第三章种群及其动态I.ppt

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1、第三章I 种群及其基本特征,王娓(北京大学城环学院生态系) ,藏羚羊,肉苁蓉,锁阳,种群的概念 集合种群及物种保护 种群的空间分布 种群的年龄结构和生命表 种群的数量动态 种群的波动 种群数量的调节,种群是某一特定地区内同一物种个体的集合 在自然条件下,栖息地是以不同栖息地斑块的镶嵌体存在的, 每一种群都生活在适宜栖息地的很多斑块内。 很多种群被分割为许多小的亚种群.不利栖息地区域有可能成为个体移动的重要障碍,取决于亚种群之间的距离、间隔环境的性质和物种的活动能力.,1. 种群的概念,与涡鸢不同的是,壁虎被农地分隔开的适宜栖息地斑块彼此相距1-20 km, 它们无法穿越这个距离, 只能以互无联

2、系的亚种群形式存在.,在种群的地理分布范围内,个体数量并不是在所有区域都相等.个体只能生活在适宜的栖息地中. 一个种群的地理分布范围应当包括种群成员在整个生命周期内曾经占有过的所有地区.,2. 集合种群与物种保护,2.1 生境破碎化与边缘效应,例如, 亚马孙河流域,皆伐形成100 m森林边缘,树木因失去周围植被的保护而更加暴露,植被干旱并易受强风破坏.,种一面积曲线: Arrhenius (1921) 模型: S = b z k Gleason (1925) 模型: S = c lg z + a Kylin (1926) 模型: S = Q (1 e -mz) Fisher (1943) 模型

3、： S = ln 1+ ( q n / ) S为面积, z为样方的种数, A, b, c, k和m为常数; n为每个样方的平均个体数, q为样方数, Q为群落的总种数, 为Fisher的种多样性指数。,2.2 种一面积曲线,种面积曲线以及z 值的狭窄范围: (1)个体数目和面积近似直线的关系 (2) 个体总数和物种数目之间的关系非常接近对数正态分布或者 说物种的多度分布是一对数正态分布曲线,The species richness of a dominant group of ectomycorrhizal fungi, on tree islands of constant age and

4、host composition that range in size from 10 000 m2 were examined,2.3 岛屿生物地理学理论,面积效应:生物多样性随岛屿面积增加而增加的这种现象.假定距离陆地相等的岛屿,从陆地迁入岛屿的物种的速率一样.小岛屿上物种灭绝率比大岛屿快.,距离效应:岛屿离陆地和其它岛屿越远其上的物种数目就越少,局域小种群的灭绝是非常普遍的现象:“今天被占据的地点明天可能就是空白的, 然后1 周或1 年后可能又被重新占据”。,两个人: Sewall Wrigh t 和Richard Levins 生物进化在一个有空间结构的种群内会进展得更快, 尤其是当种

5、群内存在着局域灭绝和再侵占时。 一本书: Andrewartha 和Birch 1954 年 “The Distribut ion and Abundance of Animals”动物的分布与多度。,Levins 上个世纪60 年代末、70 年代 MacArthur 和Wilson (1967) 出版了岛屿生物地理学理论专著, 和Levins 集合种群模型一样围绕着(局域) 种群灭绝和侵占过程而建立的,2.4,自然界的斑块导致产生了3种种群模型,集合种群模型,源-汇模型,景观模型,3 种群的空间分布,4. 种群的年龄结构及生命表,4.1 年龄结构及性比 年龄结构-不同年龄组的个体在种群内的比

6、例和配置情况。 性比-种群中雄性个体和雌性个体数目的比例。性比对种群的配偶关系及繁殖潜力有很大影响。 种群年龄结构和性比对分析种群动态和预测预报十分重要。,4.2 生命表与存活曲线,4.2.1 生命表：根据各年龄组的存活或死亡数据编制，用于估算不同年龄组的生命期望 静态生命表：根据某一特定时刻对种群年龄分布频率的取样分析。无法分析死亡原因，不能对密度制约过程和调节过程进行定量分析 动态生命表： 从同龄群开始，跟踪观察死亡过程 综合生命表：包括了存活率和出生率，将两者相乘，累加即得净生殖率,生命表,动态生命表,综合生命表,4.2.2 存活曲线,存活曲线- 表达同生群（cohort）的存活过程。

7、Deevey(1947)将存活曲线分为三个类型： I型：曲线凸型，在接近生理寿命前只有少数个体死亡 II型：曲线呈对角线，各年龄死亡率相等 III型：曲线凹形，幼年期死亡率很高,地球正在成为一个很拥挤的星球,很多人相信世界人口很久以前已经超过地球的承受能力,我们正在迅速耗尽地球资源. 世界人口会在什么时候和在什么水平上停止增长呢?美国广为接受的一种估计是世界人口将会在达到大约90亿时停止增长.,5.种群的数量动态,5.1 与密度无关的种群增长模型,种群不受资源限制,种群数量以指数方式增加,不受自身密度变化的影响 达尔文在物种起源描述: 每种生物都以极高的增长率在增长,如果没有灾难和死亡,地球很

8、快就会被一对生物繁衍的后代所覆盖 所有的动物中,大象是繁殖最慢的。假设它30岁开始生殖,90岁停止生殖,在此期间生6头幼象,寿命为100年.照此下去, 740到750年之间,由一对大象传下的后代将达1900万头.,5.1.1离散种群几何级数增长模型,离散增长-种群各个世代不相重叠,如许多一年生植物和昆虫,其种群增长是不连续的,一般用差分方程描述,模型： Nt N0t N0种群初始数量； Ntt年后种群的数量； 周限增长率, 种群每年增长倍数 假设： 食物、空间充裕 气候适宜 没有敌害 没有年龄结构,“J”型增长实例： 环颈雉,“J”型增长实例： 澳大利亚兔灾,1859年，有一个农民从英格兰带来

9、了24只野兔。他的这一举动引起一次农业灾害。 野兔的繁殖非常快，一只雌兔一年以产25只兔仔。 它们吃庄稼，毁坏新播下的种子，啃嫩树皮和芽，并且打地洞损坏田地和河堤。篱笆也不能阻止它们侵和农民的田地。,“J”型增长实例：凤眼莲,也称水葫芦。是目前世界上危害最严重的多年生恶性水生杂草之一。 原产南美，1901年作为一种花卉引入我国，5060年代作为猪饲料推广种植，并发展为水质净化种类 广泛分布于华南、华中、华北和东北地区。90年代中期，在我国南方的一些河道和湖泊，凤眼莲覆盖面积达100%。在云南省昆明市滇池内，1994年凤眼莲的覆盖面积约达10 km2。,“J”型增长实例：薇甘菊,广东珠江伶仃岛，

10、森林覆盖面95%，国家级自然保护区。岛上生活 600只猕猴，近两年岛上出现大片森林死亡现象，这些可爱的小生灵在岛上很难找到食用的各类果实，只能靠人来喂养。是什么原因造成这种恶果呢？,菊科，假泽兰，原产热带美洲，作为垃圾场覆盖植物而引种,生态入侵 生态入侵:由于人类有意或无意地把某种生物带入适宜于其栖息和繁衍的地区，种群不断扩大，分布区逐步稳定扩展过程。 国家环保总局在2003年3月6日公布了16种外来入侵物种 每年损失574亿元,毒麦,薇甘菊,互花米草,豚草,紫茎泽兰,空心莲子草 （水花生）,飞机草（香泽兰）,凤眼莲（水葫芦）,假高梁（石茅、阿拉伯高粱）,美国白鹅(秋幕毛虫、秋幕蛾),牛蛙（美

11、国青蛙）,福寿螺(大瓶螺),湿地松粉蚧,非洲大蜗牛,强大小蠧（红脂大小蠧）,蔗扁蛾(香蕉蛾),近万名志愿者在海南省儋州市参加“外来入侵生物灭毒除害行动”。 严重危害棕榈科植物的外来入侵害虫-椰心叶甲,美国康奈尔大学公布的数据表明，美国目前每年要为“生物入侵”损失1370亿美元。 印度、南非这两个国家每年因生物入侵造成的经济损失分别为1300亿美元和800亿美元。,5.1.2 连续性种群的指数增长,可用微分方程表示: dN/dt=(b-d)N dN/dt: 种群的瞬时数量变化 b、d: 每个体的瞬时出生率、死亡率 b-d=r: 瞬时增长率(内禀增长率:种群固有的内在增长能力) dN / dt =

12、 r N N(t)=N(0)ert,种群增长率,T-世代时间，子代从母体出生到子代再产子的平均时间 R0-世代的净增值率 内禀增长率-不受条件限制下观察到的种群增长率,降低R0,限制每对夫妇子女数 增大T，推迟首次生殖时间或晚婚,人口的增长,接受救济的非洲难民,塞内加尔过度放牧形成的荒漠草原,随着人口的猛增，食品供应越来越短缺。仅撒哈拉南部非洲国家的饥饿和营养不良人数就占世界处于同类状况总人数的27。,为了耕种，人们破坏森林和牧场；牧场载畜量不断增加，过度放牧，生态环境严重恶化。,十年之争：1980年10月一场著名的赌赛,生物学家保罗.埃尔希利人口爆炸（1968） 20世纪80年代，世界经济繁

13、荣昌盛! 经济学家Julian Simon人口问题：人口也是一种资源，人多意味经济增长水平更高 Simon“自然资源果真像生态学家们估计的渐趋稀有，市场力量势必抬高价格，反之价格下跌” 五种工业金属十年价格：Simon & 埃尔希利,大约2个世纪之前,马尔萨斯认为,大多数种群都能保持在相对稳定的水平上意味着对种群来说存在着一种强大的和永恒起作用的控制力（论种群原理，1798年) 达尔文在:生物繁殖出的后代比可能存活下来的后代多，因此必定存在生存竞争，这种竞争广泛存在于同种个体之间，不同物种个体之间和生物与其生存的自然环境之间。,5.2 与密度有关的种群增长 逻辑斯谛增长 假设: 环境容纳量k,

14、 当N=K时,种群为零增长 增长率随密度上升而降低的变化是按比例的,即假设某一空间仅能容纳K个个体,每一个体利用了1/K的空间,N个体利用了N/K空间,可供种群增长的剩余空间为1-N/K,dN/dt = rN (1-N/K) r = ln (l), (内秉增长率),N,种群数量“S”型增长,环境容纳量：K值,大草履虫种群的增长曲线,逻辑斯谛增长,意义 许多相互作用的种群增长模型的基础 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 模型中两个参数 K 和 r 已经成为生物进化对策理论中的重要概念。,6. 种群的波动,近缘物种种群的波动,绵羊和藻类对环境变化的敏感性不同. (1)绵羊个

15、体较大,有更强内环境稳定能力 (2)绵羊可活很多年,任一时刻种群都是由不同年龄的个体组成, 通常能避免出生率短期波动造成的影响 (3)单细胞藻类的寿命只有几天, 周转速度快,容易遭受变化环境的冲击,6.1 不规则波动,6.2 周期性波动,在高纬度地区的很多国家,尽人皆知当地哺乳动物种群波动极大,最著名的例子是旅鼠,猞猁和雪兔种群的周期数量波动,2007年4月21日14：00左右，福建厦门杏林新阳大桥沿杏滨路往集美方向出现长约3公里的红色海域。,赤潮的颜色主要由引起赤潮的海洋浮游生物种类决定。夜光虫引起的呈粉(棕)红色，硅藻引起的呈黄(红)褐色，双鞭毛藻引起的呈绿(褐)色，膝沟藻引起的，颜色无明

16、显变化。,6.3 种群的暴发,2004年晚报讯据央视今日报道，内蒙古、新疆、河北等14个省市自治区再次爆发大面积蝗灾。由于连年干旱少雨，内蒙古草原遭受的蝗灾尤其严重。由于蝗灾爆发，草场遭到严重破坏。,蝗虫,1988年，非洲的塞内加尔和毛里塔尼亚境内，发生了数十年罕见的蝗灾，仅一群蝗虫就可达1000亿只以上,美国白蛾,成熟的雄性美国白蛾,正在产卵的雌性美国白蛾,一只雌蛾一年可繁殖3000万-2亿只后代！,1979年，美国白蛾首先进入我国辽宁省丹东市,国务院办公厅印发了关于进一步加强美国白蛾防治工作的通知。,种群数量变动是如何引起的,种群周期的机制是借助于20世纪二三十年代提出的种群数学模型发现的

17、.种群具有内在的周期性,正像钟摆依其长度而有固有的摆动频率一样.,外源性种群调节理论 内源性自动调节理论,7. 种群数量的调节,6.1 外源性种群调节理论,6.1.1密度制约的生物学派： 澳大利亚生物学家Nicholson，捕食，寄生和竞争等生物过程对种群调节起决定作用 Lack(1954)：食物，捕食和疾病，食物是决定性的。,实例1-旅鼠周期性数量变动,繁殖力强得惊人。旅鼠出生一个月后就能繁殖，一只雌鼠每5周产下一窝8只小鼠。大约每4年旅鼠的数量就会出现一次顶峰，之后又锐减，少到难以寻觅。,旅鼠集体跳海自杀是一个美丽的谎言 网上流行一篇署名“桑内斯”的“美文”浩荡祭大海奔赴死亡之约，转自读者

18、2005年第15期，据说是一位挪威癌症病人在追随旅鼠奔向死亡的旅途中，顿悟了生命的真谛：无须畏惧死亡，因为生和死都是生命的一部分。,迪斯尼在1958年拍摄纪录片白色荒野中。这部奥斯卡获奖影片影响深远，使旅鼠奔赴死亡之约的动人传说在西方家喻户晓。,Pitelka(1964) & Schultz(1964): 营养物恢复学说,实例2-猞猁和雪兔种群的周期数量波动,最新研究表明捕食效应可能不是导致雪兔-猞猁周期波动的主因,密度依赖性调节是主因,6.1.2非密度制约的气候学派：以色列的Bodenheimer(1928)提出。天气条件通过影响昆虫发育和存活来决定种群密度，昆虫早期死亡率85-90%是由气

19、候条件不良所致。,折中观点,A. Milne为代表。在环境有利，密度制约因子决定种群数量；在环境恶劣条件下，非密度制约因子起决定作用 气候学派和生物学派的争论反映了他们工作地区环境条件的不同。,6.2 内源性自动调节理论,6.2.1 行为调节-温-爱德华学说： 通过社群等级和领域性行为可把动物消耗于竞争食物、空间和繁殖权利的能量调到最少，使食物供应和繁殖场所等在种群内得到合理分配，并限制了环境中动物的数量，使资源不置于消耗殆尽。,6.2.2 内分泌调节-克里斯琴（Christian)学说,克里斯琴1950年提出。该学说适用于兽类。,6.2.3 遗传调节-奇蒂（Chitty）学说,个体遗传素质的不同是决定它们的适应能力以及死亡率变化的主要原因，而这种遗传素质是由亲代遗传下来的，因此种群密度的高低不是当代出现，而是亲代通过改变种群的遗传素质，使下一代受影响。,