高中生物中有关种群数量增长率和增长速率的比较

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  种群数量变化曲线是高中生物选修三《稳态与环境》中的重要考查内容,常见的题型一般有根据图像判断种群变化所对应的曲线模型,或者判断种群增长率与种群增长速率之间的区别与联系。种群增长率与种群增长速率之间虽然只相差一个字,但是其所表示的内容却完全不同,高中考生往往很容易将两者概念混淆,导致在做题与日常学习中犯不该犯的错误。而有关种群的增长,在理想和自然条件下,建立了两种不同的模型,本文将从两种模型分析和讨论增长率与增长速率之间的联系与区别,使大家更好的辨析这两种概念。
  一.种群增长率与种群增长速率
  1.种群增长率的定义与计算公式。种群增长率:种群在一定的时间内,增加的个体数量占原有数量的比例,称为增长率。一般还可以认为是出生率与死亡率的差值。
  计算公式=(现在的种群个数-原来的种群个数)/原来的种群个数=出生率-死亡率
  特点:增长率只是数值,不存在“单位”。其意义在于看新增加个体数的占比。
  2.种群增长速率。增长速率:指新增加的个体数与时间的比值,即在单位时间内种群新增加的个数。单位一般为“个/年”或者“个/分钟”。
  计算公式=(现在的种群个数-原来的种群个数)/增长所用时间
  特点:种群的增长速率是数量-时间曲线上各个时间点的斜率,有单位,并且在不同的种群模型曲线中,变化不同,其意义在于看数量在单位时间内的变化。
  3.联系与区别。增长率与增长速率都与种群数量变化相关,两者的关系有点类似于高中物理中所学的速度与加速度的关系,增长率始终都是数值,而增长速率是一个比值。
  二.J型曲线模型
  1.模型假设条件。在理想的条件下,空间条件充裕,气候适宜,食物富足,没有任何天敌的情况下,种群个体数量在一定的时间内将以倍数的形式增长,设定增长倍数为a,而a在理想条件下为定值,保持不变。在自然界中,一般不存在该种情况,可能会在种群迁入新环境的前期发生。(如图1所示)
  2.模型建立。例如:细菌每30分钟分裂一次,在培养基和生长空间无限多的情况下,细菌种群的增长不受任何影响,此时细菌的a=2,而细菌第一次分裂数量是2,第二次分裂数量为2×2,第三次分裂数量为2×22,则第n次分裂的数量为2×an-1=2n。
  3.模型分析。由上述的细菌模型结合增长率与增长速率公式可知,细菌在第n次之后的增长率应为(2n-2n-1)/2n-1=(2-1)=1,实际上增长率亦为(a-1),可见,a为定值,在该模型增长率应该也是定值,保持不变。而增长速率应为(2n-2n-1)/0.5n(单位个/小时),增长速率随着n的增加而不断增加,所以增长速率是以指数形式增长的。
  4.结论。在J型曲线中,种群的增长率为a-1,是定值,保持不变;而增长速率为(2n-2n-1)/0.5n,会随着种群数量的增加而不断增加。
  三.S型曲线模型
  1.模型假设条件。在自然条件下,不可能存在无限资源和空间的理想情况,有限的食物与生存环境,使得种群数量不能成倍数的无限增长下去,出生率会逐渐降低并且伴随着死亡率的逐渐增大,当种群数量达到环境所能承受的最大值(以K表示)时,种群将停止增加,保持相对稳定,此时时间-种群曲线即呈现出“S型”。一般自然界中的种群生长均符合该模型。(如图2所示)
  2.模型分析。在S型曲线模型中,种群数量不能无节制增长,种群密度逐渐增大,出生率和死亡率都在不断变化当中根据计算公式可知,增长率为出生率与死亡率的差值,差值会越来越小,由此可知增长率是不断减小的;当种群会在达到数量最大值K时,种群总体数量停止增加,此时出生率等于死亡率,增长率降低为零。所以在“S型”曲线模型中,种群的增长率是不断下降的。
  由“S型”曲线图可知,在t1时间前,种群生长环境还较为理想,食物较为充足的情况下,种群的出生率是大于死亡率的,曲线斜率不断增大,即此时种群的增长速率是不断增大的,且在种群数量达到K/2时,增长速率达到最大值;而t1时间过后,种群数量趋于饱和,食物与空间有限,种内斗争更加激烈,天敌数量也开始增加,导致曲线的斜率越来越小,增长速率逐渐减小,当达到最大值K时,出生率等于死亡率,此时增长率与增长速率都降为0,种群停止增长。
  3.結论。S型曲线中增长率是不断减小的,当种群数量达到最大值K时,增长率降低为0;增长速率是先增大后减小的,在种群数量为K/2时,增长速率达到最大值,而当种群数量稳定在K值时增长速率和增长率都为零。
  综上所述,无论是“J型”曲线或者“S型”曲线中的增长率或增长速率,我们都应该准确的把握好各名词的概念,从概念中获得想要的信息。但是这两种种群变化曲线还是在不考虑其他因素的情况下所定义的,而实际种群的数量变化更为复杂多样,所以在遇到具体问题时还需根据实际情况做分析,不能一概而论。
  参考文献
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  [3]魏威.辨析种群增长率与增长速率一字之差[N].生物学通报,2008,43(8):22-23
  (作者单位:武昌实验中学)
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