理论生态学简介资料
生态系统理论
生态系统理论生态系统理论2011年08月02日星期二11： 16生态系统理论是社会工作的重要基础理论之一，它是由生态和系统两个理论结合产生的。
一、生态理论生态学(Ecology)，最早是由德国生物学家于1869年定义的：生态学是研究生物体与其周围环境(包括非生物环境和生物环境)相互关系的科学。
研究对象为：生物与其环境之间的相互关系。
有自己的研究对象和方法。
它们的研究方法经过描述一实验一物质定量三个过程。
生态学的发展大致可分为萌芽期、形成期和发展期三个阶段。
萌芽期(亚里士多德的公元前4世纪到14世纪)：古人在长期的农牧渔猎生产中积累了朴素的生态学知识。
代表人物：公元前4世纪学者亚里士多德、亚里士多德的学生、公元前三世纪的雅典学派首领赛奥夫拉斯图斯、古罗马公元1世纪老普林尼的《》、6 世纪中国农学家贾思勰的《》。
形成期大约从15世纪到20世纪40年代。
15世纪以后，许多科学家通过科学考察积累了不少宏观生态学资料。
19世纪，由于农牧业的发展促使人们开展了环境因子对作物和家畜生理影响的实验研究，促使了生态学进一步发展。
19世纪初叶，现代生态学的轮廓开始出现。
发展期20世纪50年代以来，生态学吸收了数学、物理、化学工程技术科学的研究成果，向精确定量方向前进并形成了自己的理论体系。
由于世界上的生态系统大都受人类活动的影响，社会经济生产系统与生态系统相互交织，实际形成了庞大的复合系统。
有关生态组织：国际联合会(IUBS)制定了〃国际生物计划〃(IBP)，对陆地和水域生物群系进行生态学研究；联合国教科文组织设立了人与生物圈(MAB)国际组织，制定〃人与生物圈〃规划，组织各参加国开展森林、草原。
海洋、湖泊等生态系统与人类活动关系以及农业、城市、污染等有关的科学研究。
为了寻找解决自然资源、人口、粮食和环境等一系列影响社会生产和生活问题的许多国家都设立了生态学和的研究机构。
生态学的发展趋势是：由定性研究趋向定量研究，由静态描述趋向动态分析；逐渐向多层次的综合研究发展；与其他某些学科的交叉研究日益显著。
理论生态学 考点
生活史或生活周期：生物(动物、植物、微生物)在一生中所经历的生长、发育和繁殖等的全部过程。
任务：在个体水平上比较各物种的生活史特征，揭示其相似性和分异性，进而联系其栖息地环境探讨其适应性，联系物种的分类地位探讨其在生存竞争中的意义。
主要研究内容：1、生活史性状（如寿命、成熟年龄与大小、生殖分配）的进化；2、权衡现象，如生长-维持-修复、后代数量-大小、现时-未来繁殖；3、性状进化（变化）与适合度的关系，适合度及其测度，性状优化与个体环境。
被子植物的生活史：两个基本阶段：二倍体阶段（2N从合子开始，至形成胚囊母细胞和花粉母细胞为止）和单倍体阶段（N有性世代从胚囊母细胞和花粉母细胞减数分裂形成单核胚囊和单核花粉粒开始，至7 细胞(3反细胞、1极核有两个细胞核、3卵细胞)胚囊和 3 细胞花粉粒或花粉管止）。
世代交替:二倍体和单倍体有规律地交替出现表型优化模型——优化指标：不考虑密度制约效应时，种群增长速率：连续增长种群用瞬时增长速率（r），离散增长种群用周限增长率（λ），λ＝e-r或者r=lnλ；考虑密度制约作用时（或个体数量恒定的种群），用净生殖率(R0，有机体一生中期望的后代数)。
表型优化模型——基本前提：适应性是生命有机体普遍的性质，且可由自然选择过程加以解释;适应性作为优化理论的基本出发点，不考虑生物进化不产生适应性的可能，优化理论只是帮助人们理解适应性产生的选择力量。
表型优化模型——基本假定:适应性进化存在一个优化指标，最优的生活史对策（行为、结构、代谢等）应该使这个指标达到最大值（优化）;自然界不存在绝对意义上的最优表型，因为可用于维持、生长、繁殖的资源是有限的，个体必须在这些相互冲突的资源需求中寻求最优的资源分配方案。
表型优化模型——约束条件(对策集）:有可能的、受自然选择作用的表型;优化模型都包括关于研究对象的约束条件、优化指标及遗传方式等方面的假定。
生活史理论关于约束条件的重要思想就是“权衡”或“不可兼顾”（trade-off），或称为“负偶联”，包括三个层次：生理负偶联：直接竞争有机体内有限资源的两个（或以上)生理过程之间的分配权衡。
理论生态学的最新研究成果
理论生态学的最新研究成果近年来，随着人们生活方式的改变和环境变化的加剧，生态环境问题越来越成为全球所关注的焦点。
而理论生态学作为研究生态系统的相关理论和方法，其最新的研究成果也引起了广泛关注。
一、生态系统多样性研究的新进展生态系统多样性是指生态系统内不同种类生物和多种生物之间的相互关系。
有研究表明，生态系统多样性的丧失会对社会、经济和生态系统产生广泛的不良影响。
因此，多年来对生态系统多样性进行研究已经成为基础生态学的核心内容之一。
近年来，研究者们在生态系统多样性研究方面取得了许多新的进展。
其中最重要的发现是，生态系统的多样性可能存在更加复杂和微妙的关联。
这些关联可能通过环境中的物质、能量和信息流动维持和调节。
二、共生理论研究的新发现共生是指两个或多个生物种之间的关系，其中这些生物种彼此从中获益。
共生现象十分普遍，虽然已经被大量研究，但对其基本过程、机理和应用等方面的解释仍然存在巨大困难。
最近，一些研究者使用系统生物学的方法来研究共生理论。
通过收集大量的生物数据和应用机器学习的算法，他们能够探讨共生现象之间的相互关系。
这些研究表明，共生现象的发生和维持通常需要复杂的分子交互和基因表达网络。
三、生态系统健康与可持续发展研究的新成果生态系统健康和可持续发展是全球共同关心的议题。
在生态学领域，生态系统的健康和可持续发展涉及到多个方面，包括环境质量、经济利益、社会文化和政治管理等等。
为了推动实现生态系统的可持续发展，一些研究者开展了一些重要的探索工作，例如运用生态学理论系统研究生态系统稳定性、提高环境管理和监测水平、探究跨尺度空间生态系统模拟方法等等。
这些研究为实现生态系统的可持续发展制定了优化方案和提供了理论支持。
四、生态风险与安全研究的新进展随着全球化和人类活动范围的扩大，生态风险和安全已经成为公共卫生和环境政策的核心问题。
在此领域的研究方向中，环境荧光技术及其应用、新型侵入物种及其对生态系统影响、生境质量监测和管理等都是目前关注的问题。
理论生态学的基本概念与方法
理论生态学的基本概念与方法理论生态学是一门研究生态系统的基本理论和方法的学科，它旨在揭示生态系统的本质、结构和功能，并探索人类与生态系统的关系。
本文将介绍理论生态学的基本概念和方法。
一、基本概念1.1 生态系统生态系统是一种由生物和非生物组成的自然系统，包括物种之间和它们与环境之间的相互作用和循环过程。
生态系统包括不同的生态层，如生态圈、生物群落、种群和个体等，这些生态层之间相互作用，形成完整的生态系统。
1.2 生态位生态位是一个物种在生态系统中的角色和地位，包括它所占据的空间、所食的食物、其它物种与之的相互作用等因素。
每个物种所占据的生态位不同，可以通过竞争、协作等方式进一步演化。
1.3 生态网络生态网络是一个由多个物种相互作用和影响形成的复杂网络结构，可以通过生态位、生态层次等方式来理解。
在生态网络中，每个物种都与其它物种直接或间接相关，相互作用和影响形成一个相互依存的生态系统。
二、基本方法2.1 系统思考理论生态学是一门系统科学，它关注生态系统的综合性和复杂性。
系统思考是一种重要的方法论，可以帮助我们理解生态系统中各种相互作用和关系，并提出生态环境保护的策略和方法。
2.2 程序模型程序模型是一种重要的理论工具，它可以模拟生态系统的复杂动态过程，探究其演化规律和变化趋势。
程序模型可以基于生态学基础理论和实验数据，包括传统的差分方程模型、动态系统模型及代理模型等。
2.3 统计分析统计分析是一种广泛使用的方法，可以通过对生态数据进行分析和解释，揭示生态系统状况和变化趋势。
统计分析通常包括描述性统计、假设检验、回归分析等方法，可以帮助我们理解生态数据的变化规律和趋势，进一步构建理论模型。
2.4 跨学科研究理论生态学旨在综合多个学科的知识和方法，对生态系统进行综合性研究。
跨学科研究是一种重要的方法，可以通过与生物学、地理学、气候学等学科的交叉合作，揭示生态系统的综合性和多样性。
三、总结理论生态学是一门综合性的学科，基于生态学的基本概念和方法，着眼于生态系统的动态演化和复杂性，旨在深入探究人类与生态系统的关系和相互依存性。
生态学的基础理论和应用
生态学的基础理论和应用生态学是一门研究生物和环境之间相互作用的科学，它涉及到很多不同的方面。
生态学的基础理论包括能量流、营养循环、群落生态学以及生态系统生态学等，而这些理论则可以应用于环保、自然资源管理等领域。
能量流是生态学最基本的理论之一，它描述了生态系统中的能量如何从太阳转移到生物体中，并以不同方式流动。
生物可以利用光合作用将太阳能转化为化学能，进而转化为食物链、食物网和生态网中的其他生物的能量，这一过程被称为“生态承载力”。
能量流理论告诉我们能源在生态系统中的重要性，这也是环保和可持续发展的基石。
营养循环理论则描述了植物和动物如何利用营养素来生长和繁殖。
这个理论可以帮助我们了解植物和动物如何形成不同的生态系统，以及如何支配和调节生态系统中物种的数量和分布。
对于land use planning 和资源管理等环保措施也是非常有帮助的。
群落生态学研究不同种类生物体组成的群体如何互相作用。
这种互相作用主要涉及到竞争、互惠、捕食、仿效和共生等关系。
群落生态学理论帮助我们更好地理解自然中存在的复杂关系，有助于制定更好的监际末学和环保措施。
生态系统生态学则研究如何按照能量流和营养循环理论管理和管理不同种类生物体。
这个理论可以用来进行环保和可持续发展管理，包括废物管理、环境管理和气候变化管理等等。
在环保领域中，生态学理论的应用非常广泛，它们可以解决不同问题，例如气候变化、生物多样性丧失、水和土壤污染等。
我们可以通过对生态学理论的理解和应用，来保护自然环境并确保社会的健康和平衡发展。
总之，生态学的基础理论和其应用可以在环保中发挥重要作用，它不仅可以帮助我们实现可持续发展，更可以使我们更好地了解和利用自然资源。
第二章 理论生态学基础
本章结束！
第二章 理论生态学基础
• 2.1 生态恢复概述 • 恢复restoration：
是指受损状态恢复到未被损害前的完 善状态的行为，是完全意义上的恢复，包 括“完美”和“健康”的含义。
恢复restoration
• 修复rehabilitation：把一个事物恢复到先前 的状态的行为，主要指退化状态的改良， 包括完美状态。Replace a degraded ecosystem with another productive type using a few or many species
2.10生物多样性在生态恢复中的作用
在恢复项目的管理过程中
首先要考虑ห้องสมุดไป่ตู้物控制 A、对极度退化的生态系统，主要是抚育和管理， B、对中度退化的生态系统和部分恢复的生态系统
则要加强病虫害控制 然后考虑建立共生关系及生态系统演替过程中物种替 代问题
在恢复项目评估过程中
可与自然生态系统相对照，从遗传、物种和生态系统 水平进行评估，最好是同时考虑景观层次的问题
生态系统的结构理论
– 物种结构、时空结构、营养结构 – 合理生态系统结构
• 从时空结构角度，应充分利用光、热、水、土资源， 提高光能利用率
• 从营养结构角度，应实现生物物质和能量的多级利用 与转化，形成一个高效的，无“废物”的系统。
• 从物种结构上，提倡物种多样性，以利于系统的稳定 和持续发展。
2.2 生态恢复的理论基础
– 火烧迹地-杂草-桦树期-山杨期-云杉期（需几十 年）。
– 弃耕地-杂草期-优势草期-灌木期-乔木期。 – 群落演替可通过人为手段调控，改变演替速度
或演替方向。
水杨
杞木
云杉
生态学应用理论知识点总结
生态学应用理论知识点总结生态系统是指在一定空间范围内，包括生物和非生物因素相互作用维持其稳定的自然系统。
生态系统的组成要素包括生物要素和非生物要素。
生态系统的结构包括两个方面：生物成分、非生物成分。
生态学应用理论中的生态系统知识点包括但不限于：1. 生物成分(1) 生物多样性：生态系统中包括的不同种类的生物，包括物种多样性、基因多样性和生态系统多样性。
(2) 养分循环：生态系统中的养分包括碳、氮、磷、硫等，它们通过生物过程和生物非生物相互作用不断循环。
2. 非生物成分(1) 水、土壤、空气：生态系统中的非生物成分对生态系统的稳定和健康至关重要。
(2) 物理因子：如温度、湿度、光照等，对生态系统的生物成分和非生物成分起着重要的调节作用。
生态系统知识点不仅包含了生态系统的结构，还包括了生态系统的功能，如能量流动、物质循环等。
同时，生态系统的稳定性和动力学也是生态学应用理论中所关注的重要知识点。
生态系统的稳定性是指系统在受到外界干扰后仍能维持其结构和功能的能力。
生态系统的动力学是指系统在长期演变过程中所呈现出来的结构、功能和动态变化。
物种是生态系统的重要组成部分，物种的多样性、分布、演化和维持都是生态学应用理论中所关注的知识点。
物种多样性是指生态系统中不同物种的丰富度和种类的多样性，是生态系统稳定性的重要指标。
物种分布和演化是指物种在地理空间和时间尺度上的分布和演化规律。
物种维持是指物种在生态系统中维持自身数量和多样性的机制和过程。
群落是指在一定空间范围内，由各种不同物种组成的生态系统。
群落的结构、功能和相互作用是生态学应用理论中的重要知识点。
群落的结构包括物种组成、竞争关系、捕食关系和共生关系等。
群落的功能包括光合作用、有机物质分解和无机物质循环等。
群落的相互作用是指物种与物种之间、物种与环境之间的相互作用。
生态学方法是生态学研究的方法和技术。
生态学方法包括实地调查、实验研究、数学模型以及现代技术手段等。
理论生态学
1、什么是理论生态学？1.1 人们对理论生态学的理解理论生态学主要涉及生态学的过程、生态关系的推理以及生态学模型。
对理论生态学可有两种理解：①与应用生态学相对应的理论生态学，这种理解实际上指的是生态学基础理论；②与描述和定性生态学相对应，即把生态学从一般定性描述提高到如物理学一样，可进行精确的定量分析并进行预测的科学。
后一种是May（1976，1981）所著的《理论生态学》的观点。
1.2 理论生态学的实质A．模式的探讨：【（过程→模式）→假说←模型】作为一门科学，生态学研究的是自然界中生物在分布、多度和动态等方面所表现出来的模式（或称规律、现象）（MacArthur 1972）。
模式（pattern）即意味着可重复的一致性（repeated consistency）。
生态学研究这些自然模式是怎样出现的，它们又怎样在时间和空间上发生改变。
由于自然界的极端复杂性，从大量的观察数据中识别模式经常是生态学家所面临的非常困难的挑战。
在这个过程中，人们往往需要借助数学和统计学方面的知识。
识别模式是极为重要的，但我们不能仅停留在对模式的描述上。
我们需要理解这些自然模式是怎样产生的，或者说，是哪些生物学和生态学过程导致了我们所观察到的模式（即内在机理问题），这是理论研究的最终目的。
Tilman（1989）提出，我们应该首先研究那些具有广泛一般性的模式。
这不仅仅是由于这样的模式最明显、重复性最好，而且还由于它们提供了一个框架，使得相对特殊一些的模式能够在这个框架内得到更有效地研究。
确定哪些内在过程可以导致观察到的模式（假说形成）是摆在理论生态学家面前的首要任务。
即使最热衷的经验工作者也必然是某种意义上的理论工作者，因为生态系统中生物与生物和生物与环境之间的相互作用不可能都被研究，必须有所取舍。
选择哪些并忽略哪些就代表着在头脑中对模式起因已形成了假说。
然而，我们必须强调，证明哪一个特定机理（或称过程）在理论上可以导致观察到的模式并不意味着该过程确实是这些模式产生的真正原因。
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理论
观
模式
察
pattern
过程
实
process
验
图1.1 科学研究的三个基本途径。
发 现 模 式
基础代谢率与体重的3/4幂指数关系，为什么？
根据传统解释而得出的幂指数为 2/3，而不是 观察到的 ¾
In 1883, German physiologist Max Rubner proposed that an animal's metabolic rate is proportional to its mass raised to the 2/3 power. This idea was rooted in simple geometry. If one animal is, say, twice as big as another animal in each linear dimension, then its total volume, or mass, is 23 times as large, but its skin surface is only 22 times as large. Since an animal must dissipate metabolic heat through its skin, Rubner reasoned that its metabolic rate should be proportional to its skin surface, which works out to mass to the 2/3 power.
生态学中有定律吗？
恐怕大 多数人 的回答 都是： No！
生态学中有定律吗？
如果生态学没有定律，也不可能有定律（因为生态学 的研究对象太复杂了），那么生态学将有别于其他成 熟科学。大家公认物理学是所有科学中最成功的，其 中一个主要原因就是由于物理学定律发挥了不可替代 的重要作用！
如果生态学（生物学）没有定律，这就意味着生态学 不可能成为象物理学那样的一门“硬”科学! 甚至更 极端地我们可以问：生态学还是科学吗？
4个主要层次－个体、种群、 群落、和生态系统
群落水平上：探讨群落（出现在某一特定地区的 不同种群的混合体）的组成和结构，如物种多样 性、演替等
生态系统水平上：研究生态系统（生物群落与非 生物环境的结合）内的各种过程，例如能流、物 流、食物网等。
模式与过程：科学的基本内涵
作为一门科学，生态学研究的是自然界中生物 在分布、多度和动态等方面所表现出来的模式 （pattern; 或称为规律、现象）。
罂粟和矢车菊之间的竞争
资源竞争在自然界非常普遍
对生长空 间的竞争
2、种群生态学
• 种间相互作用 － 竞争(-,-)
干扰性竞争为一个个体以行为上的直接对抗影响另 一个个体。这种为争夺、保持空间的直接对抗行为 是竞争的一种主动形式，是为了在资源（食物、配 偶等）竞争中获胜而在进化过程中形成的。亦包括 植物之间的化学他感作用。
2、种群生态学
• 种群动态
控制种群增长的四个基本过程：出生、死亡、迁入、 迁出。如果迁入和迁出大体相等，那么只需考虑出生 率和死亡率即可。
dN 1 B D r dt N
dN 1 r1 N dt N K
马尔萨斯方程
逻辑斯谛方程
2、种群生态学
N 马尔萨斯 增长曲线
代谢生态学理论的兴起！（WBE 1997, 1999）
发 现 模 式
群落内物种相对多度曲线基本上都是S型，为什么？
传统的生态位理论无能为力！ 中性生态学理论的兴起！（Hubbell 2001）
Stephen P. Hubbell (b. 1942)
理论生态学的作用
• 假说形成：确定哪些过程可以导致观察到的模
否定派代表人物：John Lawton；Daniel Simberloff
生态学中有定律吗？
关于生态学定律，存在以下三个误解： 1、定律不能有例外 2、定律必须做出精确预测（或者用信奉波普尔 哲学的人的话来说，定律应该能被证伪） 3、定律不能仅仅阐述规律（模式），还得包括 机理（过程） 推荐阅读材料：Colyvan M. & L. R. Ginzburg. 2003.
r-对策、K-对策
2、种群生态学
• 种间相互作用 － 竞争(-,-)
竞争可以分为两大类
利用性竞争为利用共同有限资源的生物个体之间的妨 害作用，是通过资源这个中介而实现的。参与竞争的 所有个体都在降低资源的可利用程度，而资源可利用 度的下降影响所有个体，降低它们的适合度。这里没 有个体间直接的行为上的对抗，其主要特征表现为参 与竞争的个体对资源水平的反应
许多生态学理论完全是语言的，而不是数学的。 模型既不等于理论，理论也不等于模型。但是，
严谨的逻辑推理需要模型，因为人类的数量直觉
能力非常差，需要建立模型来确定甚至非常简单 假设的定量逻辑后果。
建模还可促使我们条理化各种前提假设条件，从
而也使结论及其适用范围相应地变得更为清晰。 “数学是使常识精确化的一个手段”
4个主要层次－个体、种群、 群落、和生态系统
个体水平上：探讨个体对其环境的反应，如生理 生态学（主要探讨物理环境因子对于个体功能和 行为的影响）、行为生态学（解释各种动物行为 模式的意义，个体之间的相互作用）
种群水平上：研究单个物种的种群对于环境的反 应，如种群的数量动态和质量（遗传组成）变化 ，以及竞争、捕食、寄生、共生等种间作用（即 对生物环境 护森林等保育问题是等意的
• 但生态学不仅仅是处理污染或者生物保护问题 • 它与环境的关系很大程度上就象物理学与工程 学的关系一样。生态学为保育计划或者污染监测 方案的建立奠定了科学基础。
生态学定义
从最广泛意义上说，生态学是研究生物与 其环境相互作用关系的科学。“环境” 包 括物理环境（温度、水分、等）和生物环 境（来自于种内其他个体或者其他物种个 体的影响）两大类。
式；
To raise new questions, new possibilities, to regard old problems from a new angle, requires
creative imagination and marks real advance in science. – Albert Einstein
Laws of nature and laws of ecology. Oikos, 101: 649-653.
生态学中有定律吗？
肯定派代表人物：L. Ginzburg；P. Turchin; A.A. Berryman 一些候选： 1、代谢生态学：Kleiber异速生长方程 2、Fisher的均衡性比理论 3、种群几何级数增长：马尔萨斯方程等 4、群落生态学：竞争排除法则？ 5、生态化学计量学：P-RNA-生长速率关系 6、种－面积曲线
著名理论生态学家
G. Evelyn Hutchinson (1903-1991)
Robert H. MacArthur (1930-1972)
G. Evelyn Hutchinson
G. Evelyn Hutchinson的学术系统树
Robert H. MacArthur
Robert H. MacArthur (1930-1972)
尺度问题
在不同的尺度上有不同的模式 (个体的空间分布） 不同尺度的模式其内在过程不一致
个性之中发现共性。小尺度的复杂多变与大尺 度的简单恒定
每一物种都是在一定尺度上感受其所处的环境。例如 ，对于大型哺乳类动物是均一的环境对于昆虫来说却 可能是非常异质的。没有所谓的“正确的”尺度，而 应把精力投注于认识和理解系统描述如何在不同尺度 上发生改变
生态学与哲学
• 大牛科学家似乎总要跟哲学发生点关系，就像 娱乐明星总要闹点绯闻一样——来自网络
• Just as life is too short to take everything seriously, it is also too short not to take some things seriously. – Walter K. Dodds (2009).
生 长 或 生 殖 表 现
下限
最适点
适宜区
环境梯度 上限
1、个体生态学
• 水分、温度、光照等物理环境因子对生物 有机体的影响
• 生物与环境的关系不是完全被动的，它 们能对环境胁迫产生适应性反应
• 生物甚至能够改造环境（niche construction; ecosystem engineer）
1、个体生态学
• 一个模式经常可以想象出多个过程加以解释， 需要通过实验来甄别 • 奥卡姆剃刀原则: 若无必要，勿增实体
生态学实验研究
可分为三大类: (1)实验室实验 (2) 野外实验 (3)自然实验。 由于前二者的不可操作性，往往采用自然界提 供的“自然实验” 来检验假说。
宏观生物学与微观生物学的差别
数学模型与理论
Robert M. May
1976年 第一版
Robert H. MacArthur (1930-1972)
1981年第二版
Robert M. May (b.1936)
生态学是一门科学
• 对于很多人来说，生态学是和人类环境问题(尤 其是污染）绑在一起的，例如人们常常提“生态 环境”这个词，尽管严格地说这并不准确
生境破坏是头号杀手
国内专家公认，如果大 熊猫的栖息地不被进一 步破坏，大熊猫种群可 以持续生存下去
哪些种群易于灭绝？哪些种群最能忍 受人类的干扰？
内禀增长率(r) 是一个很好的指标。1/r 衡量了种群受到扰动后恢复到环境容 纳量(K) 所需要的时间。内禀增长率越 大，系统恢复所需的时间越小。因而 那些具有较大增殖潜势的物种。