种群生态学.ppt

chapter 5 种群及其基本特征,question time,参考答案：,发达的根系等增加水分摄取。 通过叶形状和叶组织的特化减少水分丢失：针状叶或被有角质层及绒毛，或具扇状的运动细胞使叶片在缺水时卷曲。 具有发达的贮水组织如肉质茎。,沙漠植物适应干旱环境的形态结构特征?,沙生植物根系生长速度极为迅速，比地上部分快的多，且极为发达。,沙漠玫瑰的发达根系与储水结构,沙漠旱生植物茎叶特化,墨西哥沙漠中百合科的马尾棕榈树的基部形成很大的储水结构。,本章节主要内容,种群的概念 种群的特征 种群动态 种群调节,掌握,了解,重点,难点,定义：种群(population) 同一时间内占有一定空间的同种生物个体的集合。,一、种群的概念,同一个物种的个体。,种群概念强调的要点：,南 极 冰 地,在同一时间,占据同一空间。,在2013年的冬天！,同一物种多个体的组合！,比较：与群落(community)概念的比较,answer：,question time,群落：指同一时间内聚集在同一地段上的各物种种群的集合。,种群与群落的区别： 一个是单一物种个体的集合；一个是多物种个体的集合。,判断:,某个森林中所有的蛇是一个种群吗?,空间特征 数量特征 遗传特征 系统特征,自然种群具有四个基本特征：,自然种群具有,二、种群的特征,1、种群的空间特征,种群占有一定的空间,种群具有一定的空间分布型,随机分布,两大方面,聚群分布,均匀分布,种群具有一定的个体数量组成,种群数量受捕食者气候等影响,两大方面,2、种群的数量特征,3、种群的遗传特征,种群具有一定的遗传基因库,种群的基因组成处于变动中,两大方面,4、种群的系统特征,种群是自组织、自调节的系统,从系统角度分析种群数量变化,两大方面,具有社会等级 具有领域边界,三、种群动态,一般的定义 种群动态指种群数量在时间和空间上的变动规律。,种群动态 涉及的内容,种群数量在时间上的变化 种群数量在空间上的变化,野外调查,实验研究,数学模型,掌握资料,模拟研究,验证假说,1、种群动态调查的基本研究方法,指单位空间内某种群的个体数量，是描述种群动态的基本工具。,种群密度,种群的个体数量 空间大小（面积或体积）,2、种群密度种群动态描述的基本工具,+,+,+,种群密度的主要特点,存在阿利氏规律(allees law) 具有特殊的种群密度统计方法 有不同的取样设计方案 影响种群密度的主要因素有内、外因两类,主要特点,指种群密度过疏或过密对种群的生存与发展都是不利的。,阿利氏规律（allees law),每一种生物种群都有自己的的最适密度。,在某些种群增长中，种群小时，存活率最高。,在某些种群增长中，种群密度中等大小时，存活率最高。此种情况，过疏或过密都不利！,种群密度的统计方法,对于某些动物来说，要获得其大面积的种群密度却是一件相当不容易的事情，所以形成了不同的种群密度统计方法。,样 方 法 标志重捕法 间接估计法,主要的种群密度统计方法,样方法,在需测定的陆地或水域随机划出若干一定大小的样方，统计每个样方的全部个体，求出所有样方内个体的平均数。以所有样方的种群密度平均值作为种群的密度。,统计范围大、种群个体较多时，常采用此法。,植物调查中简单的样方划定方法示例,植物调查中简单的样方划定方法示例,植物调查中简单的样方划定方法示例,标志重捕法,设某种群有 n个个体， 其中 x个个体第一次被捕获并被标记，放回原处。 经过一段时间后，估计标记个体与原来未标记的个体混匀， 再捕捉 y 个个体，其中有 z个个体带有标记。,则种群的数量可用 下式进行估算：,n ,野外草地老鼠的标志重捕法,小种群可以用个体标记计算种群大小,标志重捕法的形成原理示例,假设实验调查地点与对象：白马湖内大头鱼（鳙鱼）,实验步骤：,计算：形成比值,第一次捕获的比值,第二次捕获的比值,由于比值对等，则,从而有：n =,3000只,标志重捕法的假设条件,标志重捕法适用于比较稳定的种群。对于调查的种群有以下假定。,假定1：调查种群在调查期间没有迁移现象。,假定2：调查种群在调查期间出生率和死亡率几乎相等或没有出生与死亡。,假定3：标志的个体能充分与原种群混合，而且标志不影响重捕率。,间接估计法,常用于统计动物洞穴、粪便、皮毛收购量等数量间接推算动物总量。,在昆虫方面，常用昆虫的产物如粪便或蜕皮以及昆虫对植物的破坏程度来分析其种群大小。,在鸟类种群数量统计方面，常用鸟鸣声估计种群数量。,取样设计方案,决定因素(内因),直接因素：出生率、死亡率、迁入、迁出,间接因素：年龄组成、性别比例、分布型,影响因素(外因),自然因素：气候、食物、天敌、传染病,人为因素,人工控制种群不断增加,野生动植物种群不断减少,影响种群密度的主要因素,相关生物引起种群密度改变,3、种群空间分布型,定义: 指种群个体在其生活空间的位置状态或分布方式，既个体如何在空间配置的或种群在一定空间的个体扩散分布的一定形式。,三种空间分布型,均匀分布型 随机分布型 集群分布型,空间分布类型,随机分布的个体不受其他个体分布的影响,均匀分布的个体间距离基本一致或相等,集群分布的个体呈疏松不均匀的分布状态,蒲公英随机分布,大象成群分布,石炭酸灌木均匀分布,空间分布类型示意图,企鹅的均匀分布,树木的大多随机分布,鱼类的成群分布,研究空间分布型的现实意义,为抽样设计方案提供基础 选取数据处理方法 有利于研究扩散行为,现实意义,4、初级种群参数,出生率 死亡率 迁 入 迁 出,四个初级种群参数,特点：对种群数量具有直接影响。,种群增长率,（出生率+迁入率）-（死亡率+迁出率）,出生率和死亡率,出生率(通常以表示)：种群中单位数量个体在单位时间内出生的新个体数目。,死亡率(通常以表示)：种群中单位数量个体在单位时间内死亡的个体数。, 迁入 immigratiom 是指个体由别的种群进入领地。,迁入和迁出, 迁出emigration 是指种群内个体离开种群的领地。,迁入和迁出示意图,5、次级种群参数,年龄组成 性别比例 空间分布型 种群增长率,主要次级种群参数,特点： 年龄组成、性别比例和空间分布型对种群数量具有间接影响。,年龄组成,指种群中各年龄期个体所占比例。,幼年(尚无生殖能力) 成年(有生殖能力) 老年(丧失生殖能力),种群中的年龄段一般分为三个阶段,年龄段,年龄组成类型,种群中的年龄组成结构常用年龄锥体来表示,可分为三种类型。,年龄组成类型,增长型 稳定型 衰退型,年龄组成增长型,特点 年龄锥体呈典型的金字塔形状。 种群中幼龄个体数大，老龄个体数少，出生率大于死亡率，种群的个体数将越来越多。,年龄组成稳定型,特点 年龄锥体呈倒钟形。 各年龄期的个体数比例适中。在一定时期内出生的新个体数接近衰老死亡的个体数。种群中个体数目保持相对稳定。,年龄组成衰退型,特点 年龄锥体呈壶形。 是老龄个体数目较多而幼龄个体数目偏少。新出生的个体不能补偿衰老死亡的个体数。种群密度将会越来越小。,指种群中雄性个体和雌性个体所占的比例。一般雌性个体对种群数量变动的贡献远大于雄性。,性别比例,性别比例类型,雌雄相当型 雌多雄少型 雌少雄多型,自然界中生物种群一般有三种性别比例类型。,特点 是雌性和雄性个体数目大体相等。这种类型多见于高等动物。 雌雄相当型对于种群的增长最有利。,性比：雌雄相当型,性比：雌多雄少型,特点 雌性个体显著多于雄性个体。如象海豹和人工控制的生物种群家鸡即是此类型。 雌多雄少型使一部分雌体不能有效地参加繁殖。,性比：雌少雄多型,特点 是雄性个体明显多于雌性个体。这种类型较为罕见。如白蚁等营社会性生活的动物。 雌少雄多型是雌性太少影响了繁殖力。,不同类型的生物种群，其种群增长率有所不同，衡量方式也不同，主要有以下几种类型：,种群增长率,增长率类型,种群的净繁殖率（r0） 几何增长率(周限增长率)() 瞬时增长率(r) 内禀增长率(能力),种群的世代净繁殖率（r0）,指种群中，在一个世代时间内，每个体平均产生的后代数量。,世代净繁殖率（r0）,几何增长率(周限增长率)(),指时间轴上两点间，种群数量的比率，又称几何增长率(geometric rate of increase)。,如上一世代与下一世代间种群数量的比率。,几何增长率(周限增长率)(),指任一短的时间内，出生率与死亡率之差便是瞬时增长率。又称每员瞬时增长率。,瞬时增长率（ r ）,r = 出生率 死亡率 = ln r0/t,注：r0为世代的净增殖率；t为世代时间。,rm是最大的瞬时增长率，为资源不受限制、 环境条件最佳、无天敌等最优组合状态下的种群的最大瞬时增长率。,内禀增长能力(率) rm,特征： 为理想状态下的生理增长率。 在现实状态下，种群很难实现其生理增长率。 环境资源愈枯竭，生物种群的内禀增长率实现的程度愈低。,指某世代起到下一世代止平均所需的时间。这一术语适用于群体、个体和细胞等各级水平。 如卵到卵，种子到种子所需的平均时间。,世代时间(generation time)(t),从细胞水平说，是指由这一次细胞分裂起到下一次细胞分裂开始为止的(一个细胞周期)平均所需时间。,迁入,死亡率,种群密度,出生率,性别比例,年龄组成,迁出,预测变化方向,影响数量变动,6、种群参数特征之间的关系,7、存活率和存活曲线,对于一个特定种群，存活率是衡量种群生存状况的统计指标，通常以存活曲线的形式来表示。,存活曲线表示的是在每一个生活期，存活个体占初始种群总数的比率的对数值，描述了同生群的存活过程。,存活曲线一般有三种基本模式：,存活曲线类型,类型 类型 类型 ,后期死亡率最高,各期死亡率相等,早期死亡率最高,存活曲线,年龄,存活率的对数,三种存活曲线示意图,type (人),type (松鼠),type (树木),种群增长模型是研究种群数量变化内在机制和变化趋势的一种数学模型或公式，一般有两种类型。,指数增长模型 逻辑斯谛增长模型,8、种群增长模型,种群增长模型类型, 无限增长模型指数增长,以内禀增长率增长的种群， 其种群数目将以几何级数式(指数方式)增加。有两种增长类型。,有两种情况,离散增长 连续增长,指数增长类型之一：离散增长模型,在无限的环境资源中增长 种群各个世代不相重叠？ 无迁入和迁出 种群增长与密度无关,四个假设条件,则离散增长种群的增长模式可用差分方程来表示：,其中: 为种群世代净繁殖率,nt = nt-1 = n0 t,lg nt = lg n0 + t lg ,两边取对数,nt = n0 t,初始时的种群个体数量,世代净繁殖率,间隔长度或世代数,时间 t 处的种群个体数,离散增长模型解析,离散增长的差分方程形成原理示例,假设实验研究对象：一年生小麦,实验步骤：,从而有： n1 = n0 ； n2 = n1 = n0 ； ,依此类推有：,nt = nt-1 = n0 t,种 群 数 量,time(y),1,2,3,4,5,6,7,离散增长曲线(为台阶式的j型曲线why?),离散增长特点,种群中各个世代不相重叠 种群增长是不连续的行为 环境资源不受限制,主要为1年生植物和昆虫,曲线为台阶式的 j 型,没有天敌与竞争,总结,在无限的环境资源中增长 种群中具有世代重叠现象? 无迁入和迁出 种群增长与密度无关,四个假设条件,指数增长类型之二：连续增长模型,则连续增长种群的增长模式用微分方程来表示：,t时间的增量 n = dn/dt = r n,其中：r为瞬时增长率,取积分,即为： nt = n0 ert,ndn/dt = r n,nt=n0 ert,种群 变化率,瞬时增长率(每员增长率),种群个体数量,每员增长率,时间 t 处的种群个体数,间隔长度或世代数,初始时的种群个体数量,连续增长模型解析,j型曲线,种 群 数 量,时间,连续增长曲线(为光滑的j型曲线),对数曲线,种 群 数 量,时间,世界人口增长现阶段为连续增长模式, (世代净繁殖率) 与 r (每员增长率)的比较,离散增长和连续增长的比较, 指数增长的特点,增长不受环境资源限制 增长率不受种群密度变化的影响 种群基数愈大，种群增长速度愈快 种群内无竞争，外无捕食者等,小结,环境资源有限，具有k值。 种内存在竞争。 存在捕食者与疾病流行。, 有限增长模型逻辑斯谛增长,逻辑斯谛增长形成的条件,有限增长的前提,= r n,其中：r为每员瞬时增长率 k为环境容纳量, 逻辑斯谛增长可以用逻辑斯谛模型表示：,新增项！,逻辑斯谛数学模型解析,指数增长中的连续增长方程,种群t时间的增量,每员增长率,种群大小,资源受限时的 r 修正比率,假定：,修正项 (1-n/k) 的含义解析,则有：(1-n/k) = 0.85 表示最大环境容纳量中种群尚未利用的剩余空间，而种群随后将以指数增长种群的增长速率的 85% 的速率增长。,剩余的环境容量值,现种群值,环境的最大容量值,绿色区域代表环境最大容量 k=100。,黄色区域代表现在的种群大小 n = 15。,修正项 (1-n/k) 的生态含义,增长率受环境资源的影响 增长率受种内竞争的影响 增长率受捕食者的影响,环境资源愈贫乏，增长率愈低,种内竞争加剧，增长率降低,捕食压力随着种群增大而增大,内涵,逻辑斯谛增长曲线 s型曲线解析,种群数量,时间,环境阻力,生存斗争中被淘汰的个体,s 型曲线,j 型曲线,k,d,e,b,a,c,t,nt,k/2,逻辑斯谛增长曲线的五个时期划分,a 开始期 b 加速期 c 转折期 d 减速期 e 饱和期,影响环境负荷量k值的因素, density-independent factors weather (storms, cold, drought) density-independent diseases (ddt poisoning), density-dependent factors food space (territories, nest cavities) density-dependent epizootics流行病 (rabies狂犬病, sars),种群增长达到k值后，将在k值处波动 种群密度上升，种内竞争加剧 捕食者数量相应变动,增长过程形成“s”型曲线,总结,逻辑斯谛增长特点,逻辑斯谛增长模式示例：海狗(fur seals),阿拉斯加海岸圣保罗岛的海狗(fur seals)种群,“s”型增长的后期波动,环境容纳量k值周围波动,k值,北美驯鹿种群数量超过环境容纳量时急剧下降。,种群j型和s型增长(曲线)比较,四、种群调节,两类种群调节理论,外源性种群调节理论 内源性自动调节理论,目前，解释种群数量变动机制的学说很多，但大致分为两派。,外源性种群调节理论：强调生物体外部因素作用，如气候因素和生物因素等。,非密度制约的气候学派 密度制约的生物学派, 外源性种群调节理论,外源性理论类型,主要有两种类型：,非密度制约的气候学派,种群参数受气候的强烈影响 种群数量的大发生与气候明显有关 强调种群数量的变动，否认稳定性,学说优缺点：,适用于昆虫种群的研究。 不太适用于高等的内温动物 忽略了生物因素等的调节作用,该学说认为,非密度制约的因子火,2011年3月日本9.0级地震已造成1万余人死亡,密度制约的生物学派,竞争在密度增加时对种群调节起决定作用 捕食在密度增加时对种群调节起决定作用 寄生在密度增加时对种群调节起决定作用 有学者强调食物对种群调节有作用,学说优缺点：,适用于种群密度增加时的状况 不太适用于人工培养的微生物早期生长状况,该学说认为,密度制约种群调节例证,种群增长时, 生殖力降低。,种群增长时, 死亡率增加。,加拉帕戈斯群岛地雀的种群数量与食物丰富度的关系（grant and grant, 1980),食物对鸟类种群数量调节的例证,试分析与探讨外源性种群调节理论中两大学派的适用性?,discussion topic,answer:,可能的情况是，在生物种群密度发展到极高水平以前，非生物因素常起主要作用，较为重要。 当生物种群密度发展到极高水平时，生物因素常起主要作用。,内源性自动调节理论：强调动物种群内成员的异质 性，特别是各个体间的相互关系在行为、生理和遗传特性上的反映。主要有三种学说。, 内源性自动调节理论,行为调节学说温-爱德华学说 内分泌学说克里期琴学说 遗传学说奇蒂学说,内源性理论,行为调节温-爱德华学说,动物社群行为,学说优缺点：,仅适用于社会性昆虫与动物的研究 强调资源的有限性,管理空间、繁殖资源等的分配,限制环境中的动物数量,集群的动物有着社会等级鬣lie狗社群,内分泌学说克里斯琴学说,刺激中枢神经系统,影响脑垂体和肾上腺的功能,生殖激素分泌减少,生殖将受到抑制,肾上腺皮