第五章 种的多度格局

第五章种的多度格局

第一节概述

一、概念

在现代群落生态和种群生态学研究中，测定物种的多度是最基本的工作。当一个群落中全部物种调查清楚后，就可以排成一个多度谱（spectrum of abundance），它反映了群落中物种间的多度关系，是群落结构的重要特点，不同的群落具有不同的多度组成，我们把一个群落中物种的多度组成比例关系叫做该群落的多度格局（abundance pattern）（Tokeshi 1993，张金屯1995，1997b），研究物种的多度格局对理解群落的结构具有重要意义。对多度格局的描述、模拟、形成机制及变化预测等的研究过程叫做多度格局分析（analysis of abundance pattern）。对于简单的群落，种类较少，依种的个体数目多寡次序，列出种及相应的个体数，称做多度排列（abundance rank）；对于种类多、结构复杂的群落则给出有r个个体种类数的观察频率的分布，称为物种的多度分布（abundance distribution）。

种的多度分布可以用多度分布表表示，也可以用曲线图表示。该图叫做“种——多度”曲线(species—abundance curve)。图5.1 就是种——多度曲线的一个例子。图的横坐标是种数的自然分组，因为每一组的中点是其前一组的2倍，故称为“倍程”；纵坐标是每倍程中的种数。该图较明显地反映了群落中的种数以及个体数的分布。

在多度格局分析中，最重要的是用数学的方法结合生态学意义建立多度格局模型（Tokeshi 1990），模拟多度格局在时间和空间上的变化。

二、种多度格局研究进展

多度格局研究的开创性工作是1932年Motomura（1932）提出了一个几何级数模型，当初他的意图是用于描述群落类型在组成上的特点，并且原文是用日文写成的，没有引起生态学者的注意。直到20世纪50年代，一些学者在研究资源分配和生态位模型时，才重新提到他的工作。

1943年Fisher等提出了对数级数模型（log-series model）用于描述种的多度分布，该模型有较广泛的应用，尤其对昆虫群落多度格局的研究，该模型中的系数a 作为物种多样性的指数，也经过了广泛的讨论。Preston沿着Fisher等人的思路，提出了对数正态分布模型（log-normal model），后来Preston（1948）把其叫做“典范假设”，60-70年代，许多学者对该模型感兴趣。1975年May（1975）对该模型的数学原理和特点做了详细的论述，他认为该模型的生物学意义受到限制。Ugland和Gray（1982）也提出类似的观点，认为研究结果决定了该模型的数学特性，到80年代有些学者基于群落的生物学特点，对该模型做了一些修改。另一个统计模型是负

二项分布模型（negative binomial distribution model），该模型被广泛用于描述种群的空间分布格局，但在种群多度格局中用得较少。Pileou（1975）对该模型的统计学原理及在多度格局研究中的应用作了详细的分析讨论。

图5.1 诱虫灯捕获的蛾类集合中种的多度分布

MacArthur（1957）是第一个对生物学意义不明确的统计模提出质疑的学者，他认为对数级数模型、对数正态分布模型及负二项分布模型都强调了统计学分析过程，生物学和生态学意不明确，他结合生态位原理，提出了3种模型：分割线段模型（broken-stick modal ）、重叠生态位模型（overlapping-niche model ）和生态位单元模型（particulate niche-model）。MacArthur自己对第三种模型不大满意。对这3种模型有不少人做过理论研究，但对其在实际群落分析中的应用并讨论所存在的问题是最近的工作。Frontier（1985）引入了一组模型叫做“Zipf-Mandelbrot模型”，这组模型起初主要用于社会经济学分析，Frontier用其分析了生态学数据。但这组模型用的人较少，因为有人认为它是纯数学的，生态意义还不如对数级数模型和对数正态分布模型明确。Hughes（1984）认为对数级数模型和对数正态分布模型不适于物种多度格局分析，提出了动态模型（dynamics model）代替之，他用它描述了222组群落数据，认为拟合是较理想的，生态学意义明确。

Tokeshi（1990, 1993）特别注重生态意义，强调了生态位模型的重要性，他详述了生态位模型的发展。在他的研究中应用并比较了7个生态位模型，其中有些是他

新提出来的。这7个模型是几何级数模型、生态位优先模型（niche preemption model ）、随机分割模型（random fraction model ）、加权随机分割模型（weighted random fraction model ）、优势分解模型（dominance decay model ）和复合模型（composite model ）。1993年Tokeshi 对各种模型的性质、特点以及与生态位、特种多样性的联系作了详尽的论述，现在多数学者喜欢使用生态位模型，因为一个种在群落中的相对多度，反映了其在资源利用、竞争能力、抗干扰能力等方面的综合特征，这些特征多数在生态位占有上可以表现出来。

第二节 种的多度格局模型

用来描述种多度分布的有许多模型，大致分为两类。其一是资源分配模型，它是以种分配到的资源比例的假设来推导种多度分布，也叫生态位模型。另一类是“统计模型”，它是按统计假设而推导的种多度分布。

多度分布模型有的可推出多度排列表，有的可推出多度分布表，或者二者兼有。一般用种——多度曲线表示，结果较直观。不同模型也可能说明同一分布形式。下面我们将介绍各种分布模型。

一．生态位模型

生态位模型(niche model)是具有明确生态学意义的模型，它认为在群落中一个种个体的多少与该种的生态位大小有密切关系，也就是与种对群落环境资源利用和占有有关。目前生态位模型是多度格局的主要模型。

1． 生态位优先模型

生态位优先模型也叫几何级数模型（geometric-series model ）。假设一个群落中有S 个种，有限的资源为1，最优势的种先占了资源的比额K ，剩下（1-K ），第二个优势种又先占了剩下部分的分额K ，所以它占了K (1-K )，而剩下（1-K ）-K (1-K )=(1-K )2。第三个优势种，又先占剩下部分的分额K ，即K (1-K )2, 此后剩下（1-K ）2-K (1-K )2=(1-K )3，……，如此下去，第(S -1)个种占有K (1-K )S -2, 剩下(1-K )S -1, 为最后一个种（第S 个种）全部占用(图5.2)。因此，第i 个种所占的比例为：

1)1(--=i i k k y (5.1)

如果仅考虑群落中最常见的一些种，则第i 个种所占的比例为：

i i i k k k y )

1(1)1(1

---=- (5.2) 对一个群落来讲，k 值应该是一定的。这一模型适用于种类较少的群落分析。 这样，如果种多度与所占资源成比例，则得到从大到小多度排列表（表5.1）