族群与群落生态学课件

1、自然的經濟 20011The applications of Population ecologyIf we are to protect species from anthropogenic extinction, we must understand populations and the processes by which they are regulated.Human also rely on many wild species for food and recreation.We try to control crop pests, weeds, parasites, and d

2、isease agents. 自然的經濟 20012族群成長的類型密度(density)出生率 (natality or birth rate)死亡率 (mortality or death rate)分布(dispersal)擴散(dispersion)年齡分布(age distribution)基因適應度(genetic fitness)，基因持續性(genetic persistence)族群成長率(population growth rate)自然的經濟 20013Dispersion Fig. 4.7 The three possible population dispersion

3、patterns.2自然的經濟 20014族群成長的類型J-shaped growth (exponential growth form)S-shaped growth (sigmoid growth form)自然的經濟 20015圖1. 理論上與實際上的兩種成長曲線。自然的經濟 20016圖1. 理論上與實際上的兩種成長曲線。自然的經濟 20017圖2. Exponential and sigmoid growth plotted on a semilogarithmic graph.Nt=N0ert自然的經濟 20018族群成長率與其密度的關係圖3. 9 曲線1 為成長率隨密度之遞增而下

4、降。曲線2為成長率維持高位直到族群密度極高時才下降。曲線3 為成長率在密度居中時最高。(即Allee type)自然的經濟 20019Box 過猶不及？Allee effect 和人類的生活情境有重大的關係。聚居於城鎮和都市對我們或許是有利的。但是城市擴張得過大，太過擁擠，如此將會有報酬遞減(diminishing returns)的現象。就城市而言，就可能成為污染、噪音、犯罪增加和高稅徵的象徵。自然的經濟 200110圖 An example of economic increasing returns of scale accompanied by decreasing returns o

5、f scale in environmental quality as city size in creases.自然的經濟 200111Other diminishing returns1. Higher transportation costs2. Massive unemployment during economic recessions.3. Higher rate of employee sickness.4. Higher maintenance and service costs that rise faster than population.5. Higher costs

6、of heating and cooling.6. Decline in quality of schools7. Increased crime.自然的經濟 200112Complexity theoryN部機組的相連，就需要有C = N(N-1)/2的連接線。 機組數的增加，其所造成的連接網路的增加，幾乎是以1.5倍的增加。自然的經濟 200113Population irruption or outbreakArctic lemmings 每四年有一次大繁殖。Snowshoe hare 和 Canadian lynx 每隔11年族群密度會同時達到高峰。北美洲的spruce budworm

7、s, bark beetles, tent caterpillars等，每隔10年或10年以上會有一次週期性的大繁殖。自然的經濟 200114K-天擇，r-天擇自然的經濟 200115自然的經濟 200116Carrying capacity承載量：一個地區可以支撐某種生物族群的最高數量或最大生物質量。最大維生密度(maximum or subsistence density)最佳或安全密度(maximum or subsistence density)：這個密度大約是在轉折點(inflection point)至承載量之間。自然的經濟 200117範例：密西西比州的鹿群這些鹿群在沒有掠食的壓

8、力下，族群數目迅速增加，甚至超過承載量(K)。因此造成草原的草量下降。為避免植被的衰敗，研究者就移走一些鹿群，使其族群數量下降。根據長期的研究 (McCullough,1979)，最大的承載量是每平方哩90頭鹿，而最佳承載量為每平方哩50頭鹿。自然的經濟 200118Self-thinning 現象(自我疏伐)自然的經濟 200119Box Erringtons 巨稻鼠於美國相關承載量的最早研究報告是Paul Errington (1946)對生活於愛荷華州淡水草澤的巨稻鼠(muskrates)與鼬(minks)所做的長期研究。有安全洞穴的巨稻鼠，比較不亦受到鼬鼠的掠食。有安全洞穴的巨稻鼠的數

9、量代表安全承載量。這個數量總是小於其食物供應量所能承載的數量(在沒有掠食動物存在)。自然的經濟 200120Box 人的房地產開發 與承載量最佳承載量總是小於最大承載量。但是房地產業者總是傾向於在一個社區內建造過多的房屋，因為重量總比重質，會更容易賺到錢。自然的經濟 200121使用密度(intensity of use)一個社區可享用的人數，和使用密度，兩者呈現相反的關係。當使用密度增高，可享用的人數即會下降，反向亦是。一個地區的任何族群之承載量往往不是固定的常數。自然的經濟 200122能量使用的最佳化Cost-benefit analysis (成本效益分析)成本是確保未來繁殖所需的能量

10、和時間。效益是增加fitness (目前與未來的存活)。存活能量(existence energy)維持生命生活所需的能量。淨能量(net energy)Energy budget analyses自然的經濟 200123獵食與結網蜘蛛蜘蛛是有趣的研究對象。蜘蛛有兩種生活策略：(1) 行動獵食(2) 結網等候自投羅網的獵物。成本的考量。圖4. (A) wolf spider (B) orb weaver spider 自然的經濟 200124空間的利用聚集領域(territoriality)行為領域擁有者 vs. 流浪漢自然的經濟 200125Evolutionarily Stable Str

11、ategyIf the current genotype cannot be replaced by an invading one, it is said to represent the evolutionarily stable strategy (ESS)Natural selection acts to increase the average fitness of a population. 倘若這個平均 fitness 已經達到高峰，任何的改變都會被排斥。自然的經濟 200126圖 A mail bullfrog (left) calls from his territory a

12、nd attracts a female who is entering the pond on the right. In the middle of the picture is a small male who sits silently in the larger males territory as a satellite and attempts to intercept the female on her way to the caller.ESS的範例：caller 和satellite達到平衡。Alternative reproductive strategies自然的經濟

13、200127基因的多樣性(genetic diversity)Heterozygous allelesBalanced polymorphism Endangered (瀕危的)Endangered species Act (瀕危物種法案)經由購買或保有土地使用權，設置保護區維持或創造生態走廊。人工繁殖。自然的經濟 200128The concept of the MetapopulationLevins(1971) introduced the concept of the metapopulation as a collection of subpopulations interconne

14、cted by dispersal (Fig. 5.28)The concept of metapopulations is applicable to nonequilibrium population dynamics because the nature of equilibrium within any habitat patch is irrelevant to the dynamics of the metapopulation.自然的經濟 200129自然的經濟 200130圖 A metapopulation自然的經濟 200131森林邊的雜草自然的經濟 200132Envir

15、onmental applicationHuman Demographic history自然的經濟 200133圖5. 未來人口成長的預測。自然的經濟 200134Exponential growthExponential population growthNt = N0ertNt 族群數量於 t 時間N0族群數量於 開始的時間r 是 exponential growth rate自然的經濟 200135倍增時間(doubling time)Nt = N0ertNt/N0= 2 = ertloge 2 = rtt = loge 2/rt = 0.6931/r自然的經濟 200136Fig.

16、5B.2 The demographic transition. 自然的經濟 200137圖 5-12. 由高出生和死亡率與低生產力經人口變遷至低出生和死亡率與高生產力的社會。修改自 Frederiksen (1969) 的報告。 自然的經濟 200138圖 5-13. 人口變遷的失敗結果。修改自 Frederiksen (1969) 的報告。 自然的經濟 200139St. Mathew和Easter兩個島嶼的歷史教訓St. Mathew小島(白令海峽)：1944年有29隻馴鹿引進。隨後20年，鹿群暴增為6,000隻。因為超過當地植被對此鹿群的承載量，而於1963-1964年的大雪期間，鹿群

17、顯著的衰減，只剩數隻母鹿。島嶼(復活島)：1600年前，人類登陸此島，猶如人間天堂，氣候溫和，森林茂密。然而因為人口的增加，自然資源耗減，因而分裂互鬥。今日只剩下光禿的禾草地，和位於海岸邊的石頭雕像。自然的經濟 200140埃及：馬爾薩斯預測的縮影Thomas Malthus (英國的牧師)，於1798年發表人口論。他預測人口數之增加會比糧食供應更快速。埃及範例：1900-1990年間，可耕地從550萬增加到750萬英畝，但人口從一千萬增加到五千萬。平均每人的可耕地從0.5英畝縮減到0.1英畝。自然的經濟 200141 古埃及文明的發展結果結果：如此農耕長達五千年，直到 Aswan High

18、Dam於1970年完成後才結束。人口慢慢增加，食物不足，人口壓力六千年來，人口增加為 131倍，但耕地只增加為2.4倍。BC 4,000 每個人平均 500 M2 耕地AD 1,980 每個人平均 9 M2 耕地自然的經濟 200142快速成長型緩慢成長型零成長型Fig. 15.5 population age structures自然的經濟 200143兩物種間的互動Competition - -Predation + -Parasitism - +Commensalism + 0Cooperation (mutualism) + + 自然的經濟 200144自然的經濟 200145圖7.

19、(A)兩種麵包蟲。自然的經濟 200146圖7. (B) 兩種殼盜蟲。自然的經濟 200147圖7. 兩種車軸草。(共存)自然的經濟 200148Fig. 21-1 (a) Increase in population of two species of Paramecium when grown in separate cultures.(b) when grown together.(Gause 1934)自然的經濟 200149The logistic equation dNi/dt = riNi (1-Ni/Ki)dNi/dt = riNi (1-Ni/Ki - aijNj/Ki) (

20、21-3)dNj/dt = rjNj (1-Nj/Kj - ajiNi/Kj) (21-4)at equilibrium(Ki - Ni - aijNj) / Ki = 0(Kj - Nj - ajiNi) / Kj = 0自然的經濟 200150Fig. 21-4 (b) Ki - Ni - aijNj = 0(c) Kj - Nj - ajiNi = 0二元一次方程式Ni 和 Nj 自然的經濟 200151Fig. 21-5 Graphic representation f the equilibrium conditions for two species of which specie

21、s i is the better competitor.自然的經濟 200152Fig. 21-6 The course of competition between two populations.自然的經濟 200153Fig. 21-7 (a) conditions for the stable coexistence of two competing species. (b) outcome of competition between two species that are both more strongly limited by interspecific competiti

22、on than by intraspecific competition. The populations tend to diverge from the equilibrium point.自然的經濟 200154請應用Lotka-Volterra model 預測兩種相互競爭的族群, 其間競爭的最後結果。假設甲族群對乙族群的競爭系數是; 乙族群對甲族群的競爭系數是; 甲族群的族群數量是1; 而其承載量是1; 乙族群的族群數量是2; 而其承載量是2。起初時, 甲族群數量是50, 乙族群有90。請按下列(4與5題)的數值, 寫出甲乙族群最後的數量(1, 2)。同時必要寫出其相關的計算過程，才

23、可得分。公式如下(參考用)： dN1/dt = r1N1 (k1 - N1 - N2)/K1 ， dN2/dt = r2N2 (k2 - N2 - N1)/K2 。自然的經濟 200155計算出其結果(1) 若 =1.2 =0.8 1 =200 2 =200, (2) 若 =0.8 =1.2 1 =160 2 =250, (3) 若 =1.4 =1.4 1 =260 2 =260, 期末考題範例自然的經濟 200156Fig. 22-25 The phenomenon of character displacement.自然的經濟 200157Fig. 22-26 Proportions of individuals with breaks of different sizes in populations of ground finches on several of the Galapagos islands.自然的經濟 200158掠食與獵物掠食者改善獵物族群的生活品質。掠食的對象通常是獵物族群中的較差的個體。如此可以增進族群的適應力。減少獵物的族群數量，可以減輕獵物對環境資源的耗用。但不完全是如此。特別是人類的掠食壓力，往往會是過大，而造成獵物滅絕。自然的經濟 200159草食作用植物型態上的防衛：針狀，刺，纖毛化學的防衛：有毒的化學物質。草食動物與