集合种群理论及其应用

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集合种群理论是空间生态学的重要组成内容,是研究破碎化景观中物种种群动态的一个有力工具,在种群生态学和保护生态学中起着非常重要的作用,已广泛应用于种群动态和生物多样性保护等方面的研究和实践。 本文系统地介绍了集合种群理论,并将其应用到河北省大海陀国家级自然保护区内的两种濒危网蛱蝶:金堇蛱蝶(Euphydryasaurinia)和大网蛱蝶(Melitaeaphoebe),开展了对这两种共存网蛱蝶的集合种群动态、存活能力和结构的系列研究。全文由三部分组成。 第一部分由第一章组成,对集合种群理论作了一个总体介绍,阐述了集合种群理论的起源、定义及常用术语,介绍了它的理论体系发展历程和主要成果,指出了它在生态学中的定位、作用和前景,并简要介绍了如何开展集合种群野外调查研究以及集合种群理论的一些应用案例。 第二部分由第二章组成,主要介绍了集合种群数学模型的发展过程,对常见的集合种群模型进行了总结和回顾。按对栖息地斑块网络空间结构的处理方式,集合种群数学模型可分为三类:空间隐含模型,空间明确模型和空间现实模型。本章指出了这三种模型各自的优缺点、适用范围和局限性,并简介了各类型中有代表性的模型及其应用。 第三部分由第三章到第七章组成,是本文的主要内容。在这部分中,集合种群理论被应用到两种濒危网蛱蝶:金堇蛱蝶和大网蛱蝶,这两种网蛱蝶生存在同一个栖息地网络中,且具有相似的生活史,但生物学调查表明它们具有不同的集合种群动态和结构。本部分针对这两种网蛱蝶集合种群建立数学模型,对其集合种群动态、存活力和结构以及相关影响因素开展一系列研究。 局域种群的灭绝和再殖是集合种群的两个基本过程,灭绝率主要由斑块自身资源和物种生物特性等决定,而再殖率取决于物种迁移能力和斑块所处空间位置。迁移所导致的局域种群再殖是集合种群得以续存的一个关键因素,为探讨迁移所起的作用有多大,本文通过比较各局域种群在彼此孤立存在(无迁移)和以集合种群形式存在(有迁移)两种状态下的种群动态和存活能力,定量地刻画了迁移给物种动态和续存所带来的影响。为此,需进行一系列的工作。 首先,第三章建立了4个相互关联的随机模型,分别描述了网蛱蝶各局域种群在彼此孤立时卵、幼虫、蛹和成虫的发育过程,据此给出了斑块质量与其上局域种群续存能力之间的对应关系。 随后,第四章在第三章所评估出的局域种群灭绝率的基础上,加入迁移活动所导致的斑块间的再殖过程,建立了一个马尔可夫链集合种群模型。通过对比有迁移和没有迁移两种情况下的种群动态和续存能力,定义了迁移收益这个数量化指标用来表征迁移对种群动态、续存能力和结构的影响。 由于马尔可夫链模型不适于用来研究具有很多斑块的大型集合种群,而且忽略了局域种群内部的动态,因此第五章建立了基于个体的仿真模型,采用蒙特卡罗方法模拟每个个体的发育、迁移、繁殖等随机行为。第六章将该模型应用于网蛱蝶种群,探讨了两种网蛱蝶的不同集合种群动态特征、存活能力和种群结构。第七章继续采用该模型讨论了斑块质量异质性、空间异质性、栖息地的继续丧失对集合种群动态的影响,以及集合种群对环境干扰的反应速度。 通过对网蛱蝶的这一系列的研究,弄清了斑块质量、空间布局以及迁移是如何,以及在多大程度上影响着种群的动态和续存能力,关于网蛱蝶集合种群的主要结论是:金堇蛱蝶集合种群可以续存较长时间,而大网蛱蝶集合种群面临着较大的灭绝风险;金堇蛱蝶具有经典集合种群结构,而大网蛱蝶具有源-汇集合种群结构;斑块质量异质性对网蛱蝶有显著的影响,而空间异质性的影响不明显;两种网蛱蝶对环境干扰的反映速度基本相同,对斑块质量10%的改变和丧失某斑块的反应时间分别为10年和3年左右。
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