多物种集合种群动态同步性的数学模型与机理研究

The research object of this project is metapopulation with Intraguild predation (IGP) system. The main research contents are studying the effects of migration strategy and colored noise on the synchrony of metapopulation with IGP system through the theoretical analysis and the computer simulation. The main methods include Master Stability Function approach, explicit spatial models and so on. Furthermore, we plan to develop a mathematical method for generating time series with desired spatial correlation and color. This project tries to find out the basic principle of spatial synchronization of multispecies populations through dynamic analysis under the different landscape structure and migration patterns, and then find out the new conclusions about synchrony from single species to multispecies metapopulation. On the basis of the conclusion, we will give some strategies of setting the migration corridor. Its expected results contribute to enriching and developing spatial population synchrony theory and play an important role in protecting endangered species.

本项目以IGP系统集合种群为研究对象,拟将生态学与数学有机结合,以集合种群同步性为主要研究内容,通过理论分析与计算机模拟综合研究迁移策略和有色环境噪音对IGP系统集合种群同步性的影响.拟采用的研究方法包括主稳定函数方法、空间显含的模拟方法等,力求建模方法上的先进性和易操作性.本项目还将通过研究创造一套数学方法用来构造具有指定空间相关性和噪音颜色的空间相关有色噪音,从而为将来研究空间相关有色噪音在生物系统中的作用提供一个方便的工具.通过不同的景观结构和迁移模式下的动态分析,揭示多物种集合种群同步的基本原理,重点关心从单物种到多物种集合种群同步性的新结论.在此基础上,从理论上研究斑块间迁移廊道设置导致的援救效应和同步能力间的权衡问题,力求为自然保护区的迁移廊道的设置提供理论依据.预期结果对丰富和发展空间种群同步性理论和濒危物种的保护有一定的作用.

当前，如何制定措施保护濒危物种已经迫在眉睫，而集合种群同步性理论在其中起到重要作用。空间同步性可以增加灭绝风险从而破坏集合种群的续存。迁移和生物相互作用都可以非常强的影响空间同步性。本项目以多物种集合种群同步性为主要研究内容，通过数学分析和计算机模拟方法研究了不同物种迁移的同步潜力和不同迁移方式以及有色噪音和空间异质性对同步性的影响，得到了一些有意思的结果。研究发现：(1) 对于三物种的食物链系统，系统中每个物种非密度依赖的迁移提高了该物种的动态同步性。中间物种的迁移是最强的同步因子。相应的，中间物种密度依赖的捕食者追逐和食饵逃逸的迁移方式破坏系统的同步性。基本物种的强的食饵逃逸和顶级物种适中的捕食者追逐策略都会导致高的集合群落同步性。这与两物种捕食系统集合种群的研究结论也不同，这些都是多物种集合群落同步性的新结论。我们的结果揭示了在三物种系统中，密度依赖迁移和空间同步性的复杂关系。(2)推广了经典的Moran定理。利用二阶自回归过程的种群模型，通过数学分析和计算机模拟深入分析了种群异质性和噪音颜色对空间同步性的影响。结果表明种群动态异质性不利于空间同步性，但详细的关系比较复杂。而红色噪音的同步能力体现在两方面：一方面，本身相关性对同步性有贡献；另一方面，环境变化时间相关性可以通过改变种群密度依赖来影响同步性，但对同步性的影响并无一致性的结论，依赖于种群平均动态等因素。(3)对于IGP（Intraguild predation）系统，数值模拟表明庇护所对系统的物种共存有重要影响，但结果强烈依赖于所引入模型中的庇护所的类型。我们的研究也表明除基本资源利用庇护所外，其他食饵利用庇护所都对物种共存不利。对比以前的同类研究，发现食饵庇护所对物种共存的影响中，空间结构可能有非常重要的作用。本项目的研究结果对理解同步性的机理、利用同步机理来制定物种保护策略和害虫防治都有重要的意义。