普通高中教科书·生物学选择性必修2 生物与环境.pdf

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 71 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 129281736424955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。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，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，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