种群生态学三.pptx
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1、第一节第一节 种群及其基本特种群及其基本特征征1 种群的基本概念种群(population):同一时期内占有一定空间的同种生物个体的集合,是物种在自然界存在的基本单位。单体生物和构件生物:单体生物个体清楚,基本保持一致的体形,每一个体来源于一个受精卵。如鸟类、兽类等。构件生物由一个合子发育成一套构件,由这些构件组成个体。如水稻、浮萍、树等。种群生物学(population biology):研究种群的结构、形成、发展和运动变化过程规律的科学。最主要组成部分是种群遗传学和种群生态学。种群遗传学(population genetics):研究种群的遗传过程。种群生态学(population eco
2、logy):研究种群内各成员之间、它们与其他种群成员之间、以及它们与周围环境中的生物和非生物因素之间的相互关系。种群动态是种群生态学研究的核心。第1页/共54页第一节第一节 种群及其基本特种群及其基本特征征2 种群特征种群密度:原始密度与生态密度种群初级参数:出生率(生理生态)、死亡率、迁入与迁出率种群次级参数:性比、年龄分布、种群增长率、分布型第2页/共54页第一节第一节 种群及其基本特种群及其基本特征征3 种群分布与多度种群分布格局:随机分布、均匀分布和聚集分布种群多度与丰富度:种群密度:绝对密度与相对密度取样与标记重捕技术第3页/共54页第一节第一节 种群及其基本特种群及其基本特征征4
3、种群动态年龄结构年龄结构:下降、稳定和增长型性别结构性别结构:生命表与存活曲线种群变化率(净生殖率和增长率)种群内禀增长率种群扩散第4页/共54页5 5 种群的增长模型种群的增长模型种群生态学研究的核心是种群的动态问题。反映种群动态的客观现象是一大堆数量问题。因此常常用数学模型。在数学模型研究中,生态学工作者最感兴趣的不是特定公式的数学细节,而是模型的结构,即哪些因素决定种群的数量大小,哪些参数决定种群对自然和人为干扰反应的速度等。注意力应集中于模型的直观生物学背景,建立模型的生物学假设。第5页/共54页种群的增长模种群的增长模型型非密度制约种群增长模型非密度制约种群增长模型密度制约种群增长模
4、型密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型 在资源充分(无限的环境(unlimited environment))的情况下,种群的增长不受密度制约,种群以几何指数增长。根据种群世代重叠与否,又可分为两类:l增长率不变的离散增长模型 许多一年生的植物和昆虫,世代不重叠l增长率不变的连续增长模型 种群的各个世代彼此重叠,如人和多数兽类第6页/共54页增长率不变的离散增长模型增长率不变的离散增长模型模型假设模型假设l种群增长是无界的,即种群在无限环境中生长。不受食物、空间等条件的限制。l世代不相重叠,种群增长是离散的。l种群无迁入和迁出。l种群无年龄结构。第7页/共54页数学模型
5、数学模型Nt =N0t时间t处的种群个体数初始时的种群个体数量世代净繁殖率(周限增长率)间隔或世代的长度Nt1 =Nt时间t+1处的种群个体数N1=N0 1;N2=N0 2N3=N0 3第8页/共54页模型的生物学意义模型的生物学意义l根据此模型可计算世代不相重叠种群的增长情况。如某一年生植物初始种群有10个个体,每个个体产生20粒可育种子,当年亲体死亡。按此生殖率,第三年该种群将有多少个体(成年植株)?已知:No=10.N1=200.求:N2=?解:=N1/No=200/10 N2=No2l根据值可判断其种群动态,即1,种群增长;=1,种群稳定;10,种群下降;当=0,种群无繁殖现象,且在下
6、一代灭亡。第9页/共54页几何增长模型及草夹竹桃(几何增长模型及草夹竹桃(Phlox drummomdiiPhlox drummomdii)假设的增)假设的增长曲线长曲线(自M.C.Molles,Jr,1999)行为:种群的增长曲线为行为:种群的增长曲线为“J J”型,又称型,又称“J J”型增长。型增长。第10页/共54页增长率不变的连续增长模型增长率不变的连续增长模型模型假设模型假设l种群增长是无界的,即种群在无限环境中生长。不受食物、空间等条件的限制。l世代重叠,种群增长是连续的。l种群无迁入和迁出。l种群具有年龄结构。第11页/共54页模型模型(微分式、积分式微分式、积分式)dN/dt
7、=rNNt=N0ert种群变化率瞬时增长率(每员增长率)种群个体数量瞬时增长率(每员增长率)时间t处的种群个体数间隔或世代的长度初始时的种群个体数量第12页/共54页模型的生物学意义模型的生物学意义l根据此模型可计算世代重叠种群的增长情况。l根据r值可判断其种群动态。即当rO,种群增长;r=0,种群稳定;r0,种群下降,当r=,种群无繁殖现象,且在下一代灭亡。例如:例如:初始种群初始种群100100,r=0.5r=0.5 1 1年后种群数量年后种群数量100e100e0.50.5165165 2 2年后为年后为100e100e1.01.0272272 3 3年后为年后为100e100e1.51
8、.5448 448 Nt=N0ert瞬时增长率(每员增长率)时间t处的种群个体数间隔或世代的长度初始时的种群个体数量第13页/共54页苏格兰松和领鸽种群的指数增长曲线苏格兰松和领鸽种群的指数增长曲线(自M.C.Molles,Jr,1999)行为:种群的增长曲线为行为:种群的增长曲线为“J J”型,又称型,又称“J J”型增长。型增长。第14页/共54页种群瞬时增长率与周限增长率的关系种群瞬时增长率与周限增长率的关系l种群瞬时增长率(r)与周限增长率()都表示种群增长率,但又其有明显的不同。周限增长率是有开始和结束期限的,而瞬时增长率是连续的。周限增长率的数值总是大于相应的瞬时增长率。二者之间的
9、关系式为:r=ln 或 =er 瞬时增长率、周限增长率取值与种群动态之间的对应关系 第15页/共54页模型的应用模型的应用l根据模型求人口增长率。例如,1949年我国人口5.4亿,1978年9.5亿,求29年来人口增长率。Nt=No ert InNt=InN0+rt r=(InN-InN0)/t 以上式数字(以亿为单位)代入,则:r=(1n9.5-In5.4)/(1 978-1949)=0.0195/(人年)表示我国人口自然增长率为19.5%,即平均每1 000人每年增加19.5人。再求周限增长率 =er=e0.0195=1.0196/年即每一年是前一年的1.0196倍。第16页/共54页种群
10、的增长模种群的增长模型型非密度制约种群增长模型非密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型 在资源充分(无限的环境(unlimited environment))的情况下,种群的增长不受密度制约,种群以几何指数增长。根据种群世代重叠与否,又可分为两类:l增长率不变的离散增长模型 许多一年生的植物和昆虫,世代不重叠l增长率不变的连续增长模型 种群的各个世代彼此重叠,如人和多数兽类第17页/共54页密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型 因为环境是有限的,生物本身也是有限的,所以大多数种群的“J”型生长都是暂时的,一般发生在早期阶段、密度
11、很低,资源丰富的情况。而随着密度增大,资源缺乏,代谢产物积累等,环境压力势必会影响到种群的增长率,使其降低。受自身密度影响的种群增长称为与密度有关的种群增长或种群的有限增长。离散增长模型连续增长模型种群在有限环境下的增长曲线:种群在有限环境下的增长曲线:第18页/共54页种群的逻辑斯谛增长种群的逻辑斯谛增长(连续增长模连续增长模型型)随着资源的消耗,种群增长率变慢,并趋向停止,因此,自然种群常呈逻辑斯谛增长。体现在增长曲线上为“S”型。种群停止增长处的种群大小通常称“环境容纳量”或K,即环境能维持的特定种群的个体数量。种群增长可以用逻辑斯谛模型描述。第19页/共54页模型假设模型假设设想有一个
12、环境条件所允许的最大种群值,此最大值称为环境容纳量或环境负荷量,(carrying capacity),通常用K表示。当Nt=K时,种群为零增长,即dN/dt=0。密度对种群增长率的影响是简单的,即其影响力随种群密度的上升而逐渐地、按比例地增加,种群中每增加一个个体。对种群增长力的降低就产生1/K的影响。种群密度的增加对其增长率降低的作用是立即发生的,无时滞(time lag)。种群中个体无年龄结构,无迁移现象。第20页/共54页模型(微分式)模型(微分式)dN/dt=Nr(1-N/K)种群个体种群个体数量数量瞬时增长率瞬时增长率(每员每员增长率增长率)种群种群变化率变化率环境容纳量环境容纳量
13、当比率增加时,种群增当比率增加时,种群增长变慢长变慢(1N/K)所代表的生物学含义是“剩余空间”,即种群可利用、但尚未利用的空间。第21页/共54页模型(积分式)模型(积分式)间隔或世代的长度时间t处的种群个体数瞬时增长率(每员增长率)环境容纳量Nt=K(1ea-rt)曲线对原点的相对位置,值取决于N0第22页/共54页逻辑斯谛增长曲线的五个时期逻辑斯谛增长曲线的五个时期 模型行为模型行为:该曲线在N=K/2处有一个拐点,在拐点上,种群变化率最大,在拐点前,种群变化率随种群增加而上升,在拐点后,种群变化率随种群增加而下降,因此,曲线可划分为:开始期(潜伏期)(N0),加速期(NK2),转折期(
14、NK2),减速期(NK),饱和期(NK)KDEBACtNtK/2第23页/共54页逻辑斯谛增长模型的意义逻辑斯谛增长模型的意义它是两个相互作用种群增长模型的基础;它是渔业、林业、农业等实践领域中确定最大持续产量的主要模型;模型中的两个参数K(环境容纳量)和r(瞬时增长率)已成为生物进化对策理论中的重要概念。第24页/共54页逻辑斯谛增长模型的验证(实验室验证)逻辑斯谛增长模型的验证(实验室验证)以高斯(Cause.1934)研究大草履虫(Paramecium caudatum)实验种群为例。在0.5 ml培养液中放25个大草履虫,每隔24 h统计其数量,经过反复实验,其结果如图。若用逻辑斯谛曲
15、线拟合,理论值与实际观察结果非常吻合。大草履虫在该环境条件下,最大种群数量是375个/0.5mL,即K=375。当以逻辑斯谛方程拟合时,种群增长率r=2.309,这意味着平均每个大草履虫在24 h中能增殖2.309个新个体。第25页/共54页逻辑斯谛增长模型的验证(野外验证)逻辑斯谛增长模型的验证(野外验证)约在1800年,有人把绵羊引人塔斯马尼亚岛,其后种群数量逐年升高,直至1850年达最高值,之后在170万头上下作不规则波动。由图可见,1800年、1850年的50年间,岛上绵羊种群的增长近似于逻辑斯谛增长。第26页/共54页第27页/共54页6 6 种群调节种群调节种群的数量变动种群的调节
16、季节波动不规则波动周期性波动种群暴发生态入侵种群的衰落和灭亡种群不稳定种群稳定/不稳定第28页/共54页季节波动季节波动 对自然种群的数量变动,首先应区别年内(季节消长)和年间变动。对自然种群的数量变动,首先应区别年内(季节消长)和年间变动。一般具有生殖季节的种类,种群的最高数量通常是在一年中最后一次繁殖之末,之后繁殖停止。种群因只有死亡而数量下降,直到下一年增殖开始,这时是数量最低的时期。由于环境的季节变化和动物生活史的适应性改变,动物种群季节消长特点各不相同。图310蓟马(Thrips)成虫种群的季节消长图。由图可见,虽然各年间发生高峰的高度不同,但高峰期发生的月份是相同的。第29页/共5
17、4页季节波动的应用季节波动的应用 丁岩钦在陕西关中棉区8年的调查结果,发现棉盲蝽种群各年的季节消长有不同的表现,随气候条件而变化:中峰型:在干旱年份出现,蕾铃两期受害较轻 双峰型:在涝年出现,蕾铃两期受严重危害 前峰型:先涝后旱年份出现,蕾期受害严重 后峰型:先旱后涝年份出现,铃期受害严重因此掌握气象数据是预报棉盲蝽季节消长和防治的关键第30页/共54页不规则波动不规则波动l环境的随机变化很容易造成种群不可预测的波动。环境的随机变化很容易造成种群不可预测的波动。l小型的短寿命生物,比起对环境变化忍耐性更强的大型、长寿命生物,数量更易小型的短寿命生物,比起对环境变化忍耐性更强的大型、长寿命生物,
18、数量更易发生巨大变化。比如藻类种群的波动,主要是温度变化及其营养物获得性的变化发生巨大变化。比如藻类种群的波动,主要是温度变化及其营养物获得性的变化而造成的。而造成的。第31页/共54页不规则波动的应不规则波动的应用用l马世骏探讨了大约马世骏探讨了大约10001000年关于东亚飞蝗危害和气象资料的关系,明确了东亚年关于东亚飞蝗危害和气象资料的关系,明确了东亚飞蝗在我国的大发生没有周期性变化,同时还指出干旱年份是大发生的原因。飞蝗在我国的大发生没有周期性变化,同时还指出干旱年份是大发生的原因。第32页/共54页周期性波动(规则性波动周期性波动(规则性波动)l在一些情况下,捕食或食草作用导致种群的
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