1、上海科学技术出版社上海科学技术出版社普 通 高 中 教 科 书生物学生物与环境生物学选择性必修 2生物与环境普通高中教科书生物学选择性必修 2生物与环境上海科学技术出版社SHENGWUXUE绿色印刷产品绿色印刷产品选择性必修 2定价 : 9.30 元生物学选择性必修 2普通高中教科书生物与环境上海科学技术出版社主编：赵云龙周忠良本册主编：梅其春编写人员：（以姓氏笔画为序）王正寰沈宇张阳陈珉姜晓东责任编辑：杨硕吴玥美术设计：蒋雪静普通高中教科书生物学选择性必修 2生物与环境上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版上海世纪出版 ( 集团 ) 有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路 7
2、1 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷当纳利（上海）信息技术有限公司版 次2021 年 3 月第 1 版印 次2021 年 3 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张7.25字 数145 千字书 号ISBN 978-7-5478-5298-9/G1036定 价9.30 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：021-64848025，邮箱：全国物价举报电话：12315声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报
3、酬事宜可及时与出版社联系。种群特征及其影响因素 用数学方法描述种群数量的变动规律 探究 实验 1-1 探究培养液中酵母种群数量的变化规律群落是多物种种群形成的复杂空间结构探究 实验 1-2 探究土壤中动物类群的丰富度探究 活动 1-3 调查城市常见鸟类生态位群落演替是生物与环境相互作用的结果第 1 节第 2 节第 3 节第 4 节生态系统的结构与功能 35第 1 节第 2 节第 3 节第 4 节生态系统各组分紧密联系成一体能量在单向流动中逐级递减物质在生态系统中循环利用探究 活动 2-1 调查本地一个生态系统的能量流动或物质循环生态系统运行离不开信息传递种群和群落 12928173642495
4、5目录13202653第章第章121生态环境的保护 81第 1 节第 2 节第 3 节人口增长影响生态环境探究 活动 4-1 调查身边的环境问题生物多样性关系到生态系统稳定及人类生存和发展探究 活动 4-2 探讨身边的生物多样性保护现状保护环境实现人类与自然的和谐相处探究 活动 4-3 了解身边的人工生态系统828999第章48710195生态系统的相对稳定性 63第 1 节第 2 节生态系统具有维持动态平衡的能力探究 实验 3-1 设计并制作生态瓶生态系统的稳定性受到各种干扰的影响探究 活动 3-2 设计保持和提高某个生态系统稳定性的方案71646875第章321 第 节第 章1种群和群落湿
5、地广泛分布于世界各地，拥有众多野生动植物资源，是重要的生态系统。很多鸟类的繁殖和迁徙离不开湿地，因此，湿地又被称为“鸟类的天堂” 。琵鹭总是站在水中觅食，雁鸭类喜欢在更深的水域中游来游去，而广袤的芦苇丛，则是各种雀鸟的乐园生活在同一区域里的同种生物常常组成一个种群，种群是简单的个体集合，还是另有特殊之处？由不同种群的生物与环境经历长期的相互作用后，又进一步形成了更复杂的生物群落。群落有什么特点？不同种群的生物在群落中扮演着什么角色？群落是一成不变的吗？只有我们认识到种群和群落的相关结构特征后，才能更好地保护整个生态系统。12种群和群落第 1 章斑嘴鸭种群斑嘴鸭是一种集群生活的水鸟，每年都有大约
6、两万只在崇明东滩越冬（图 1-1） 。它们以水草为主要食物，周期性地成群往返于海边的潮滩湿地和水草丰美的芦苇荡，寻求食物或休憩，为来年飞向北方做好充分的准备。思考与讨论：1. 通常将栖息在崇明东滩的全部斑嘴鸭个体称作一个斑嘴鸭种群。请尝试给种群下一个定义。2. 除了斑嘴鸭，图中还有其他物种的种群吗？3. 你觉得影响这些生物种群生存的因素可能有哪些？第 节种群特征及其影响因素1崇明东滩是上海地区最重要的滩涂湿地之一，在这里记录到的鸟类超过 290 种，其中国家一、二级重点保护物种 40 种，每年有近百万只水鸟在此栖息。在这百万鸟类大军中，每种鸟都有相对稳定的个体数量。它们是如何维持个体数量相对稳
7、定的呢？如果湿地环境发生变化，会对它们有哪些影响呢？学习目标分 析 具 体 的 生 物 种群， 列 举 生 物 种 群的 基 本 特 征， 并 应用 于 指 导 和 解 决 实际的生物学问题。剖 析 非 生 物 因 素 及生 物 因 素 对 种 群 特征 的 影 响， 形 成 进化 与 适 应 的 生 命 观念， 提 升 保 护 生 态环境的意识。概念聚焦种群具有种群密度、出 生 率 和 死 亡 率、迁 入 率 和 迁 出 率、年 龄 结 构、 性 别 比例等特征。光、 温 度 和 水 等 非生 物 因 素 以 及 不 同物 种 之 间 的 相 互 作用 等 都 会 影 响 生 物的种群特征。
8、图 1-1芦苇荡中的斑嘴鸭3种群特征及其影响因素第 1 节1 用数量化指标描述种群特征一个物种得以生存必须要在一定空间内拥有一定数量的个体。这种分布在一定空间内同种生物个体的总和，称为种群（population） 。例如，分布于上海崇明东滩湿地上所有的斑嘴鸭是一个种群，而所有的芦苇又是另一个种群。不同生物的种群个体数量差异很大，而且在一定时间、一定空间内，又可以有多个不同物种的种群同时存在。一个种群的大小，指的是一定空间内种群全部个体的数量。如果采用单位面积或单位体积内种群的个体数量来表示种群的大小，则称为种群密度（population density） ，它是种群最基本的数量特征。不同生物的
9、种群密度差异很大，例如每毫升水体中生活着约 15 个大草履虫，而在数平方千米的范围内可能只有 1 只成年虎。在实际生产管理中，农业上预测虫灾的发生、牧业上分析鼠患的程度、渔业上确定捕捞的强度等，都需要人们了解目标物种的种群密度。为此，生态学家根据不同生物的特征，使用样方法、样线法、标志重捕法等不同方法来估测它们的种群密度。适宜的种群密度是一个物种维持稳定的基础。那么，一个种群如何形成或维持适宜的种群密度呢？首先，一个物种必须要有足够多的新生个体弥补死亡造成的种群损失。单位时间内种群新生的个体数与该种群个体总数的比值，称为出生率（birth rate） ；单位时间内种群死亡的个体数与该种群个体总
10、数的比值，称为死亡率（mortality rate） 。用出生率和死亡率可以估计该种群的生存现状和发展趋势。 龟是一类成体寿命很长但幼年死亡率很高的动物， 因此，许多龟类物种的生存前景并不乐观。例如， 盔头泽龟（图 1-2）的出生率高达 96%， 但其死亡率也高达 92.1%， 大约只有 7.9%的个体可以活到成年。其次，当种群密度过高时，它们中的一些个体可能就会迁出，扩散到种群密度较低的地方生活。通过计算单位时间内迁入、迁出的个体数占该种群个体总数的比值，可以分别估计出种群的迁入率 （immigration rate） 和迁出率 (emigration rate)。例如，在崇明东滩湿地越冬的
11、近 100 万只水鸟，同期也会频繁地光顾长江口其他滩涂湿地。因此，研究单位时间内越冬水鸟数量的变化时，计算迁入率和迁出率是分析东滩越冬水鸟各物种数量变化的重要依据。图 1-2盔头泽龟4种群和群落第 1 章图 1-3 种群年龄结构的三种类型可见，一个物种种群数量的维持是一个动态的过程。简而言之，出生率和迁入率是表示种群数量增加的种群特征，而死亡率和迁出率是表示种群数量下降的种群特征。只有当这四种基本特征相互平衡时，该物种的种群数量才能达到稳定。此外，年龄结构和性别比例也是影响种群发展的重要因素。年龄结构（age structure）是指一个种群中各年龄期个体数量的占比（图 1-3） 。每个种群都
12、是由不同年龄和不同性别的个体组成的。例如截至 2018 年，我国人口总数为 13.954 亿人（未包括台湾、 香港、 澳门） ， 其中 60 岁以上人口 2.495 亿人，约占总人口的 17.9%；男性 7.135 亿人，约占总人口的 51.1%；女性 6.819 亿人，约占总人口的 48.9%。为什么我们要如此精确地了解这些人口数据呢？在分析种群的年龄结构时，根据不同年龄组个体数的占比，可以将种群分为增长型、稳定型和衰退型三种类型。在衰退型种群中，老年个体较多、幼年个体偏少，出生率小于死亡率，未来种群数量会逐渐减少。如果种群中老年、成年、幼年个体比例协调，出生率和死亡率大致相当，种群数量将保
13、持稳定状态。而当种群中幼年、成年个体较多，老年个体较少， 种群的出生率大于死亡率， 则种群数量将会增加。因此，年龄结构可以用来预测种群数量的发展趋势。性别比例（gender ratio）则是指种群中雌雄个体数量的比例。有性繁殖的生物种群都有各自最适合的性别比例。大多数有性繁殖物种的性别比例都大致保持在 11。而社会性昆虫如蜜蜂和蚂蚁，由于种群的主体是数量庞大的不可育雌性个体，繁殖任务则交给唯一的雌性蜂王或蚁王与数百只雄蜂或雄蚁去完成。因此从繁殖角度看，它们都是雄性多于雌性的。而种类繁多的蚜虫中，雌性是繁殖的主力，它们可以在没有雄性的参与下进行孤雌生殖。此外，环境条件也会影响生物的性别比例。例如
14、，贡嘎山的冬瓜杨在低海拔地区的5种群特征及其影响因素第 1 节分布相对固定的生物，如高等植物，可以使用样方法估测其种群密度。如图 1-4 所示，通过在调查区域内随机设置若干个样方，并计数样方中目标生物的数量，计算出样方面积内的种群密度。根据实际需要，调查一定数量的样方，求取这些样方种群密度的平均值，即可估测出整个调查区域中目标生物的种群密度。而许多动物活动能力强、活动范围大且难以直接观察，则可以使用标志重捕法估测它们的种群数量。在被调查种群的活动范围内，捕获一部分个体（数量为M）并标记后释放。一段时间后，在该区域内重新捕捉。根据重新捕捉到的个体（数量为n）中有标记的个体（数量为m）所占的比例，
15、来计算调查区域内整个种群的数量（N） 。其计算公式为： 。现实中，针对不同的物种可以使用环志、标牌等多种标记方法（图 1-5） 。对于那些易于观察且体型较大的生物，如鸟类、大型哺乳类、高大乔木等，用样线法来调查种群密度更加高效。简单的样线法调查，只需记录调查样线两侧规定宽度范围内观察到目标生物的个体数量以及样线的长度，进而计算样线调查覆盖面积中目标生物的种群密度。与样方法相似，在调查区域的不同地方多次重复，并对调查数据求取平均值即可有效估计研究区域内目标生物的种群密度。那么，肉眼不可见的微生物又该如何估测呢？其实前面三种方法虽然形式不同，但背后的数学原理却很相似，即抽样原理通过调查部分来估算总
16、体。例如，我们可以利用显微镜统计一定量液滴中的目标微生物数量，从而推算出总体中该微生物的种群密度。如何估测物种的种群密度？广角镜图 1-4 样方示意图 （ 1 m1 m）图 1-5 不同种类的标记方法（A）乌鸦脚上的环志（B）蜗牛壳上的标牌雌雄性别比例为 11.33，而在高海拔地区变成了 12.36，雄性个体成活率更高。总之，性别比例是生物长期环境适应、种群繁衍的进化结果。当这个比例被破坏时，种群数量就会受到影响。利用这一特性，人类可以使用性引诱剂杀灭某些农林业害虫的雄性个体，破坏它们的正常性别比例，从而有效抑制其种群规模，降低对农林业的破坏。MmNn=6种群和群落第 1 章2环境因子影响种群
17、特征任何一个自然种群的形成都是其与环境相互作用的结果。通常把环境中可以影响生物生存的因素称为环境因子，包括非生物因素和生物因素两大类。水、温度、光等是常见的非生物因素，而天敌、传染病病原体等是常见的生物因素。水是生命不可或缺的重要组成成分，是生命代谢活动的介质。不同生物对水的依赖程度各不相同，因此，水就成为它们在自然界中分布的决定因素。例如，藤壶是一类在海边岩礁上固着生活的节肢动物，它们能够耐受暂时的缺水环境。因此，随着礁石离海平面高度的增加其种群密度开始下降，直到潮水完全无法到达的高度，藤壶也就无法生存了。除了水以外，生命活动还需要一定的温度环境。例如，丁香在气温低于 6.1时，叶片就会冻伤
18、；而水稻在 38恒温下培养时，结实率为零，即种群出生率为零。大部分哺乳动物无法忍受环境温度长时间超过 42。为了躲避极端温度的不利影响，野生大熊猫会利用不同海拔高度的温度差异，在不同季节、不同海拔高度的环境之间，规律性地迁入和迁出。许多爬行动物的性别是由胚胎时期的环境温度来决定的。当扬子鳄卵在孵化温度为 28.5时，孵出的全部为雌鳄；温度为 33.535时，孵出的全为雄鳄；温度为 30时，雌雄比例相等。因此，繁殖季气温的差异将会影响野生扬子鳄种群的性别比例。光照的周期性、 强度、 光质变化对生物种群的影响同样重要。菊花在一年中日照变短的季节开花，而桃花、菠萝等植物在日照时间变长的季节开花、结果
19、。雪兔、北极狐等动物每年冬季换上雪白的皮毛，能够更好地在白雪皑皑的冬季伪装自己，提升种群的存活率。然而驱动它们换毛的原因并不是下雪，而是逐渐变短的日照时长。光照还对许多生物的空间分布起着重要作用。光照强度的差异使得山地阴坡和阳坡的植物物种组成大不相同。此外，因为不同光质的光线对水的穿透能力不同，随着海水深度的增加，波长较长的色光强度迅速衰减，只有短波长的色光可以通过，加上生物对光的吸收作用，使得海洋藻类呈现分层分布的现象： 绿藻总是分布在浅表水域；而在较深的水层中，就以主要吸收短波长的蓝、紫光的褐藻和红藻为主了。和非生物因素一样，生物因素也常常共同作用于生物，影响着种群数量。例如，赤狐是北半球
20、常见的犬科动物，以小型动物（如雪兔）为食。正常年份中，由于赤狐的捕食作用，雪7种群特征及其影响因素第 1 节图 1-6 赤狐和雪兔种群数量年际变化1. 上海市常住人口 2000 年为 1 673.77 万人，2010 年为 2 301.91 万人，2018 年达到 2 423.78 万人。请结合所学知识预测下一次人口普查时，上海市常住人口数、年龄结构、性别比例的变化趋势，并说明你的理由。2. “种群不能简单地理解为一定区域内的同物种个体的相加” ，如何理解这句话？3. 为了解上海地区城市化水平对两栖类动物生存的影响，研究人员选取了三块面积相仿、城市化水平不同的湿地作为研究样区，采用样线法调查金
21、线侧褶蛙的种群现状（表1-1） 。其中城市化指标得分越高表明城市化水平越高。（1） 从表中数据推测，金线侧褶蛙的种群密度与城市化水平可能存在什么关系？（2） 城市化被认为是导致全球两栖类动物种群衰退的重要因素。人类需要城市，但是野生动物也有生存的权利。结合所学知识，你认为在城市化环境中应该怎样保护两栖类动物？自我评价表 1-1 城市金线侧褶蛙种群调查结果采样地点城市化指标种群密度（只 /m2）样区 10.530.209样区 20.620.147样区 31.280.144兔的种群数量总是被控制在较低的水平。但有些年份赤狐种群暴发兽疥癣，导致赤狐大量死亡，赤狐对雪兔种群的捕食作用减弱。因此， 雪兔
22、的种群数量相应地发生暴发式增长（图 1-6） 。要认识环境作用于生物种群的基本规律，除了要认识各个主要环境因子的单独作用外，更重要的是要认识到不同的环境因子相互组合、共同作用于生物的种群。正是这种复杂多样的组合决定了不同物种各异的地理分布和生活习性，从而形成了地球上丰富的生物多样性。8种群和群落第 1 章什么原因改变了大熊猫的食性？大熊猫是全球 8 种熊科动物中唯一一种几乎完全依赖竹子生活的食肉类动物（图 1-7） 。大熊猫这种特殊的食性，使得研究大熊猫种群数量与竹子资源的可获得性之间的动态规律成为大熊猫保护的重要课题。然而，大熊猫在其 800 万年的进化历史中是一直以竹子为食呢，还是慢慢变成
23、主食竹子的呢？如果是后者，那它是什么原因以及何时改变食性的呢？进化生物学家首先研究了食肉动物的味觉基因 Tas1r1。Tas1r1 是一个与品尝肉类食物鲜味味觉有关的基因，对食肉动物有重要意义。通过对比大熊猫和另外 5 种食肉目动物（北极熊、犬、狼、北极狐、猫）的 Tas1r1 基因结构，科学家发现只有大熊猫的 Tas1r1基因失去了功能。进一步研究后，科学家推算出大熊猫的 Tas1r1 基因大约在距今 400 万年前失去了其功能。无独有偶，与大熊猫亲缘关系很远的小熊猫，它的 Tas1r1 基因也是失活的，而它们俩都喜爱吃竹子。通过计算基因的突变速率，并比较大熊猫骨骼化石中牙齿形态的进化历史后
24、，科学家判断大熊猫大约在 400 万年前开始全面转向植食性。但问题依然存在，大熊猫是在 400 万年前开始以竹子为主食，还是从吃多种植物慢慢转变成主食竹子的呢？为解决这个问题，科学家使用了稳定性同位素技术进行研究。自然界的稳定同位素如13C 和15N 含量很低，但是由于光合作用和氮素利用途径的差异，我们依然可以在不同种类的植物中检测到13C 和15N 含量的差异。这些稳定同位素通过食物的形式，在食草和食肉动物体内积累，并在骨骼等器官中形成具有特征性的浓度。通过分析和对比现代大熊猫和古代大熊猫骨骼中13C 和15N 的浓度变化，可以推测出大熊猫食性的演化历史。最近，通过研究云南两处全新世中期遗址
25、出土的食肉动物、食草动物及大熊猫的骨骼，科学家发现，当时大熊猫骨骼中15N 的含量与同时期食草动物在同一水平上，但是显著地高于现代大熊猫。另一方面，遗址所在区域的现代哺乳动物，无论是食肉动物还是食草动物，其稳定同位素值与全新世中期的样品都没有差异。因此，这种15N 含量的差异说明现代大熊猫和全新世中期大熊猫的食性存在很大差异。历史上，大熊猫的分布区域覆盖从东南亚一直向北可到北京的广大区域，涵盖了非常丰富的栖息环境类型。通过分析不同地方出土的大熊猫骨骼标本的13C 含量，科学家发现不同地区的大熊猫13C 含量变化很大，而现代大熊猫13C 含量只在这个巨大的变化范围里占据了很小的一部分。如此一来，
26、大熊猫食性的变化历史就比较清晰了。它们在距今 400 万年前开始转向以植食性为主，当时由于大熊猫的栖息环境多样，因此不同地方的大熊猫有非常丰富的食谱。随着环境的变化，大熊猫的分布区逐渐萎缩，至今主要分布在四川、甘肃、陕西、湖北等地的高山森林地带，其食性也逐渐改变成了以当地盛产的竹子为主。这种改变的历史并不长，可能就是近40008000 年前发生的。由此可见，大熊猫食性的改变正是其对环境变化的适应性进化结果。前沿视窗图 1-7 以竹子为主食的食肉类动物 大熊猫9用数学方法描述种群数量的变动规律第 2 节惊人的繁殖速度小天蓝绣球，又名福禄考，是原产于墨西哥的一年生草本植物，它花型美观、色彩艳丽多变
27、（图 1-8） 。因此，作为园林观赏植物广泛引种于我国各地。每年 34月条件适宜时，这种草本植物成片地生长并开花，迅速形成既壮观又美丽的春景。思考与讨论：1. 现有 100 株小天蓝绣球，假如每株每年可繁殖出 3 株后代，请推算这个种群今后 5 年的数量增长情况，并绘制曲线。2. 在自然环境中，生物种群以这样的繁殖速度可以世世代代保持下去吗？为什么？第 节2自然界中，不同生物的种群数量变化各不相同：亚洲象的种群增长非常缓慢，母象平均每四年才生产一头小象，蝗虫却可以在一年内多次发生暴发式种群增长；水杉成长缓慢，浮萍却可以在几周内铺满整个池塘科学家常通过建立数学模型来描述种群数量的变动，总结并比较
28、不同物种间种群增长模式的差异，进而从中分析自然种群数量变化的原因。图 1-8小天蓝绣球学习目标建 立 数 学 模 型 解 释种 群 的 数 量 变 动 规律， 提 升 使 用 科 学方 法 总 结 生 态 学 规律和机制的能力。分 析 导 致 自 然 界 物种 的 种 群 变 动 的 原因， 提 升 环 保 意 识和可持续发展意识。概念聚焦种群增长有“J”型和“S”型两种基本形式。用数学方法描述种群数量的变动规律10种群和群落第 1 章1.“J” 型曲线的种群增长率保持不变以一个小天蓝绣球的实验种群数据为例，实验开始时共种植成活了 996 株，第二年种群增长到 2 408 株，则增长率 为 2
29、.417 7，表示第二年种群数量是第一年的 2.417 7 倍。假设第一年的种群数量为 N1，而且这个 一直保持下去，则第三年的种群数量 N3 = N2 = N12 = 9962.417 72 = 5 822。以此类推，第 t 年时种群数量为 Nt = N1t-1，我们可以计算之后逐年的种群数量 （表 1-2） 。依据这个数学模型， 以年份为横坐标，种群数量为纵坐标，画出的种群增长曲线如图 1-9 所示，这种模型被称为种群的“J”型增长模型。图 1-9 小天蓝绣球种群的“J”型增长曲线生物出现“”型增长的前提条件是，必须生活在食物充分、生存空间充裕、气候适宜且没有敌害和种内竞争的理想环境中。对
30、于在特定环境中长期进化适应生存下来的物种而言，这样的理想环境很难找到。但是，当一个外来物种进入新的环境，而且恰巧这个新环境不仅气候适宜、还没有可以制衡它的敌害时，这个外来物种的种群就可能会快速增长，最终威胁本土物种的生存，这就是生物入侵。入侵生物种群数量常常呈现出“J”型增长。表 1-2 小天蓝绣球种群不同年份的种群数量年份1234567891011种群数量（株）9962 4085 82214 07634 03182 276198 918480 9241 162 7292 811 1316 796 47111用数学方法描述种群数量的变动规律第 2 节海蟾蜍是一种原产于中、南美洲地区的大型蟾蜍（
31、图 1-10） 。海蟾蜍食性多样，包括小型哺乳类、爬行类、两栖类、昆虫类，甚至一些植物。从 19 世纪中期开始，海蟾蜍作为生物防治物种，先后被引种到十多个国家和地区。例如 1930 年开始，澳大利亚引入了 102 只成年海蟾蜍个体和 62 000 只幼体，但由于海蟾蜍体型巨大、繁殖力强、生性凶猛且皮肤毒性大，在引种国又少有天敌，因而，其种群数量快速增长。至 21 世纪初，其种群数量已超过两亿只，成为澳大利亚乃至世界范围内最让人头疼的入侵物种之一。思考与讨论 :1. 结合该物种种群的变化模型，尝试分析可以采取哪些措施应对或控制入侵种群数量的大暴发？2. 你知道我国有哪些入侵物种吗？尝试以一个入侵
32、物种为例，分析其成功入侵的原因以及我们应该如何控制它们的种群数量。如何控制入侵物种的种群大暴发？图 1-10 海蟾蜍2 “S”型曲线的种群数量会饱和并不是每个入侵的生物种群数量都能够一直维持“J”型快速增长，因为自然界的资源和空间总是有限的。当种群数量过度增长后， 空间变得过于拥挤， 食物等资源分配日渐紧张，种内竞争以及疾病、捕食者的威胁等都会加剧。这些因素综合作用，使得种群的死亡率上升、出生率下降，最终种群增长停止，种群数量保持在一个相对稳定的水平上。苏联生态学家高斯（G. F. Gause）曾经利用大草履虫做过一系列关于有限环境种群增长规律的研究实验。他在 0.5 mL培养液中一次性加入
33、5 个大草履虫，然后记录每天的种群数量变化。他发现大草履虫第 1 天的种群数量增长较慢，第 2、3 天开始高速增长，而从第 4 天开始减速增长，直到第 5、6天基本稳定在 375 个左右。我们把大草履虫这种增长率先慢后快，再放缓，最后种群数量趋于稳定的增长曲线称作“S”思维训练12种群和群落第 1 章图 1-11 大草履虫种群的“S”型增长曲线图 1-12 不同年份新疆北部地区小家鼠的种群数量变化型曲线（图 1-11） ，又叫做逻辑斯蒂曲线。我们把种群在特定的环境情况下所能维持的种群最大数量，称为环境容纳量，用K表示。 本实验中大草履虫种群数量最终稳定在375个左右。3自然种群的数量是变动的自
34、然界中，许多物种的种群都无法长时间保持在环境容纳量附近，因为气候、食物、疾病、天敌等环境因子总是在不断地变化。有时这些变化存在一定的周期性且在物种耐受范围之内，因此生物的种群数量也表现出一定的规律性波动，例如新疆北部地区小家鼠不同年份种群数量的变化 （图 1-12） 。如果环境条件的改变过于剧烈或者突然，则会导致物种种群数量发生剧烈的下降，甚至最终灭绝。许多证据表明，白垩纪末期恐龙的灭绝是突发灾变性气候作用的结果。 “S” 型 曲 线 的 计算公式是： 其 中 Nt表 示 t 时刻 的 种 群 数 量，N0表示 种 群 一 开 始 时 的 数量。e 是 自 然 常 数，r表示 N0时刻的种群增
35、长 率。 在“S” 型 曲线 的 中 间 有 一 个“ 拐点” ，正好位于环境容纳量的一半，叫做 。畜 牧 养 殖 业 中 常 将 种群数量维持在 ，以保 证 种 群 健 康， 同 时又 能 获 取 相 对 最 大 的捕获量。“S”型曲线的数学模型广角镜。Nt=11+NK0KertK2K213用数学方法描述种群数量的变动规律第 2 节早在 18 世纪，人们已经认识到了指数增长模型在自然科学和经济学中的应用价值。1789 年，英国经济学家马尔萨斯（Malthus）著名的人口论中就提到了人口指数式增长带来的后续问题。比利时天文学家和统计学家克托莱（A. Quetelet）敏锐地发现，这种指数式的人
36、口增长在现实世界中显然是不能长期维持的。那么，又要用什么合适的数学模型来拟合现实中的人口变化规律呢？他把这个问题交给了自己的学生荷兰人弗赫斯特（P. F. Verhulst，图1-13） 。弗赫斯特在 18381847 年期间发表了三篇重要的论文来阐述这个问题。他在其中一篇论文的“S”型曲线旁边用法语写下了“courbe logistique” ，但并未对这个名词的意义作进一步解释。弗赫斯特英年早逝，他的工作如同孟德尔的研究一样被当时的人们所遗忘。几十年后的1920 年，美国统计学家珀尔（R. Pearl）和里德（L. J. Reed）在并不知道弗赫斯特研究成果的情况下，又独立发现了美国人口增
37、长的函数规律。当他们发表自己的研究成果时，才发现了弗赫斯特的论文。在时任英国皇家统计学会主席的建议下，他们最终为其取名为逻辑斯蒂（logistic） ，以纪念弗赫斯特的贡献。这就是逻辑斯蒂方程和逻辑斯蒂曲线的由来了。逻辑斯蒂函数的研究最早主要用来解决人口增长或化学催化反应等方面的理论问题。在之后的一百多年里，逻辑斯蒂模型不仅保持着在生态学和化学研究中的重要地位，在许多其他领域中也得到了广泛使用。例如，医学上，用它解释肿瘤的生长规律；在统计学和机器学习领域，用它解释一些重要的数据分布；物理学中，它是解释量子分布规律费米分布的数学基础；在农业上，用它研究作物对生长因子调控的反应；经济学家用它来研究
38、专利发明的市场推广模式；甚至语言学家都在用它来研究人类社会语言的进化和演变。逻辑斯蒂函数科学史话图 1-13 弗赫斯特1-1 探究培养液中酵母种群数量的变化规律探究实验酵母是生活中一类常见的单细胞真菌。在酿酒和制作面食时，酵母都是重要的原材料。酵母也是研究生物种群动态的好材料。14种群和群落第 1 章实验目标：探究培养液中的酵母种群数量随时间变化的规律。实验原理：利用液体培养基来模拟有限环境，观察随着资源的不断消耗，酵母种群数量的动态变化。材料器具：显微镜、试管（或三角烧瓶） 、血细胞计数板（图 1-14） 、移液器、计数器、吸水纸、灭菌液体培养基（如马铃薯培养基、麦芽汁培养基、酵母浸粉胨葡萄
39、糖培养基均可） 、亚甲基蓝溶液、酵母等。实验步骤：1. 与组员讨论，形成可实际操作的实验方案，明确实验步骤和要求，落实团队成员分工，形成书面方案并寻求教师指导。2. 通过显微镜观察，估算 10 mL 液体培养基中酵母的初始种群数量（N0） 。至少连续观察 5 天，记录每天获得的观测数据并制成曲线图。3. 直接数出试管中的酵母数量很难，因此，我们需要借助血细胞计数板来抽样推算。血细胞计数板的结构如下：血细胞计数板中央有 2 个 3 mm3 mm 的计数池。每个计数池划分成 9 个1 mm1 mm 的大方格，正中央的大方格称为计数区。每个大方格进一步划分为 16 个中方格，每个中方格再进一步划分成
40、 25 个小方格。因此，1 个计数区最终由 400 个等尺寸的小方格组合成。每个小方格的面积是 1/400 mm2。计数区的高度是 0.1 mm，当盖上盖玻片时，每个小方格的体积为 1/4 000 mm3。4. 设计方案及实验中注意思考以下问题：（1） 将少量亚甲基蓝溶液滴入菌液并静置 3 min，死亡的酵母细胞将变成蓝色，而活体细胞不会被染色。只有活体才能被记作种群的一员，但是计数死细胞又能为我们提供什么种群信息呢？（2） 是否需要对照实验？（3） 是否需要重复实验？如果需要，如何处理各重复实验获得数据间的差异？（4） 酵母有出芽生殖现象。如果观察到正在出芽的个体应该算作几个个体呢？ （建议
41、：确定一个芽体和母体的体积比阈值，当超过这个阈值时就记为 2 个个体，否则算 1 个个体。 ）图 1-14 血细胞计数板构造示意图15用数学方法描述种群数量的变动规律第 2 节（5） 落在网格线上的个体用什么方法进行计数？（6） 如果小方格里酵母过多，难以数清，怎么办？结果分析：1. 通过信息化技术，汇总全班（或全校等更大范围）各实验小组 5 天的数据，制作一条基于汇总数据的酵母种群数量增长曲线。这条曲线有什么特征？你能根据此曲线预测第 6 天的酵母种群数量吗？2. 基于汇总数据获得的种群增长曲线与本组获得的曲线进行比较，分析两条曲线间的异同，以及产生差异的可能原因。3. 数据和图表是否支持你
42、的实验假设？4. 哪些因素影响着酵母的生长？拓展探究：请设计一个方案，让试管（或三角烧瓶）中的酵母种群数量维持在一个相对稳定的水平。1. 比较种群的“J”型增长曲线和“S”型增长曲线的异同。2. 在高斯估算大草履虫种群环境容纳量的实验中，还有另一组数据如表 1-3 所示。表 1-3大草履虫种群环境容纳量实验数据时间（天）0123456789101112细胞平均数（个）21010112156104137165194217199201（1）请利用高斯的数据作图。（2）估计这个大草履虫种群的环境容纳量是多少？（3）当大草履虫种群数量达到环境容纳量时，其种群数量能否稳定在 K 值，为什么？自我评价16
43、种群和群落第 1 章3. 我国渔业资源由于过度捕捞一度面临枯竭。为了我国渔业的可持续发展，自 1995年以来，我国各大海区陆续实行伏季休渔制度，对近海海域的渔业资源恢复起到积极作用。然而整体上，我国近海渔业一直呈现捕捞总产量急剧下跌的趋势，优势经济鱼种（如带鱼）的产量持续下降，许多小型鱼类逐渐替代优质、大型鱼类成为主要的渔获物种。请查阅资料并就以下问题展开讨论。（1）为什么伏季休渔能够在一定程度上缓解渔业资源枯竭的问题？（2） 过度捕捞一直被认为是导致渔业资源量下降的主要原因。从种群增长模型的角度来看，你认为应该如何平衡渔获量和种群健康之间的矛盾？（3）如果要为我国渔业资源保护和恢复献计献策，
44、你的意见和建议有哪些？17群落是多物种种群形成的复杂空间结构第 3 节热带雨林里的空中群落热带雨林物种丰富，地球一半以上的已知物种生活在热带雨林中（图 1-15） 。由于温暖湿润，土壤有机质分解迅速，雨林地表的土壤并不十分肥沃，加上高大乔木遮挡了阳光，因此，幽暗的雨林地面上，物种并不如人们想象的那样丰富。相反，许多物种依托高大的乔木生活在雨林的中、上层。雨林中大量的落叶、有机体残骸都被树冠给“兜住”了，从而在高大乔木的中、上层形成了肥沃的“土壤” 。大量附生植物扎根在这里并进一步招引昆虫、鸟 类、 两 栖 类、 爬 行类、哺乳类等动物，共同形成了生物多样性异常丰富的“空中群落” 。生物学家在这
45、里发现的新物种数以千计。思考与讨论：1. 附生植物为什么可以招引那么多不同种类的动物？2. 热带雨林中的物种分布有什么特点？3. 种群和群落是什么关系？不同热带雨林的群落类型相同吗？为什么？第 节3随着生活水平的提高，人们越来越重视城市生态环境建设，城市公共林绿地的营造面积也逐年增加，为市民提供了更多亲近自然的机会。在你生活的社区，有这样的林绿地吗？你观察过这些林绿地中的动植物吗？它们的分布有何规律可循？实际上，人工林绿地是对自然群落的模仿，在自然群落中，生物组成和相互关系可能更加丰富。让我们走进自然群落的典型代表热带雨林，认识群落的物种组成和空间结构吧。学习目标描 述 群 落 是 一 个 由
46、多 物 种 组 成 的 有 机整 体， 具 有 水 平 和垂 直 结 构， 以 及 随时 间 改 变 的 动 态 特征。 从 系 统 的 角 度认 识 到 生 命 之 间 相互 作 用、 相 互 联 系的 本 质， 从 而 树 立正 确 的 环 境 意 识 和生命意识。概念聚焦群落是由多个物种种群组成的有机整体。群 落 具 有 水 平 和 垂直结构。群 落 结 构 可 随 时 间改变。图 1-15 热带雨林群落是多物种种群形成的复杂空间结构18种群和群落第 1 章（A） 长白山针叶阔叶混交林及其主要植被组成（B） 重庆缙云山亚热带常绿阔叶林及其主要植被组成图 1-16 两种群落中主要植被的不同
47、组成1群落是多个物种种群组成的有机整体在热带雨林中，不同种的生物之间或多或少地存在一些联系。正是这些紧密程度不一的联系，使得这些生物共同组成了超越它们各自种群的组织结构。同一时间内，聚集在一定区域中的各种生物种群集合，称为群落（community） 。显然，在种群水平上，我们主要探讨物种内部或外部的影响因素；而到了群落水平上，我们将更加关心物种之间的相互关系：群落由哪些物种组成？它们如何组成一个群落？群落的物种组成是区别不同群落类型的重要特征。鉴别群落时，可以依据群落中具有代表性的物种来判断。相比动物而言，植物通常是决定群落外貌的主要部分。通常，我们用植被来表示群落中的植物组成，因此，群落常用
48、主要植物组成的植被类型来命名。图 1-16 展示的是我国北方针叶阔叶混交林和南方亚热带常绿阔叶林两种群落中主要植被的不同组成。19群落是多物种种群形成的复杂空间结构第 3 节由于每个物种的自然分布都受到环境因子的限制，群落的组成和结构也必然随环境条件的差异相应地存在规律性的变化。以上两种森林群落中植被组成的差异主要是受到我国北方和南方温度差异影响：北方较寒冷，因此更适合有较强耐寒能力的针叶裸子植物和被子植物生长；而在南方，更加适应温暖湿润气候的被子植物取代了针叶裸子植物，成为群落中主要的木本植物。虽然我们用植被类型来命名不同的群落，但千万别忘记群落中包含的其他生物动物、微生物等。例如，在亚马孙
49、雨林，生活着 4 万余种植物，却有多达约 250 万种昆虫。昆虫不仅是许多动物的食物来源，还是分解枯枝败叶、肥沃土壤的能手和植物传粉的主力军，成为促进植被更替的重要动力。一个群落中全部物种的数量称为物种丰富度。除了用物种组成来区别不同群落类型外，物种丰富度也是衡量、比较不同群落的重要特征。在诸多影响群落组成的环境因子中，气候是最基本也是最重要的影响因子。由于地球上的气候带整体上呈现由赤道向两极逐渐变冷的趋势，相应地，在全球尺度上，群落物种丰富度也随着这个趋势由热带地区向两极逐渐减少。例如，图 1-17 中鸟类丰富度随纬度变化而变化的规律是不同气候带对物种丰富度作用规律的典型案例。图 1-17
50、北半球不同纬度鸟类丰富度的变化规律20种群和群落第 1 章1-2探究土壤中动物类群的丰富度探究实验土壤是陆地上生物群落发展的基础，而且土壤中的动物类群也十分丰富。环境中大量的有机物和有害物质的分解都在土壤中进行。实验目标：根据自己的兴趣，结合实际条件，寻找研究课题，设计实验方案，完整经历科学探究的过程，并运用生态相关观念，尝试分析解决问题。实验原理：土壤动物的组成和丰富度可以用来指示土壤的健康程度，进而反映环境的健康程度。材料器具：土样采集器、去底小水桶、金属网、漏斗、固定液（乙醇） 、灯泡（4060 W） 、试管、铁架台、纱布、镊子、滴管、载玻片、体视解剖镜等。实验步骤：1. 确定课题研 究
