Как рассчитывается численность популяции

Численность и рост популяции: факторы регуляции численности популяции

Содержание:

Численность популяций любого вида в природе не остаётся неизменной. Колебания численности в первую очередь связаны с пищей, убежищами, местами для размножения. Неограниченному росту численности популяции препятствует нехватка ресурсов для существования на любой территории. Отклонения показателей численности от оптимального (среднего) уровня вызывают многие факторы окружающей среды. Возвращение к среднему показателю в биологии называется регуляцией.

Популяции

Для характеристики популяции используются такие показатели, как численность (общее число организмов данного вида в местообитании), рождаемость, смертность. Один из основных параметров — плотность или количество особей на единицу поверхности (в единице объёма).

Важны и другие показатели:

При изучении конкретной популяции обращают внимание на её численность и плотность. Пример: численность волков может быть ограничивающим фактором для зайцев. Волк питается травоядными животными, а при высокой численности хищников им требуется больше корма. Численность популяции зайцев может сильно сократиться. И наоборот, сокращение численности хищников ведёт к увеличению численности популяции жертв — размножению грызунов, распространению среди них инфекционных заболеваний.

При чрезмерном увеличении численности и плотности популяции возрастает сила давления, оказываемая на среду обитания и другие живые организмы. При сокращении численности существует опасность исчезновения данного вида, сокращения биоразнообразия. Кроме того, экологическую нишу исчезающего вида может занять более агрессивный.

Если условия оптимальные для популяции, то численность организмов данного вида увеличивается с максимальной скоростью. Так происходит при обилии пищи, отсутствии врагов и перенаселении самой популяции. Примеры таких изменений: «цветение» воды в стоячих водоёмах из-за усиленного размножения водорослей, вспышки размножения саранчи.

Неоднородность популяции — это фактор благоприятный для выживания. Наоборот, внутри- и межвидовая конкуренция в условиях нехватки ресурсов приводят к замедлению роста популяций. В какой-то момент времени численность достигает уровня, когда рождаемость равна смертности. Такое состояние называется равновесной плотностью популяции.

Как регулируется численность популяции

В природе никогда не происходит неограниченный рост численности. Действуют лимитирующие факторы, поэтому виды не размножаются бесконечно. Суммарные потребности особей одного вида в определённом ресурсе могут превышать его количество в экосистеме. Организмы начинают конкурировать за ресурс, а те, что его недополучают, слабеют, перестают размножаться либо гибнут.

Рассмотрим факторы, влияющие на численность популяций: не зависящие и зависящие от её плотности. Не зависящими от плотности считаются такие факторы, на действие которых не влияет изначальная численность и плотность популяции. К этой группе относятся сильные морозы, засухи, ураганы, наводнения. Число погибших и выживших особей в результате природной стихии не зависит от первоначальной численности и плотности популяции.

Разберём задание: «Какой абиотический фактор среды вызывает миграцию птиц?»

Перелёты пернатых связаны не с одним фактором, а с природным механизмом регуляции сезонных изменений в жизни птиц. Уменьшается количество корма, его становится недостаточно для всех особей, усиливаются внутри- и межвидовая конкуренции. Сигналом к началу миграции является изменение длины дня, что приводит к гормональным изменениям в организме перелётных птиц.

Факторы, зависящие от плотности, сильнее влияют на популяцию по мере роста её численности и увеличения плотности. К этой группе относятся биотические факторы — внутри- и межвидовые. Чем выше плотность особей, тем сильнее действуют эти факторы.

Зависят от плотности:

Действие этих факторов повышается по мере увеличения плотности, что препятствует в дальнейшем неблагоприятному росту численности популяции. Наблюдается отрицательная зависимость или обратная связь.

Источник

Расчёт численности популяции и её динамики

Определение средней и экологической плотности популяции.

Задание: Рассчитайте среднюю, экологическую и хозяйственно-допустимую плотность популяции бобров, выразив их в экз./га.

Дано: Популяция бобров из 500 животных обитает в пойме реки площадью 20000 га. Однако, места обитания бобров в пойме составляют лишь 10 % от ее площади. Однако, при такой плотности бобры будут наносить ущерб лесным запасам. Поэтому устанавливают хозяйственно допустимую плотность – до 100 особей на 1000 га и не позволяют ей подниматься выше.

Расчёт численности популяции и её динамики.

Численность популяции – это общее число особей в популяции. Она складывается под действием ряда факторов – рождаемости, смертности, перемещения особей. Формула для расчета численности организмов в популяции имеет следующий вид:

N_t – число особей популяции в начальный момент времени t;

B – число особей, родившихся за время t;

D – число особей, погибших за время t;

C – число особей, пришедших в популяцию за время t;

E – число особей, ушедших за время t.

Задание: На основании имеющихся данных определите, как будет меняться плотность популяции дикого голубя в течении ближайших пять лет. При проведении расчетов заполните таблицу 6 и сделайте выводы об изменении численности популяции дикого голубя.

Дано: Оценка численности популяции дикого голубя, обитающего в дендрологическом парке КубГАУ, в 2013 году показала, что она составляет 400 особей. Соотношение полов в популяции приблизительно равное (1:1). За период размножения (у дикого голубя – один раз в году) из одной кладки яиц в среднем выживает 1,5 птенца. Смертность голубя в течении жизни примерно постоянна. За год погибает в среднем 30 % особей. Ежегодно популяция пополняется 20 новыми птицами из других районов города, а 30 птиц улетает.

Таблица 6 – Изменения численности популяции дикого голубя.

3. Рождаемость – способность популяции увеличивать свою численность в единицу времени за счет появления новых особей в результате размножения. Она характеризует частоту появления новых особей в популяции. Одни популяции размножаются один раз в год (например, единовременный нерест в популяциях судака и тарани), другие – несколько раз в год. Так, ласточки и воробьи откладывают в период размножения 2-3 кладки яиц. Некоторые популяции размножаются практически постоянно. Например, популяции многих бактерий.

Некоторые виды, например, тихоокеанские лососи, насекомые подёнки размножаются всего раз жизни. После размножения они гибнут. Такие организмы называются моноцикличными. Организмы, способные размножаться несколько раз в жизни (а их большинство), носят название полициклических.

Различают физиологическую и экологическую (или реализованную) рождаемость.

Физиологическая рождаемость – это теоретически возможная максимальная скорость образования новых особей в популяции. Существует правило максимальной рождаемости: в любой популяции имеется тенденция к образованию теоретически максимально возможного числа новых особей. Но реализоваться это правило может только в идеальных условиях, когда полностью отсутствует негативное влияние факторов среды. Если бы на популяцию не действовала среда, то за счет интенсивного размножения они бы достигали огромной численности и биомассы. Например, потомство одного одуванчика могло бы покрыть сплошным слоем всю планету примерно за 10 лет. Но это произошло бы только в том случае, если бы прорастали все семена, а взрослые растения не гибли от выедания, болезней и действия неблагоприятных факторов среды.

Поэтому в природных популяциях реализуется не физиологическая, а экологическая рождаемость – увеличение числа особей в популяции за счет рождения в конкретных экологических условиях. Она зависит от влияния среды, полового, возрастного состава популяции, численности и др. факторов, поэтому отличается в разных популяциях одного вида.

Например, популяция речного окуня озера Карасун состоит из 1000 самок. Теоретически каждая из них может выметать 1000 икринок. Если из всей икры выклюнутся личинки, то физиологическая рождаемость составит: 100х1000 икринок = 100000 икринок. Но в реальности самки выметали в среднем не по 1000 икринок каждая, а по 800, т.е. всего 100х800 = 80000. Кроме того, из этих икринок выклюнулась только часть мальков, например, 50%. А остальные икринки были съедены. Таким образом, из отложенной икры выклюнулось 40000 личинок. Это экологическая рождаемость. Если мы сравним экологическую и физиологическую рождаемость, то увидим, что первая будет в данном случае составлять 40 % от физиологической.

4. Смертность – количество особей популяции, погибших за определённый период. Она зависит от разных факторов среды (температура, количество осадков, количество корма, инфекционные заболевания и пр.), возраста организмов, состояния популяции.

Как и в случае с рождаемостью, различают смертность физиологическую и экологическую (или реализованную)

Физиологическая (или минимальная смертность) отражает гибель особей популяции в идеальных условиях. Она определяется генетически и является общей величиной для всех популяций одного вида.

Экологическая смертность отражает гибель особей популяции в конкретных условиях среды. Она всегда выше физиологической. Экологическая смертность в разных популяциях одного вида будет различаться в зависимости от условий среды и состояния самой популяции.

Экологическая смертность возрастает при усилении влияния неблагоприятных факторов среды. Несколько последних сотен лет серьёзный вклад в снижение численности популяции вносит человек. Вырубка лесов, разрушение естественных биоценозов для целей сельского хозяйства и строительства, применение ядохимикатов, промысел – только некоторые из видов человеческой деятельности, увеличивающие смертность популяции.

Если мы построим в осях координат графики, где по оси «х» отложим возраст организма, а по оси «у» – количество выживших особей на 1000 организмов, то получим графики (кривые) выживания. Они бывают трех основных типов (рис. 4):

Рисунок 4. Кривые выживания видов.

1. Выпуклая кривая, когда почти все организмы доживают до предельного возраста, а затем в течении короткого периода погибают (крупные млекопитающие, человек).

2. Линия, близкая к прямой – смертность примерно одинакова на всех стадиях жизненного цикла. Встречается в природе у низкоорганизованных форм жизни (бактерий, простейших).

3. Вогнутая кривая, когда повышенная смертность наблюдается на ранних стадиях развития. Характерна для большинства видов. Например, у растений – в фазе всхода и прорастания семян, у рыб – на стадии икры, у насекомых – на личиночной стадии.

Источник

Биология. 10 класс

*§ 37—1. Популяция — структурная единица вида. Статические свойства популяций

Популяция — структурная единица существования вида

Каждый вид заселяет ареал не просто как скопление особей, а в виде относительно обособленных групп. Формирование этих групп является следствием разнообразия абиотических факторов и наличия различных преград (реки, горы) в пределах ареала. Такие группы особей, неравноценные по ряду признаков и населяющие разные по условиям участки ареала, были названы популяциями. Термин «популяция» ввел в экологию датский биолог В. Иогансен в 1903 г.

Популяция (от лат. populus — народ, население) — относительно изолированная и способная к саморегуляции группа особей одного вида, длительно обитающих на общей территории, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.

Каждая популяция живет в конкретной части ареала и приспособлена к существованию в определенных экологических условиях. Благодаря этому вид может занимать довольно обширный и неоднородный по условиям ареал. Чем более неоднородный по условиям и рельефу ареал, тем больше популяций включает вид. Таким образом, вид в пределах ареала существует за счет разнообразия популяций.

Популяция — это форма существования вида в пространстве с относительно однородными условиями обитания. Например, вид Окунь обыкновенный в крупных водоемах представлен двумя популяциями — придонной и прибрежной. Их пространственная разобщенность проявляется в обитании на разных глубинах водоема с разными пищевыми ресурсами. Благодаря данным популяциям окунь обыкновенный способен заселять весь водоем.

Как биологическая система, популяция имеет свои собственные признаки (групповые признаки). Но поскольку она состоит из особей одного вида, то ей присущи и признаки особей (биологические признаки), характеризующие жизненный цикл. Любая популяция, как и отдельно взятая особь, в природе существует ограниченное время. Этот интервал времени можно назвать жизненным циклом популяции, поскольку на его протяжении у популяции наблюдаются признаки, аналогичные признакам особей в течение их жизненного цикла. В определенный момент времени в определенной среде появляется группа особей одного вида (рождение популяции). Затем численность особей увеличиваются (рост популяции), происходит изменение половой и возрастной структуры (развитие популяции). В популяции происходит процесс размножения особей (самовоспроизведение). Она способна поддерживать существование в постоянно изменяющихся внешних условиях (адаптация). Численность популяции никогда не остается постоянной. В определенные промежутки времени численность популяции может возрастать или снижаться. Иногда снижение численности может привести к исчезновению популяции (гибель популяции).

Однако признаки популяции, характерные для нее, как и для отдельной особи (биологические признаки), не позволяют получить полное представление о популяции как о самостоятельной биологической системе — группе особей одного вида. Для управления численностью популяций промысловых, хозяйственно-ценных, редких или других видов необходимо знать их групповые характеристики. Лишь в этом случае возможно прогнозирование изменения состояния популяций при воздействии на них человека или факторов среды.

Разнообразие групповых характеристик (признаков) популяции можно показать с помощью схемы.

Как видно из схемы, групповые характеристики разделяют на свойства и структуру. Именно их изучение позволяет человеку прогнозировать будущее популяции и правильно с ней взаимодействовать. Свойства популяции по возможности их определения разделяют на статические и динамические. Статические свойства можно определить в любой момент времени. К ним относятся численность и плотность. Для определения динамических свойств требуется интервал времени. К ним относятся рождаемость, смертность и рост численности. Рассмотрим характеристику статических свойств популяции.

Источник

Лекция 11 – Динамические показатели популяции.

Численность популяции = Численность в начальный момент времени + (рождающие особи + иммиграция) – (гибнущие особи + эмиграция).

Скорость изменения численности = (рождаемость + скорость иммиграции) – (смертность + скорость эмиграции).

Аналогично, формула для смертности:

1. Скорость изменения численности популяции.

Скорость изменения численности популяции можно определить путем деления величины изменения количества особей на период времени, за который оно произошло.

Средние скорости изменения популяций принято выражать в виде

· Экологическая, или реализуемая, рождаемость обозначает увеличение популяции при фактических, или специфических, условиях среды. Она зависит от состава, размера популяции и фактических условий среды.

Рождаемость обычно выражают:

· в виде скорости, определяемой путем деления числа вновь образовавшихся особей за определенный промежуток времени ( dNn / dt) — абсолютная рождаемость)

· числом новых особей в единицу времени на единицу популяции (специфическая, удельная рождаемость).

где DN_n – прирост численности, N – размер популяции или только части, способной к размножению (число особей в начальный момент времени).

Удельная рождаемость необходима для сравнения популяций с разной численностью.

Несмотря на трудности при практическом определении этого показателя, он представляет интерес по следующим причинам.

1. Максимальная рождаемость служит критерием для сопоставления с реальной рождаемостью. Например, показатель рождаемости в популяции птиц 4 птенца в год будет иметь реальный смысл, если известен верхний предел, до которого она могла бы увеличиваться в менее лимитирующих условиях.

Максимальная рождаемость как характеристика популяции ценна тем, что с ней, как с константой, можно сравнивать различные наблюдаемые величины рождаемости.

Следует отметить, что понятие «максимальная рождаемость» относится к популяции, а не к изолированным особям.

За меру рождаемости следует принимать среднюю, а не индивидуальную наибольшую или наименьшую репродукционную способность.

Наиболее корректно определение максимальной рождаемости не только при отсутствии лимитирующих физических факторов, но и при оптимальных размерах популяции.

При сравнении рождаемости в популяциях разных видов возникают трудности, связанные с несопоставимостью жизненных циклов.

Поэтому при изучении рождаемости необходимо учитывать цикл развития организмов, особенно когда сравниваются различные популяции. В этом случае необходимо быть уверенным, что сравнение вообще возможно.

Этот показатель характеризует гибель особей популяций за определенный период времени. Так же, как и в случае с рождаемостью, смертность можно выразить числом особей, погибших за определенный период.

· специфическую смертность — число смертей по отношению к числу особей, составляющих популяцию.

· экологическую или реализуемую, смертность — гибель особей в конкретных условиях среды (величина непостоянная, изменяется в зависимости от состояния природной среды и состояния популяции).

Смертность выражают числом особей, погибших за определенное время, выраженным в процентах от начальной численности популяции.

Как и в случае с рождаемостью, необходимо принять минимальную смертность за теоретическую константу.

Существует некая минимальная величина, характеризующая гибель особей в идеальных условиях, когда на популяцию не воздействуют лимитирующие факторы. В этих условиях максимальная продолжительность жизни особей равна их физиологической жизни, которая в среднем выше экологической продолжительности жизни.

В природе средняя продолжительность жизни особей намного меньше, чем потенциальная, и фактическая величина смертности выше минимальной.

Смертность, как и рождаемость, особенно у высших организмов, сильно варьируется с возрастом, поэтому при изучении смертности организмов популяцию целесообразно разделить на возрастные группы.

Целостное представление о смертности в популяциях дают таблицы выживания (один из методов статистического анализа популяций), в которых приводится возрастная структура по продолжительности жизни особей.

Различают следующие типы таблиц выживания:

1. Когортные (динамические). Прослеживается история существования только одной когорты особей (от момента появления до гибели всех ее особей). При этом когортой мы называем группу особей родившихся в течение определенного промежутка времени. Часто применяется для изучения популяций однолетних организмов (насекомых).

2. Статические таблицы выживания. Вместо наблюдения за отдельной когортой ведут наблюдение за возрастной группой. При этом расчитывается смертность во всех возрастных группах.

Сложность построения таких таблиц заключается в невозможности реконструкции численности особей разных возрастных групп, с момента их рождения.

Они могут содержать следующие графы:

· возраст (временные промежутки, стадии развития (для личинок));

· число особей доживших до начала возрастного интервала, n_x;

· число особей, погибших в каждом возрастном интервале (x) – (x+1), d_x;

· смертность в течение интервала x, q_x;

n₀ – число особей начального возраста.

Таблица выживания усоногого ракообразного Balanus grandula (по Connell, 1970)

Таблица выживания популяции рисового долгоносика

Зная показатели удельной рождаемости (m_x) по таблице выживания можно определить

· чистую скорость размножения (воспроизводства), что составляет число потомков на каждую самку для всей популяции.

(в данном примере = 77,5 особей)

В стабильных условиях в природе величина R приблизительно = 1.

Если построить график зависимости l_x от Х, то получим

· кривую выживания (по числу доживших до данного возраста организмов популяции).

Выделяют три типа кривых выживания:

4. Типы кривых роста популяции

Каждый вид стремится размножаться бесконечно (если его не сдерживают факторы среды).

Если среда не оказывает ограничивающего влияния, то специфическая скорость роста популяции для данных микроклиматических условий постоянна и максимальна.

В таких благоприятных условиях скорость роста характерна для некоторой возрастной структуры популяции и служит единственным показателем наследственно обусловленной способности популяции к росту.

Экспоненциальный закон роста численности популяций был впервые установлен Мальтусом. Экспоненциальный рост характерен:

2) при заселении новых местообитаний;

3) для интродуцированных видов в благоприятных условиях.

· При определении стационарного и стабильного распределения возрастов специфическую скорость роста называют показателем потенциального роста популяции (r_max).

· Часто этот показатель называют биотическим, или репродуктивным, потенциалом (термин введен Р. Чепменом в 1928 г.).

· Разность между биотическим потенциалом и фактической скоростью роста считают мерой сопротивления среды, которая характеризует сумму всех лимитирующих факторов, препятствующих реализации биотического потенциала.

Общая скорость роста популяции в отсутствие лимитирующего влияния среды зависит от возрастного состава и вклада в репродукцию различных возрастных групп. Следовательно, вид может характеризоваться величинами r в зависимости от структуры популяции.

Предположим, что популяция растет экспоненциально в течение времени равного длительности одного поколения (T). Тогда согласно уравнению кривой роста популяции мы получим:

Однако, N_T/N₀, не что иное как отношение численности особей в двух следующих друг за другом поколениях, то есть R₀ (смотри выше).

Таким образом, R₀= e rT . Из данного уравнения мы можем получить величину (r), как специфическую скорость роста популяции:

T – длительность поколения, которая определяется как промежуток между последовательными сменами генераций (от яйца до яйца).

· Смысл этой функции состоит в том, что через некоторое время рост численности замедляется. Она имеет вид S-образной кривой. Впервые была предложена как модель роста населения бельгийским исследователем Фэрхюльстом в 1938 г.

· В основе данной модели лежит предположение о линейном снижении скорости роста при увеличении численности. При этом скорость роста становится равной 0 при достижении некоторой максимальной численности.

При логистической (S-образной) кривой роста популяции вначале увеличение численности идет очень медленно, затем быстрее, но потом под влиянием факторов сопротивления среды рост популяции постепенно замедляется.

Это замедление, обусловливаемо сопротивлением среды, становится все более выраженным и в конечном итоге достигает определенной величины. Затем начинае поддерживаться более или менее устойчивое равновесие. Такой тип роста может быть выражен уравнением Ферхюльста-Пирла:

где К — константа, обозначающая верхний предел увеличения численности популяции, называемая верхней асимптотой для S-образно кривой.

Это выражение представляет показатель, характеризующий сопротивление среды, создаваемое вследствие роста популяции, которая по мере приближения к пределу уменьшает скорость потенциальной репродукции.

Это уравнение отражает закон:скорость увеличения популяции равна максимально возможной скорости роста популяции, умноженной на степень реализации максимальной скорости.

Характерная форма S-образной кривой обусловлена постепенным усилением действия неблагоприятных факторов по мере увеличения плотности популяции.

В простом, или идеальном, случае усиление действия неблагоприятных факторов в зависимости от плотности популяции является линейным и его можно записать следующим образом:

r — скорость роста популяции или показатель потенциального роста,

N— величина популяции,

К— максимально возможная величина популяции;

а — константа интегрирования, определяющая положение кривой относительно начала координат,

Величина К называется предельной допустимой нагрузкой на среду, или емкостью среды для данной популяции.

Следует отметить, что для описания изменений численности популяции существует много математических уравнений, решение которых можно представить графически в виде S-образных кривых. Это справедливо почти для любого уравнения, в котором увеличение отрицательных факторов находится в какой-либо зависимости от плотности популяции.

Выбор математической модели определяется задачами исследований и адекватностью модели для каждого определенного случая.

5. Кривые роста популяций. Представление о емкости местообитания.

В зависимости от характера роста численности популяций выделяют различные типы их роста. По форме кривых, построенных на арифметической шкале, можно выделить два основных типа роста, описываемых J-образной и S-образной кривыми. Эти два типа кривых могут модифицироваться различным образом (рис. 1).

Рис. 1. Кривые роста численности популяции (по Ю. Одуму, 1875)

В₂ — при достижении К-уровня наблюдаются небольшие отклонена от него;

Источник