人类活动效应对物种多样性影响的动力模拟——以洪湖湿地生境毁坏对水鸟物种多样性的影响为例

提出了随时间变化的人类活动效应对物种多样性影响的多物种竞争非自治动力模式,并以洪湖为例模拟了湿地水鸟物种多样性对人类活动效应（生境持续毁坏）的响应过程。模拟发现：对于强．强物种,生境的持续破坏使得湿地水鸟的物种多度大幅度减小,并发生优势种群的更替;对于弱-弱物种,将导致大批的弱物种种群迅速灭绝,而余下的弱物种种群将做准周期振荡;尽管停止对湿地生境的持续毁坏,仍会使一批弱物种种群继续走向灭绝,并且使得原来最强的几个种群最终灭绝。物种灭绝对生境毁坏的这种时间滞后性,即破碎的生境中存在着一些“活死者”,必须引起自然保护学家的关注,否则会低估了实际处于灭绝边缘的物种的数目,从而影响正确的物种保护决策的制订。     

物种多样性对栖息地毁坏时间异质性的响应

栖息地毁坏是物种多样性丧失最重要的因素之一.通过多物种竞争共存的非自治动力模型,利用香农多样性指数,研究并比较了不同结构集合种群群落的物种多样性对不同程度和不同速度的栖息地毁坏时间异质性的响应.结果表明:在栖息地瞬间毁坏下,物种多样性先快速下降,之后得到一定程度的恢复,最终在下降中走向平衡;在栖息地持续完全毁坏下,栖息地毁坏速度对物种多样性随累积栖息地毁坏率变化的影响,只有在最强物种多度 (q)较小时比较明显,而在q较大时较小;对于栖息地持续部分毁坏,栖息地毁坏速度只影响物种多样性振荡的幅度,而不影响其变化的最终结果,并且速度越快,物种多样性振荡幅度越大,越不利于群落的稳定.     

集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应

首次将分形几何(Fractal geometry)与元胞自动机(Cellular automata)相结合,研究了破碎化生境中集合种群的空间分布格局动态,以及集合种群动态对生境毁坏空间异质性的响应。研究发现:(1)各个物种种群在生境中的分布具有很好的分形特征,物种的计盒维数(Box dimension)不仅可以很好地反映种群的空间分布结构,也能很好地反映种群动态。(2)如果将空间因素考虑进来的话,生境毁坏的灭绝债务(Time debt)将大于空间隐含模式所模拟的结果。(3)物种灭绝同时存在强物种灭绝和弱物种灭绝。并且只有在生境随机毁坏下,才与空间隐含的模拟结果比较接近,即强物种中将是最强物种率先灭绝。而在边缘毁坏这种比较集中成块的开发方式下,将是较强的物种灭绝。(4)边缘毁坏相对随机毁坏有利于物种,尤其是弱物种的长期续存。     

集合种群动态对栖息地毁坏时空异质性的响应

栖息地毁坏既有时间异质性,也有空间异质性,而以往的研究往往只关注其中的一种。将两种不同的异质性共同引入到元胞自动机中,模拟了集合种群动态对栖息地毁坏时空异质性的响应。发现,在随机离散的栖息地毁坏下,由于物种的迁移繁殖力受栖息地毁坏的影响很大,迁移繁殖力弱而竞争力强的物种先灭绝。在连续的栖息地毁坏下,物种的迁移繁殖力受栖息地毁坏的影响较小,物种的灭绝由竞争力和迁移繁殖力共同决定:在有绝对优势种的群落里,种间竞争显著,弱物种先灭绝,而在没有绝对优势种的群落里,种间竞争较小,则以强物种先灭绝。因此,随机毁坏不利于强物种续存,而连续毁坏则不利于具有绝对优势种群的群落里的弱物种续存。在实际开发某一栖息地时,根据集合种群结构和被保护的对象采取相应的开发模式。     

栖息地毁坏与动物物种灭绝关系的模拟研究

利用多个物种共存模式模拟了不同情况下的不同动物种群演化的动力学特性,研究结果表明：（1）由于栖息地的毁坏所导致的动手的种灭绝是依赖于对物种死亡率和有关平衡态的假设的,不同的假设下,既使栖息地的破坏率相同,灭绝的物种可能是竞争能力最强的若干物种,也可能是竞争能力相对较弱的若干物种,既不象传统的物种进化理论所认为的必是弱的物种先灭绝,也不象Tilman等人所认为的一定是最强的若干物种先灭绝;（2）如果弱的物种具有较高的平均死亡率,则当栖息地受到一定的毁坏时,将有较多强的物种灭绝,而且物种灭绝时间将大大缩短;（3）在物种死亡率不变的情形下,物种在未受毁坏栖息地上的平衡态和大占有率pl^0,将有利于物种的生存。     

物种灭绝对不同时间尺度人类活动的响应机制研究

通过修改Tilman的多物种共存的经典模式中栖息地毁坏率（D）,使D随时间的推移呈线性增长情况下,本文模拟了百万年、万年和百年尺度人类活动对栖息地的破坏下,物种灭绝对栖息地毁坏的响应特征。结果表明,大时间尺度人类活动对栖息地毁坏导致物种的强弱关系发生变化,并且强物种先灭绝,而小时间尺度人类活动对栖息地破坏是弱物种先灭绝;在百万年和万年尺度上,物种对栖息地毁坏的响应是减幅振荡衰退直至灭绝,并且最强物种对栖息地的占有率（q）越大,振幅越大,而在百年尺度上,物种的演化几乎是直线衰退;在大时间尺度的栖息地毁坏情况下,q越大,则物种灭绝起始时间和所有物种灭绝的时间越长;而在较小的时间尺度的栖息地毁坏情况下,q越大,灭绝起始时间和所有物种最终灭绝的时间则越短。     

物种演化对人类活动作用下不同性质栖息地毁坏的响应

栖息地毁坏是物种多样性减少的首要因素之一, 因此研究物种演化对栖息地毁坏的响应是非常必要的。而栖息地的毁坏又有瞬间毁坏和持续毁坏两种, 以往对栖息地毁坏的研究集中在瞬间毁坏上, 而该文则是通过N_物种 竞争共存模型分析对比了物种演化对栖息地瞬间毁坏和持续毁坏的响应特征。研究发现 :不同性质的栖息地毁坏都会导致物种强弱关系的变化, 并非如通常所认为的强物种将免于遭受物种灭绝的威胁, 也不是强物种首先灭绝, 而是因集合种群结构的不同而异。在热带雨林群落, 瞬间毁坏下物种演化一般经历了强迫适应和恢复上升阶段, 而持续毁坏下物种得不到恢复, 只能持续衰退, 在较长一段时间内持续毁坏比瞬间毁坏更有利于物种的续存 ;而在温带森林群落, 瞬间毁坏下物种演化一般经历强迫适应, 恢复上升和准周期振荡, 最后平衡, 而持续毁坏下物种只能持续衰退, 出现了在栖息地持续毁坏率小于瞬间毁坏率时, 物种的栖息地占有率却小于瞬间毁坏时的占有率。     

破碎栖息地中物种灭绝机制

栖息地毁坏既会直接降低物种多度,又会间接地降低物种迁移繁殖力,同时还会改变原有的种间平衡.尽管已有研究表明栖息地毁坏是物种灭绝的主要原因之一,但是尚未揭示破碎的栖息地中物种灭绝的驱动机制.通过元胞自动机模拟了物种灭绝对栖息地毁坏空间异质性响应的基础上,进一步研究了栖息地毁坏和种间竞争对物种灭绝的影响.结果发现:强物种的灭绝主要来自栖息地毁坏,而弱物种的灭绝,在随机毁坏下,主要由栖息地毁坏与种间竞争共同决定,而在边缘毁坏下则主要由种间竞争所引起的.栖息地毁坏与种间竞争共同引起的物种灭绝的时间非常短,而栖息地毁坏或种间竞争所引起的物种灭绝时间则较长.     

集合种群强物种种群的演化特性

大量的数值模拟研究表明;(1)集合种群里最强物种种群对栖息地占有率相对较少时,较小的栖息地毁坏率就可以导致该最强物种种群与其它奇数物种种群一起退化;(2)而最强物种种群对栖息地占有率相对较多则是导致集合种群里弱物种种群集体灭绝的内因;(3)当栖息地的毁坏率大于最强物种种群对栖息地的占有率时,最强物种种群将先灭绝而使得弱物种种群进化为强物种种群或新的更强的强物种种群。     

似Allee效应对2-物种集合种群竞争动态的影响

集合种群具有与局域种群Allee效应相似的现象被称为似Allee效应.将似Allee效应引入2-竞争物种集合种群系统,建立了具有似Allee效应的2-物种集合种群演化动态模型.大量的数值模拟表明:(1)似Allee效应导致集合种群水平上两竞争物种构成的系统具有多个平衡态;(2)似Allee效应使竞争共存物种无法续存甚至全部灭绝,即使种群具有很高的初始斑块占有率,并且最终平衡态随初始斑块占有率变化而改变;(3)似Allee效应可能使竞争排斥物种共同灭绝,且效应越强,物种存活时间越短;但似Allee效应不会增强强物种对弱物种的排斥强度,反而可能使强物种变为弱物种,弱物种变为强物种,其具有与栖息地毁坏类似的影响种群竞争等级排序的作用;(4)似Allee效应对竞争集合种群续存是一个不稳定的干扰因素,微小的变化都将引起系统平衡态的剧变.但对于已经达到平衡态的集合种群系统,似Allee效应对强弱种群多度起到调节与制约的作用,有助于平衡态集合种群的稳定与共存,这一结论更完整的揭示了似Allee效应在竞争集合种群系统发展的不同阶段所起的不同作用.以上这些结论对物种保护及集合群落的管理具有重要的指导意义.     

How species diversity responds to different kinds of human-caused habitat destruction

Human-caused habitat destruction, the major cause of species diversity losses, can be classified into two basic types, instantaneous destruction and continuous destruction. Thus, a universal model should be established to simulate and forecast the effects of different kinds of habitat destruction on species diversity during different historical periods. In this paper, we explore a multi-time-scale n-species model to study and compare species responses to instantaneous and continuous destruction. We find that (1) under instantaneous destruction, there are two different mechanisms of species extinction: one is a time-delayed deterministic extinction of superior competitors in order from the best to the poorest; the other is the extinction in a short time of inferior competitors. The survivors will experience three phases: decline, adjustment, and equilibrium. (2) When the total amounts of habitat destruction for both instantaneous and continuous cases are equal, the oscillation amplitudes of species abundances under instantaneous destruction are much greater than under continuous destruction, especially for inferior competitors, which make inferior competitors under instantaneous destruction more prone to stochastic extinction. Therefore instantaneous destruction is more detrimental to the survival of inferior competitors. (3) Under continuous destruction with habitat eventually being destroyed completely, there also are two types of species extinction mechanisms: the first is extinction in order from the best competitors to the poorest before complete destruction; the second is collective extinction due to complete destruction.     

物种灭绝对不同时间尺度栖息地毁坏响应的空间模拟

人类活动所引起的栖息地毁坏已成为当前物种多样性丧失的最主要的原因之一。空间显含模型相对于空间隐含模型来说,更加接近于现实,因此,通过元胞自动机,模拟了物种多样性对万年、千年、百年时间尺度人类活动所引起的栖息地毁坏的响应。研究结果表明：万年时间尺度上,物种是由强到弱的灭绝;而在千年时间尺度上,物种灭绝的序受集合种群结构的影响较大;在百年时间尺度上。物种由于栖息地毁坏过于剧烈和迅速,来不及作出响应。在栖息地完全毁坏时集体灭绝。因此,物种灭绝序不只是受竞争-侵占均衡机制的影响,还受不同时间尺度（不同速率）栖息地毁坏的影响。以及集合种群结构的影响。     

Responses of Metapopulation Dynamics to Two Different Kinds of Habitat Destruction Caused by Human Activities

Habitat destruction can be classified into instantaneous destruction and continuous destruction by the different ways of human destroying habitat. Previous studies, however, always focused on instantaneous destruction. In this study, we develop a universal model, Multi-time scale N-species model, to study and compare the responses of metapopulation dynamics to both kinds of habitat destruction. The model explores that: (1) under instantaneous habitat destruction, species extinction is determined by the proportion of habitat destruction (D) and the structure of metapopulation (q). When D>q, species will go extinct ranked from the best competitor to the worst. When D≤ q, no species will go extinct, but the equilibrium abundances of odd-ranked competitors will decrease, and the equilibrium abundances of even-ranked competitors will increase; (2) under continuous destruction, species extinction is dependent on the speed of habitat destruction and the metapopulation structure. The higher the speed of habitat destruction and the bigger q are, the earlier species go extinct. Usually, there are two possible mechanisms of species extinction: one is that all species go extinct collectively following complete destruction, and the other is that species go extinct in ranked competitive order from best to worst, and the survivals, if they exist, will go extinct collectively following complete destruction. The oscillation amplitudes of inferior competitors are so large as to increase the probability of stochastic extinction under instantaneous destruction. Therefore, it is relatively propitious for the persistence of rare species under slow and continuous destruction, especially when continuous destruction stops.     

不同栖息地状态下物种竞争模式及模拟研究与应用

物种竞争是影响生态系统演化的重要生态过程之一.而物种在受人类影响出现不同程度毁坏的栖息地上的演化又是非常复杂的,因此研究物种演化对栖息地毁坏的响应是非常必要的.在Tilman研究工作的基础上,将竞争系数引入集合种群动力模式,建立了多物种集合种群竞争共存的数学模型,并对5-物种集合种群在不同栖息地状态下的竞争动态进行了计算机模拟研究.结果表明：（1）不同结构的群落（q值不同）,物种之间的竞争排斥作用强度不同,优势物种明显的群落,物种之间的排斥强度大;（2）随着栖息地毁坏程度的增加,对优势物种的负面影响逐渐减小,而对弱势物种的负面影响逐渐增加;（3）随着栖息地恢复幅度的增加,优势物种和弱势物种之间的竞争越强烈,优势物种受到的竞争排斥加大,而弱势物种逐渐变强,出现了强者变弱、弱者变强的格局;（4）物种竞争排斥与共存受迁移扩散能力和竞争能力影响很大,竞争共存的条件是其竞争能力与扩散能力呈非线性负相关关系;（5）竞争共存的物种的强弱序列发生了变化.     

人类周期性活动对物种多样性的影响及其预测

人类活动通过作用于栖息地而影响着物种的种群动态,从而影响着物种多样性的变化。首次提出了不同时间尺度人类周期性活动干扰下的多物种竞争动力模式,模拟了千年时间尺度,物种多样性对人类周期性活动的响应过程,开展了人类周期性活动所导致的物种多样性的量的变化的预测研究。有关模拟和预测结果表明:在人类周期性活动的作用下,物种多度变化对栖息地变化的响应也做准周期振荡;同时人类活动强度越大,物种多度振荡的幅度也越大;并且在栖息地减少过程中,人类周期性活动对物种多样性的影响幅度要小于栖息地扩充过程中的。在一个完整的周期内,并没有物种的灭绝,只是物种的多度和强弱关系变化很大。当人类周期性活动仅持续1/4个周期时,最强的几个物种将灭绝,而其它物种做准周期振荡,但振幅相对较小。