物种对资源竞争的动力机制及数值模拟研究

【摘要】： 生态学中有关物种竞争的经典理论的研究方法是基于Lotka-Volterra竞争模型的，自20世纪20年代以来在生态学文献中提出了许多物种竞争的模型。在此基础上，于20世纪70年代人们又提出了一种全新的以资源消费为基础的资源竞争理论，当时人们设计了各种不同的消费者-资源模型。之后，资源竞争理论的研究迅速地发展。但早期的资源竞争理论主要是以恒化器模型为基础的。到了20世纪90年代，由于人类不合理的经济活动造成景观格局的破碎化，使得大量的物种栖息于斑块状的环境中，于是生态学的理论中出现了岛屿生物地理学和集合种群的概念。与此相关的资源竞争理论也得到了快速的发展，产生了集合种群物种对资源竞争的数学模型。特别是近几年来，随着计算机技术的广泛应用，资源竞争的空间及数值模拟实验研究开展的如火如荼。尽管如此，由于竞争的复杂性，目前尚无完善的资源竞争理论。在理论研究和实验检验方面还存在明显的不足，比如对多斑块、多物种资源竞争研究得相对较少；空间显含理论研究相对较少；资源的时空异质性对消费者的影响研究得不足；理论模型的实践检验缺乏进一步的研究；人类活动对资源竞争的影响的研究偏少。本文是在前人研究的基础上，通过建立一个具有普适意义的资源竞争模型，来研究不同数量的物种在不同斑块中对资源竞争的动力学机制，通过在不同情形下的分析，我们得到以下几个一般性结论： 1)除了分析和验证了传统的资源竞争理论中的R~*-法则之外，还得出了具有不同R~*值的物种，也存在共存的可能性，甚至是具有高R~*值的物种也可以竞争排斥低R~*值的物种的结论，结论存在不确定性。 2)对多物种竞争单一资源时，若存在非负稳态E~*=(R~*，N_1~*，...，N_n~*)，那么，如果R~*＞R_n~b，则E~*是全局吸引的，这是物种共存的充分必要条件。 3)随着种内竞争的增强，强物种的密度逐渐下降，而弱物种的密度逐渐增加，最后逐渐达到平衡状态，实现多物种的稳定共存。 4)在种群统计率相同的条件下，资源增长率差异越大，越不利于消费者物种的共存；若种群统计率不相同，在资源增长率相同的情况下，物种共存又是不可能的。 5)物种在斑块之间的迁移扩散运动产生了源-汇结构和净的单向流动。这种空间异质性的结构，对物种竞争共存具有促进作用。 6)验证了竞争-扩散妥协(trade-off)理论以及物种的迁移扩散能力与竞争能力的负相关关系。同时得出了另外一个结论，就是竞争能力强的物种，需要强的迁移扩散能力，才能与竞争能力较弱且迁移能力较弱的物种共存。 7)栖息地恢复后，原来奇数的物种对栖息地的占有率都明显增加，成为较强的物种， 而原来偶数的物种对栖息地的占有率下降，成为较弱的物种。物种经历了上升、震荡和稳定的3个进化阶段。