基于种间竞争、捕食、寄生及共生四种博弈关系的生物多样性研究

生物多样性是地球生命的基础，对于维持生态平衡、环境稳定具有关键性作用。如何定性和定量理解生物多样性维持的基本机制是近年来复杂性科学研究中的一个重要课题。本项目根据博弈模型可以描述生态系统的微观动力学机制这一优势，建立描述物种间竞争、捕食、寄生及共生四种作用关系的综合博弈模型，引入个体的繁殖、移动、突变等属性的异质性，考虑物种间关系的非线性、非对称、非均匀等性质，在不同的物种空间分布下，基于进化博弈理论研究生物多样性及其对生态系统稳定性的影响，探索物种空间分布结构和博弈动力学的协同演化行为，揭示相关的物理现象和规律。这些研究在表征生态系统中多种物种间复杂作用关系模型上有较大改进，对于理解生物多样性维持机制及生态系统稳定性，局部作用规则对生态系统宏观组织行为的影响，以及用统计物理和非线性动力学研究交叉学科问题具有重要的理论意义。

考虑真实生态系统中物种间存在竞争、捕食、寄生及共生四种相互作用关系，通过计算机模拟和解析分析相结合的研究方法，采用三态和四态剪刀石头布博弈模型，研究了网络的瞬时长程连接及个体的初始分布条件对生物多样性的影响；建立了一种包含种内互利和互害共生关系的博弈模型。得到如下研究成果：1)在很大的瞬时长程连接概率p范围内，三物种共存，当p大于一定值时生物多样性消失；2)当初始三种群密度相等时，初始空点密度大小对长时间演化后四种状态(三种群及空点)的密度没有影响，当初始三种群密度不等时，三种群密度随时间演化表现出强烈的振荡，且初始密度越不均匀，振荡周期越长，振荡幅度越大；3)当一物种在系统中繁殖力最弱时，系统达到平衡时该物种在系统中所占的比重最大，而该物种的捕食者最弱（物种所占比例最小），当一物种在系统中繁殖力最强时，系统达到平衡时该物种的捕食者在系统中所占的比重最大，而该物种的被捕食者最弱；种内互利和互害共生作用关系对物种演化有显著影响。与此同时，通过野外调查和监测，研究了不同生态地理区域物种多样性与环境间的关系。得到如下研究结果：1)在干旱胁迫的生境下，物种多样性随主导影响因子变化呈单调下降趋势，而在水分条件较好的生境下，物种多样性随主导环境因子变化呈非单调下降趋势；2)解释植物群落分布的最重要的环境因子是冻土活动层深度，随着冻土上限埋深的增加，物种丰富度和多样性指数显著降低，但生物量和植被盖度对冻土上限埋深的变化呈现较弱的响应；3)地上植被的物种多样性指数随着冻土活动层埋深的增加表现出非单调性递减；在冻土活动层埋深约２ m 时，物种多样性指数较高。此外，还富有成效地研究了复杂网络上博弈和疾病传播动力学。研究结果在表征生态系统中多种物种间复杂作用关系模型上有较大改进，对于理解实际生态及生物系统中的物种演化和生物多样性维持机制具有重要的理论意义，并极大地丰富了统计物理学和非线性动力学思想和方法在相关交叉学科中的应用。