集合种群动态和续存的数学模型及模拟研究

【摘要】： 集合种群理论是近二十多年里发展起来的一种空间生态学理论框架。它可以有效地处理种群的空间结构,利用它可以研究种群的空间动态和生境破坏和破碎对种群长期续存的影响。集合种群理论的兴起和蓬勃发展已经极大地影响和充实了数学生态学和理论生态学,而且为保护生物学提供了重要的技术手段和理论指导。集合种群的本质特征是个体在斑块之间的迁移和生境的异质性。人类活动破坏和破碎曾经连续的自然生境,已经为许许多多其他物种的扩散形成了障碍,危及到它们的自然繁衍。全球性的生境破坏和破碎化已经是人类乃至整个自然界面临的重大问题,有关研究普遍认为生境的破坏和破碎化是物种长期生存、群落关系改变、生物多样性维持的主要威胁因素。尽管已有大量的空间显含模型研究了生境毁坏对物种续存的影响,然而较少对比研究生境毁坏空间异质性对物种续存的影响,很少研究破碎生境中集合种群分布格局的动态。生物竞争是一种重要的生态关系,是推动生物群落乃至生态系统发展变化的一种主要推动力量,在群落的演替、构成、甚至于进化过成中都起了不可或缺的作用。Tilman(1994)提出的多物种竞争的集合种群模型是一个简单而经典的空间模型,该模型假设了层次竞争关系,预测了竞争力不同的无限多个物种可以竞争共存,但没人对打破Tilman多物种竞争集合种群模型的竞争链假设建立集合种群模型进行研究。本论文选题于该领域,借助于数学和计算机手段,抓住集合种群的本质特征是个体在斑块之间的迁移和生境的异质性,充分研究了生物体的迁移对种群动态的影响,基于元胞自动机类模型和关联方程模型,考虑生境的散失、生境斑块之间的连通性降低、生境质量的下降三种生境类型的破坏,对集合种群动态和长期续存的影响;并详细讨论了多物种竞争系统的稳定性,打破了Tilman多物种竞争集合种群模型的竞争链假设,发展了随机竞争的集合种群模型,通过稳定性分析研究了物种共存和竞争的问题。 通过研究,得出的主要结论为:(1)生境的破坏是威胁集合种群续存的主要原因,不但生境斑块的散失对集合种群的续存会产生较深远的影响,而且破坏生境的结构都复杂地影响了集合种群的动态和续存。(2)破坏和未破坏生境斑块的均匀混合不利于集合种群的增长和续存,而生境类型聚集分布可以促进集合种群的快速增长和长期续存,对于两种斑块类型相对均匀混合的生境来说,均匀场假设可能会高估集合种群的续存,对于相对斑块类型高度聚集的生境,均匀场假设可能会低估集合种群的续存。(3)物种的迁移范围也会影响集合种群的续存,迁移范围越大的物种越容易抵御生境的破坏而免遭灭绝。(4)只要竞争能力弱的物种有更强的迁移能力,竞争能力不同的多个物种可以在空间上分离的生境中共存,竞争能力和扩散能力在稳定态下是妥协的,并呈负相关关系。(5)随机竞争模型分析表明,两物种竞争出现双稳态现象,两物种竞争成功与否依赖于种群初始占有状态;随机竞争可能会导致更复杂多样的集合种群动态行为,包括竞争物种不能共存、稳定共存、以及双稳态的情况,同时说明随机竞争在群落组建过程中也可能在本质上起复杂的作用。(6)因生境的破坏可能会诱导物种向着扩散力强的方向进化,所以生物保护中对被保护物种自身的特性研究至关重要(比如物种的迁移和生存能力)。(7)上述结论对于保护生物学有重要的启迪作用,在实际的生物保护中我们不能仅仅考虑生境的恢复和斑块质量的改善,生境结构的构建也是很重要的,加强生境斑块之间的连通性也有利于物种的长期续存;在研究生物群落甚至生态系统时,要注意考虑空间尺度、生活史特征、以及随机竞争,它们可能起了不容忽视的作用。