种群的数量特征

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种群特征种群密度年龄结构增长曲线

种群的数量特征

一张图理清密度调查、年龄组成与增长曲线的内在关联

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种群特征种群密度年龄结构增长曲线

种群的数量特征

一张图理清密度调查、年龄组成与增长曲线的内在关联

1第 1 页 · 种群的数量特征

种群密度(population den

上页我们梳理了种群有几个统计维度——出生率、死亡率、年龄结构……所有这些维度, 归根结底都要落到一个最基础的问题上: 这片空间里, 究竟有多少个个体? 这就是种群密度。

定义
单位面积或体积内的个体数, 是种群最基本、应用最广的数量特征。
调查方法有边界
样方法用于植物和弱活动动物; 标志重捕法用于强活动动物, 标记须不影响其行为与存活。
由四个分量决定
密度随时间变化, 不是固定值; 它等于出生与迁入之和减去死亡与迁出之和。
典型应用
濒危物种保护评估、农林业合理密植、传染病传播模型, 都以密度为核心参数。
水产养殖的放苗密度对应 →野外种群密度

放得太稀浪费水体, 过密则病害频发; 野外种群同样在'资源收益'与'拥挤代价'间动态平衡。

ΔN=(B+I)(D+E),D=NS\Delta N = (B + I) - (D + E), \quad D = \dfrac{N}{S}
2第 2 页 · 种群密度(population den

样方法估算种群密度

样方法估算种群密度:定义、要点与典型应用

样方法估算种群密度
样方法估算种群密度:定义、要点与典型应用
3第 3 页 · 样方法估算种群密度

种群数量特征

上节用样方法估了密度——这只回答"现在有多少"。要把"动没动、往哪动"讲清楚,得把出生率、死亡率、迁入率、迁出率、年龄组成、性别比例这几把尺子的定义、关系与边界逐一拆开。

出生率与死亡率
单位时间内新出生(或死亡)个体数占种群总数的比率,是直接改变种群数量的两个基本率
迁入率与迁出率
单位时间内迁入或迁出个体数占总数的比率;只在边界不封闭的开放种群中需要考虑
年龄组成
各年龄段个体比例,分增长型、稳定型、衰退型;不直接改变当下密度,但能预测未来
性别比例
雌雄个体数之比;通过影响潜在出生率间接作用于未来密度,对当下无即时影响
一家公司的人员数据对应 →种群数量特征

密度=总人数、出生死亡=入职离职率、迁入迁出=调入调出率、年龄组成=梯队分布、性别比例=男女比例

r=bdr = b - d
4第 4 页 · 种群数量特征

标记重捕法估算种群密度

上一页的样方法对植物或固定不动的动物很顺手,但田鼠会钻洞、飞鸟会远走——它们会跑,怎么估密度?这就要请出标记重捕法。

适用对象
活动能力强、活动范围大的动物,如田鼠、鱼类、鸟类
基本流程
随机捕获并标记 M 个 → 释放回原群体 → 重捕 n 个,统计其中标记数 m
核心公式
N = M × n ÷ m,依据「标记比例在种群中不变」反推总数
前提假设
标记不改变行为/生存;标记不脱落;期间无出生、死亡、迁入、迁出
典型应用
田鼠种群监测、鸟类环志、鱼类资源评估
黑箱里摸球估总数对应 →标记重捕法

先抓一把做记号扔回去,再抓时看带记号的比例,反推箱里总数

N=M×nmN = \dfrac{M \times n}{m}
5第 5 页 · 标记重捕法估算种群密度

出生率(birth rate)

一个城市去年新生了 1.2 万个宝宝,全市常住人口 1000 万——把「新出生个体数」摊到现有人头上,就是出生率在做的事。

定义
单位时间内新出生个体数与种群总规模的比值,反映种群繁衍能力
≠增长率
出生率只是「加项」;增长率还含死亡率与迁入迁出,不可混为一谈
与死亡率配对
自然增长率 ≈ 出生率 − 死亡率;迁入迁出为零时才贴近实际增长率
影响因素
年龄结构(育龄比例)、性比、繁殖策略、食物与气候等
典型应用
人口预测模型、濒危物种繁育决策、渔业捕捞限额制定
银行年利率对应 →出生率

利息对应新生个体,本金对应现有个体——都是单位存量单位时间的新增量

出生率=新出生个体数种群数量×时间×100%\text{出生率} = \frac{\text{新出生个体数}}{\text{种群数量} \times \text{时间}} \times 100\%
6第 6 页 · 出生率(birth rate)

随机取样

标记重捕法能成立,有个隐藏前提:取样本身得是'随机'的。如果你只在池塘边设网,深水区的鱼永远进不了样本,密度就被高估了。随机取样,就是把这种'偏'给掐灭在源头。

等概率原则
种群中每个个体被抽到的机会完全相同,不看位置、年龄、性别
消除主观偏差
凭'机会'而非研究者偏好选样,避免只挑容易抓的、显眼的
独立性
一个个体是否被抽中,不改变其他个体被抽中的概率
典型应用
样方法中随机选样方、标记重捕法中随机选样地
现实局限
野外难做到绝对随机,常用五点取样、等距取样等折中方案
摇号中签对应 →随机取样

不管何时登记、什么身份,号码摇到谁就是谁——样本才代表整体

7第 7 页 · 随机取样

死亡率(death rate)

上一页讲到出生率,它刻画种群「新成员加入」的速度。与之相对,决定种群「成员减少」速度的指标,就是死亡率。

定义
单位时间内种群中死亡个体数占总个体数的比例
与出生率对照
出生率>死亡率,种群增长;反之则下降;二者相等时种群数量稳定
两种死亡率
生理死亡率指达生理寿命才死;生态死亡率指因环境、天敌等提前死亡
影响因素
年龄结构、食物资源、气候、种群密度、天敌与传染病等
水池的进水管和出水管对应 →出生率与死亡率

进水是出生,出水是死亡,水位升降由两者之差决定

死亡率=单位时间内死亡个体数该种群个体总数×100%死亡率 = \frac{单位时间内死亡个体数}{该种群个体总数} \times 100\%
8第 8 页 · 死亡率(death rate)

利用红外触发相机监测种群

前面讲的标记重捕法要抓动物、放标记、再抓——但对珍稀、隐蔽的物种行不通。有没有不打扰动物的办法?有,红外触发相机。

红外触发相机
野外布设的自动拍摄设备,靠红外热感应触发快门
工作原理
动物体温发出红外辐射,经过感应区即触发相机自动拍摄
监测对象
适合夜行性、隐蔽性、珍稀野生动物,如虎、豹、雪豹
核心优点
非侵入式监测,不干扰动物自然行为,可昼夜连续工作
应用边界
只记录经过的个体,不能直接换算为种群密度
感应水龙头对应 →红外触发相机

手伸过去自动出水,动物经过自动拍照,都是「来了就响应」

9第 9 页 · 利用红外触发相机监测种群

迁入率(immigration rate

出生率管'生',死亡率管'死',但种群不是封闭系统——外面总会有个体搬进来。这'搬进来的速度',就是迁入率。它和出生率一起,构成种群数量向上的两条路径。

定义
单位时间内迁入个体数占种群总数的比例,常用百分数表示
与出生率的区别
出生率来自内部繁殖,迁入率来自外部个体进入;都让密度上升,机制不同
对密度的影响
直接推高种群密度,是种群数量增长的途径之一
调查时的盲点
只数本地个体会低估真实种群密度,迁入个体常被漏算
城市外来人口迁入对应 →种群迁入率

每年从外地搬进城市的人数占总人口的比例;本地出生不算迁入,对应出生率

迁入率=单位时间内迁入个体数种群个体总数×100%\text{迁入率} = \frac{\text{单位时间内迁入个体数}}{\text{种群个体总数}} \times 100\%
10第 10 页 · 迁入率(immigration rate

基于DNA分子标记的个体识

上一页的红外相机只能分辨斑纹鲜明的个体,可对雪豹、江豚这类'长相雷同'又行踪隐秘的动物就束手无策。能不能不抓它、只凭一根毛发就把它认出来?

DNA分子标记
微卫星(STR)、SNP等基因组中高度多态的短序列,不同个体可携带不同等位基因
非损伤取样
收集毛发、粪便、脱落羽毛等即可提取DNA,无需捕获或接触活体
个体识别原理
多个独立位点的基因型组合全局唯一,相当于每个个体的基因'身份证'
分子版标记重捕
首次出现某位点组合为'首次捕获',再出现相同组合即'重捕',套回经典重捕公式
典型应用场景
雪豹、藏羚、江豚等行踪隐秘、夜行或独居物种的种群数量估计
身份证号对应 →多位点基因型组合

身份证是18位数字的组合,基因型是若干STR位点的等位基因组合——都是难伪造的全局唯一码

11第 11 页 · 基于DNA分子标记的个体识

迁出率(emigration rate

有了迁入率作为'进口',那'出口'呢?种群里的个体决定离开,同样会改写种群的数量与结构——这就是迁出率。

迁出率定义
单位时间内离开种群的个体数占种群总个体数的比例
四大直接因素
与出生率、死亡率、迁入率并列为决定种群数量变动的直接因素
净迁移率
迁入率减迁出率为净迁移率,决定种群是净增还是净减
影响种群结构
选择性迁出会改变年龄结构、性别比例等种群内部组成
监测难度大
个体离开范围后难以追踪,需借助标记重捕、红外相机、DNA识别等
水库出水流量对应 →种群迁出率

进水(迁入)和出水(迁出)同时存在,只看一面会误判水位(种群数量)变化

12第 12 页 · 迁出率(emigration rate

基于声音的个体识别监测

前两页我们用'看'(红外相机)和'验基因'(DNA)来识别个体,可有些动物夜里活动、躲得远,难拍也难取样。但它们会'说话'——而且每个个体的声音都独一无二。

声音指纹原理
每个个体有独特声学特征——频率、音型、时长等,构成专属'声纹'
适用物种
适合有发声行为的类群:鸟类、鲸豚类、蝙蝠、蛙类、长臂猿等
数据采集
野外布设自动录音机(声学记录仪),长时间持续采集声音
识别流程
用算法与已建声音库比对,可识别物种,部分能定位到个体
方法优势
非侵入、不打扰动物、可昼夜工作、覆盖范围大,适合隐蔽夜行物种
听声音认出电话那头的老友对应 →基于声音的个体识别

人有独特嗓音,动物个体也类似;录音仪如不停倾听的耳朵,算法如'对暗号'

13第 13 页 · 基于声音的个体识别监测

年龄结构(age structure

出生率和死亡率告诉我们种群的'现在',但要预判未来几年的数量走向,还得看一张'人口金字塔'——这就是年龄结构。

定义
种群内幼体、成年、老年各年龄组个体的比例构成
增长型
幼年个体占比大,老年少——种群数量将上升
稳定型
各年龄组比例接近——种群数量长期稳定
衰退型
幼年少、老龄多——种群数量将下降
预测边界
实际预测需结合环境波动,结构仅是参考
公司员工年龄构成对应 →种群的年龄结构

年轻员工多=增长型,全是老员工=衰退型,结构预示未来走向

14第 14 页 · 年龄结构(age structure

性别比例(性比,sex rati

性别比例(性比,sex ratio):定义、要点与典型应用

性别比例(性比,sex rati
性别比例(性比,sex ratio):定义、要点与典型应用
15第 15 页 · 性别比例(性比,sex rati

本节要点

  • 估算密度的关键在「匹配」——按生物活动能力选方法
  • 出生、死亡、迁入、迁出四项共同决定种群增减方向
  • 年龄结构预测未来,性别比例决定当下生育潜力
  • 现代监测技术殊途同归,核心都在解决个体识别
  • 随机取样是所有密度估算共同的统计根基
延伸主题:种群增长的J型与S型曲线环境容纳量与密度制约调节生命表与种群存活曲线
16第 16 页 · 本节要点

课后思考

先遮住参考答案,给自己两分钟认真想——三道题对应三种深度。

1种群密度是种群最基本的数量特征,为什么仅靠它无法预测种群数量的变化趋势?

参考答案密度只是某一时刻的'快照'。真正驱动种群数量变动的是出生率、死亡率、迁入率和迁出率的综合作用,密度本身是结果而非原因。

2若要预测某濒危物种未来十年的种群动态,应优先调查哪些数量特征?说明依据。

参考答案重点查三项:年龄结构(判断增长/稳定/衰退)、出生率与死亡率(算增长率)、性别比例(影响繁殖潜力)。多维度才能建立动态模型。

3标记重捕法中,若标记物使被标记个体更易被捕食,估算的种群密度会偏大还是偏小?

参考答案偏大。标记个体被吃掉→重捕样本中标记比例 m 偏低→代入 N=M·n/m 时分母变小→N 变大。这种'标记损失'是方法的边界。

17第 17 页 · 课后思考