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集合种群时空动态对生态位构建的响应研究

张彦宇  
【摘要】: 集合种群理论是空间生态学研究的重要内容之一,生态位构建是进化生态学研究的最新热点。本论文选题于集合种群理论与生态位构建交叉研究的前沿领域之中,应用微分方程、元胞自动机和耦合映像格子模型,运用数学分析与计算机模拟相结合的手段,对具有生态位构建能力个体在集合种群中的续存和集合种群时空动态对生态位构建的响应两个科学问题进行了具体分析和研究。所得的主要结论如下: 1.离散变化生境上,集合种群中少量具有生态位构建能力局域种群可以入侵的条件为:生态位构建导致的单位侵占率的改变量要大于(总)灭绝率的单位改变量。特别地,当生态位构建不改变局域种群侵占能力时,则只有具有生态位构建能力局域种群的灭绝风险小才能入侵;当生态位构建不改变局域种群灭绝风险时,则只有具有生态位构建能力局域种群的侵占能力大才能入侵。 2.离散变化生境上,集合种群中少量无生态位构建能力局域种群可以入侵的条件为:生境中有足够的可供无生态位构建局域种群侵占的空斑块存在,即经典的Levins原理。 3.连续变化生境上,集合种群中少量具有生态位构建能力局域种群可以入侵的条件为:具有生态位构建能力的局域种群繁殖期望大于无生态位构建能力的局域种群。 4.连续变化生境上,集合种群中少量无生态位构建能力局域种群可以入侵的条件为:无生态位构建能力的局域种群的期望繁殖能力大于具有生态位构建能力的局域种群的繁殖期望。进一步分析可以发现,生态位构建强度越大的集合种群越容易被无生态位构建能力的局域种群入侵。 5.只有具有生态位构建能力局域种群组成的集合种群平衡时的大小,对两种局域种群能否长期稳定共存有着重要的影响。可见由生态位构建导致的生境恢复对集合种群的动态存在至关重要的影响。 6.在多种具有生态位构建能力的集合种群中,生态位构建能力的强弱是各个种续存的关键,并对种的生态序有着显著的影响。 7.集合种群中的偶数种具有相同的续存阈值,即偶数种的续存是“爆发式的”,当构建能力超过共同续存阈值后,续存种数从“0”直接变成“n/2”。而奇数种的续存阈值是随竞争能力减弱而增大的,即奇数种的续存是“逐渐式的”,当构建能力超过每个种的续存阈值后,续存种数每次增加“1”。 8.随着生态位构建系数的增加,奇数种的平衡大小单调增加,偶数种的平衡大小单调减小。在生态位构建系统的变化过程中,集合种群中出现了灭绝数为零的+1、+3、+5、+7和+9级协同演化。该结果从一个新的角度说明,生态位构建能力对集合种群的影响与栖息地破坏的影响具有等价性,只是方向相反。 9.根据生态位构建原理,以Levins模型为基础,我建立了一类更符合生态位构建能力的集合种群动态模型。该模型修正了原有模型中对正、负生态位构建区分不明确的不足。 10.根据本文提出的新模型,我发现系统存在灭绝阈值和稳定阈值。当生态位构建强度小于灭绝阈值时,集合种群将不能长期续存;当生态位构建强度大于稳定阈值时,集合种群将出现混沌动态;当生态位构建强度处于两个阈值之间时,集合种群处于稳定状态,且集合种群大小随强度增加而加大。 11.灭绝阈值和稳定阈值与侵占率分别呈现近似的线性和双曲型关系。 12.通过耦合映像格子模型模拟,我们发现随着生态位构建强度的加大,集合种群依次出现稳定的、二周期、四周期等,直至混沌的空间环形分布。 综上,本文从数学生态学的角度,系统地研究了生态位构建能力在集合种群进化过程中出现、发展及维持的条件,探讨了生态位构建集合种群时空动态的影响,揭示了生态位构建在集合种群进化过程中出现的机理,阐明了生态位构建对集合种群时空动态的影响,在一定意义上丰富和发展了传统的集合种群及生态位构建理论。


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