生活史对策概述
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生活史与生活史对策:
生活史(life history)意为生物从其出生到死亡所经历的全部过程,也叫生活周期(life cycle)。
生活史性状包括出生时个体大小;生长形式;成熟年龄;成熟时个体大小;后代的数量、大小、性比;特定年龄和大小的繁殖投入;特定年龄和大小的死亡规律;寿命等。
生活史对策(life history strategy)是指生物在生存斗争中获得的生存对策,也称生态对策(bionomic strategy )或进化对策,例如生殖对策、取食对策、迁移对策、体型大小对策等
主要内容:
任何生物做出的任何一种生活史对策,都意味着能量的合理分配,并通过这种能量使用的协调,来促进自身的有效生存和繁殖。每个生物具有生长、维持生存和繁殖三大基本功能,生物必须采取一定的策略配置能够获得的有限资源,其核心主要强调在特定环境中提高生殖、生存
和生长能力的组合方式.
1)生长对策
● 生长速度
早期演替种:早期迅速生长,具开拓对策(白桦)
后期演替种:早期生长缓慢,具保守对策(红松)
● 生长方式
以温带木本植物为例,其顶枝形成有两种主要方式:
1有限生长类型:顶枝在冬季完全定型,冬芽形成时就决定了叶子数目。
2无限生长类型:冬芽只含有少量叶原基,在下一个生长季,顶枝尖端在生长季内还能产生新的叶子和节间。
● 根冠比率—物质分配
2)生殖对策
生殖对策实际就包括两个方面的问题:
第一是生殖者存活的问题,也即生殖的代价问题,生物生殖必然带来变化的生理压力和个体危险,因此,也就必然会影响到生物的生存;
第二是生殖的效率问题,生物选择的对策,都旨在提高生殖的效率,这一点可从植物的生殖行为中证实。
1)体型效应
物种个体的大小与其寿命有很强的正相关关系。
2)成体的存活与繁殖
成熟个体存活率低,生物繁殖越早,投资于繁殖的能量越多;成熟个体存活率越高,生物的繁殖期越晚(个体较大),分配于繁殖的能量就越少。
3)当前繁殖与未来繁殖
如果未来生命期望低,分配给当前繁殖的能量应该高,而如果剩下的预期寿命很长,分配给当前繁殖的能量应该较低。
4)后代大小与数量
一般来说,种子越小,数量越多。
5)休眠和迁移
适应变化的环境,是一种能量协调使用的生活史策略。
休眠:使生物在时间上越过一段不利的时期;
迁移:使生物在空间上移到更适宜的地点来躲避恶劣的环境。
•r-对策(r-strategy):
生活在条件严酷和不可预测环境中,种死亡率通常与密度无关,种内的个体常把较多的能量用于生殖,而把较少的能量用于生长、代谢和增强自身的竞争能力。
•r-选择( r-selection)者 :
采取r-对策的生物称r-选择者,通常是短命的,生殖率很高,可以产生大量的后代,但后代的存活率低,发育快,成体体形小,具有高的能量分配和短的世代周期。
•K-对策(K-strategy):
生活在条件优越和可预测环境中,其死亡率大都取决于与密度相关的因素,生物之间存在着激烈的竞争,因此种内的个体常把更多的能量用于除生殖以外的其他各种活动。
王文杰•K-选择(K-selection)者:
采取K-对策的生物称K-选择者,通常是寿命比较长,种数量稳定,竞争能力强,个体大但生殖力弱,只能产生很少的后代,亲代对后代有很好的关怀,发育速度慢,成体体形大,具有低的繁殖能量分配和长的世代周期。
r-K策略连续体:
•r-K连续体( r-K continuum ): r-选择 和K-选择是两个进化方向的不同类型,从极端的r-选
择到极端的K-选择之间有许多过渡类型,有的更接近于r-选择,有的更接近于K-选择,两者间有一个连续的谱系, 称 r-K 策略连续体。
R-C-S生活史样式 (Grime, 1979)
•三种生活史样式:R(ruderal); C(competition); S(stress)
●R(干扰型):在资源丰富的临时生境中的选择
●C(竞争型):在资源丰富的可预测生境中的选择
●S(胁迫忍耐型):在资源胁迫生境中的选择
•三种生活史样式与三种可能的资源分配方式相一致
●R-选择:主要分配给繁殖
●C-选择:主要分配给生长
●S-选择:主要分配给维持
研究历史和现状:
1954年,英国鸟类学家莱克(Lack)在研究鸟类生殖率进化问题时提出,生殖率和动物其他特征一样,是自然选择的结果。每一种鸟的产卵数,有以保证其存活的幼鸟数最大为目标的生态学倾向。成体大小相似的物种,若产小卵,其生育力就高;如果产大卵,其生育力就低。也就是说,可利用的资源是有限的,如果动物把有限的能量用于保护幼体的存活,则必然难以同时提高生育能力,这涉及到进化中能量分配的问题。在自然界中,动物总是面临着两种相反的、可供选择的进化对策。一种是低生育力的,亲体有良好的保护和关怀幼体的行为;另一种是高生育力的,没有亲体关怀的行为。两种可能中必须选择其一,这称为两者间的权衡(trade-off)1967年,麦克阿瑟和威尔逊(MacArthur和Wilson)推进了这个思想。他们首先按栖息环境和进化对策把生物分成r-对策者和K-对策者两大类。他们认为,环境是一个连续的谱系。其一端是气候稳定的,天灾很少的系统;例如热带雨林就属于这种情况,它是生态上饱和的系统,动物密度很高,竞争剧烈;另一端是气候不稳定,难以预测的天灾多的地方,如寒带或干旱地区,它们属于生态上真空、没有密度影响、没有竞争的类型。在前一类环境中的称为K-选择;在后一类环境中,称为r-选择。
r-,K-选择是一种与密度或拥挤度相关的一维选择。按照有机体投入到繁殖当中的能量比例沿r- K连续体排开,投入能量高的为r-选择种,投入低的为K-选择种。事实上,r-,K-选择是相对的,只标明有机体的相对属性,没有哪一个种完全是r- 或K-选择。
按照MacArthur和Wilson的原意,r-种完全处于生态真空之中,不受密度,不存在竞争,而K-选择种处于高密,竞争激烈的完全饱和的生态系统内。K-对策只注重种的繁殖和散布能力。尽可能地将能量投入到繁殖中去,最大限度上占有资源;后者设法增大存活可能,只繁殖少数竞争力极高的后代。
r-,K- 选择理论的优点在于简捷和高度概括性 ,因而具有相当强的感染力。其致命的弱点有两条。第一,将种的生活史解释为由单一选择压作用的结果,把种的生活史对策过分简单化了,不能解释生活史格局的多样性。这种作法实际上掩盖了生活史对策的进化。第二,r - K- 选择理论是以logistic方程为模板提出的用它来预测生活史缺乏种数量统计(demography)方面的基础。
把 r-,K-对策与种数量统计联系到起的是PiankaH,他将r-和K-选择种的特性概括为一张对比表,对比项目有气候、死亡率、存活率、种大小、种内和种间竞争、寿命、选择倾向以
及概括特性等。Pianka首次将环境因素引入r-, k-选择理论发展了r-,k-对策理论。Gadgil和Solbrig比较了Taraxacum officlnale的几种生态型,它们生长在干扰程度不同的生境中,不同的生态型分配到繁殖组织申的能量不同。对于适应性较广的种,处于变动的不确定气候下的种,倾向于r-选择;反之,则倾向于K-选择。看来,种在r-K连续体上的位置受制于生态系统的特性和种在该生态系统中的作用。
r-,k-对策还具有时间动态的特点同一物种在不同时期具有不同的对策,此时为r- 对 策,彼时可能为K-对策;或者同时具r-和k-对策,比如大量小种子的r-对策和低繁殖效力的k-对策,只是不同时期两者各占的比例不同罢了。在动态对策下,个体其在条件有利的时期繁殖或存活。这充分表明环境不确定性是生活史对策的重要选择因子。
Grime将植物生物量增长的外部因素分为两大类:逆境和干扰。 加上竞争项,则构成他的“ 三对策模型,也称“Grime三角模型”。他将逆境定义为限制植物全部或部分千物质增长的外部强制因素,比如光照、水分或矿物质不足,以及温度不适。将干扰定义为破坏植物生物量的外力,比如,风、霜冻、干燥土壤侵蚀和火烧等物理因素,以及人、植食动物和病害等生物因素。他认为竞争对策主要在生产力高、干扰不频繁的落中出现。具备这种对策的植物根/
茎比、叶面积和根的表面积大,并且变化迅速。逆境忍耐对策总是与生产力不高、干扰弱的状况相伴,植物外形小,变化缓慢。而杂草对策为干扰强烈、潜在生产力高的生境植物所特有。采用该对策的植物无性生长减弱迅速,资源转向种子的生产。
Grime也明确表明三角模型与r-K连续体的关系。该模型不同于r-,k-对策模型的最重要之处在r-K连续体上,r-端更多地表现为抗干扰能力较强,K-端为忍耐逆境的能力强,连续体中部的广大区域的种则表现竞争对策。
Wilburm提出的多维选择概念,除竞争和环境不确定性两维外 ,将植食者取食选择也列入。认为一个种所受的选择力要视其在三维空间的位置而 定。由于竞争能力和每年幼苗发生机会高度不确定性的双重强度选择,物种可能推迟成熟,种粒较大,并且多次繁殖。植食者取食可以分为:取食种子、幼苗、根、茎、叶、芽、花和子房。Janzen 曾讨论种子和幼苗对取食的适应。
Wilburm等的研究表明,在可确定的环境中,每年存活率都恒定的种结实量大,甚至 以成熟植株存活率低为代价。在极不确定的环境下,植物存活决定于环境因素,如降雨大小、无霜期长短等。这样的种寿命长,每年的结实量小。上述三种选择压相互之间不是独立的。如降
雨的不确定性可能影响竞争格局,上一次霜冻时间可能决定取食格局。
除了Grime本人和其同事,现在还有其它学者利用 C S R理论进行生产力和多样性关系、植被演替、植物分布、生态恢复等理论和实践研究。
对C S R理论的讨论已经进行20多年,而且还在进行。Tilman的理论与Grime的理论抵触很大。Tilman认为植物生长与一种或几种资源有关,植物对策表现为对各种可利用资源不同组合的不同适应方式。R*为最小资源有效性,对应于一种植物的需求,源于植物吸收资源量与资源补充间的关系。在大批竞争植物种中,最有竞争力的植物就是具有最小R*的植物。Wilson等对Grime的C S R理论述评为:已有证据并不支持“在高度干扰的生境‘竞争’和‘胁迫’点位间的物种组成无差别”;支持C S R理论的证据有限;作为落生态学的预测模型其实用价值有限;截止目前这一理论仍然是落生态学中最具有综合性、系统性的理论
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