酵母菌的种群数量。每个样品计数3次，将结果填入表1 - 1 - 2中，取其平均值。计算公式（1 mL悬液中的酵母菌数量）：1 mL悬液中的酵母菌数量=（80个小方格内酵母菌数量/80）400104稀释倍数连续7天定时取样和计数，并计算样品中酵母菌种群的数量。：以时间为横坐标，以培养液中的酵母菌种群数量为纵坐标，在图1-1-12中绘出酵母菌种群数量动态变化的曲线图。结论与反思根据酵母菌
37、种群数量动态变化曲线得出结论。这一结论支持我们在实验开始时作出的假设吗？在了解其他小组的实验结论的基础上，反思本组的实验。重复实验可以提高实验结果的可靠性。123平均第2天 第3天 第4天 第5天 第6天 第7天第1天（初始种群数量）次数时间如果你想要更多地了解与种群数量变化有关的知识，请参考下列资料。曹凑贵，展茗.生态学概论. 3版.北京：高等教育出版社，2015.第四章 生态系统中的生物种群 第三节 种群的数量动态及调节酵母菌种群数量（个）时间天O1234567图1 - 1 - 12酵母菌种群数量动态变化曲线图表1 - 1 - 2酵母菌种群数量统计表14向日葵样方样方1样方2样方3样方4样
38、方5向日葵数量/株810966向日葵数量统计本节练习一、思辨题1.研究人员在观察了一种软体动物的生长情况后发现，该动物的种群密度（个m-2）对个体的最大体长（mm）和单位面积质量（gm-2）的影响如下图所示。下列有关描述与图示数据相符的是（）A.最大体长与种群密度呈负相关B.单位面积质量与种群密度呈负相关C.该种群的K值为6001 200个D.该种群的环境容纳量是1 000个m-22.生物兴趣小组的同学到一个植物园调查水杉的种群密度，发现水杉植株分布不均匀，有的植株多株集中生长，有的植株之间比较分散，还有一些生长在植物园外。他们应该采用什么方法调查水杉的种群密度呢？生长在植物园外的水杉是否也要
39、计入呢？二、应用题1.同学们在参观某向日葵种植基地时，看到地里生长着密密麻麻的向日葵植株。他们希望估算这块长2 000 m、宽400 m的地块里向日葵的数量（右图）。（1）科学地估算该地块中的向日葵数量，不仅是一个测定种群密度的生物学问题，也是一个数学统计学的问题。想一想，应该如何选定样方？如何完成必要的数据收集工作？（2）他们选定了5个样方（1 m1 m），统计出样方中的向日葵数量，并将数据归纳为下表。我们能根据统计数据，估算出该地块的向日葵总数吗？（3）在参观的过程中，种植基地的技术员告诉小组成员：向日葵螟虫是向日葵种植的主要害虫，而赤眼蜂是向日葵螟虫的天敌。如果没有人为干预，向日葵螟虫和
40、赤眼蜂的种群密度会发生什么样的变化？请用曲线图表示出来。2.通过本节内容的学习，我们一定能感悟到数学在生物学研究中的重要作用。我们还能举出物理学、化学等学科在生物学研究中也具有重要作用的实例吗？O200 400 600 800 1 000 1 2002575单位面积质量/（gm-2）125100种群密度/（个m-2）50一种软体动物的种群密度对个体最大体长和单位面积质量的影响示意图最大体长/mm405060700200 400 600 800 1 000 1 200种群密度/（个m-2）3015海洲香薷是铜矿脉的指示植物课课外外阅阅读读生态指示种生态指示种是指在一定地区范围内，能指示环境条件或
41、其中某一因子的存在和特性的物种。早在1894年，生物学家梅里安（C. H. Merriam）就提出利用无脊椎动物和植物作为温度带的指示生物。植物经常被用作水和土壤等状况的指示生物，包括土壤指示植物、气候指示植物、矿物指示植物、环境污染指示植物、潜水指示植物等。土壤指示植物：芒箕为酸性土壤的指示植物，柏木为石灰性土壤的指示植物，多种碱蓬是强盐渍化土壤的指示植物，草是富氮土壤的指示植物。气候指示植物：椰子树的开花是热带气候的标志。矿物指示植物：海洲香薷（）是铜矿脉的指示植物（左图）。环境污染指示植物：唐菖蒲的叶片边缘和尖端出现淡黄色片状伤斑，则说明空气中存在氟化氢污染。此外，科学家发现，植物花的颜
42、色、生态类群、年轮、畸形变异、化学成分等变化也具有指示某种环境条件的意义。生物资源科学生物资源科学专业是以生物学为背景，以现代生物技术为主导，以生物资源的种群分布、生殖特点、经济性状、机能特性和开发利用等相关知识，及其可持续发展为中心内容进行教学和科研的专业，是一个多学科交叉、宽口径设置的新专业。学生毕业后可从事生物资源开发利用、生物制药、生物信息学、生物制品经营管理等众多领域的工作。如果你想要更多地了解本专业的相关情况，请访问我国关于专业介绍的网站。生物资源科学专业的师生在进行野外生物资源调查16从谢尔福德耐受性定律可以看出，任何生物的种群数量都会随着关键性因子的变化而发生有规律的变化。对于
43、种群来说，除了某些关键性因子外，还会受到其他环境因子的影响。这些因子统称为生态因子。什么是生态因子？它们对种群有哪些影响呢？第第二二节节影影响响种种群群特特征征的的生生态态因因子子我们常用“鱼儿离不开水”来形容水对鱼的重要性。其实，每种生物种群都有一种或几种对它生存和繁殖有关键性影响的因子（关键性因子）。例如，当某水体中的氧含量发生波动时，氧就会成为该水体中水生动物的关键性因子。那么，这些关键性因子是如何影响生物种群数量变化的呢？事实：1. 1913年，美国生态学家谢尔福德（V. E. Shelford，18771968）提出了耐受性定律。他认为，任何生物的种群数量都会随着关键性因子的变化而发
44、生改变（图1 - 2 - 1）。2.从图1 - 2 - 1可看出，某种群数量随着某一关键性因子的变化而变化。在关键性因子最适区，生物最多；当关键性因子偏离最适区，生物不断减少；当关键性因子超过生物耐受范围时，生物将面临生存困难乃至死亡。思考：1.推理 如果某种生物对温度这一关键性因子的耐受性区间是1050 ，最适区为2028 ，用温度作横坐标，画出该生物的耐受性曲线。2.分析 在上述谢尔福德耐受性定律示意图中，横坐标“环境（关键性因子）”指的是什么呢？积积极极思思维维关键性因子是如何影响种群数量变化的？分布中心生物最多图1 - 2 - 1谢尔福德耐受性定律示意图环境（关键性因子）不能忍受地带没
45、有生物耐受下限适宜区耐受上限最适区生物不多生物不多没有生物不能忍受地带O种群数量17生态因子对某个生物体而言，其周围客观存在的一切事物都是它的环境。环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布等有直接或间接影响的因素，称为生态因子（ ）。生态因子包括非生物因素和生物因素。非生物因素包括阳光、温度和水等，生物因素包括生物之间的各种相互关系，如捕食、竞争和共生。在任何生物的生存环境中都存在着很多生态因子，如果某种生态因子发生变化，在接近或超过生物体的耐受极限时，就会成为限制因子（limiting ）。在某种生态因子的耐受范围内，每种生物都有一定的最适区。例如，苹果和梨适宜在温带和亚热带种植；马尾松在
46、长江流域主要分布在海拔 以下的地区，超过这个海拔高度则是黄山松的适宜生长区；马铃薯甲虫在 时食量最大，低于 时即停止进食；长江中的江豚（图1 2 - 2）不能像海豚那样耐受海水的盐度，它们只能生活在淡水中。总之，对某种生物而言，阳光、温度、水、土壤、空气、无机盐以及其他生物都可能对它们的生存有一定的影响。水对种群特征的影响水是生物不可缺少的重要组成成分，生物的生命活动离不开水。例如，植物体的含水量一般为60%80%，水母的含水量超过95%。广泛分布于各地草原上的结缕草地下茎比较发达，是较好的草坪用草。有科学家发现，它的种群密度受水的影响很大。当土壤水分充足时,结缕草的正常生长不受限制，株高增高
47、、种群密度增大；当土壤水分不足时，结缕草地上部分生长受到抑制，种群密度减小。同样，水对动物的生长发育、空间分布及种群数量也有影响。例如，在干旱年份，澳洲鹦鹉就停止繁殖；羚羊幼仔的出生时间，正好是雨水充沛、植被茂盛的时期。图1 2 - 2江豚问题与讨论在地球上，有水的地方一般就可能有生命。一切生命活动都与水有密切关系。能不能用自己熟悉的实例说明水对动物的生长发育或空间分布有哪些影响？18阳光对种群特征的影响灿烂的阳光不仅给自然界带来光明和温暖，也为一切生命活动提供了取之不尽的能源。其实，阳光对生物和环境的影响十分复杂，其中光的波长、光照强度和日照长度等都是重要的生态因子。不同波长的光对生物有不同
48、的影响。例如，大多数脊椎动物与人一样需要在可见光范围内生存。一些昆虫对红外光不敏感，但对紫外光敏感。昆虫对紫外光的这种趋光性已被用于诱杀农业害虫。光照强度对植物生长及形态结构的构成有重要作用。根据植物对光照强度适应程度的不同，可以将植物分为阳生植物和阴生植物（图1 - 2 - 3）。阳生植物对光照强度要求比较高，只有在光照较强的条件下才能正常生长，常见种类有蒲公英、杨、桦和松等。阴生植物大多生活在光照强度较弱的环境中，常见种类有人参、文竹、三七和半夏等。还有些植物对不同的光照强度都有较强的适应能力。根据植物对光照强度的适应程度，可以更科学地对各种植物进行合理栽培，间作套种，引种驯化。知识链接水
49、体中藻类分布与光照强度的关系光在水中的穿透性限制了藻类在水体中的分布。在特别清澈的海水和湖水中，透光带可以深达百米，藻类可以自由地分布在这广阔的透光带区域里。而在含有大量泥沙颗粒的水体中，透光带可能到达水面以下1 m左右处，这类水体中的藻类一般只分布在这有限的透光带范围内。为什么藻类只能生活在一定光照强度的水体中呢？这与藻类的光补偿点有关。光补偿点是指光合作用速率与细胞呼吸速率相等，即净光合作用速率为零时的光照强度。当海洋中的浮游藻类发生沉降，环境中的光照强度越来越弱，当光照强度低于光补偿点时，如果这些藻类不能很快回升到海洋表层，便会死亡。因此，许多藻类都具有向光移动的现象。阳生植物（蒲公英）
50、阴生植物（人参）图1 - 2 - 3光照强度对植物的生长有影响19光照强度也会影响很多动物的行为（图1-2-4）。例如，蝙蝠傍晚开始活动的时间，会随日落时间改变而改变；菜粉蝶的昼出夜伏也与光照强度有关；蝗虫的群体迁飞也发生在日光充足的白天，如果天空乌云密布，它们会停止迁飞。事实：1. 20世纪初，科学家发现了两个难以解释的现象：一是某个品种的烟草，在夏季即使株高2 m也不开花；而在冬季的温室里，株高不到1 m却可以开花。另一个现象是，在春季的不同时间播种某品种的大豆种子，尽管大豆植株的株高明显不同，但它们在夏季的开花时间差别不大。2.地球的公转和自转导致了地球上的日照长短发生周期性变化。在北半
