生境变化对集合种群系统生态效应的影响

通过大量的数值模拟发现 :生境恢复或扩展将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为奇数种群强 -偶数种群弱 ,同时集合种群里的最优秀种群将迅速扩张、发展为更为强大的最优势种。而当生境遭受到破坏 (毁坏 ) ,集合种群里的最优秀种群将迅速地伦为最弱者。如果栖息地的毁坏率大于集合种群优势种对栖息地的占有率 ,不仅集合种群里的优势种群将不可避免地灭绝 ,伴随最优秀种群走向灭绝的种群依次还有第二、第三、第四强等的种群。同时 ,将导致集合种群的强弱序由自然数的顺序规律演变为偶数种群强 -奇数种群弱。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

集聚效应下的集合种群动力模式

引入种群集聚度和集聚效应的概念,通过建立物种的集聚效应模型,结合经典的Tilman集合种群模式,创建了集聚效应下的集合种群动力模式。通过大量的数值模拟分析栖息地未毁坏下的集合种群演化规律与集聚效应的关系,得到:(1)即使生境没有毁坏,种群的集聚效应也会影响种群的演化。(2)集合种群系统中不同种群对集聚效应反应有异同,相同点是各种群都要经历一段准周期波动才达到平衡态。不同点是不同种群对集聚效应反应的强度不一致,竞争能力越强的种群准周期波动的振幅越大,频率越低。竞争能力越弱的种群准周期波动的振幅越小,频率越高。(3)不同的群落对集聚效应的响应也不一致。优势种群相对明显的群落对集聚效应的响应幅度相对较小。(4)在优势种群明显的群落中,集聚效应对弱物种非常不利,弱物种很有可能由于集聚效应而灭绝。(5)群落或n集合种群里的各种群的集聚效应和建群种(或最优势种)的强弱是决定景观生态序的最为重要的2个因素。(6)每个物种对不同的不适集聚程度的响应不一致。不适集聚程度越大,物种演化波动幅度越大,频率越高。     

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。     

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。     

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.     

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。     

集合种群的理论框架与应用研究进展

集合种群的研究是当今国际生态学的重要前沿与热点。随着全球范围的生境破坏和破碎化,集合种群的研究方法已成为数学生态学、理论生态学和保护生物学的重要手段。由于其迅速的发展,集合种群的概念与理论得到迅速扩展与丰富。为了能总观集合种群进展的全局并开展进一步的工作．首先对集合种群的已有概念、理论和模型做了全面的分析和总结;其次对集合种群的发展和概念进行了探讨,以集合种群模型的中心框架：Levins的斑块占据模型为基础,展开对其它原理、效应和机制的探讨;主要包括了Levins原理．即当生境遭到破坏时,空斑块比例在集合种群灭绝前保持不变,然后还分析了Allee效应(集合种群的Allee效应主要是由于建群困难和扩散损失造成的);第三,分析了援救效应：迁入个体可以降低斑块中现有局域种群的灭绝风险。援救效应会增强集合种群的生存力,使空斑块比例下降。第四,探讨了两竞争集合种群的共存机制,即竞争,侵占妥协,其共存机制为空间生境中物种共存提供了有力的理论解释。最后,对集合种群群落中的灭绝债务进行了讨论。并给出了2种最为主要的集合种群空间模拟方法。     

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.     

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。     

Allee效应对具有生境恢复的集合种群的影响

Allee效应与种群的灭绝密切相关,其研究对生态保护和管理至关重要。Allee效应对物种续存是潜在的干扰因素,濒危物种更容易受其影响,可能会增加生存于生境破碎化斑块的濒危物种的死亡风险,因此研究Allee效应对种群的动态和续存的影响是必要的。从包含由生物有机体对环境的修复产生的Allee效应的集合种群模型出发,引入由其他机制形成的Allee效应,建立了常微分动力系统模型和基于网格模型的元胞自动机模型。通过理论分析和计算机模拟表明:(1)强Allee效应不利于具有生境恢复的集合种群的续存;(2)生境恢复有利于种群续存;(3)局部扩散影响了集合种群的空间结构、动态行为和稳定性,生境斑块之间的局部作用将会减缓或消除集合种群的Allee效应,有利于集合种群的续存。     

生境破碎化对生物多样性的影响

生境破碎化对生物多样性和生态系统功能的影响是当前国内外生态学家研究的热点问题之一。生境破碎化导致原生境的总面积减小,产生隔离的异质种群,从而影响个体行为特性、种群间基因交换、物种间相互作用及生态过程。生境破碎化的过程引起栖息地内部食物、繁殖场所、局部小气候、边缘效应等生物和非生物条件的变化,从而影响植物种群的大小和灭绝速率、扩散和迁入、遗传和变异以及存活力等,影响动物种群的异质种群动态、适宜生境比例、灭绝阈值、种间关系等。随着景观生态学与农业科学的融合,探索利用景观布局控制害虫发生将是人类利用生境破碎化为人类服务的一条新途径。     

基于栖息地恢复对群落不同种群演化影响的模拟

通过建立基于栖息地恢复的多种群演化动力学模式,模拟了不同群落结构的不同物种种群的演化特点。模拟结果发现了两类灭绝机制,揭示了(1)小规模栖息地的恢复对群落中的弱小物种的影响是非常有限的,不会给弱小物种种群带来灭绝风险。大幅度的栖息地增加几乎使所有的物种种群都在最初数百年中内都有出现一定的增加,特别是竞争能力最强的物种,其幅度的增加最为显著,但次最强的物种种群可能会在千年左右灭绝。群落内幸存的种群将经历3个阶段迅速壮大(增加)阶段震荡阶段稳定阶段;(2)存在着协同现象,栖息地减少所导致种群的协同演化规律与栖息地恢复所导致的种群的演化规律两者之间既有共同点,又有不同点。毁坏是一种破坏,大规模的栖息地的恢复对已适应于破坏后新环境的某些物种也可能是一种威胁,这类似于生态入侵的初始阶段。     

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.     

基于竞争和扩散能力的非捕食-被捕食集合种群系统的竞争机制

对于非捕食 被捕食(食饵)生态系统,强弱物种之间存在一定的竞争影响.在不考虑栖息地毁坏的情况下,引进双向竞争机制,将Tilman的单向竞争模式推广为n集合种群双向竞争模型,并对6-集合种群的竞争动态进行了计算机模拟研究.结果表明,在平衡态,种群竞争共存的条件是其竞争能力与扩散能力呈现指数型负相关关系,竞争的结果使物种的强弱序列发生变化;物种竞争排除与共存受迁移扩散能力和竞争能力影响很大,在局域斑块上竞争排斥的集合种群在广域尺度上可以竞争共存,即逃亡共存.