植物学(第三版)教材

绪论 　　内容导读 　　植物是地球生物图的重要组成部分，是生物界的核心成员。为什么说“植物是**生产者，植物与人类生活十分密切，人类的衣食住行、工农业生产、疾病控制与保健、精神生活与生态文明等无一不与植物有关”。植物是多样的，其多样性表现在哪些方面，我国植物资源的分布和丰富程度如何，植物学研究发展的代表性人物和贡献怎样，以及为什么要学习植物学，如何才能学好植物学等，通过本章内容的学习，你都将能找到答案。 　　教法与学法 　　教法 　　(1) 情境教学法。设问式或应用相关微课、微视频开始教学。例如：植物是什么？你所见到的植物究竟怎样？或是：植物是怎么来的，地球的形成与演变与植物的关系如何？等等。 　　(2) 互动式讲授。在陈述式讲授或播放微课、微视频讲授植物的多样性及其与人类的关系时，可让学生联系所见所闻回答。通过绪论的教学，培养学生对植物的好奇心和学习植物学的兴趣，为进一步深入学习植物学打好基础。 　　(3) 利用多媒体展示植物的多样性与我国植物资源的丰富性及其应用。 　　学法 　　(1) 应认真听讲、积极思考、适当做些课堂笔记。积极配合教师的课堂教学，主动回答问题或参与问题讨论等。 　　(2) 在教师指导下，利用课余时间、节假曰，观察、调查、拍照或资料查询你的家乡或校园、休闲旅游区、自然保护区植物种类，根据植物多样性的层次性，整理、分析和描述植物的多样性，开展小组交流，*后班级大组交流。进一步理解植物的多样性和意义。 　　**节 植物与植物界 　　一、生物的分界 　　从地球上诞生*原始的生命形式起，生命已经历约38亿年漫长的发展和进化历程。此问，生物因其所处环境的多样性和多变性、白身适应性方式和适应性特征的异质性，从原初的单细胞生物逐渐进化形成现今复杂多样的生物类型。生物的分类与人类的认识水甲、观察手段及分类标准和分类目的等有关，有一个较长的历史过程。生物究竟如何划分、划分成几个界等问题，至今仍没有定论。 　　早在1735年，瑞典博物学家、植物分类学之父C．Linnaeus（1707～1778年）将整个生物群划分为植物界(Plantae)和动物界(Animalia)两界。认为植物是一类具细胞壁、营固着生活、自养的生物，而动物是一类能运动且异养的生物。该两界系统简单直观，被广泛接受并沿用至今。 　　随着显微镜的使用，人们发现有些生物兼有动物和植物的特征。例如，单细胞、多核的黏菌(slime mold)，在营养生长期，原生质体裸露、无细胞壁，能运动摄食，与动物中的变形虫相似，但在生殖期或不良环境条件下，其个体能产生具纤维素的细胞壁，并营固着生活，或形成具纤维素细胞壁的孢子；再如，裸藻（Euglena acus Her.），单细胞、有鞭毛、能运动、无细胞肇，但体内含叶绿体，能进行光合作用等。这样，在动物和植物之间就失去了截然的界线。因此，1868年，德国生物学家E.Haeckel（1834～1919年）提出在植物界和动物界之间建立原生生物界(Protista)，主要包括原始译细胞菌类、低等藻类和海绵等，从而形成“三界系统”；1938年，美国人Copeland（1902～1968年）提出了“四界系铳”，划分出原核生物界(Prokaryotes)（包括蓝藻和细菌）、原始有核界(Protoctista)（包括低等的真核藻类、原生动物、真核菌类）；1969年美国生物学家R.H.Whittaker（1924～1980年）将不含叶绿素的真菌类生物独立为一个真菌界(Fungi)（或称菌物界，Myceteae），1969年他义根据细胞的结构和营养类型提出五界之说，即植物界、动物界、原生生物界、原核生物界(Monera)和菌物界（表1）；我国昆虫学家陈世骧（1905~1988年）根据病毒(virus)与类病毒（立克次氏体、类茼质体）小具任何细胞形态、小能自我繁殖、在游离的情况下无生命等特点，把病毒、类病毒独立为病毒界(Viri)（或非胞生物界）而有“六界系统”受到晕视。1978年R.H.Whittaker和L.Margulis根据分子生物学研究的资料，将生物分为三原界(Urkingdom)，即古细菌原界(Archaebacteria)：包括产甲烷菌、极端嗜盐菌和嗜热嗜酸菌；真细菌原界(Eubacteria)：包括蓝细菌和各种原核生物（除古细菌外）；真核生物原界(Eucaryotes)：包括原生尘物、真菌、动物和植物。三原界之说吸收了真核细胞起源的“内共生学说”思想，也已引起学者们的关注。可见生物的划界至今悬而未决（本教材使用的仍是林奈的两界分类系统）。 　　表1 生物五界主要特征比较 　　注：9+2型，是指鞭毛由外圈9组二联微管和其内包含的一对中央微管组成的微细结构。 　　一、植物在自然界中的作用 　　在自然界中，不论高山或平原、陆地或水域，甚至沙漠及岩石上，都生长着各种各样的植物。其中种子植物，它们征服自然界的能力强，适应性广，是植物界中*繁茂的一大类群。 　　地球上诞生的不同植物，是地球历经数亿年至数十亿年物理化学过程的结果。生物出现后，又有厂生物的作用，更加有利于植物的进化和发展。现已知道，植物体内含有大气或土壤中的全部化学元素，如碳、氧、氢、氮等大量元素，钾、钠、钙、磷、硫、铁、镁等少量或微量元素，以及铜、钼、锌、钡等极微量或痕量元素。同时，地球有机物的形成和积累几乎全部来源于植物。例如，煤炭、打油、泥炭均来自于植物，是工业的动力基础。 　　绿色植物是地球化学循环的关键因素。植物，尤其是森林植物通过光合作用，吸收并同定CO2，释放O2，同时积累有机物质。氧气是人类和其他所有生物有氧呼吸的**条件，也是地壳氧化的必要基础。一般情况下，大气中的CO2，因动植物的呼吸、土壤中微生物的活动、火山的喷发和燃烧等得以不断补充，使地球上大气中的CO2比例保持相对稳定。植物，尤其是木本植物通过光合作用大量吸收二氧化碳，以生物量的形式同定大气中的二氧化碳过程称为“碳汇”(carbon-sink)；因此，森林有独特的碳汇功能。森林的这种碳汇功能可在一定时期内稳定并降低大气中温室气体浓度，并以其巨大的生物量成为陆地生态系统中*大的碳库（表2）。 　　表2 不同植被类型每年每公顷的固碳能力 　　据2000年政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)特别报告：2000～2050年，全球*大碳汇潜力为每年15.3亿~24.7亿t碳，其中造林的碳汇潜力约占28%，再造林约占14%，农用林约占7%。研究表明：人上林每公顷每年可以固定CO2为1～1.4t，每生产1m3木材可吸收1.83tCO2，德立方米木材折合含碳量约0.25t。中国现有森林面积1.59亿hm2，蓄积量为124.9亿m3。研究表明：中国森林碳储量为45亿~50亿t（1994年）。中国现有森林平均每年净增加1.1亿t碳储量，其中森林（含经济林和竹林）每年净增碳储晕7550万t，疏林、散生木每年净增加碳储量3500万t。全球碳平衡和碳贸易已经成为新的经济增长和国家政治热点问题。 　　三、植物与人类的关系 　　（一）植物与人类的粮食和能源 　　植物是生态系统中的生产者，是其他生物生存的*基本能源。当今世界，人口膨胀导致的粮食短缺、能源巨耗、资源枯竭、环境退化与生态失衡等一系列币大问题都直接或间接地与植物有关。 　　植物是人类赖以生存的物质基础，是经济发展的物质资源。在农业生产中，农业、林业、牧业、副业、渔业都直接或问接地与植物有关。经济建设和人民生活所需的粮、棉、油、麻、丝、茶、糖、菜、烟、果、药等，都取自于植物；即使各种家畜、家禽、鱼类等的养殖，也需要植物作为饲料来源。在工业方而，无论是食品、油脂、制糖、制药、建筑、纺织、造纸，还是橡胶、油漆、酿造、化妆品，甚至冶金、煤炭、石油等都需要植物作为原料或利用到植物的产品。 　　据估计，全世界可食用的植物有75 000种之多，其中有近3万种药用植物至今仍存为发展中网家80%的人口（30多亿人）的健康服务。粮食的产量、质量是人类生存和繁衍的基础。如果全世界仪以70亿人口计，每人每年消耗400kg粮食，甲均每年每公顷(hm2)生产10500kg粮食，则全世界年消耗粮食约需28亿t，必须有2.67亿hm2的良田作为保证。然而，水土流失、可耕地面积的缩减、晶种的退化、粮食品质和产量的下降，加之人几的急剧增长，使得全世界粮食问题日益突出。因此，大力改良和提高已有作物的产量和品质、开发新的植（食）物资源，已成为确保社会安定和文明平稳发展与进步的至关因素。 　　植物是光能或太阳能的*大、*有效的转化器，是未来石油、煤或煤炭及天然气等有机能源的潜在来源。迄今，全世界仍有8%的工业能源直接来白丁植物。在民间，维持生活所消耗的植物能源则更多（热带可达80%～90%）。大范围、无节制地开采、利用和消耗煤炭、石油和大然气，使得这种非再生性能源资源日趋耗尽，能源危机愈加突出。随着科学的发展和技术的进步，利用植物或植物的残体发展沼气（28m3甲烷/t，相当于1.25桶原油）已受到越来越多的重视和鼓励。利用生物技术提高并提取植物体内的碳水化合物，如乙醇、甲烷、植物精油、液化树脂等作为新能源，受到了广泛重视。 　　当今世界，人口急剧增长，对物质的需求量越来越大。而人口问题的核心是食品增加与人口增长的比例，即植口(plant population)失调，以及由植口所决定的二级生产者的总和与人几之间的数量协调问题。因此，食用植物、饲料和饵料等的增长总量应大于人口增长量，才能真正解决人几问题。植口的增长必须通过提高作物产量、改变其品质，扩大食用植物、饲料植物、饵料植物的使用范同，开发新的植物资源或植物原料，以及扩大其利用范范围等来解决。 　　20世纪50年代70年代初，国际生物学计划(International Biological Program，IBP)重点研究全球不同生物群系的生产力，以及如何满足地球上不断增长的人口需要，研究可能获取的产量的*大定额，其*终目的就是通过查明生物有机物质的质和量的分布，掌握其再生产的基本规律，以便*为合理地利用。 　　（二）植物与人类的生存环境 　　植物存在于人类活动的一切环境中，是其他环境因素和活动的关键环节。植物通过光合作用，利用CO2制造有机物，为其他生物提供生存所需的食物和氧气。不仅人类的衣食住行直接或问接地取之于植物，而且植物能涵养水源、吸收粉尘、过滤噪声、调节气候、减少温室效应，净化水、土壤和大气中的有毒有害物质（重金属、SO2、NO2、Cl2等），保护、监测并改善环境质量。此外，植物还能固坡护沙、防止水土流失、改良土壤、提高土壤肥力、绿化都市、营造庭园景观，有利于人类创造*佳生存环境。 　　人类的劳动使荒地变为良田；林带的植造，能防风同沙，使沙漠变为绿洲；热带与亚热带植物资源的开发和利用，引种驯化和栽培植物；利用植物指示探矿、石油开采、环境保护，以及农业区划和土地规划等重要的人类生产经济活动，都将或多或少地改变着特定地区的生态环境，直接影响人类的文明和永续发展。 　　至2017年，有6075种植物被认定为入侵植物(invasive species)，仪菊科就有650种。中国现有外来植物800多种，如紫茎泽兰（Eupatorium coelestinum L.）等。入侵植物不仅严重破坏当地生态环境，威胁物种多样性，造成重大经济损失，而且影响人类和牲畜健康与安全，还会与近缘土著种杂交造成遗传污染和种质丧失。 　　30多年来，国际性研究计划——人与生物圈(Man and Biosphere，MAB)的实施，使人们更为深入地研究、认识和理解自然与人、自然界与社会间相互作用的基本规律。 　　第二节 植物的多样性与保护 　　一、植物的多样性