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。     

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。     

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。     

不同生境毁坏速度下的物种灭绝机制

已有似Levins的多物种模型,在研究生境毁坏的影响时,一方面主要集中在对瞬间毁坏影响的研究,另一方面主要研究生境毁坏对强物种影响的研究。在Tilman的多物种竞争共存模型的基础上,同时考虑了生境毁坏直接效应和生境毁坏时间异质性,提出了全新的普适的多物种竞争共存的非自治动力模式。通过模拟物种灭绝对不同速度的生境毁坏时间异质性的响应发现：（1）物种灭绝既存在强物种由强到弱的灭绝,也存在弱物种由弱到强的灭绝。同时,弱物种灭绝机制进一步分为弱物种瞬间集体灭绝,以及较长时间由弱到强的灭绝。（2）生境毁坏速度越快,物种灭绝的时间越短,弱物种灭绝的越多,因此,生境毁坏速度越慢,越有利于弱物种的长期续存。（3）最强物种的多度越大,强-强物种抵御生境毁坏的能力越强,而弱-弱物种抵御生境毁坏的能力越弱,集体灭绝的弱-弱物种就越多。最强物种的多度大的群落（如温带森林）,主要发生的是弱-弱物种灭绝,而最强物种多度小的群落（如热带雨林）同时发生强-强和弱-弱物种的灭绝。因此,争对不同结构的集合种群,不同的保护对象,应采取不同的管理策略。     

生境破坏的空间结构对集合种群续存的影响

生境破坏及其影响是生态学亟待解决的问题之一,目前的研究主要集中在破坏数量,即遭破坏生境的比例,对物种续存的影响方面;其中最主要的结论是Levins原理和适合生境斑块最小数量(MASH),而关于生境破坏的空间结构的研究却比较稀少,在本文中,我们首先将偶对近似引入到集合种群的研究当中,并替代原有的均匀场假设.然后我们对生境破坏导致的集合种群大小、空间结构以及分布等做了全面讨论.结果显示:随破坏比例的增加,集合种群大小将下降并且其分布将远离破坏生境.进一步聚集式分布结构将瓦解.随着破坏规则化的下降,集合种群将萎缩并使其聚集结构崩溃,在破坏生境周围集合种群起初将增加然后迅速消失.根据这些结果,我们可以对边界效应进行分析:不能用破坏比例描述生境破坏的程度和影响,而只能用破坏区域边界的长短来描述.根据边界效应,我们可以得出在一连通生境上物种保护的条件是生境破坏后剩余的适合生境比例应该大于破坏前原始生境的一半.居住在斑块环境中的物种比连续生境中生存的物种可以更好地抵抗生境破坏带来的影响.     

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.     

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.     

生境丧失对具有似Allee效应集合种群的影响及对策——以江苏盐城为例

似Allee效应对物种续存是潜在的扰动因素,稀有物种更易受其影响,可能增加生存于破碎化栖息地中的珍稀物种的死亡风险;但似Allee效应对多物种集合种群续存的影响及其在珍稀物种保护中的应用未能引起足够重视。将似Allee效应引入集合种群动力模式,建立了生境丧失下具有似Allee效应的n-珍稀物种的集合种群模式,并以江苏盐城滩涂湿地中的29种珍稀物种为研究实例。研究结果表明:(1)似Allee效应导致n-物种集合种群多度作长期变周期振荡,原本竞争共存物种可能无法继续共存,甚至灭绝。(2)似Allee效应增强对次强种及劣势种的生存极为不利,导致次强物种由强至弱灭绝,劣势物种由弱至强依次灭绝。(3)盐城天然湿地丧失29%后,11种劣势物种的集合种群由弱到强将最终依次灭绝,灭绝迟豫时间为304～890a,这些物种即Hanski所指的"活死者"。(4)适度增加栖息地面积是保护珍稀物种多样性的有效方法之一,在盐城现存3200km2的天然湿地基础上适度增加1801～2064km2左右栖息地面积,可以有效保护29种濒危物种的多样性,同时应注意结合针对具体物种的保护措施来提高濒危物种多度。研究结果对物种多样性保护及自然保护区建设具有重要的理论指导意义。     

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。