生态位理论研究中的数学方法
生态学第01章生态位
第一章生态位科学的发展要求对生物生活的小生境和生物在环境中的作用给予生态学上的分类，生态位就是适应这一需要而产生的。
§ 1.生态位及其计测一、生态位（niche）的概念J. Grinnell （格林尼尔，1917）最早提出生态位一词，用来描述一种生物在环境中的地位。
他指出，加里弗尼亚鸫依赖于环境中的某些物理因素和生物因素，这些因素共同决定着该种的生态位。
实际上他用生态位说明了长嘴鸟鸫所占据的空间位置（spatial niche）。
他定义生态位为：“恰好被一种或一个亚种占据的最后单位”。
因此，最初曾有人把niche 译为“小生境”、“生态龛”。
C. Elton （埃尔顿,1927）是动物生态学家，从个体生态学角度出发，强调一种生物与其它生物在相互关系中的作用，认为一种动物是“处在一定的生物环境中，与食物和天敌的关系，即营养生态位（rophic niche）"。
他不大注意物种对一些特殊条件的生理适应。
他给生态位的定义是：“指物种在生物群落中的地位和角色”。
G. E. Hutchinson （哈钦森，1957）是生态位研究中最有影响的人，他认为可以把生态位看成多维空间或者超体积，即多维生态位（multi-dimensional niche）,在这个范围内，环境可以容许人体或物种不受限制地生活下去。
这是第一次给生态位以数学的抽象，对于一个物种如何确定其生态位就变得清楚了。
例如，研究一个物种与温度的关系，有可能确定这个物种在温度方面的忍受幅度，或者说确定这个物种对一个方面生态位的忍受幅度，即一维生态位。
如果这个物种以种子为食，并且只能取食栖息地中所有的一定大小的种子，那么与温度一起构成一个二维生态位，即一个面。
假定同一物种在植物茎内产卵，第三维就可能是昆虫产卵所需寄生植物茎的宽度，因而可描述一个三维生态位，即一个体积。
如果对这个立体生态位增加更多必需的资源，就可认为是环境中一个n维的、超体积的生态位（hypervolume niche）（图2-1）。
《现代生态学》试题与课堂笔记
考试：现代生态学题量:10题，时长30分钟，总分100分，60分及格姓名：祝小方平安1【多选】生态服务的基本类型有（）• A.供给服务• B.调节服务• C.文化服务• D.文化服务【参考答案】A,B,C,D2【多选】生物系统过程三要素指（）• A.网络关联• B.过程强度• C.反应速率• D.时间动态【参考答案】B,C,D3【判断】气候因子属于非生物因子（）• A.正确• B.错误【参考答案】A4【单选】（）是图灵提出的一种抽象的计算模型，基本思想是用机器模拟人们用纸笔进行数学运算的过程• A.“图灵机”• B.“分形理论”• C.混沌理论• D.“耗散结构理论”【参考答案】A5【判断】大胆假设加上缜密的逻辑思维，就能得出准确的实验结果（）• A.正确• B.错误【参考答案】B6【单选】“在不同的空间尺度和等级层次上认识研究对象”指生态学认识论原则的（）• A.进化观• B.层次观• C.综合观• D.整体观【参考答案】B7【判断】鱼类聚群行为说明了系统的自相似特征（）• A.正确• B.错误【参考答案】B8【单选】在我国苔原地带中，典型代表动物是（）• A.斑马• B.牛羊• C.驯鹿• D.北极熊【参考答案】C9【多选】生命系统的基本属性有( )• A.维度• B.结构• C.过程• D.功能【参考答案】B,C,D10【判断】著名物理学家薛定谔提出了“耗散结构理论”（）• A.正确• B.错误【参考答案】A一、绪论1.主要内容——介绍现代生态学的基础理论、整体框架、学科分支、前言成果，以及学科独有的思维方式。
——另者还分析交叉问题，包括生态学与经济学、社会学以及文化的交叉。
2.现代生态学：在横向上与多学科交叉；在纵向上与时俱进。
3.知识体系：基础理论、实验生态学、学科方法论。
（1）主要介绍前沿的方向、热点，比如等级层次中的区域生态学和全球生态学；（2）还有可持续性科学，比如基本人权中的人均排碳，这不仅关于科学研究，还与国家决策、民族复兴相关；（3）人类自然耦合性（coupling of human and natural system）。
生态学简答题
③空气呈现高二氧化碳低氧气，影响土壤微生物种类、数量和活动，进而影响植物营养状况；
④温度对植物生长发育密切相关，导致土壤动物产生行为适应变化。
8. 大气中氧气和二氧化碳浓度与生物的关系。
答：大气中的氧气与二氧化碳关系到生物生存，二氧化碳是植物光合作用的原料，不同植物利用二氧化碳的效率不同。氧气是动物生存的必需条件（厌氧动物除外），动物能量代谢要消耗氧。大气压氧分压随着海拔升高而下降，高海拔低氧是内温动物生存的限制因子，内温动物对高海拔低氧的适应表现在加大了呼吸深度，增加了肺泡气体弥散能力，增加了组织肌红蛋白数量，增加了红细胞数量及血红蛋白浓度，提高携氧能力。
4. 生物对光照会产生哪些适应？
答：光照有日周期和年周期的变化，日照长短对生物起了信号作用，导致生物出现日节律性的与年周期性的适应性变化其中有：
1）、生物的昼夜节律；
2）、生物的光周期现象：1）、植物的光周期现象：a、长日照植物 b、短日照植物c、中日照植物 d、日中性植物
它对维护生态平衡有着重要的指导意义：①对已退化的生态系统，经人为修复使其负反馈系统恢复正常，生态系统就能得到修复。②在生态系统的利用中，不能超过其生态阈值，否则负反馈作用下降，生态系统将遭到破坏。③生物多样性愈高，结构愈复杂，负反馈功能就愈强，生态平衡就愈稳定。因而生物多样性的保护在维护生态平衡方面很重要。
四、问答题（每题10分）
1. 比较三类生态学研究方法的利弊。
答：生态学的研究方法可以分为野外的（田间的）、实验的和理论的三大类。
野外的研究方法是首先的，并且是第一性的。采集数据时误差较大，而且野外条件下影响因子很多我们关注的未必就是关键性的因子，从而得出不正确结论。
复杂生态系统的模糊数学模型.
物种利用周围环境的能力, 我们还可以把这种生态位的重叠推广到多个物种的情形。
模型 2 设物种 x 1, x 2, …, x m 的生态位分别为 H x 1 (Κ1) , H x 2 (Κ2) , …, H xm (Κm ) , 则多物种生态位 重叠为:
H x (∧)
Κn) 分别表示生物生存和生殖的全部生态因子 (生物因子和非生物因子) 的坐标, 则 n 维空间的集合
套 H (∧) 就是物种 X 的生态位。
H (∧) 是由 n 维向量组成的, 从几何意义上说就是 n 维超体积, 其内包含物种生存和生殖有关
的所有生态因子, 如温度、湿度、海拔梯度、pH 值、资源、时空、竞争等。
空间中也即实际生态位。由集合套理论: 设 Ν1、Ν和 Ν2 分别表示相对某一生态因子的生态幅度量, 则
H (Ν1)、H (Ν) 和 H (Ν2) 分别表示物种的理想生态位, 基础生态位和实际生态位, 当 Ν1< Ν< Ν2 时, 有
H (Ν1) Β H (Ν) Β H (Ν2)。上式恰好表示了物种实际生态位始终是基础生态位和理想生态位的子集,
生态位是指物种实际占有生物环境和生物开拓利用环境的能力的总和, 它要与环境进行物质、 能量和信息的交流与流通, 是一种耗散结构, 一个完全开发的动态系统。 从几何意义上看就是 n 维 超体积, 其内包含物种生存和生殖有关的所有生态因子, 如温度、湿度、海拔梯度、pH 值、资源、时 空、竞争等。 生态位包含两方面的内容, 一是生物占有的生存空间, 二是生物对环境的利用。
其中, H x y (Κi) = (H x (Κ1i) ∩ (H y (Κ2i) = [m ax (m 1i, m 2i) , m in (n1i, n2i) ], Κ1i∈[m 1i, n1i ], Κ2i∈[m 2i, n2i ]。 H x y (Κi) 表示物种 X 和物种 Y 在第 i 个生态因子 Κi 上投影生态位 H x (Κi) 和 H y (Κi) 的重叠,
生态位
重合
重合
两个地区，虽然地理上被分隔，但却有着相似的非生物因素，在这两个地区生活的物种会占有相似的生态位。 这会导致趋同演化的发生，即是两个物种虽然无亲缘关系，但却各自独立的发展出相似的身体构造去适应环境。 南极的捕鱼能手，不会飞的鸟--企鹅和已灭绝的欧洲的大海雀一样占有相似的生态位。澳洲的袋鼹和欧洲的田鼠 都有挖土铲的前肢，它们在泥土中挖掘通道，捕食细小的动物，它们占有相似的细小地下肉食性动物生态位。
词义演变
词义演变
1910年，美国学者R.H.约翰逊第一次在生态学论述中使用生态位一词。1917年，J.格林内尔的《加州鸫的 生态位关系》一文使该名词流传开来，但他当时所注意的是物种区系，所以侧重从生物分布的角度解释生态位概 念，后人称之为空间生态位。1927年，C.埃尔顿著《动物生态学》一书，首次把生态位概念的重点转到生物群落 上来。他认为：“一个动物的生态位是指它在生物环境中的地位，指它与食物和天敌的关系。”所以，埃尔顿强 调的是功能生态位。 1957年，G.E.哈钦森建议用数学语言、用抽象空间来描绘生态位。例如，一个物种只能在 一定的温度、湿度范围内生活，摄取食物的大小也常有一定限度，如果把温度、湿度和食物大小3个因子作为参数， 这个物种的生态位就可以描绘在一个三维空间内；如果再添加其他生态因子，就得增加坐标轴，改三维空间为多 维空间，所划定的多维体就可以看作生态位的抽象描绘，他称之为基本生态位。但在自然界中，因为各物种相互 竞争，每一物种只能占据基本生态位的一部分，他称这部分为实际生态位。
要讨论种群结构，必须引入几个附加名词。在对同类群或局部繁殖种群的比较上，我们将采用更普遍的孟德 尔式种群的表达来表示以交配和家系纽带联系着的个体系统，或具有共同基因库的繁殖同伴。如此，一个孟德尔 式种群便可看作是像一个同类群一样小或像整个物种一样大。多态变异表示一个同类群中的变异。而同地分布的 这个词表示生活在同一故土，也表示同一同类群的成员或者由于彼此接近至少成为潜在偶配的那些个体。一个比 较定量的定义是说，同地分布的石Qi体是指那些在一个个体及其所生后代的地点间的平均距离上被发现的有机体。 这个定义是对个体的潜在配偶必然居住于其中的区域的一千粗略量度。异地分布意味着生活在另一故土，也衷东 个体居住得如此遥远，以致它们不可能成为潜在的配偶。平行分布意味着居住在相邻区域，它表示地理上相邻的 种群沿着接触带有可能交配。因此，多态变异是同类群内的变异，而不同的同类群遗传上常常彼此不同，故同类 群间的变异常被称作多型变异。
初中生物生态位教案
初中生物生态位教案目标：让学生了解生态位的概念，并能够应用生态位理论解释生物在生态系统中的角色和相互关系。
教学目标：1. 理解生态位的概念和特点；2. 掌握生态位的计算方法；3. 能够应用生态位理论解释生物在生态系统中的相互关系。
教学重点：1. 生态位的概念和特点；2. 生态位的计算方法；3. 生态位理论在生态系统中的应用。
教学难点：1. 生态位计算方法的理解和运用；2. 生态位理论在实际生态系统中的应用。
教学准备：1. PowerPoint课件；2. 生态位计算实例。
3. 生态系统模型或实例。
教学流程：Step 1：导入新知识（5分钟）通过一个生物在生态系统中的案例引入生态位的概念，让学生直观了解生态位的重要性和意义。
Step 2：学习生态位的概念（15分钟）通过PowerPoint课件介绍生态位的定义、特点和计算方法，让学生掌握生态位的基本概念。
Step 3：生态位的计算方法（20分钟）通过实例演示生态位的计算方法，让学生进行实际操作，加深对生态位计算的理解。
Step 4：生态位理论的应用（15分钟）通过生态系统模型或实例，让学生应用生态位理论解释生物在生态系统中的相互关系，加深对生态位概念的理解。
Step 5：课堂讨论（10分钟）组织学生进行小组讨论，让他们分享自己对生态位的理解和应用，促进学生对生态位理论的深入思考。
Step 6：课堂总结（5分钟）对本节课的重点内容进行总结，并与学生讨论生态位理论在生态系统中的重要性。
教学反馈：布置生态位计算作业，以检测学生对生态位的理解和应用水平。
生态学复习知识点
生态学复习知识点1 生态学定义及生态学研究包括那几个空间尺度定义：研究生物与生物之间、生物与环境之间的相互关系和作用规律的科学。
空间尺度：局域尺度：个体在这一尺度内完成取食和繁殖等活动。
集合种群尺度：在该尺度内，扩散个体在不同的局域种群之间迁移。
地理尺度：一个物种所占据的整个地理区域，一般个体不会扩散出该区域。
2生物圈的定义地球上所有的生物及其无机环境的总和，即全球生态系统的总和。
3生物学研究基本方法野外研究：野外直接观察，但不易重复数据收集、处理实验室研究：重复性强，但与外界真实环境相差太远。
理论研究：建立数学模型，解决真实情况下不能解决的问题，但与客观实际相差太远。
4生态学的特点及研究生态学的意义特点：是自然科学生物科学体系中的一个分支，环境学科的基础，与其他科学的交叉，不带有政治色彩。
意义：生态学的研究，将使人们从世界范围，从整个生物圈角度来考虑环境问题，进一步认识人与生物圈的关系，设法恢复和保持生物圈的动态平衡，为合理开发自然、建设国土提供指导。
5生态因子的定义，生态因子作用特点及分类生态因子：指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境因素，如光照、温度、湿度、气体、食物及其他生物等。
作用特点：（1）生态因子的综合作用（2）生态因子的非等价性(主导因子作用)（3）生态因子的直接作用和间接作用（4）生态因子的阶段性（5）生态因子的不可替代性和补偿性作用。
分类:1根据性质把生态因子归纳为五类：气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子。
2按有无生命分：生物与非生物3按生态因子的稳定性及其作用特点分：稳定因子与变动因子4按对生物种群数量变动的作用分：密度制约因子与非密度制约因子6 生态幅的定义，生态型的定义，生活型定义，环境定义生态幅：每一种生物对每一生态因素都有一个耐受范围，即有一个最低耐受值和一个最高耐受值（或称耐受下限和耐受上限），它们之间的范围，就称为生态幅或生态价。
物种或种群生态位宽度与生态位重叠的计测模型_李德志
第42卷第7期2006年7月林业科学SCIE NT IA SILVAE SINICAE Vol 142,No 17Jul.2006物种或种群生态位宽度与生态位重叠的计测模型李德志1 石 强1 臧润国2 王绪平1 盛丽娟1 朱志玲1王长爱1(11华东师范大学环境科学系 上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室 上海200062;21中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京100091)摘 要: 提出生态位宽度和生态位重叠的新定义及其若干测度模型。
对不同学者提出的许多测度生态位宽度和生态位重叠的模型进行分析和评述。
迄今为止,在国内限于单一生态资源轴上的生态位参数计测研究很多,随着多维生态位计测方法的不断发展,物种或种群在多维生态空间内的生态位宽度和生态位重叠计测,将备受关注。
关键词: 物种;种群;生态位宽度;生态位重叠;模型中图分类号:S71815 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2006)07-0095-09收稿日期:2005-02-18。
基金项目:国家自然科学基金项目(30370245;30470288;30430570),/十五0/211工程0华东师范大学生态学重点学科建设子项目,上海市生态学重点学科项目。
Models for Niche Breadth and Niche Overlap of S pecies or PopulationsLi Dezhi 1 Shi Qiang 1 Zang Runguo 2 Wang Xuping 1 Sheng Lijuan 1 Zhu Zhiling 1 Wang Chang .ai 1(11Sh an gha i Key La bo ratory for U rba ni zation an d Ecologica l Restora tion De partmen t o f En vironmen tal Scien ce ,East Chin a No rmal U ni ve rsit y Sha ng hai 200062;21Institute o f Fo rest Ecolog y ,En vironmen t an d Prote ction ,C AF Bei jin g 100091)Abstract : The concepts and se veral models of nic he breadth and niche overlap of a species or population were given.Re viewing and analyzing the models for measuring the niche breadth and nic he overlap,which we re put forward by different authors.Although so far in China,most of the studies on the niche paramete r limited in the single ecological resource axis,along the de velopme nt of the methods for multidimensional niche measurement,the research on the multidimensional niche breadth and niche overlap would be paid more attent ions and would bec ome the main strea m.Key words : species;popula tion;niche breadth;niche overlap;model生态位理论是生态学中最重要的基础理论和核心思想之一(Whittaker,1975;曲仲湘,1986;王伯荪,1987),在生态学研究的诸多领域被广泛应用,并对生态学的许多核心问题做了成功的解释。