第6章多样性与稳定性的关系

1、 一 意义 1 多样性与稳定性关系是普遍存在的一种自然关 系。 物理系统：网络结构和系统抗干扰能力关系 机械系统：简单与复杂机械的性能可靠性关系 生命系统：北方相对单调的生物群落和南方复杂的热带雨林 社会系统：相对简单的原始社会向复杂的现代社会的演替 2 统一的多样性与稳定性的理论，不但对生态学， 而且对哲学，社会学都有指导意义。 生态学中意义：资源管理，害虫防治，生物多样性保护， 生态系统管理 Elton (1958)考察生态系统 （1）单猎物-捕食者系统的数学模型没有局部稳定平衡点 （2）实验猎物-捕食者系统发生激烈种群波动并经常迅速导致灭绝。 （3）人工单一栽培作物易于害虫爆发 （4）岛

2、屿生物区系对外来入侵是脆弱的 （5） 北方群落 脆弱且易形成明显波动 复杂热带雨林 较为稳定 MacArthur(1955),提出用营养多样性来描述群落稳定性 A measure of trophic diversity could be used to describe community stability Hutchinson (1959)从进化尺度考虑 稳定群落持续时间长多样性增加 ln n iii i SppPi 群落中总能量通过第 条途径的比例 Margelat (1957,63,68) 从生物利用能量水平的观点 群落越是复杂，个体要求维持能少 意味着 复杂性被系统利用来为稳定性服

3、务 从信息论和热力学角度： 多样性高（种间相互作用机会大，能量流通途径增加） 熵高（无序性增加） 稳定性大 Paine(1966),研究了华盛顿海岸岩石 潮间带无脊椎动物 除去鲨鱼 15个种 8个种 Bivalves 独裁者 Pisasten 鲨鱼 ch Li Bivalves Tbas Ac ba p 三 对假说的抨击 Goodman (1975) 热带雨林 高度稳定是假象，事实上，Smith(1970)的 中美热带研究：哺乳，鸟类，昆虫波动激烈，对认为干扰极敏感。 对线性系统的研究 May,R M (1972)也指出复杂性不一定导致稳定性 Will a large complex syst

4、em be stable? Nature 238 :413-414 稳定性=所有特征根有负实部 设 P(1, n)=probability for each eigenvalue has a negative real part P(1, n)=P(1)*P (2). P (n) P (i)=1/2 for all i=1,2,.n P(1, n)= 1/2n n大， 稳定性低 Levins 通过环分析也得到了类似的结果 Daniel Goodman 1975 The theory of diversity stability relationships in Ecology .The Qua

5、rterly Review of biology vol.50.no.3. In Abstract of this paper: “we conclude that there is no simple relationship between diversity and stability in ecological system” Pimm (1984) 稳定性定义 1 抵抗性 2恢复性 3持久性 4变异性 特点 系统抵抗外界干扰的能力 某一干扰后，系统恢复到初始状态的能力 系统或某些成分的生存时间 系统某些特征波动的频率和幅度 抵抗性和恢复性用来表示生态系统对外界干扰 的响应 持久性和变

6、异性没有涉及生态系统应付外界干 扰的能力，只是表明生态系统内在的特征 稳定性的这四个方面关系比较复杂，一般来说，抵抗性和恢复性呈相反的关 系，即抵抗性高的生态系统，其恢复性低，且持久性高，变异性低；而恢复 性高的系统，在某种情况下，变异性低，而在另外一些情况下，变异性高 （Tuielli 1978) No.of species Ecosystem process(rate) 多样性-稳定性假说 Diversity stability hypothesis 铆钉假说 Rivet hypothesis 多余假说 Redundancy hypothesis . . . . . . . . . . .

7、 . . . . . 特异性假说 Idiosyncratic hypothesis Diversity-stability hypothesis:this hypothesis predicts that ecological communities will increase in energetic efficiency (productivity), and in ability to recover from disturbance, as the number of species in the system increase. Rivet hypothesis: introduce

8、d by Ehrlich and Ehrlich in 1981,this hypothesis likens species in an ecosystem to rivets holding an airplane together the removal of rivets beyond some threshold number may cause the airplane, or the ecosystem,to suddenly and catastrophically collapse. Redundancy hypothesis: advanced by Walker in 1

9、992, the redundancy hypothesis proposed that certain species have some ability to expand their jobsin ecosystem in order to compensate for neighbor species that go extinct. Idiosyncratic hypothesis: Lawton include this mode to address the possibility of a null or indeterminate relationship between s

10、pecies composition and ecosystem function. Weak trophic interactions and the balance of nature by McCann, Alan Hasting & G.R. Huxel Nature 1998 Vol.395 McCann(1998)等的工作非常出色的表明复杂性是怎样影响 生态系统的。 模型加上了非线性项； “吸引子” 代替 “平衡点”，“ 吸引子”使种群 波动减弱，以致减少了种群绝灭的概率； 他们模型的非线性项考虑了很多真实的取食行为，例 如捕食者不能同时对很多猎物维持很高的捕食率，这 个较为实际的

11、假设将防止捕食者驱使某一特定的猎物 种群走向灭绝,； 研究结果表明：物种之间微弱到中等强度的联系对促进群 落持续和稳定起着重要的作用，他们防止种群趋向灭绝。 Polis（1998）高度赞扬了McCann的工作，认为他们建立了一套 “创新性的模型”，表明“复杂性使系统趋向稳定”, “复杂 性对一个自然生态系统的稳定和整体性是至关重要的论点，可 以使生态学家们无可争辩地阐明保持一个多样的物种及其组成 的生态系统，对它健康和可持续发展是多么重要”。 Gary, A. P. 1998, Stability is woven by complex webs. Nature 395: 744-745 “Ecology is a young but maturing discipline.The finding of McCann et al .now put both theoreticians and empiricis